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1、钢钢 结结 构构 基基 础础 陈绍蕃陈绍蕃 2014年年4月月 辅导材料辅导材料 钢结构钢结构 上册上册 (钢结构基本原理)(钢结构基本原理) 说明:说明: 撰写这份辅导材料的主旨,在于帮助广大学子掌握本书内容的要领,并形成明晰的概念。 文件在形式上和课件一样安排成幻灯片,但性质不完全相同。授课教师可以选择一部分在课堂上演示,也可以留给学生结合复习教材自己阅读。 结构课特点结构课特点 钢结构特点钢结构特点 应用范围应用范围 结构组成结构组成 钢结构的极限状态钢结构的极限状态 钢结构的发展钢结构的发展 课程内容和学习建议课程内容和学习建议 第第1章章 概述概述 1 结构课不同于力学课的特点结构课
2、不同于力学课的特点 1)现实性现实性 力学课力学课 对现实事物高度抽象化和理想化 理论力学:对象是质点、刚体和抽象的力系; 材料力学:理想化的变形体:匀质,各向同性,完全弹性(或理想 弹塑性)。 结构课结构课 面向现实的物体(钢、木、混凝土),有缺陷。 材 料: 并非质地完全均匀和各向同性。 构 件: 并非理想直杆而是有初始变形,钢构件还存在初始应力。 结 构: 构件间相互连接未必是理想铰接或理想刚接, 所受的力来自现实的服役条件和自然环境,要具体分析。 2)综合性综合性 事物的复杂性导致结构课程的综合性。 结构的响应是内在因素和外在因素的综合结果。 内在因素内在因素:化学元素、金相组织和冶金
3、缺陷决定钢材的基本性能; 辊轧使钢材产生方向性和冷却后的残余应力; 焊接造成残余应力、残余变形、热影响区和焊接缺陷; 制造、安装都有允许误差,其影响不能忽视。 外在因素外在因素:荷载自重、使用荷载、气象荷载,有的具有动力性质; 温度对温度变形的约束产生温度应力,低温使材料变脆; 环境腐蚀性介质的不利作用; 地震作用和意外的破坏性因素。 1 结构课不同于力学课的特点结构课不同于力学课的特点 钢材的强度高而质量轻钢材的强度高而质量轻 承受同样的荷载,钢构件比其他材料轻:强度/密度比值大。 做成跨越结构,无效荷载最低;做成柱子,占建筑面积最小。 构件轻,适合于交通不便的地区。 有双重性:风荷载大的地
4、区要防屋盖结构被风吸力掀起。 强度高的另一后果强度高的另一后果容易屈曲(失稳)容易屈曲(失稳) 强度高则杆件细长、板件纤薄。 屈曲可以使构件提前失效,强度不能充分发挥作用(尤其是高强钢)。 稳定计算比较复杂,超出材料力学范围。 初始几何缺陷应加以考虑:初弯曲、初倾斜。 受压不如受拉,和混凝土刚好相反,组合起来相得益彰。 2 钢结构不同于其他结构的特点钢结构不同于其他结构的特点 比其他材料更接近理想材料比其他材料更接近理想材料 质地比混凝土均匀; 各向同性优于木材; 具有较大的线弹性范围。 因此:钢结构比较符合材料力学的基本假定; 大多数情况可以直接应用材料力学的计算公式简便、够精确, 但稳定性
5、能和脆性断裂等问题涉及专门的力学知识; 钢材和理想材料还是有差距,有些钢材存在分层问题; 钢板有方向性,使用时要发挥其优良的一面:沿辊轧方向受力。 2 钢结构不同于其他结构的特点钢结构不同于其他结构的特点 钢材塑性(延性)和韧性好钢材塑性(延性)和韧性好 较好的变形能力,不会突然断裂; 超静定结构可以利用内力重分布; 地震作用下有良好的吸能能力; 韧性好,能较好地抵抗冲击作用。 另一方面,注意避免脆性断裂的可能性:选材、构造、施工。 耐腐蚀和抗火灾性能差耐腐蚀和抗火灾性能差 二者都需要防护,提高造价; 趋向于改进钢材来解决,有一定成果。 2 钢结构不同于其他结构的特点钢结构不同于其他结构的特点
6、 施工优势施工优势 原材料是钢板和型钢,具有半成品性质。 工厂制作阶段工厂制作阶段:机械化,自动化。包括切割、制孔和焊接等, 节省工时,提高精度。 工地安装阶段工地安装阶段:现场占地少,施工期限短。 机械吊装,螺栓紧固,少量焊接。 迅速交付使用,资金回收时间短。 容易加固,改建。 能够做成可拆迁结构。 2 钢结构不同于其他结构的特点钢结构不同于其他结构的特点 钢结构对缺陷很敏感钢结构对缺陷很敏感 钢材出厂时就存在内部缺陷; 构件在制作和安装过程中会出现新的缺陷; 设计计算中忽视缺陷的存在将造成承载力不足。 钢结构的变形有时会控制设计钢结构的变形有时会控制设计 变形可能使内力进一步增大; 变形可
7、能改变应力的分布。 钢结构对生态环境的影响小钢结构对生态环境的影响小 2 钢结构不同于其他结构的特点钢结构不同于其他结构的特点 数控剪板机数控剪板机 2 钢结构不同于其他结构的特点钢结构不同于其他结构的特点 数控切割机数控切割机 2 钢结构不同于其他结构的特点钢结构不同于其他结构的特点 三辊卷板机三辊卷板机 2 钢结构不同于其他结构的特点钢结构不同于其他结构的特点 数控折弯机数控折弯机 2 钢结构不同于其他结构的特点钢结构不同于其他结构的特点 自动焊接机自动焊接机 2 钢结构不同于其他结构的特点钢结构不同于其他结构的特点 钢柱吊装钢柱吊装 2 钢结构不同于其他结构的特点钢结构不同于其他结构的特
8、点 高强螺栓扭矩测试高强螺栓扭矩测试 升降车施工升降车施工 2 钢结构不同于其他结构的特点钢结构不同于其他结构的特点 澳门体育馆吊装澳门体育馆吊装 2 钢结构不同于其他结构的特点钢结构不同于其他结构的特点 特性决定应用范围,首先是高、大、重、动。特性决定应用范围,首先是高、大、重、动。 高耸建筑高耸建筑:高楼、塔架和桅杆。 上海金茂大厦 365m(421m) 吉隆坡 453m 上海环球金融中心 492m 台北101层 508m 华沙无线电桅杆 642.5m 迪拜 超过700m 高度超过500m的高楼在国内不断兴建,如天津高银117大夏高 597m。 3 应用范围应用范围 大跨桥梁大跨桥梁: 广
9、州珠江口拱桥 360m 南京长江二桥(斜拉桥)主跨 628m 江阴长江桥(悬索桥) 主跨 1385m 大跨房屋和体育场大跨房屋和体育场: 北京游泳中心(水立方) 170m170m 北京国家大剧院 212m144m 北京奥运主体育场(鸟巢) 340m295m 3 应用范围应用范围 重型厂房:重型厂房: 框架:吊车起重量达到440t; 吊车梁:操作繁重(24h运转),动力作用大。 改革开放后的拓展改革开放后的拓展:全面开花(钢产量大增) 轻型门式刚架结构:20年盖了千万m2以上; 专门为此制订了技术规程。 办公楼、住宅楼;一、二层别墅; 大型容器;水工结构,海上采油平台; 杭州雷锋塔,南海观音像。
10、 3 应用范围应用范围 上海金茂大厦(用钢上海金茂大厦(用钢18500t)和环球金融中心)和环球金融中心 3 应用范围应用范围 北京国家大剧院北京国家大剧院 3 应用范围应用范围 CCTV主楼(高主楼(高234m) 3 应用范围应用范围 北京奥运体育场北京奥运体育场 (部分采用(部分采用Q460E钢)钢) 3 应用范围应用范围 北京理工大学体育馆北京理工大学体育馆 3 应用范围应用范围 北京飞机库北京飞机库 3 应用范围应用范围 广州体育馆广州体育馆 主桁架(空间)、辐射桁架(平面)、钢索和环梁主桁架(空间)、辐射桁架(平面)、钢索和环梁 3 应用范围应用范围 中关村软件广场中关村软件广场 支
11、于支于4根柱的新型杂交结构根柱的新型杂交结构 3 应用范围应用范围 大连重机厂(双层吊车,用钢大连重机厂(双层吊车,用钢408kg/m2) 3 应用范围应用范围 唐山试验园唐山试验园 3 应用范围应用范围 芜湖长江桥(芜湖长江桥(312m) 铁路公路两用,高性能钢铁路公路两用,高性能钢 3 应用范围应用范围 北盘江大桥(北盘江大桥(236m) 世界上最高的铁路桥,桥面高于水面世界上最高的铁路桥,桥面高于水面280m 3 应用范围应用范围 江阴长江桥江阴长江桥 主跨主跨1385m,大于金门大桥,大于金门大桥 3 应用范围应用范围 长江三峡船闸门(每套八字门重长江三峡船闸门(每套八字门重1890t
12、) 3 应用范围应用范围 煤气柜(煤气柜(15万万m3干式)干式) 3 应用范围应用范围 200m烟囱(用塔架支持的烟囱)烟囱(用塔架支持的烟囱) 3 应用范围应用范围 观音像(用钢观音像(用钢2000t) 3 应用范围应用范围 雷峰塔(结构用钢雷峰塔(结构用钢1293t) 3 应用范围应用范围 原则:形成一个有效抵抗各种外加作用的整体,可靠而经济。 形成几何不可变体的一种方式:以平面结构为基本承 重结构,加支撑。 单层结构的组成单层结构的组成 4 钢结构的组成钢结构的组成 组成空间结构可以少设或不设支撑。 双向或多向传力还可减小结构占用的高度。 空间屋盖结构空间屋盖结构 4 钢结构的组成钢结
13、构的组成 高耸结构不同于跨越结构 风荷载成为主要荷载。 满足刚度要求成为决定高楼结构组成的重要因素; 型式随高度变化: 纯框架支撑、剪力墙框筒结构巨型支撑。 支撑成为承重体系的组成部分。 高楼的刚度要求:顶点位移H/500, 层间侧移h/250, 还对顶点最大加速 度有限制。 高层房屋结构高层房屋结构 4 钢结构的组成钢结构的组成 塔桅结构 塔架横断面为多边形者需设横隔。 桅杆借助纤绳可以保持较小截面。 纤绳是柔性构件,必须施加预拉力。 纤绳是受拉构件,可用高强钢材,但占地面积大。 塔架结构塔架结构 桅杆结构桅杆结构 4 钢结构的组成钢结构的组成 钢结构组成原则的补充 所承受荷载用最简单、直接
14、的方式传到基础; 传力过程没有薄弱环节; 受到意外打击不倒塌; 大型化的空间体系有利; 多用受拉构件有利。 空间框架结构空间框架结构 北京理工大学体育馆屋盖 结构是大型化的又一例子, 两榀拱及其间的立体桁架 组成大型体系,其余构件 跨度不大。 4 钢结构的组成钢结构的组成 承载能力极限状态:多种多样,包括强度破坏、丧失稳定、结构变为 机动体系、过度变形、疲劳破坏和脆性断裂等。 拉杆截面强度大多以屈服为准则,和过度变形有关;简支梁以全 截面屈服还是部分截面屈服为准,也和过度变形有关。超静定梁和框 架可以在多个截面出现塑性铰,直至形成机构为极限状态,但应以失 稳受到防止为前提。 正常使用极限状态中
15、的变形和振动限制,通常都在弹性范围内,而且 是可逆的。在可靠度要求方面可以放宽一些。 5 钢结构的极限状态钢结构的极限状态 5 钢结构的极限状态钢结构的极限状态 结构计算如何切合极限状态 钢结构内力计算要考虑两个因素:变形影响和非弹性应变。 传统的内力计算一般以结构受力前的位形为对象,不考虑变形影 响。 随着钢材强度提高和围护结构轻型化,结构在荷载作用下的变形 增大,变形对内力的影响不再能够忽视。考虑变形影响的内力分析称 为二阶分析二阶分析,分析体现了几何非线性几何非线性。 多层多跨框架往往在出现少量塑性铰后才达到丧失稳定的极限状 态。出现塑性后,变形会更大一些。这时的二阶分析同时体现几何非 线性和材料非线性材料非线性。双重非线性的二阶分析,结果和试验数据吻合较 好。 事物都在不断发展,钢结构也不