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1、土木工程学院,钢结构基本原理及设计,钢结构基本原理及设计,使用教材:包含内容（2003年后出版均可）绪论、材料、连接、构件计算、钢结构房屋设计（沈祖炎、王国周、瞿履谦、陈绍蕃、陈志华、沈世钊、刘锡良）参考用书:钢结构 魏明钟主编 武汉理工大学出版社钢结构 钟善桐 中国建筑工业出版社钢结构设计原理 张耀春 高等教育出版社,钢结构基本原理及设计,课程内容体系介绍,结构,轴心构件 受弯构件 偏心构件,材料,发展,构件,厂房,高层建筑,桥梁结构,大跨度建筑,塔桅结构,焊接铆接螺栓,焊接铆接螺栓,计算方法设计原理,钢结构基本原理及设计,1-1 钢结构发展简史,1-2 钢结构特点及应用,1-3 钢结构的设
2、计方法,1-4 钢结构的新发展与研究方向,第1章 绪 论,第1章 绪 论,1-1 钢结构发展简史,全国重点保护文物泸定铁索桥，建于17051706年，桥身共由13根铁链组成；每根（铁链）由862977节铁环相扣，每根铁链重13001800kg。,1.古代发展,1-1 钢结构发展简史,根据文献记载，中国早在公元前五十年就建成了跨度达百米的铁索桥，而欧美直到十七世纪尚未出现铁索桥。,泸定铁索桥,1-1 钢结构发展简史,我国古代金属结构建筑在世界上处于领先地位。镇江甘露寺铁塔、荆州玉泉寺铁塔等等。,公元1061年（宋代）在湖北荆州玉泉寺建成的13层铁塔，目前依然存在。铁塔高17.9米，八角十三级，重
3、53.3吨，为我国现存最高、最重、最大的铁塔。已有900多年的历史。,1-1 钢结构发展简史,甘露寺铁塔位于天王殿东北，实际上是唐宝历元年(八二五年)卫公李德裕建，故又称卫公塔。宋代重铸为铁塔，原塔为七级。十九世纪末又因大风疾雷，倾倒四层。,1-1 钢结构发展简史,建国前,2.现代,19271937年是我国土木工程及金属结构建设的黄金时代，代表作品有：,沈阳皇姑屯机车厂钢结构厂房（1927）,广州中山纪念堂圆屋顶（19281931）,钱塘江大桥（1937）,1-1 钢结构发展简史,广州中山纪念堂是为了纪念孙中山先生建造的，于1931年10月竣工。厅内容积为33300立方米，容量为5000人。建
4、国后，广州市的标志性建筑，为国家一级文物。,1-1 钢结构发展简史,由茅以升先生主持兴建的杭州钱塘江大桥。该桥由他带领一批留学生自行设计和监造(实际施工由丹麦康益洋行承包下部结构和沉箱基础工程，上部结构钢梁则由英商道门朗公司承包制造和安装)。,1-1 钢结构发展简史,建国后,第一个五年计划：以工业厂房（156个大型项目）、交通工程为主。,第一重型机械厂,第一汽车制造厂,1-1 钢结构发展简史,人民大会堂,第二第四个五年计划：以公共建筑为主。,钢屋架,跨度61米高度7米,1-1 钢结构发展简史,第五个五年计划：,以工业厂房、公共建筑、交通工程为主,宝钢厂区,1-1 钢结构发展简史,芜湖长江大桥,
5、九江长江大桥,(钢材15MnVN),1-1 钢结构发展简史,瑞金饭店 27 层 107米金沙江大酒店 14 层 41.4米锦江宾馆 43 层 153.21米静安希尔顿宾馆,京广中心 53层 208米京城大厦 52层国贸中心 40层 长富宫 25层,1-1 钢结构发展简史,1-1 钢结构发展简史,1997年，我国钢产量达1亿吨,1998年投产的轧制H型钢系列1991年2月4日马鞍山钢铁公司轧制我国第一根H型钢1996年建成的深圳地王大厦高度325米1998年建成的大连远洋大厦，钢结构高层建筑（高度201米，51层），全部由我国自己完成,1-1 钢结构发展简史,上海金茂大厦,上海证券大厦,1-1
6、钢结构发展简史,主跨602米的结合梁斜拉桥在1994年建成时居世界斜拉桥跨度之首，现名列第三。,上海杨浦大桥,1-1 钢结构发展简史,自1996年超过1亿吨以来，一直位列世界钢产量的首位，2006年更达到创纪录的3.8亿吨。我国新的钢结构设计规范GB50017和冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50018也已发布实施。所有这些，为钢结构在我国的快速发展创造了条件。,1-1 钢结构发展简史,于1777-1781年，世界上第一座铸铁桥。它的建造者是钢铁大王亚伯拉罕达比。由建筑师TF普里查德 协助设计。这座桥横跨塞文河，跨度为30.5米。,3.钢结构在国外的发展史简介,1-1 钢结构发展简史,框架结构最初
7、在美国得到发展，其主要特点是以生铁框架代替承重墙。1858-1868年建造的巴黎圣日内维夫图书馆，是初期生铁框架形式的代表。,1-1 钢结构发展简史,英国利兹货币交易所,伦敦老火车站,美国1850-1880 年间“生铁时代”建造的大量商店、仓库和政府大厦多应用生铁构件门面或框架。,1-1 钢结构发展简史,第一座依照现代钢框架结构原理建造起来的高层建筑是芝加哥家庭保险公司大厦。（1883-1885，William Le Baron Jenney）,共十层外形仍然保持着古典的比例,1-1 钢结构发展简史,巴黎的埃菲尔铁塔，在1889年为纪念法国大革命一百周年而建造，落成之日，设计者埃菲尔骄傲地向世
8、人宣称，世界上只有法国的国旗具有 300 米高的旗杆。,1-1 钢结构发展简史,英国福斯桥,建于1889年，是世界上第一座现代化钢桥。,计算简图,1-1 钢结构发展简史,钢拱桥是二十世纪早期常见的桥梁形式。,1-1 钢结构发展简史,美国旧金山的金门大桥，建于20世纪30年代用了二万多根钢丝缆绳组成,1-1 钢结构发展简史,纽约帝国大厦,马来西亚石油大厦,1-1 钢结构发展简史,纽约帝国大厦 1931年 102层 381米芝加哥汉考克大厦 1970年 100层 337米纽约世界贸易中心 1973年 110层 411米芝加哥西尔斯大厦 1974年 109层 442米马来西亚石油大厦 1996年 8
9、8层 450米金茂大厦 88层 421米,1-1 钢结构发展简史,1-1 钢结构发展简史,芝加哥西尔斯大厦,柳京饭店，它有一百零五层，高三百八十 米，约有三千个房间，朝鲜最高的建筑，朝鲜建筑史上的奇迹。平壤古代又名柳京。,介绍一座混凝土建筑：,1-1 钢结构发展简史,4.高层钢结构结构体系,框架结构体系框架支撑结构体系框架剪力墙体系框架-筒体结构体系悬挂结构体系成束筒结构,构件,连接,1-1 钢结构发展简史,由钢板、热轧型钢、冷加工成型的薄壁型钢以及钢索制成的工程结构称之为钢结构。钢结构（steel structure）有以下特点：,1.2 钢结构的特点和应用范围,(1)钢材强度高 结构重量轻
10、（轻质高强）由于钢材强度高，结构需要的构件截面小,结构自重轻，运输和安装方便。a=容重/屈服强度,a越小，结构就越轻。钢材：a=1.73.710-4/m；钢砼：a=1810-4/m；木材：a=5.410-4/m。当跨度和荷载相同时，普通钢屋架的重量仅为钢筋混凝土屋架重量的1314。若采用薄壁型钢屋架则更轻。所以钢结构特别适用于跨度大、建筑物高、荷载重的结构，也适用于要求装拆和移动的结构。,(2)材质均匀 有良好的塑性和韧性 内部微观组织均匀，各向同性，具有良好的塑性(plasticity)和韧性(toughness)。这些物理力学性能，最符合目前所采用的计算方法（材料力学和结构力学）的基本假定
11、。所以钢结构的实际受力情况与计算结果最吻合，精度可达5%左右。,(3)安装方便 施工周期短 制作、安装简便，施工精度高，工期短，符合工业化要求。因此，钢结构可以降低造价，节省投资，提高经济效益和资金周转率。,(4)密闭性好 具有不渗漏性和可焊性(weldability)。常用于气密性和,(5)钢结构耐热 但不耐火 温度 300 时，钢材的屈服点和极限强度急剧下降；到达600左右时，强度接近于零。故当结构表面长期受辐射热达150以上或在短时间内可能受到火焰作用时，须采用隔热和防火措施。,(6)钢结构易锈蚀 维护费用大 新建的钢结构必须先除锈，然后刷防锈涂料或镀锌，且每隔一段时间要重复一次，维护费
12、用较大。若采用不易锈蚀的耐候钢，则可节省大量劳动力和维护费用，但材料一次投资成本高，目前还较少采用。,水密性要求较高的高压容器、大型油库、煤气柜、大型管道、船舶等板壳结构。,应用范围：在房屋建筑中，以下情况宜采用钢结构：(1)重型厂房结构：如冶炼厂的平炉车间、热轧车间、混铁炉车间；重型机械厂的铸钢车间、锻压车间、水压机车间；造船厂的船体车间；飞机制造厂的装配车间等。(2)大跨度房屋的屋盖结构：如飞机库，体育馆，展览厅，影剧院，大型交易市场等屋盖结构。(3)高层及多层建筑：钢结构由于结构自重轻、构件体积小、装配化程度高，对高层结构（high-rise structure）特别有利。此外，钢结构还
13、适用于多层工业厂房（industrial plant building），如炼油工业中的多层多跨框架等。,(4)轻型钢结构 轻型钢结构（light steel structure）是由冷弯薄壁型钢、薄壁钢管或小角钢，圆钢等组成的结构。(5)其他结构1）塔桅结构2）板壳结构3）桥梁结构4）移动式结构,返回,1.3 钢结构的设计方法 1.3.1 基本要求,1）保证结构安全可靠。构件在运输、安装和使用过程中具有足够的强度、刚度、整体稳定性和局部稳定性。2）满足建筑物的使用要求。建筑外形尽量简洁、美观。3）在设计中采用先进的设计理论，新型的结构形式和连接方式。优先选用高强度低合金钢等优质钢材，减轻结构
14、自重和节省钢材。4）设计时尽量使结构构造简单，制造、运输、安装方便，从而缩短施工周期，降低造价。5）采取有效措施，提高钢结构的防锈蚀能力和满足钢结构的防火要求。,1.3.2 设计方法及其发展（1）容许应力设计法 容许应力设计法（allowable stress design method），即把钢材可以使用的最大强度，除以一个安全系数，作为结构设计时容许达到的最大应力容许应力。表达式为：,式中：构件的设计应力；钢材的容许应力；Ni根据标准荷载求得的内力组合值;S构件的几何特性;fy钢材的屈服点;K安全系数.,式中：K1荷载系数;K2材料系数;K3调整系数。其他符号同前。,（3）近似概率极限状态
15、设计法 该方法简化了基本变量随时间变化的关系，同时，将一些复杂的关系进行了线性化。1989年实施的 钢结构设计规范（code for design of steel structure）（GBJI788）和现行的钢结构设计规范（GB500172003）均采用此法。,（2）半概率极限状态设计法形式表示为：,（4）全概率极限状态设计法 即将影响结构安全的各种因素分别采用随机变量或随机过程的概率模型来描述，对整个结构体系进行精确的概率分析后，用求得的失效概率直接度量结构的安全性。此法需大量的技术资料，目前尚不具备条件，世界各国都还尚未列入规范。随着分析理论的发展和各种技术资料的丰富与积累，最终必将采
16、用全概率设计法。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也称为概率极限状态设计法的三个水准。,1.3.3概率极限状态设计法(1)结构的极限状态：当结构或构件超过某个特定的状态，就不能满足设计规定的某一功能要求时，则此特定状态称为该功能的极限状态。极限状态分为两类：a.承载能力极限状态:包括：强度破坏、疲劳破坏、不适于继续承载的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。b.正常使用极限状态:包括：影响正常使用或外观的变形、影响正常使用的振动、影响正常使用或耐久性的局部破坏等状态。,结构的工作性能可用结构的功能函数来描述，设x1,x2,，xn为n个随机变量，则:式中：Z结构的
17、功能函数，也可用结构的荷载效应S和抗力R来表达，即:式中：R和S为两个基本的随机变量，Z是R和S的函数，也是一个随机变量。,在实际工程结构中，可能出现下列三种情况：当Z0时，结构处于可靠状态；当Z0时，结构处于失效状态；当Z0时，结构处于极限状态。由此可见，结构的极限状态是结构由可靠转变为失效的临界状态。判断结构是否可靠，要看结构是否达到极限状态，为此，通常将下式：称为极限状态方程。,(2)结构的可靠度 结构的可靠性（reliability）包括结构的安全性（safety）、适用性（usability）和耐久性（durability）。而结构的可靠度则是结构可靠性的概率度量，即结构在规定的时间
18、内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。用ps表示结构的可靠度（degree of reliability），则有：当结构处于失效状态（Z0）时的概率，称为失效概率（probability of failure），用pf表示，即:,由于可靠度与失效概率是两个相反的概率，两者的关系应满足下式：所以，结构可靠度的计算可以转化为结构失效率的计算。用概率的观点来观察结构是否可靠，是指失效概率是否已经达到可以接受的预定要求。在实际工程中绝对可靠的结构（ps 1），即失效概率为零（pf 0）的结构是没有的。,已知功能函数设fR(R)和fS(S)分别是结构的抗力R和荷载效应S的概率密度函数，为R和S的联合概
19、率密度函数，R和S是相互独立的随机变量，则有:,其失效概率为:,由于影响结构可靠度的因素很多，且极为复杂，求R和S的理论概率密度困难很大，所以目前无法从上述理论公式直接求出结构的失效概率，这就是目前我们还不能采用全概率设计法的原因之一。,(3)可靠指标 在功能函数中，R和S是两个服从正态分布的随机变量，可分别求出它们的平均值和标准差，则功能函数Z也服从正态分布，有：它的平均值和标准差分别为：可以求出：,功能函数ZR-S的正态分布图,失效,可靠,从图中可以看出，与失效概率pf之间存在着对应关系。当值增大时，阴影面积减小，即失效概率pf减小；反之，当变小时，pf增大。因此，可以作为衡量结构可靠度的
20、一个数量指标，称为可靠指标（reliability index）。,式中:为标准正态函数，只要知道可靠指标的数值，即可查标准正态函数表，求出失效概率。表1.为与pf的对应值。,为了使结构达到安全可靠与经济上的最佳平衡，必须选择一个结构的最优失效概率或目标可靠指标，但这是一个非常复杂而困难的工作。目前，我国与其他很多国家一样，采用“校准法”，就是以长期的工程实践为基础，通过对原有设计的反演分析，找出校准点，再经过综合分析后，确定设计采用的目标可靠指标。对钢结构各类主要构件校准的结果，一般在3.163.62之间。建筑结构设计统一标准规定各类构件的可靠指标见表1.2。用于一般工业与民用建筑物的钢结构
21、，其构件设计的目标可靠指标一般为3.2，钢结构连接的目标可靠指标比构件略高，一般推荐为4.5。,设计钢结构时，应根据结构破坏可能产生的后果（危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等）的严重性，采用不同的安全等级。一般工业建筑钢结构的安全等级可取为二级，民用建筑钢结构的安全等级可按现行民用建筑等级标准划分。对于特殊建筑钢结构，其安全等级可根据具体情况另行确定。当按抗震要求设计时，建筑结构的安全等级应符合建筑抗震设计规范的规定。,1.3.4钢结构设计表达式 采用计算结构的失效概率或可靠指标与所定的最优失效概率或目标可靠指标相比较的设计方法较难掌握。现规范采用分项系数来表达的方式进行设计计算。1）
22、承载能力极限状态 按承载能力极限状态设计时，应考虑荷载效应的基本组合，必要时尚应考虑荷载效应的偶然组合。基本组合时按下列设计表达式中最不利值计算。,由永久荷载效应控制的组合：,对于一般排架及框架结构，可采用下列简化的设计表达式：,由可变荷载效应控制的组合：,式中g0 结构重要性系数，对安全等级为一级和设计使用年限为100年及以上的结构构件，不应小于1.1，对安全等级为二级和设计使用年限为50年的结构构件，不应小于1.0，对安全等级为三级和设计使用年限5年及以下的结构构件，不应小于0.9；gG永久荷载分项系数，一般情况下对式（1.15）、（1.17）取1.2；对式（1.16）取1.35；当作用效
23、应对结构有利时取1.0；对抗倾覆和滑移有利时可取0.9；gQi第一个和其它任意第个可变荷载的分项系数,一般情况取1.4（第一个可变荷载取可变荷载中最大者）；当楼面活荷载标准值4kN/m2时取1.3；,SGK按永久荷载标准值计算的荷载效应值；SQ1k、SQik按第一个和其它任意第个可变荷载标准值计算的可变荷载效应。ci第i个可变荷载的组合值系数,按建筑结构荷载规范的规定采用；简化设计表达式中采用的荷载组合系数，一般情况取0.9，只有一个可变荷载时取1.0；R()结构构件的抗力函数 gR结构构件的抗力分项系数，其值应符合相关规范对各类材料的规定；fk材料性能的标准值；,k几何参数的标准值；当几何参
24、数的变异性对结构性能有明显影响时，可另增减一个附加值考虑其不利影响。对于荷载效应的偶然组合，应按现行建筑结构设计荷载规范确定。,在工程应用中，考虑到钢结构主要为单一材料制成，而且设计人员习惯于用应力形式表达和计算，故也可将计算公式（1.15）写成应力表达式:,式中 f=fy/gR,称为钢材强度设计值。,2）正常使用极限状态 正常使用极限状态(serviceability limit states)为结构或结构构件达到正常使用的某项规定限值时的极限状态。按正常使用极限状态设计时，除钢与混凝土组合梁外，只考虑荷载短期效应组合。,式中：C结构或构件达到正常使用要求的规定限值，如变形、裂缝、振幅等，按相关规范的规定采用。,返回,对于正常使用极限状态，要求分别采用荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合，并使变形等不超过相应的规定限值。对钢结构设计只考虑荷载的标准组合，其表达式为：,研究方向（1）低合金钢等优质高强钢材的研制和应用；（2）结构设计理论与方法的研究；（3）轻型钢结构的研究和应用；（4）钢与混凝土组合构件的研究和应用；（5）高层钢结构的研究；（6）空间结构的研究和应用。,
