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1、 钢 结 构主讲人：杨 斌1 参 考 资 料 钢结构设计规范 GB500172003 建筑结构荷载规范 GB500092001 钢结构设计原理 张耀春主编 高等教育出版社 钢结构 魏明钟主编 武汉工业大学出版社 钢结构 陈绍蕃主编 中国建筑工业出版社 2 第 一 章 概 述31.1 钢结构的发展历史 公元前200年，秦始皇时代，铁造桥墩； 公元60年，汉明帝时代，铁链悬桥（兰津桥） 济宁寺 甘露寺 大渡河铁索桥 广州中山纪念堂圆屋顶 钱塘江大桥 南京长江大桥 首都体育馆 上海体育馆 大型企业厂房300多年前上世纪30年代上世纪5060年代4 中国国际贸易中心 京广中心大厦 深圳发展中心 地王大
2、厦 黑龙江电视塔 1990年北京亚运会场馆 现在，金茂大厦421m，环球金融中心460m 帝国大厦381m 新加坡双塔大厦450m sears tower 443m 世界贸易中心402m结论： 材料： 连接： 结构形式：上世纪80年代后国外桥销钉钢锻铁铸铁铆钉工业与民用建筑塔焊接 螺栓5金茂大厦6台北101大厦448/508最高使用楼层438m最高屋顶高度448m7环球金融中心8新加坡双塔大厦95层9101112世贸中心13英国伦敦千年穹顶D320m1402年世界杯韩国大邱体育场15国家大剧院16上海八万人体育场17上海八万人体育场施工现场 组合钢管悬挑空间桁架70m多18澳门东亚运动会体育馆
3、19澳门东亚运动会体育馆亚洲跨度最大的桁架20上海南站钢结构圆屋顶D265m21东海大桥钢结构工程长31km 海上段28km 桥宽31.5m22336m 320m 23迪拜塔改名为“哈里发” 高度828米24建设中的迪拜塔建筑高度是绝密，现已建成629m25迪拜塔效果图26鸟 巢27水立方28中国工程院院士 董石麟：“(水立方)结构形式我们现在叫它多面体空间钢架结构。这一种结构在过去，不单单在我们国家，在世界上还是没有的”。 水立方29济南奥体中心效果图 （十一届全运会 ）30济南奥体中心31石家庄晋州近200米在建电视塔雨夜折断 整个电视塔高186.8米，第一断裂处位于塔高56米处，第二断裂
4、处位于塔高约70米处。 32a石家庄晋州近200米在建电视塔雨夜折断 331.2 钢结构的特点和应用一. 钢结构的特点 1. 自重轻、承载力高； 为同跨度、同荷载钢筋混凝土屋架的（1/31/4）重。 特别是地质条件差的地区，降低地基、基础的造价。 2. 钢材的塑性和韧性好；（后面介绍） 3. 接近于匀质等向体； 内部组织均匀，各方向物理性能基本相同，在使用阶 段，变形较小。此特点与力学假定吻合较好。 4. 焊接性能； 指钢材在焊接过程中和焊后，保持焊接部分不开裂的 完整性的性质。 5. 不渗漏； 便于做成密闭容器。 6. 制造简便、施工方便、具有良好的装配性；34 7. 耐腐蚀性差； 涂防腐漆
5、 混凝土包裹 8. 耐热好，防火差。 t 150，性能变化大 t 600，强度为0 涂防火涂料 混凝土包裹二. 钢结构的应用 1. 工业厂房 跨度、柱距较大，有100t以上重级或中级工作制吊车 的厂房，有热辐射的厂房。现什么厂房都可采用。 2. 大跨结构 体育馆、会馆解决办法解决办法钢屋架网架、网壳、悬索周围温度超过150，采取防护措施厂房35 3. 高耸结构和高层结构 自重轻、截面小，减小风荷载。 4. 受动力荷载作用的结构 钢材的韧性好，动力性能高。 5. 容器与管道 6. 可拆卸和移动的结构 如流动式展览馆、活动房。 7. 其它。 如海洋平台、码头、输煤栈桥等。 总之，采用钢结构，工期短
6、、造价高，应从综合经济效益来考虑。1.3 钢结构的设计方法 钢结构设计时，必须满足一定的设计准则，即在满足功能要求的前提下，做到安全可靠、技术先进、确保质量和经济合理。36一.安全系数法（容许应力设计法） S：全部荷载引起的结构构件中的内力； A：几何特性，即截面面积或截面抵抗矩等； fy ：材料的标准强度，针对钢材为屈服点； K：安全系数。 安全系数凭经验而定，因而不同构件的安全度不可能相同，故不合理。注意：疲劳计算还采用此法。二. 极限状态设计法 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。构件中应力容许应力极限状态：37 承载
7、力极限状态 正常使用极限状态 指结构或构件达到最大承载能力或是 出现不适于继续承载的变形。 包括静力强度、动力强度、稳定、倾覆等。 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡； 如倾覆。 结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包 括疲劳强度），或因过度变形而不适于继续 承载； 结构转变为机动体系； 结构或结构构件丧失稳定； 地基丧失承载能力而破坏。 指结构或构件达到正常使用或耐久 性的某项规定限值。分为具体为承载力极限状态：正常使用极限状态：38 影响正常使用或外观的变形； 影响正常使用或耐久性的局部损坏（包括 裂缝）； 影响正常使用的振动； 影响正常使用的其它特定状态。 1. 极限状态设计法 是以
8、概率理论为基础，把有变异性的设计参数通过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： 半概率极限状态设计法； 近似概率极限状态设计法； 全概率极限状态设计法。 是使结构产生内力和变形的所有原因。 又称荷载效应，以S表示。 如荷载、温度变化、地震力等。具体为作用：39 结构或构件的承载力，以R表示。 它取决于材料的强度和构件的几何因素。 指结构在规定的时间内、规定的条件（正常设 计、正常施工、正常使用、正常维护）下，完成 预定功能的能力。 预定功能：就是对于规定的某种功能来说，结构 不失效。 可靠性是结构安全性、适用性、耐久性的概称。 用来衡量结构可靠性的指标。 指结构在规定的
9、时间内、规定的条件下完成预定 功能的概率。 当结构或构件的抗力等于荷载效应时，此结构或构件达极限状态。抗力：可靠性：可靠度：40 极限状态方程 RS时，可靠 R0)pfg(R-S 0)41 所以，极限状态函数Z=R-S也是正态分布的随机变量。 Z的概率分布曲线 Z0 失效概率 Z很难求出，而Z的特征值较易求。 用 、 表示R、S的平均值 R、S 表示R、S的标准差 则Z的平均值 Z的标准差 从图中看出，pf 与 至原点的距离有关， 计算复杂，想其它办法。 令 ，则 pf 与之间也存在相应关系， 大，则 pf 小，反之亦然， 经理论计算， 与pf 一一对应。即 R-S 0失效42 故也可作为衡量
10、结构可靠性的一个指标，称为“可靠指标”。 当然，要满足结构构件承载能力的可靠指标要求，不应小于规范规定值。 由于R、S采用了近似的正态分布，故算得的、 Pf值是近似的，故称为近似概率极限状态设计法。 由于Z的分布很难求出， Pf 计算复杂，采用代替Pf 来度量结构的可靠性。 据统计资料，知R、S平均值和标准差后，即知。 2. 设计表达式 按可靠指标设计不易掌握， 规范将极限状态设计公式等效地转化为分项系数设计公式。 分项系数不是凭经验而定，是以可靠指标为基础采用概率设计法求出。对应查出Pf43 （1） 承载力极限状态 ZR-S0 SR 其中：RK ：抗力标准值； ：材料抗力分项系数； fK：钢
11、材强度标准值； A：截面几何因素； fd ：材料强度设计值。S取值： 由活荷载效应控制的组合 由恒荷载效应控制的组合 偶然设计状况（如撞击、爆炸、火灾等）引入结构重要性系数1.1 重要结构0.9 次要结构1.0 一般结构应考虑偶然组合： 基本组合取不利组合44 由活荷载效应控制的组合 式中： ：永久荷载的分项系数； ：第 i个可变荷载的分项系数； SGK ：按永久荷载标准值GK计算的荷载效应值； ：按可变荷载标准值 计算的荷载效应值； ：可变荷载Qi的组合值系数（查规范）。 由恒荷载效应控制的组合 此处不区分各可变荷载作用的大小。（）45取不利组合仍用（）式，即： 由活荷载效应控制的组合 由恒
12、荷载效应控制的组合或若仅有一个可变荷载，组合值系数取为1.0对框架、排架，公式简化为：46注： 基本组合中的设计值适用于荷载与荷载效应线性 的情况； SQ1K无法判断时，轮次以各可变荷载为SQ1K ，然 后取不利者； 当考虑以竖向的永久荷载效应控制的组合时，可 变荷载仅取竖向荷载； 取值： =1.2 （可变荷载效应控制时） =1.35 （永久荷载效应控制时） 当效应对结构有利时： =1.0 =1.4 =1.3 (工业楼面活荷标准值4kN/m2)（2）正常使用极限状态 SC 式中：C：结构或构件达到正常使用要求的规定限值。当效应对结构不利时取值：47S取值： 标准组合： 频遇组合： 准永久组合：
13、 钢结构只考虑荷载的标准组合。 准永久组合适用于钢与混凝土组合梁，另外还得考 虑标准组合。1.4 钢结构的新发展 1. 高效能钢材的研究和应用； 提高承载力： H型钢 耐腐蚀钢、耐火钢。 2. 设计准则的进一步完善； 现行准则还仅是构件或某一截面的可靠度。准永久值系数应考虑Q235Q345Q390Q420强度更高48 3. 构件和结构稳定理论的进一步研究； 构件稳定研究的很多， 结构体系稳定研究的不够。 4. 大跨度结构、高层结构、轻型钢结构的研究； 5. 组合结构的研究 组合梁 钢管混凝土1.5 钢结构设计中的主要问题 1. 钢材材质： 2. 稳定问题： 截面面积小 截面开展 3. 构造问题 指构件截面的组成和连接方式，以及构件与构件间的节点形式。 节点处，内力分布复杂，计算简化因而近似，处理不当，可能导致构件或结构的破坏。整体稳定、局部稳定化学成分、冶金缺陷对钢材性能的影响。49
