高等钢结构理论同济大学土木工程学院马人乐 教授2004年9月13日1 第一章 钢材性质与结构体系设计综述1.1 钢材的特性及其对结构的影响1.2 钢结构工程发展的主要四个领域及原因1.3 适于钢结构发展的重要影响因素1.4 钢结构设计的流程1.5 钢结构验算的内容1.6 钢材的选择1.7 钢结构布置----结构体系设计1.8 钢结构体系受力状况与连接设计的关系2 1.1 1.1 钢材的特性及其对结构的影响钢材的特性及其对结构的影响1、强度与重量之比 正面：轻质高强，节约材料，减轻结构自重； 负面：截面减少，稳定问题、变形问题加重；2、材质的均匀性 正面：均质性好，各向受力同性好，提高结构 安全度，便于节点受力转换； 负面：当钢材厚度较大时，有横向分层问题；3、韧性 正面：一般条件下韧性好，能承受冲击作用； 负面：在低温条件下或焊接结构下，韧性降低；4、塑性（延性） 正面：塑性（延性）好，使结构超载时，可作 3 1.1 1.1 钢材的特性及其对结构的影响钢材的特性及其对结构的影响 应力重分布，并增加耗能； 负面：结构变形的非线性效应明显； 5、可加工性 正面：加工性能较稳定，可成复杂形状； 负面：对加工设备及技术要求高，专业化； 6、耐久性 正面：材料力学性能改变较少； 负面：防腐蚀处理要求高，有少量时效； 7、耐热、耐火性 正面：耐热较好（150℃以内），材性不变； 负面：耐火性差，要求加防火涂料； 4 1.2 1.2 钢结构工程发展的主要四个领域及原因钢结构工程发展的主要四个领域及原因51、单层轻钢厂房及仓库单层轻钢厂房及仓库 原因：a 屋面活荷载与钢筋混凝土结构竖向荷载相比很小；b 跨度较大； 1.2 1.2 钢结构工程发展的主要四个领域及原因钢结构工程发展的主要四个领域及原因6大众汽车三期工程山东省日照市双禾家纺轻钢车间某轻钢厂房现代轻型钢结构——厂房 1.2 1.2 钢结构工程发展的主要四个领域及原因钢结构工程发展的主要四个领域及原因72、大跨度公共建筑大跨度公共建筑 1））原因原因 同上，且造型要求多样化 2））代表建筑物代表建筑物 江宁体育场 详见幻灯片8 上海浦东国际机场 详见幻灯片9 上海新国际博览中心 详见幻灯片10 南京奥林匹克体育中心 详见幻灯片11 国家体育场的“鸟巢”方案 详见幻灯片12 1.2 1.2 钢结构工程发展的主要四个领域及原因钢结构工程发展的主要四个领域及原因8江宁体育场 大跨度公共建筑 1.2 1.2 钢结构工程发展的主要四个领域及原因钢结构工程发展的主要四个领域及原因9 大跨度公共建筑上海浦东国际机场 1.2 1.2 钢结构工程发展的主要四个领域及原因钢结构工程发展的主要四个领域及原因10 大跨度公共建筑上海新国际博览中心 1.2 1.2 钢结构工程发展的主要四个领域及原因钢结构工程发展的主要四个领域及原因11 大跨度公共建筑 南京奥体中心主场馆的整体雄姿 1.2 1.2 钢结构工程发展的主要四个领域及原因钢结构工程发展的主要四个领域及原因12 大跨度公共建筑2008奥运会国家体育场方案 1.2 1.2 钢结构工程发展的主要四个领域及原因钢结构工程发展的主要四个领域及原因133、超高层建筑超高层建筑 1））原因原因 结构重力累积效应大，地震效应大 2））代表建筑物代表建筑物 上海金贸大厦 详见幻灯片14 浦东国际金融大厦 详见幻灯片15 北京京广中心 详见幻灯片15 深圳地王大厦 详见幻灯片16 广州中信大厦 详见幻灯片17 1.2 1.2 钢结构工程发展的主要四个领域及原因钢结构工程发展的主要四个领域及原因14 1998年年 金茂大厦金茂大厦 88层层 420m 混凝土核心筒混凝土核心筒:钢巨型外伸桁架钢巨型外伸桁架,钢骨混凝土巨型柱钢骨混凝土巨型柱 超高层建筑 1.2 1.2 钢结构工程发展的主要四个领域及原因钢结构工程发展的主要四个领域及原因15 超高层建筑浦东国际金融大厦226m高，56层，12万m2，2000年竣工。
北京京广中心208m高，52层 1.2 1.2 钢结构工程发展的主要四个领域及原因钢结构工程发展的主要四个领域及原因16 超高层建筑1996年：深圳地王大厦混凝土核心筒，钢框架81层，384m高，14.7万m2，用钢量为24500T 1.2 1.2 钢结构工程发展的主要四个领域及原因钢结构工程发展的主要四个领域及原因17 超高层建筑深圳发展中心大厦广州中信大厦广州中信大厦华南第一高楼，391m高，80层 1.2 1.2 钢结构工程发展的主要四个领域及原因钢结构工程发展的主要四个领域及原因184、高耸结构高耸结构 1））原因原因 同上，活荷载与钢筋混凝土结构竖向荷载相比很小 2））代表建筑物代表建筑物 巴黎埃菲尔铁塔（300m高） 详见幻灯片19 佛山广播电视塔（230m高） 详见幻灯片20 青岛广播电视塔（236m高） 详见幻灯片21 黑龙江广播电视塔（336m高）详见幻灯片22 □□埃菲尔铁塔埃菲尔铁塔法国 巴黎 1889工程师：埃菲尔（法） 铁塔为纪念法国大革命100周年而建，由结构工程师埃菲尔（1832～1923）设计，故此得名，又称巴黎铁塔。
埃菲尔铁塔高300米，有1.2万个构件组成，用25O万个螺栓和铆钉连结为整体，用去 7000吨优质铸铁当时装有蒸气动力的升降机铁塔虽然不是实用的建筑物，但它的出现显示了钢铁结构的优异性能，并预示着建筑增加高度、向上发展的可能性埃菲尔铁塔落成时，曾遭到包括法国大文豪雨果在内的许多名人的强烈反对，被认为是丑陋难看的怪物，要求立即拆除，但后来却成了巴黎最有名的标志191.2 1.2 钢结构工程发展的主要四个钢结构工程发展的主要四个 领域及原因领域及原因 高耸结构 1.2 1.2 钢结构工程发展的主要四个领域及原因钢结构工程发展的主要四个领域及原因20高耸结构230m高佛山广播电视塔 1.2 1.2 钢结构工程发展的主要四个领域及原因钢结构工程发展的主要四个领域及原因21高耸结构236m高青岛广播电视塔 1.2 1.2 钢结构工程发展的主要四个领域及原因钢结构工程发展的主要四个领域及原因22高耸结构 黑龙江广播电视塔被称为龙塔，坐落在哈尔滨高新技术开发区，高度为336米，亚洲第一钢塔电视塔集广播电视发射、旅游观光、广告传播、餐饮娱乐、科技乐园、无线通讯、环境气象监测等多种综合性功能于一身，成为素有“东方莫斯科”美誉的北国名城哈尔滨市乃至黑龙江省新的标志性景观。
336m高黑龙江高黑龙江广播电视塔广播电视塔 1.3 1.3 适于钢结构发展的重要影响因素适于钢结构发展的重要影响因素231）活荷载与全部竖向荷载之比越小，采用钢结构 越优越2）跨度大、结构效应大，采用钢结构优越3）地震烈度大，采用钢结构优越4）软土地基条件，采用钢结构优越5）劳动力价格高，采用钢结构优越6）造型越复杂，用钢结构越优越 1.4 1.4 钢结构设计的流程钢结构设计的流程24钢结构设计的一般流程图（见图1-1） 设计准备阶段 设计阶段图1-1 钢结构设计流程图 1.5 1.5 钢结构验算的内容钢结构验算的内容25图1-2 钢结构验算内容图 1.5 1.5 钢结构验算的内容钢结构验算的内容26 结构效应的分析可以应用学过的力学与结构知识来完成, 结构的验算内容及对应的公式如下所述： 式中： γ0— 结构重要性系数结构重要性系数； γG— 永久荷载分项系数永久荷载分项系数；(1.1) (1.2) (1.3) (1.4) (1.5) 1.6 1.6 钢材的选择钢材的选择271））钢材的品种及质量等级2））钢材强度选择的原则 A. 变形控制选低强度钢材； B. 强度控制选高强度钢材； C. 焊接量大、焊接条件较差，不宜用高强度钢材；3））钢材质量等级选择的实用方法（选择因子乘积法） 详见表1-1，表1-2；见幻灯片284））特殊品种钢材的应用 20＃无缝钢管；35＃圆钢锚栓；耐候钢；耐火钢5））钢材Z向性能要求及其适用范围 t≥40mm及使用中或加工中受分层拉应力 1.6 1.6 钢材的选择钢材的选择28表表1-1 钢结构影响因素及对应的选择因子表钢结构影响因素及对应的选择因子表 表表1-2 选择因子之积选择因子之积与对应的材料质量等级关系表与对应的材料质量等级关系表 1.7 1.7 钢结构布置钢结构布置--------结构体系设计结构体系设计291））结构体系应满足建筑使用的要求；其本身同时也 是一种建筑体系 2））结构体系应有明确合理的传力途径 如单层钢结构厂房结构体系的传力途径如图1-3～1-5。
单层厂房钢结构的受力主要有三类：吊车荷载、风荷载、其它竖向荷载地震区还有地震作用 （一）吊车荷载的传力过程如图1-3所示图1-3 吊车荷载传力过程示意图 1.7 1.7 钢结构布置钢结构布置--------结构体系设计结构体系设计30（二）风荷载的传力过程如图1-4所示 图1-4 风荷载传力过程示意图 （三）其它竖向荷载的传力过程如图1-5所示 图1-5 其它竖向荷载传力过程示意图 1.7 1.7 钢结构布置钢结构布置--------结构体系设计结构体系设计31 3）构件和连接是结构体系的基本单元，为体系提供了强度和刚度；结构体系的形式和刚度又对构件的受力（如柱的稳定、梁的稳定等）产生重要影响（新规范关于三种不同框架的划分及其对柱的稳定计算长度的影响） 1.7 1.7 钢结构布置钢结构布置--------结构体系设计结构体系设计31例（1）钢结构规范关于三种不同刚度框架的划分及其对柱的稳定计算长度的影响：（5..3.3条）①无支撑（有侧移）纯框架 ②有支撑的框架 强支撑：鉴别： 弱支撑： 其中： 为支撑产生单位倾角所需的水平力； 为第I层所有框架柱用无侧移框架和有侧移框架柱计算长度系数算得轴压稳定承载力之和。
1.7 1.7 钢结构布置钢结构布置--------结构体系设计结构体系设计31例（2）轻钢厂房（门式刚架柱脚，按不同结构体系计算结果有区别： A、设柱脚为铰接两铰门架： 变形大，乘修正系数验算 柱脚使用抗剪键传递剪力 柱脚无弯矩，对基础弯矩小 锚栓无作用力B、设柱脚为刚接刚接门架：变形小柱脚有弯矩 不设抗剪键即可抗剪 锚栓有作用力 1.7 1.7 钢结构布置钢结构布置--------结构体系设计结构体系设计314）主要受力构件，构造构架和建筑构件在结构体系中的相互依存和转换关系：例1：徐州电视塔网壳、梁和梁板的相互关系；例2：轻钢厂房中钢结构与屋面板、墙板的相互关系5）结构体系的形成过程、稳定状态的变化与施工过程的关系6）结构体系的特殊受力状态与稳定的关系 1.8 1.8 钢结构结构体系受力状况与连接设计的关系钢结构结构体系受力状况与连接设计的关系 321.8.1 焊接焊接 1）焊缝质量要求 A. 疲劳动力荷载下受拉对接焊缝：一级（100％超声波探伤检测） B. 确保等强度的其它对接焊缝：二级（70％超声波探伤检测） C. 应力水平较低的对接焊缝或工地施工的对接焊缝：三级（外 观检查，设计强度降低） D. 角焊缝（外观检查） 2）减少工地焊接，特别是高空焊接，代之以高强螺栓连接 3）在钢管结构相贯线焊接中，应根据构件不同的受力状况 确定不同的坡口形状及焊缝类型（见图1-6详见幻灯片33 ～图1-7详见幻灯片34 ） 1.8 1.8 钢结构结构体系受力状况与连接设计的关系钢结构结构体系受力状况与连接设计的关系 33图1-6 三分区连接方式示意图（用于应力水平不很高的杆件连接）（开坡口） 1.8 1.8 钢结构结构体系受力状况与连接设计的关系钢结构结构体系受力状况与连接设计的关系 34图1-7 四分区连接方式示意图（用于应力水平很高，受动力荷载作用的杆件连接） （开坡口） 1.8 1.8 钢结构结构体系受力状况与连接设计的关系钢结构结构体系受力状况与连接设计的关系 351.8.2 普通螺栓普通螺栓 1） 普通螺栓可以在静荷载或一般动力荷载作用下受剪， 但有动力荷载作用时，要有防松措施（扣紧螺母或双 螺母）。
2）普通螺栓一般用粗制螺栓（一个节点至少两个螺栓）； 当要求节点可转动而仅用一个螺栓受剪时，应用精制 螺栓（销连接）而且杆件能调节长度，双剪节点板要 一次套钻成孔 1.8 1.8 钢结构结构体系受力状况与连接设计的关系钢结构结构体系受力状况与连接设计的关系 361.8.3 高强螺栓高强螺栓 1）对于疲劳动力荷载，应用摩擦型高强螺栓，应当测量摩擦系数、扭矩系数、终拧扭矩值，保证不发生相对滑动 2）对于一般动力荷载下抗拉连接，可用承压型高强螺栓抗拉，可按普通螺栓施工，按高强螺栓抗拉，但要有防松措施 3）对于一般动力荷载下抗剪连接，也可用承压型高强螺栓，按普通螺栓施工，按高强度普通螺栓抗剪，且要有防松措施按老规范，承压型高强螺栓载荷在标准值作用下不会滑移；按新规范则无此验算规定，承压型高强螺栓等同于高强度普通螺栓但规范3.4.1条正文表3.4.1-4中规定8.8级高强螺栓fv=250N/mm2，而条文 说明中又说与8.8级普通螺栓同，即fv=320N/mm2，应以正文为准 1.8 1.8 钢结构结构体系受力状况与连接设计的关系钢结构结构体系受力状况与连接设计的关系 371.8.4 锚栓锚栓 1）锚栓在钢结构与混凝土结构的结合部，其埋设精度要同时与两种结构匹配。
2）为达到两种结构均能接受的埋设精度，要求混凝土施工中对锚栓固定有具体施工措施，而钢柱脚底板钻孔应大于螺杆直径10mm 3）锚栓螺孔增大后不能直接受剪，故要有技术措施（厚垫片焊死或浇铅锡合金）提高其抗剪能力，然后用相关公式验算 4）轻钢厂房柱脚可考虑有一定抗弯刚度，用锚栓抗拉，柱脚一侧翼缘抗压，形成抵抗矩抗弯同时压力乘摩擦系数成为柱脚的抗剪承载力，可省去抗剪键，也使锚栓的选用有了依据有关柱脚的设计计算如下所述（A详见幻灯片38 、B、C见幻灯片39、40 、D见幻灯片40、41 ） 1.8 1.8 钢结构结构体系受力状况与连接设计的关系钢结构结构体系受力状况与连接设计的关系 38A. 柱脚简图（见图1-8，1-9）1.8.4 锚栓柱脚设计柱脚设计计算计算A 1.8 1.8 钢结构结构体系受力状况与连接设计的关系钢结构结构体系受力状况与连接设计的关系 39B. 柱脚设计框图（见图1-10）1.8.4 锚栓柱脚设计柱脚设计计算计算B,C图1-10 柱脚设计框图 求求kb公式公式①①计算柱脚计算柱脚M,N,V求抗剪求抗剪承载力承载力公式公式④④决定是否决定是否需要加需要加抗剪键抗剪键求锚栓截求锚栓截面积面积公式公式②②求总压力求总压力N合合公式公式③③ 式中，式中，E为锚栓弹性模量；为锚栓弹性模量；nt为受拉侧锚栓个数；为受拉侧锚栓个数；Ae为锚栓有效截面面积；为锚栓有效截面面积；la为锚为锚栓有效埋置长度；栓有效埋置长度；et为柱脚截面形心至受拉锚栓群形心距离；为柱脚截面形心至受拉锚栓群形心距离；ec为柱脚截面形心至柱脚为柱脚截面形心至柱脚受压翼缘中心的距离。
受压翼缘中心的距离 C. 有关公式1) 柱脚抗弯刚度 ①2) 锚栓截面面积② 1.8 1.8 钢结构结构体系受力状况与连接设计的关系钢结构结构体系受力状况与连接设计的关系 401.8.4 锚栓柱脚设计柱脚设计计算计算C,DD. 构造措施 3) 总压力 ③4) 抗剪承载力 ④ 1.8 1.8 钢结构结构体系受力状况与连接设计的关系钢结构结构体系受力状况与连接设计的关系 411.8.4 锚栓柱脚设计柱脚设计计算计算D 谢 谢 大 家！ 。