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1、钢结构设计原理,第一章 概述(Introduction),本讲主要内容：1 我国钢结构发展概况2 钢结构的特点和应用3 钢结构的设计要求和发展趋势,钢与铁的区别含碳量小于2的铁碳合金称作钢，含碳量大于2时称作铁。钢结构由钢材通过连接而成的能承担预定功能的体系称钢结构。这里的钢材通常指型钢和钢板等，由此组成梁、桁架、柱、板等钢结构或钢结构体系；有些钢结构还部分采用钢丝绳或钢丝束。这里的连接通常指焊缝连接、螺栓连接或铆钉连接等。,钢结构课程与其他前续课程的联系,“钢结构”和“材料力学”的联系最为紧密，但材料力学更侧重理论探讨，而“钢结构”需要站在设计的角度来考虑，因此必须符合相应的规范要求。同时，
2、由于钢材本身接近理想弹塑性体，所以钢结构课程的理论性强，许多内容要用到弹塑性力学的知识。,返回,根据考古发现，我国在春秋时期已经开始使用人工制铁。 公元前6070年，已建成铁链桥。比较著名的铁链桥有云南的沅江桥、贵州的盘江桥、四川的泸定桥。 此外，还建有不少铁塔，如湖北荆州的玉泉寺铁塔、江苏镇江的甘露寺铁塔等。,泸定桥,于公元1706元建成，泸定铁索桥全长103.67米，宽3米。,1935年5月29日，中国工农红军第一方面军第二师以22位勇士为突击队，在此消灭守敌，飞夺泸定桥，摆脱了蒋介石的追兵，泸定桥因而成为中国近代史上的一座丰碑，闻名世界。,泸定桥,返回,共13层，17.9m高，位于湖北当
3、阳城西15公里的玉泉山东麓，始建于东汉末年（1061年），为我国历代著名的佛教寺院之一。,玉泉寺,桥梁方面：1957年的武汉长江大桥；1968年的南京长江大桥；1992年的九江长江大桥；1993年的上海杨浦大桥;1996年的西陵长江大桥；2005年的润扬大桥；2008年建成的苏通大桥等。公用与民用建筑：国家体育场(鸟巢)；中国国家大剧院；各新建奥运体育场馆；首都体育馆（跨度99m平板)；上海体育馆（直径110m平板网架结构）；秦俑陈列馆（跨度70m的三铰拱钢结构）塔桅结构：广州电视塔（2009，塔身主体454米，天线桅杆156米，共610m）北京环境气象桅杆（1977，325m）；上海东方明珠
4、电视塔（1995，468m）；石家庄电视塔（1997，280m） 。移动结构：移动式起重机；龙门吊；塔吊 。施工临时结构：架桥机；移动模架；挂篮 。,武汉长江大桥建于1955年9月，于1957年10月建成通车，全长1670.4米，正桥是铁路公路两用的双层钢木结构梁桥，上层为公路桥，下层为双线铁路桥,武汉长江大桥,返回,南京长江大桥,南京长江大桥是1960年1月18日正式动工的。1968年9月铁路桥通车，同年12月公路桥通，南京长江大桥是铁路公路两用特大桥，铁路桥长6772米，公路桥长4588米，桥下可通行万吨轮船。完全由中国人自力更生建造的。,返回,为双层双线铁路、公路两用桥，铁路桥长7675
5、米，公路桥长4460米， 1992年，九江大桥公路桥正式建成通车，1995年大桥铁路桥贯通。,九江长江大桥,上海杨浦大桥,大桥全长7658米，主桥为一跨过江的双塔双索叠合梁斜拉桥结构，主孔跨径602米。1993年建成通车。,西陵长江大桥位于三峡大坝中轴线下游 4.5公里 处，是长江上的第一座悬索桥，为单跨 900米 的钢箱梁悬索桥，刚建成时其跨度在同类型桥梁中居国内第一、世界第七。,西陵长江大桥,芜湖长江大桥,为公、铁两用钢桁梁斜拉桥，于1997年3月22日正式开工，2000年9月建成通车 。大桥主跨312米，像如此大跨度的公铁两用斜拉桥，在我国是第一座，在亚洲是第一座,润扬大桥,衔接镇江扬州
6、两地。润扬大桥由悬索桥和斜拉桥结合而成，跨江长度7.3公里，总长35.66公里。刷新了中国桥梁史上八项记录，其中悬索桥主跨达到1490米，位居中国第一，世界第三。,苏通大桥,苏通大桥位于江苏省东部的南通市和苏州（常熟）市之间。创造四项世界之最 ，最大主跨 (1088m),最深基础 (,桩长120m,承台长114m、宽48m )，最高桥塔 （300.4m）,最长拉索(577m),钢结构高层建筑,国家体育场,国家体育馆,上海东方明珠电视塔,龙门吊,客运专线提梁机,支架,支架,挂篮,承载能力大 钢材强度高，重量轻，在结构重量相同时，钢结构的承载能力更大，因而可达到其他建筑材料难以达到的跨越能力。,钢
7、结构的特点和应用,1.2,1.2.1 钢结构的特点,2. 稳妥可靠主要表现在： （1）钢材在使用阶段接近理想弹塑性体，这使得理论计算与实际情况相吻合。 （2）钢材具有良好的塑性和韧性，不会因偶然的超载而破坏，对动力荷载适应性强,如振动、地震等。,3. 便于工业化生产，施工周期短 钢结构构件一般可以在专业化工厂由专门机具加工，生产效率高，且不受气候影响。4. 密闭性好 钢材本身组织致密，因而具有良好的气密性和水密性。,5. 耐热但不防火 钢材在表面温度不超过200时，其性能变化很小，因而适合于热车间。温度达到200300以后，强度和弹性模量显著下降。 可以采取的对策是：用混凝土或耐火砖将其包裹起
8、来。,世贸大厦被撞后发生火灾,6. 耐腐蚀性差,新建钢结构，一般都需要采用油漆，喷铝，镀锌等进行防锈涂装，在涂装前需认真除锈，以后定期涂装，所以维修费用较高，这是钢结构的主要缺点。,7. 容易发生噪声在动荷载作用下，某些钢结构容易因震动而产生噪声，在对环境有要求的场所需采用必要的消声措施。,由于钢结构的以上特点，它主要适用于下列结构：（1）承受荷载很大或跨度大，高度大的结构（2）承受动力荷载作用或经常移动的结构（3）经常拆装的拼装式结构（4）对密闭性要求高的结构（5）高温车间或需承受一定高温的结构（6）轻型结构,1.2.2 钢结构的应用范围,属于上述性质的主要有下列结构: （1）工业与民用建筑
9、结构 高层建筑框架；车站、会堂、体育馆、车库等大跨度屋盖结构；大厂房、车间的 承重柱、屋盖、吊车梁。 （2）桥梁结构 中等跨度或大跨度的铁路桥、公路桥、栈桥等各种桥的桥跨结构。,（3）塔桅结构 电视塔、发射塔、气象塔、无线电桅杆等 （4）移动式结构。 各种起重运输机械、和大型建筑机械的 承重骨架，升船机、水工闸门等。 （5）板壳结构。 管道、气柜、高炉结构、高压容器等。 （6）轻型结构。 钢模板、钢拱架、万能杆件、拆装梁（如六四梁）等 。,1.3.1 钢结构设计的基本要求,返回,钢结构设计规范（GB500172003）第1章总则第1.0.1条明确指出：“为在钢结构设计中贯彻执行国家的技术经济政
10、策，做到技术先进、经济合理、安全使用、确保质量，特制定本规范”。也就是说，力求用最经济的方法，使所建结构满足下列基本功能要求：,（1）安全性。指结构在正常施工和正常使用条件下，承受可能出现的各种作用的能力，以及在偶然事件（如地震、爆炸）发生时及发生后，仍保持必要的整体稳定性的能力。 （2）适用性。指结构在正常使用条件下，满足预定使用要求的能力。,（3）耐久性。指结构在正常维护条件下，随时间变化而仍能满足预定功能要求的能力。 结构的安全性、适用性、耐久性总称结构的可靠性,1.3.2 钢结构的发展趋势,返回,钢结构具有的优越特点，使它成为一种比较理想的结构。随着我国现代化建设的发展和钢产量的增加，
11、钢结构的应用将会有很大发展，钢结构工程的科学技术水平也将进一步提高。,1. 高性能钢材的研制,钢结构的突出特点就是钢材的强度高，因此特别适用于大跨度和承受大的荷载，采用高强度钢材，更能发挥钢结构这一优势。为保证必要的塑性、韧性和可焊性，钢结构用的高强度钢一般都是低合金钢。,我国高性能钢材的研制和应用,屈服点为345N/mm2的16锰钢南京长江大桥屈服点为390N/mm2的15锰钒钢屈服点为410N/mm2的15锰钒氮钢京承铁路白河桥，九江长江大桥屈服点为460N/mm2的Q460钢国家体育场,我国建筑使用钢结构用钢量比例很低，仅为美日的1/7, 2008年钢结构年产量占粗钢总产量约4%，美日等
12、发达钢结构年产量占粗钢总产量约10%。,国外高强度钢发展,日本、美国、前苏联等都已把屈服点为700N/mm2以上的钢列入了规范，如何研制高强度钢并合理应用是一个重要课题。 另外，耐腐蚀钢、宽翼缘工字型钢、方钢管、压型钢板、冷弯薄壁型钢等都能较好发挥钢材的效能，得到较好经济效果，有着广阔的发展前景。,2 设计方法和计算理论的改进,我国现行钢规和正在修改中的桥规都采用了以概率论为基础的极限状态设计法，这是通过大量理论研究和试验分析取得的成果，但是还有很多问题需要进一步研究和完善，有大量的工作需要继续完成。,返回,例如 实际构件和几何缺陷的统计分析，残余应力的分布，几何缺陷和残余应力对承载力极限状态
13、的影响； 受压构件的极限承载力及其影响因素； 多次重复荷载和动力荷载作用下构件和结构的极限状态； 钢材的塑性利用和板件屈服后的强度问题等等。,返回,3 结构形式的革新,（1）计算理论和计算手段的进步以及新材料新工艺的出现，为钢结构形式的革新提供了条件。 网架一类的杆件多而超静定结构次数又多的空间结构； 大跨度悬索结构和斜拉结构； 预应力钢结构； 钢和混凝土组合结构； 钢管混凝土结构,（2）结构形式更新的另一种形式是把梁、拱、悬索等不同受力类型的结构融于同一结构。,（3）随着高强度螺栓和焊接技术的发展，铆接结构已被栓焊或全焊结构代替 厂房钢结构、塔桅结构、网架结构中广泛应用了高强度螺栓连接； 西陵长江大桥的箱形加劲梁采用了全焊接结构； 孙口黄河大桥桁梁采用了整体焊接节点、节点外拼接的新的型式。,返回,（4）高层建筑钢结构的研究,我国钢结构事业发展很快，结构革新在科研、设计、材料、制造加工、安装建造等方面还有许多工作要做。,
