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1、第一章钢结构设计原理,一、钢结构的特点,强度高，结构重量轻。 材质均匀，且塑性和韧性好。 良好的加工性能和焊接。 密封性好。 钢材的可重复使用性 。 耐热不耐火 200兰脆，500600 强度几乎为零。 防火处理：防火涂料、蛭石板、蛭石喷涂、石膏板等。 耐腐蚀性差。 低温冷脆。,第一节 钢结构的特点和应用,二、钢结构的应用 1、大跨结构(Space structures) 2、工业厂房(Industrial steel structures) 3、受动力荷载影响的结构(Under dynamic loads) 4、多层、高层建筑(Multi-storey and High-rise Steel
2、 Structures) 5、高耸结构(High-rise structures) 6、可拆卸的结构(Detachable constructions) 7、容器和其他构筑物(Vessels et al.) 8、轻型钢结构(Light steel structures) 9、钢和混凝土的组合结构(Steel-concrete composite structures),第二节 钢结构的发展,我国钢材的产量稳定居世界第一,其应用也逐年增长,钢结构领域也取得了不少新的进展。主要体现在以下几个方面。 钢结构工程应用广泛,钢结构制造业已成为规模产业。至今,80%以上新建的高层 建筑、会议中心、体育场馆
3、、航站楼和大型枢纽车站等,均采用了钢结构。据不完全统计,2015年我国建筑钢结构工程用钢量已超过4000万吨,建筑钢结构制造业已形成规模产业,钢结构制造特级与一级企业已达百余家。 建筑钢结构工程设计与施工应用技术水平全面提升,达到国际先进水平。基本上掌握了各类超高层钢结构、大跨度空间钢结构、预应力钢结构、新型工业厂房钢结构和组合结构的设计、施工建造、监理与检测的配套技术。先后编制了钢结构专业有关的设计、施工方面国家与行业标准、规范、工法近百项,总体水平达到国际先进水平。 新材料、新结构、新工艺得到普遍应用。在新材料与高效型材方面有高性能钢材、高层建筑用(GJ)钢板、厚度方向钢板、低屈服强度钢板
4、、热轧H 型钢、冷弯型材、大截面钢管、优质铸钢件、彩涂钢板、钢索与钢拉杆以及高强度螺栓与栓钉紧固件等可供选用。 建成了一大批有国际影响的标志性钢结构工程。,1.国家体育场 鸟巢,为2008年奥运会主会场,东西跨度296m,高度67m;南北跨度332m,高度41m,建筑总面积25.8万平方米,场内席位9.1万个。结构为24根巨形扭曲杆件格构柱组成的环形空间框架结构,并形成鸟巢造型。其中柱顶构件采用了Q460Z35钢,钢板厚度达110mm。,2.国家游泳中心水立方,国家游泳中心水立方,为2008年奥运会游泳馆,是目前世界上体量最大的全充气膜覆盖围护的钢结构建筑。结构体系为水泡状网格钢管杆件组成的空
5、间框架,平面尺寸170m170m,屋顶标高30.6m,杆件节点采用球节点。,3.央视新台址主楼,建筑高度234m,地上最高52层,地下3层,总建筑面积49.6万平方米,其造型为2座整体向内双向倾斜的塔楼通过底部裕楼和顶部L形悬臂连接而形成的折角门式建筑,塔楼、裙楼结构由外框筒、内框筒与核心筒组成,前者由双向倾斜6的巨柱、边梁和支撑形成以碟形节点为主的三角形网格结构;后二者为钢框架结构。,4.广州新电视塔,塔身高454m,塔杆高度146m,总高610m,488m处设有世界最高的观景摄影平台、塔身采用旋转双曲钢管网格结构并呈细腰造型,故有“小蛮腰高塔”之称。,5.首都国际机场-T3航站楼,建筑平面
6、长高2900m,宽度790m,建筑高度45m,建筑面积约100万平方米,结构采用锥形钢管柱与大跨度钢网架。,6.深圳京基100大厦,楼高442m,共计100层,结构为巨柱-支撑-核心筒体系。,7.上海环球金融中心,地上101层,地下3层,建筑高度492m,结构体系为巨柱支撑框架外筒-核心内筒,在90层设置了风阻尼器,重要节点采用铸钢节点。,8.北京中国尊,总高度536m,地上108层,地下7层,结构为巨柱支撑外框筒+内核心筒体系。,9.深圳平安金融中心,结构主体高588m,连塔总高660,地上118层,地下5层,结构为巨柱-支撑-核心筒体系。,10.国家体育馆,国家体育馆南北长144m,东西宽
7、114m,总建筑面积约10万平方米,屋盖结构采用铸钢节点的双向预应力钢管桁架。,11.北京大兴国际机场航站楼,是世界上最大的单体航站楼工程，主体为现浇钢筋混凝土框架结构，局部为型钢混凝土结构，屋面及其支撑为钢结构，钢结构总重量约13万吨。核心区18万平米屋面仅用8根C型格构柱作为主要支撑构件，形成了独特的采光屋面和大跨度的结构空间。屋盖钢结构为双曲面造型，超大平面复杂空间曲面钢网格结构屋盖施工技术达到国际领先水平。,第三节 钢结构的设计方法,一、结构的功能要求 建筑结构要解决的基本问题是,力求以较为经济的手段,使所要建造的结构具有足够的可靠度,以满足各种预定功能的要求。结构在规定的设计使用年限
8、内应满足的功能有: (1)能承受在施工和使用期间可能出现的各种作用; (2)保持良好的使用性能; (3)具有足够的耐久性能; (4)当发生火灾时,在规定的时间内可保持足够的承载力; (5)当发生爆炸、撞击、人为错误等偶然事件时,结构能保持必需的整体稳固性,不出现与起因不相称的破坏后果,防止出现结构的连续倒塌。,二、结构的可靠度和设计使用年限 结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的能力,称为结构的可靠性。结构可靠度是对结构可靠性的定量描述,即结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的概率。 设计使用年限是按所设计结构使用性质的不同而规定的一个时期,在此时期内,结构或结构构件只
9、需进行正常的维护而不需进行大修即可按预定目的使用并完成预定的功能,即结构在正常设计、正常施工、正常使用与维护条件下,满足其他用功能所应达到的使用年限。不同结构的设计使用年限见表1.3.1。 一般建筑物的设计使用年限为50年。,三、结构的极限状态 整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求,称此特定状态为该功能的极限状态。 承重结构应按下列两类极限状态进行设计。 (1)承载能力极限状态 主要包括:构件和连接的强度破坏、疲劳破坏和因过度变形而不适于继续承载,结构和构件丧失稳定,结构转变为机动体系和结构倾覆。 (2)正常使用极限状态 主要包括:影响结构、构件和非结构构件正
10、常使用或耐久性能的局部损坏(包括组合结构中混凝土裂缝)。,四、设计表达式 工程结构设计时,应考虑持久状况、短暂状况、偶然状况与地震状况等不同的设计状况。应针对不同的状况,合理地采用相应的结构体系、可靠度水平和作用组合等设计技术条件,并按表1.3.2的分类分别进行相应的极限状态设计。,进行极限状态设计时,应按表1.3.3的规定对不同的设计状况采用相应的荷载作用组合。,建筑结构可靠性设计统一标准(GB50068)规定结构构件的极限状态设计表达式,应根据各种极限状态的设计要求,采用有关的荷载代表值、材料性能标准值、几何参数标准值以及各种分项系数等表达。 1. 承载能力极限状态表达式 (1)对持久设计
11、状况和短暂设计状况,应采用作用的基本组合,其效应设计值可按下式确定,(2)对偶然设计状况,应采用作用的偶然组合,其效应设计值可按下式确定,(3)对地震设计状况,应采用作用的地震组合。地震组合的效应设计值,宜根据重现期为475年的地震作用(基本烈度)确定,并按下式计算,2. 正常使用极限状态表达式 (1)结构或结构构件按正常使用极限状态设计时,应符合下式要求,(2)按正常使用极限状态设计时,可根据不同情况采用作用的标准组合、频遇组合或准永久组合。标准组合宜用于不可逆正常使用极限状态;频遇组合宜用于可逆正常使用极限状态;准永久组合宜用于当长期效应是决定性因素时的正常使用极限状态。设计计算时,对正常
12、使用极限状态的材料性能的分项系数,除各结构设计规范有专门规定外,应取为1.0。 (3)各组合的效应设计值可分别按以下各式确定,第2章 钢结构的材料,2 钢 结 构 的 材 料,本章内容: （1） 概述 （2） 钢材的生产 （3） 钢材的主要性能 （4） 影响钢材性能的主要因素 （5） 疲劳 （6） 钢的种类和钢材规格,2.1 概述,对钢材的基本要求： 1、具有较高的抗拉强度 fu和屈服点 fy (结构的承载力大，所需的截面小，结构的自重轻). 2、具有较好的塑性、韧性(塑性好，不易发生脆性破坏；韧性好，利于承受动力荷载). 3、良好的工艺性能(包括冷加工、热加工以及焊接性能),规范规定：承重结
13、构的钢材应具有抗拉强度、伸 长率、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证；焊接结 构尚应具有冷弯试验的合格保证；对某些承受动力荷 载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构尚应具有 常温或负温冲击性的合格保证. 钢结构设计规范GB50017-2017推荐承重结构用钢宜采用：低碳钢中的Q235钢 低合金钢中的Q345、Q390、Q420钢 Q460和Q345GJ,2.1 概述,1.钢材冶炼 （1）炼铁 铁矿石 铁 Fe2O3+ 3CO 2Fe + 3CO2 （2）炼钢 含C量（2.06%） 方法：电炉、转炉、平炉 （3）浇筑与脱氧 沸腾钢（F） Mn 镇静钢（Z） Mn Si 特殊镇静钢（TZ） Mn S
14、i Al,2.2 钢材的生产,3.钢材的加工 包括：热加工、冷加工、热处理三种,2.2 钢材的生产,热处理 钢的热处理是将钢在固态范围内，施以不同的加热、保温和冷却措施，改变其内部组织构 造，达到改善钢材性能的一种加工工艺。钢材的普通热处理包括退火、正火、淬火和回火四种基 本工艺。 退火和正火是应用非常广泛的热处理工艺，用其可以消除加工硬化、软化钢材、细化晶粒、改 善组织以提高钢的机械性能；消除残余应力，以防钢件的变形和开裂；为进一步的热处理作好准 备。,2.2 钢材的生产,淬火工艺是将钢件加热到 900度以上，保温后快速在水中或油中冷却。 回火工艺是将淬火后的钢材加热到某一温度进行保温，而后
15、在空气中冷却。其目的是消除 残余应力，调整强度和硬度，减少脆性，增加塑性和韧性，形成较稳定的组织。 通常称淬火加高温回火的工艺为调质处理。强度较高的钢材，如 Q345钢中C、D、E级钢和高强度螺栓的钢材都要经过调质处理。,2.2 钢材的生产,2.3 钢材的破坏形式,1、塑性破坏：断口呈纤维状，色泽发暗。破 坏前有明显的变形，破坏历时时间长，可以采取补救措施。 2、脆性破坏：破坏前没有任何预兆，破坏是 突然发生的，断口平直并呈有光泽的晶粒状。,2.3.1钢材的破坏形式 塑性破坏和脆性破坏,在设计、施工和使用钢结构时，注意防止脆性破坏。,2.4 钢材的主要性能,一、单向拉伸试验,钢材的主要性能是机
16、械性能，可通过某些试验（拉伸、冷弯、冲击）确定。,图2.3 碳素结构钢的应力-应变关系,fp比例极限 fy屈服强度 (强度标准、设计依据),fu极限强度 (最大承载强度、强度储备),延伸率（塑性性能）,2.4 钢材的主要性能,2.4 钢材的主要性能,二、其他性能 1.冷弯性能,冷弯性能是检验钢材弯曲变形能力或塑性性能，还是显示钢材内部缺陷状况的一项指标；是鉴定钢材在弯曲状态下塑性应变能力和钢材质量的综合指标。,图2.5 钢材冷弯试验示意图,2. 冲击韧性,韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力，它用材料在断裂时所吸收的总能量来量度（Cv）。韧性是钢材强度和塑性的综合指标。,冲击韧性：在动力荷载作用下，材料吸收能量的能力。,图2.6 冲击韧性试验,2.4 钢材的主要性能,2.5 复杂应力作用下钢材的屈服条件,图2.7 复杂应力,在多轴应力作用下钢材的屈服条件不能以某一轴向应力超过某屈服点来判别，而是按材料力学的
