钢结构设计基本原理

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1、凌 云安徽理工大学土木建筑学院,钢结构基本原理 The Fundamental Theory of Steel Structures,钢结构课程的学习方法,根据教学大纲要求，本课程主要讲授钢结构的基本原理以及构件设计计算内容； 本课程的特点是大家对钢结构的感性认识还较少，结构构造复杂，理论性强（特别是稳定理论）； 受课时限制，不能过多地详细讲解例题，一定要从受力概念上理解问题，加强课前预习与课后复习； 多做习题与思考题。,本 课 程 的 内 容,第一章 绪 论 第二章 钢结构的材料 第三章 钢结构的连接 第四章 轴心受力构件 第五章 受弯构件设计 第六章 拉弯和压弯构件,学习参考书,钢结构设计

2、规范, GB50017-2003. 北京: 中国计划出版社, 2003 陈绍蕃等编著. 钢结构（上下册）. 北京: 中国建筑工业出版社, 2003 沈祖炎，陈以一编著. 钢结构基本原理(第二版). 北京: 中国建筑工业出版社, 2005 张耀春等. 钢结构设计原理. 北京: 高等教育出版社, 2006 钢结构设计手册（第三版 上下册）.北京: 中国建筑工业出版社, 2003, 2004 邱鹤年. 新编钢结构设计手册. 北京: 中国电力出版社, 2005 钢结构设计计算示例.北京: 中国计划出版社, 2007 夏志斌，姚谏 编著.钢结构原理与设计.北京: 中国建筑工业出版社, 2004,第 一

3、章 绪 论,第一节 钢结构的特点 第二节 钢结构的应用 第三节 钢结构的设计方法 第四节 钢结构的发展方向,1.1钢结构的特点,不同材料形成的结构有各自的特点。钢结构(steel structure)是由钢板或型钢制造而成的结构，其主要特点如下：,1.强度(strength)高,与其他材料诸如木材、砖石、混凝土相比，钢材的容重虽然大，但强度高很多。现举例说明，钢结构设计规范（GB50017-2003）中，强度最低的钢材为Q235，其抗拉、抗压强度设计值为215N/mm2，混凝土设计规范（GB50010-2002 ）中标号最高的为C80，其抗拉、抗压强度设计值分别为 2.22N/mm2 、35.

4、9N/mm2 ,由此可见，前者抗拉强度为后者的 97倍，而抗压强度为6倍。因此，在相同的荷载和条件下，钢结构的重量轻。,2.塑性(plasticity)、韧性(toughness)好,由于钢材的塑性好，一 般情况下，钢结构不会因偶然或局部超载而发生突然断裂，而是以事先有较大变形为先兆。钢材的韧性好，则使钢结构能很好地承受动力荷载，这些性能均对钢结构的安全提供了可靠保证。,钢材的内部组织均匀，非常接近于各向同性体，在使用应力阶段，钢材为理想弹性工作，符合工程力学的基本假定。因此，钢结构实际受力情况与力学计算结果吻合好，可根据力学原理建立钢结构的计算方法。,3.材质均匀,可焊性是钢结构的独特优点。

5、由于钢材的可焊性解决了钢结构的制作问题，致使钢结构连接大为简化，可制造各种复杂形状的结构。当然焊接也将产生残余应力、残余变形以及热影响区脆性等问题。,5.工业化程度高,钢结构采用的型钢和钢板，经专业厂家制作为钢构件，然后运至工地安装。型钢的大量采用再加上专业化的生产，故精度高、制作周期短。工地安装广泛采用螺栓连接，良好的装配性使工期大为缩短。此外，已建钢结构也易于拆卸。,4.可焊性(weldability)好,6.密闭性好,钢材本身组织致密，焊接的钢结构可以做到完全密闭，甚至铆接或螺栓连接都可以做到。因此，可用于建造气密性和水密性要求高的气罐、油罐和高压容器。,7.耐腐蚀性差,钢材在湿度大和有

6、腐蚀性介质的环境中容易锈蚀。因此，为确保钢结构的耐久性，必须采用油漆、镀锌等防护措施，故维护费用较高。,钢材当辐射热温度低于150时，钢材的主要性能变化很小。因此，其耐热性能较好。当温度超过150时，材质性能有所变化，需采取隔热措施，当温度达到600左右，钢结构会瞬间崩溃，完全丧失承载力。因此，耐火性能差，必须采取一定的防火措施。美国世贸大楼的坍塌充分 说明了钢结构耐火性能差是一致命缺憾。,8.耐热不耐火,1.2钢结构的应用,站在现代建筑结构技术的发展前沿，可以说世界上没有不能实现的结构，只有不合理的结构。根据钢结构本身的特点，结合我国国民经济的发展，钢结构在土木工程领域合理的应用范围大致如下

7、：,1.工业厂房(industrial factory building),工业厂房可分为轻型、中型和重型工业厂房，主要根据是否设置吊车以及吊车吨位的大小和运行频繁程度而定。例如，炼钢车间、锻压车间等。近年来，轻型门式刚架结构在工业厂房中的应用十分普遍。,2.大跨结构(large span structure),大跨结构可以充分发挥钢结构强度高、自重轻的优点。比如，体育馆、会展中心、飞机库、剧场等。尤其在悬索桥、斜拉桥等桥梁工程中的应用。,3.高层结构(high-rise structure),高层结构，尤其是超高层结构能充分发挥钢结构强度高，塑性、韧性好，抗震性能优越等优点。例如，办公楼、宾

8、馆、住宅等。近年来，随着我国钢产量的逐年增加，钢结构在多层、高层、超高层建筑中的应用将会更加广泛。,4.高耸结构(towering structure),高耸结构主要包括塔架和桅杆结构。如电视塔、输电线塔、钻井塔、环境大气监测塔、广播发射桅杆等。,5.容器、贮罐、管道,如大型油库、油罐、气罐、煤气库、输油管等。,6.可拆卸或移动的结构,如建筑工地的活动房，临时的商业或旅游业建筑，塔式起重机，龙门吊等。此类结构多为轻钢结构并采用螺栓或扣件连接。,7.其他构筑物,如高炉、运输通廊、栈桥、管道支架等。,重型厂房结构西安变压器厂（400t吊车）,厂 房 结 构,大跨建筑上海体育场,位于北京人民大会堂西

9、侧，西长安街以南，总占地面积近12公顷，总建筑面积近15万平方米，总投资26.88亿元。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。内设歌剧院（2416席）、音乐厅（2017席）及戏剧院（1040席）及公共大厅等。屋面采用钛金属板，整个网壳外环绕人工湖（35500m2）,各种通道及入口均设在水下 。由设计法国巴黎机场航站楼的安德鲁建筑师设计，北京市建筑设计研究院参与主体设计 ，整体结构用钢量达6750t，195kg/m2。,大跨结构-国家大剧院,国家体育场建筑体形上像鸟巢。可容纳8万人。平面为椭圆形,长轴340m，短轴292

10、m。屋盖中间有一个146m 76m 的开口，这部分将设计成开合屋盖。采用加肋薄壁箱形截面 ，总用钢量达16万t 。,大跨结构-国家体育场,国家游泳中心水立方 建筑面积 79532； 投资：大约为10.2亿RMB,钢骨架结构效果,多层房屋,多层房屋,上海环球金融中心,由日本森大株式会社的全额子公司森海外株式会社及日本具有代表性的银行、保险公司、商社等36家企业，偕同政府系统机构日本海外经济协力基金(OECF)联合投资的上海环球金融中心，总投资逾750亿日元。位于陆家嘴金融贸易区，建筑总面积335,420平方米，地下3层，地上94层。建成后的高度达492米 。总用钢量26000t，钢筋混凝土核心筒

11、，外框钢骨混凝土及钢柱。,高层建筑,上海金茂大厦,金茂大厦是由中国上海对外贸易中心股份有限公司独家投资5.6亿美元建设的一座88层的超高层大厦，建筑高度420.5米，建筑面积28.9万平方米，于1998年8月28日竣工。 总用钢量14000t，钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱。设计者为美国S.O.M事务所。,高层建筑,央视新台址,央视新台址建设工程位于北京朝阳区东三环中路、北京商务中心区的核心地段，占地面积18.7万平方米，总建筑面积55万平方米, 高230m。央视新台址建设工程总投资约50亿元人民币，2003年10月开工建设，2008年正式运行 。,高层建筑,大连远洋大厦,大连远洋大厦

12、由大连远洋运输公司、中远房地产开发公司与美国ESPIRIT公司联合投资14.8亿人民币开发的集五星级酒店和甲级写字楼为一体的智能大厦。 总建筑面积14.8万平方米。其中：A座为五星级酒店，地上51层，总高200.8m。钢筋混凝土核心筒，外框钢框架。设计、加工、安装全部国产化。,高层建筑,台北101 大厦,直径5.5m，重660 t 的阻尼器,长宽各150m，总面积30277m2，塔高508m，世界第一高（至2008年8月；2003年10月17日竣工） ，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。巨柱自地下5层至地上90层，最大尺寸为2.4mx3m。,高层建筑,高耸结构 电视塔

13、、微波塔、通讯塔等,东方明珠电视塔,东方明珠广播电视塔座落在上海浦东新区黄浦江畔，以其468米的高度成为亚洲第一高塔。于1991年3月开始建造，1994年11 月完工，总重量达12万吨，总投资8.3亿元人民币。 东方明珠塔由三根直径为9米的擎天立柱、太空舱、上球体、下球体、五个小球、塔座和广场组成。,236m高青岛广播电视塔,塔桅结构,陕西铜川天然气公司 1000立方米天然气球罐,大连西太平洋石化有限公司 1500立方米CF-62钢球罐,壳体结构,壳体结构,桥 梁 结 构,徐浦大桥,桥 梁 结 构,卢浦大桥,其 它 钢 结 构,1.3钢结构的设计方法,钢结构设计应遵循的一般原则是“技术先进、经

14、济合理、安全适用、确保质量”。钢结构的设计方法可分为容许应力法和极限状态设计法两种。分述如下：,一 容许应力法(allowable stress method),“容许应力法”也称为“安全系数法”或“定值法”。即将影响结构设计的诸因素取为定值，采用一个凭经验选定的安全系数来考虑设计诸因素变异的影响，以衡量结构的安全度。其表达式为： (1-1),容许应力法，作为一种传统的设计方法计算简便，目前许多国家在不同的规范中仍在采用。但此设计方法采用定值的安全系数考虑不确定诸因素的影响不科学，不能定量度量结构的可靠度，而且给人一种误导，只要有安全系数结构就百分之百可靠。目前，我国钢结构设计规范（GB500

15、17-2003）中，只有结构构件或连接的疲劳强度计算采用此方法。,式中：,由标准荷载与构件截面尺寸所计算的应力；,容许应力,=,材料的标准强度，对于钢材为屈服点 ；,安全系数。,二 极限状态设计法(limit-state design method),极限状态设计法问世于20世纪50年代。它将变异性的设计参数采用概率分析引入结构设计中。根据应用概率分析的程度分为三种水准。即半概率极限状态设计法、近似概率极限状态设计法和全概率极限状态设计法。目前，钢结构设计方法采用的是近似概率极限状态设计法，有时也称为概率极限状态设计法。,1.可靠性(reliability)定义,按照概率极限状态设计法，结构可

16、靠度定义为：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。是结构安全性、适用性和耐久性的总称。,2.极限状态(limit state)定义及分类,当结构或其组成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时，此特定状态就称为该功能的极限状态。结构的极限状态可分为两类：,(1)承载能力极限状态,结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形 时的极限状态，它包括强度、稳定和疲劳等计算。,结构或构件达到正常使用的某项规定极限值时的极限状态。包括静载下的过大变形、动载下的剧烈振动及耐久性问题。,结构的工作性能可用结构的功能函数来描述，若结构设计时需考虑影响结构可靠性的随机变量有n个，即x1,x2,xn,则在n个随机变量间通常可建立函数关系，若仅考虑R,S两个参数，则结构的功能函数为：Z=(R,S)=R-S (1-2),3.结构的功能函数,(2)正常使用极限状态,