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1、,2013年9月,钢结构设计原理,Design Principles of Steel Structure,1.1 钢结构的发展简史,1.2 钢结构的特点及应用,1.4 钢结构的设计方法,1.3 钢结构的主要结构形式,1.5 钢结构的新发展,1.6 钢结构课程的学习,由钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢以及钢索为主材建造的工程结构，如房屋、桥梁等，称为钢结构。,什么是钢结构?,钢结构是土木工程的主要结构形式之一。钢结构与钢筋混凝土结构、砌体结构等都属于按材料划分的工程结构的不同分支。,结构：基本构件组 成的受力体系， 建筑物(构筑物) 的骨架,1.1 钢结构的发展简史,古代,钢(steel)
2、是铁碳合金，人类采用钢结构的历史和炼铁、炼钢技术的发展是密不可分的。 早在公元前2000年左右，在人类古代文明的发祥地之一的 美索不达米亚平原（位于现代伊拉克境内的幼发拉底河和底格里斯河之间）就出现了早期的炼铁术 。 早在战国时期，我国的炼铁技术已很盛行。 我国是最早用钢铁建造承重结构的国家 1.铁桥墩(始皇) 2.铁链桥 3.铁塔,1705年建成的四川泸定大渡河桥，桥宽2.8m，跨长100m，由9根桥面铁链和4根桥栏铁链构成，两端系于直径20cm、长4m的生铁铸成的锚桩上。,公元1061年（宋代）在湖北当阳玉泉寺建成的13层铁塔,十九世纪五十年代前为铸铁结构，这是钢结构的前身结构。 1851
3、年英国伦敦第一届世博会的水晶宫是铸铁结构的典型建筑(9万平米,6个月，用4500吨铸铁、10吨玻璃建成，1936年火毁)。它是英国工业革命时期的最具有代表性的建筑。,近代,1870年生产型钢，标志着人类社会开始由铸铁结构转为钢结构。,巴黎的标志艾菲尔铁塔,1889年为纪念法国大革命100周年建造的埃菲尔铁塔。于1887年11月26日动工1889年3月31日竣工，历时21个月，铁塔占地12.5公顷，高320.7米,重7000吨,由18038个优质钢铁部件和 250 万个铆钉铆接而成，建筑设计中最著名的是防范强风吹袭的对称钢结构设计。以艾菲尔铁塔为标志，钢结构应用有110多年的历史。,第一座依照现
4、代钢结构框架结构设计原理建造起来的高层建筑是芝加哥家庭保险公司大厦（1883-1885）共十层。这是真正意义上世界上建造的第一座钢结构大厦。,芝加哥家庭保险公司大厦,芝加哥是美国摩天大楼的发源地，从此人们建造的房屋越来越高，结构和功能都同传统建筑相比发生了非常大的改变。,建国以来钢结构的发展概况,50年代, 为初盛时期（156项援建工程大部分为重型钢结构）。 60-70年代,为限制使用时期，当时中国钢产量仅12千万吨，主要用于国防.机械业。当时国家政策建筑业中 “凡是可用其它材料代替的，均不用钢结构建造”。由于受到钢产量的制约，钢结构仅在重型厂房、大跨度公共建筑、铁路桥梁以及塔桅结构中采用。二
5、十世纪钢筋混凝土结构成为中国主导结构。80-90年代后, 出现了新的发展时期（钢产量自1996年起连续多年超亿吨),国家鼓励建筑用钢。,中国钢结构应用发展的三个时期,刚解放时钢产量几乎是零,1949 十几万吨 1990 5000万吨 1995 7000万吨 1996 1亿吨 2000 1.285亿吨 2004 2.72亿 2006 4.62亿吨 2007 4.89亿吨 2011 6.9亿吨,1.强度高、重量轻,1.2 钢结构的特点及应用,2.材质均匀，塑性、韧性好,3.良好的加工性能和焊接性能,4.密封性能好,5.可重复性使用性,6.耐热性较好，耐火性差,7.耐腐蚀性差,8.低温冷脆倾向,1.
6、2.1 钢结构的特点,轻质高强更大的跨越能力,密度强度比： = /f 反映材料在承载条件下的轻质性。 f设计强度(kN/m2),材质均匀、塑性、韧性好理论计算与实际结果吻合良好，抗震抗动力性能好，更安全的结构。,良好的加工性能和焊接性能易于工厂化生产，施工周期短、效率高、质量好。,密封性能好钢材本身组织致密，因而具有良好的气密性和水密性。用于储存、运输。,可重复性使用性绿色环保可持续发展的建筑材料，符合当前节地节能政策。,耐腐蚀性差钢材在潮湿、腐蚀环境中易锈蚀，新建钢结构，一般都需要采用油漆、喷铝、镀锌等进行防锈涂装，在涂装前需认真除锈，以后定期涂装，所以维修费用较高。,低温冷脆现象低温下有脆
7、性破坏的倾向。,耐热性较好，耐火性差,钢材虽为非燃烧体，但裸露钢结构耐火极限一般为1520分钟。,钢材在表面温度不超过200时,其性能变化很小,因而适合于热车间。温度超过200以后，强度和弹性模量显著下降。达600 时,钢材进入塑性状态已不能承载。,2007年8月14日正在建设中的上海环球金融中心发生火灾,钢结构防火保护措施,1.2.2 钢结构的应用范围,多层与高层建筑（宾馆、办公楼、住宅等）,大跨度建筑（体育馆、会展、机场、厂房）,大跨度桥梁（公路桥、铁路桥）,高耸构筑物（电视塔、发射塔、输电塔）,密闭结构（油罐、煤气罐、天然气管道）,轻型钢结构,其它结构,受动力荷载影响的结构,可拆移结构,
8、第一章 绪 论,国家大剧院,总建筑面积近15万平方米，该工程外部围护结构为钢结构网壳，是半椭圆球形，东西长轴212.2m，南北短轴143.64m，总高度46.285m。设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，整体结构用钢量达6750吨。,大跨度建筑,国家体育场体形上像鸟巢，建筑面积25.8m2，可容纳观众9.1万人，其中固定坐席8万座，临时坐席1.1万座。平面为椭圆形，长轴332.3m，短轴296.4m；最高点高度为68.5米，最低点高度为42.8米。大跨度屋盖支撑在24根桁架柱上，主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置，有22榀主桁架直通或接近直通，少量主桁架在内环附近截断。钢结构大量采用由钢板焊接
9、而成的箱形构件，交叉布置的主桁架与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。主看台部分采用钢筋混凝土框架一剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。,建设中的鸟巢,单根桁架柱,立柱高70m!重600t!,上海铁路南站,世界第一超大透光钢结构屋顶，直径278m，由54根钢柱支撑而起，最高处离地面42m，安装总面积达6万多m2，屋面采用阳光板，可采光隔热。,屋盖为大跨度焊接钢管拱形桁架网壳结构，主体结构由7榀拱形主桁架通过次桁架和水平支撑组成。主桁架拱跨94.6m，矢高27.5m，相邻主桁架轴线距为8m。,华中科技大学光谷体育馆,内部,华科大结构试验中心 大型节点足尺模型试验,大跨度桥梁,
10、金门海湾大桥（主跨1280m),旧金山标志性建筑,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,明石海峡大桥日本神户市与淡路岛之间跨越明石海峡的一座特大跨径的悬索桥。 1998年建成通车，大桥主桥全长3910m，主跨1990m，是目前世界上主跨最长的悬索桥，钢桥塔高297m，也是世界上最高的桥塔。两根主缆各由290根高强钢索构成，直径为1.222m，主缆的极限强度为1800MPa。,九江长江大桥,公、铁路两用桥，全长7675m，公路桥全长4460m，正桥11孔，全长1806m，主跨216m钢梁采用Q450级钢，56mm厚板，栓焊结构。连续钢桁梁结构铁
11、路桥。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,该桥是一座公铁两用桥，铁路桥全长10521m，公路桥全长5681m，正桥钢梁长2193.7m，大桥采用了连续钢桁梁结构，考虑到主跨达到了180+312+180m，在桥上的低塔和钢桁梁之间设置了斜拉索参与受力，因此，芜湖长江大桥也叫做连续钢桁梁斜拉桥。,芜湖长江大桥,武汉军山长江大桥,（48+204+460+204+48m 关山上游28公里处）,武汉军山长江大桥主梁钢箱断面,2003年建成通车，采用全钢结构，是世界上跨度最大的钢结构拱桥。施工过程中采用全钢结构焊接，使桥身显得简洁、轻盈、流畅，就像一
12、道彩虹横跨于黄浦江上。,上海卢浦大桥,苏格兰福斯大桥,建设中的宁波大红鹰技术学校学生宿舍,多层与高层建筑,金陵石化总厂,多层房屋,上海金茂大厦,位于上海浦东新区，陆家嘴金融贸易中心，采用钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱结构。建筑面积28.9万m2，地下3层，地上88层，建筑高度420.5m，总用钢量1.8万t。设计者为美国S.O.M事务所。,上海环球金融中心,工程占地面积为3万m2，总建筑面积达38.16万m2。地上101层，地下3层，建筑主体净高492m，总用钢量26000t，采用钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱结构。是目前世界在建的第一高楼。预计2008年竣工。,深圳地王大厦,
13、高383.95m，地上78层，地下3层高342.95m，加桅杆总高383.95m。于1996年完工，其建筑形体的设计灵感来源于中世纪西方的教堂和中国古代文化中通、透、瘦的精髓，它的宽高比例为1:9，创造了世界超高层建筑最扁最瘦的记录。地王大厦钢结构总量达2.45万t，高强度螺栓50万个,焊缝长60万m。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,有世界最大且最重的“风阻尼器”，直径5.5m，重670吨的阻尼器,台北101楼高101层，总高度508m，世界第一高楼，26层以上以8层为一单元。主要由巨柱、核心系统及外伸桁架梁。,高雄T -对永久荷载效
14、应控制的组合，应取1.35;,当其效应对结构有利时 -一般情况下应取1.0； -对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。,fd 或f钢材或连接材料强度设计值。,fy钢材或连接材料强度标准值。,R钢材或连接材料抗力分项系数，对于Q235 钢R =1.087；Q345、Q390、Q420钢R=1.111 。,钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。 （P397页，附录1）,对于正常使用极限状态，要求分别采用荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计，并使变形等设计值不超过相应的规定限值。对于钢结构只考虑荷载的标准组合。,Gk -永久荷载标准值在结构或构件中产生的变形值； Q1k起控制作用的
15、第1个可变荷载的标准值在结构或结构构件中产生的变形值（该值使计算结果为最大）；,(1.3.15),2）正常使用极限状态,Qik-其他第i个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值。 -结构或结构构件的容许变形值。(P400页，附录2),1.高性能钢材的研制与应用 采用高强度钢材，可以达到节省钢材，减轻自重的目的；改进钢材的耐腐蚀和耐火性能。,2.结构计算理论的研究 目前对于一般的钢结构计算问题已有成熟的计算方法。但对于某些特殊结构形态及荷载条件下的结构体系、构件、节点则还要进行深入的分析，这主要是动力问题、非线性问题、稳定问题和疲劳问题的研究。研究的成果用于指导设计规范的编制。,1.5 钢结构
16、的新发展,“鸟巢”结构中首次使用由河南舞阳特种钢厂研发生产Q460规格的钢材；钢板厚度达到110毫米。,3.新型钢结构建筑体系的研究与应用 如轻钢结构、网架（网壳）结构、预应力钢结构、张拉结构、钢与混凝土组合结构的研究等。这是一类综合性的研究，涉及主体结构、节点、配套材料及施工工艺。这些研究成果可直接转换为社会生产力。,4.制造工艺和安装方法的研究 钢结构的建造离不开良好的制造和安装技术。实现机电一体化，用软件把钢材切割、焊接技术和焊接标准集成一起，保证质量又节省劳动力。,1.6 本课程的学习,课程主要内容、特点,钢结构设计原理 材料、连接、基本构件 结构设计,课程设计,钢结构设计、施工基本框架,通过本章的学习，掌握钢结构的特点和钢结构的应用范围；初步了解钢结构的主要结构形式；了解钢结构在我国的发展趋势；为进一步深入学习钢结构知识打下基础。,
