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1、钢结构设计原理,中南大学土木工程学院桥梁工程系,主讲教师：黄天立,E-mail：,Tel：,课程导言,中南大学桥梁工程系,课程导言,钢结构设计原理是土木工程专业的一门主要专业课程，是研究钢结构工作性能和合理设计的一门工程技术型课程。主要包括两大部分：钢结构设计原理和钢结构设计。前者研究钢结构材料、基本构件以及基本构件的连接，为钢结构设计打下理论基础；后者设计结构，包括结构形式、结构体系、分析计算及相关构造。钢结构设计就是这样一个过程：板材构件结构。钢结构设计原理是一门专业基础课，是搞钢结构设计的工具，通过本课程的学习，要求培养以下能力：1、选用合理的结构钢材；2、设计钢结构基本构件；3、设计构
2、件间的连接；4、为今后钢结构设计和研究打下必要的基础。,课程导言,数学 力学 钢结构 桥梁工程（房建）钢结构与材料力学的关系 钢结构与桥梁工程（房建）的关系,一、钢结构在课程体系中的位置,中南大学桥梁工程系,课程导言,（实践）课程设计,二、钢结构课程的主要内容,（1）概述：发展、应用、设计方法等。（2）钢材：力学性能、工艺性能、选用等。（3）连接：焊接、铆钉连接、螺栓连接。（4）杆件：轴心受力杆件、受弯杆件、拉(压）弯杆件。重点在五个基本问题：强度、刚度、整体稳定、局部稳定、疲劳及构造要求。,（理论）基本原理,（1）钢屋架设计（2）吊车梁设计,中南大学桥梁工程系,课程导言,三、钢结构学习要求,
3、理解基本概念“基本概念与计算方法并重”,中南大学桥梁工程系,课程导言,掌握课程的主线，条理要清晰“化整为零；删繁就简；解剖综合”例如：三类基本杆件与五个问题。,加强自学能力培养,主要参考资料 1.王国周.钢结构设计原理.清华大学出版社.2.钢结构设计规范及条文解释（建筑、公路、铁路）3.铁摩辛柯.弹性稳定理论.科学出版社.4.薄壁杆件弯曲、扭转及稳定性分析 5.沈祖炎.钢结构学.中国建筑工业出版社.,中南大学桥梁工程系,课程导言,教材特点 夏志斌，姚谏.钢结构-原理与设计.中国建筑工业出版社.行业不同，规范不同，教材有所不同,第一章 绪论,钢结构的特点钢结构应用情况钢结构的设计方法,中南大学桥
4、梁工程系,第一章 绪论,（1）强度高，重量轻。（2）材质均匀，塑性与韧性良好。（3）施工质量好，工期短。（4）密闭性好。（5）耐热性能好。（6）可拆卸，适用于移动性结构,优点,缺点,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,（7）不耐火。（8）易腐蚀，维护费用大。（9）造价相对较高。（10）噪音大。,1.1 钢结构的特点,1、强度高，重量轻 钢材 比重：7850Kg/m3,抗拉设计强度（200）N/mm2 重量/强度40 混凝土 比重：2500Kg/m3,抗拉设计强度（1）N/mm2 重量/强度2500 木材 比重：500Kg/m3,顺纹抗拉强度（10）N/mm2 重量/强度50,中南大学桥梁工程系,
5、第一章 绪论,2、材质均匀，塑性与韧性良好。3、施工质量好，工期短。,自动钢板切割,埋弧自动焊,作业面多现场基础施工,工厂钢构制作,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,4、密封性好,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,5、耐热性好；7、但不耐火,温度对钢材力学性能的影响,需采取防火对策,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,6、可拆卸，适用于移动性结构,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,8、易腐蚀，维护费用大。热浸锌（25年）酸洗、清洗、干燥、热浸锌、后处理 质量稳定、工业化程度高，但构件尺寸受锌槽尺寸控制 热喷铝复合涂层（25年）喷砂、喷锌（铝）、喷铝、喷复合涂层 不受体型大小限制、无热影响，构件形
6、状复杂时操作困难 普通防腐蚀方法（35年）除锈、底漆、面漆 操作方便，防腐有效年限短,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,（1）强度高，重量轻。（2）材质均匀，塑性与韧性良好。（3）施工质量好，工期短。（4）密闭性好。（5）耐热性能好。（6）可拆卸，适用于移动性结构,优点,缺点,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,（7）不耐火。（8）易腐蚀，维护费用大。（9）造价相对较高。（10）噪音大。,1.2 钢结构的应用范围,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,中国钢材增长曲线,2009年，中国产钢5.68亿吨；2010年，6.3亿吨；2011年，6.83亿吨；2012年，7.17亿吨；2013年，7.86亿
7、吨；首次超过全世界产量的一半。,（1）重型工业厂房、轻型钢结构,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,钢屋架结构,门式刚架,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,大连北良国储粮库 净跨60m,嘉兴电厂干煤棚,（2）大跨度房屋结构（体育场、飞机库、会展中心）,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,鸟巢是一个大跨度的曲线结构，有大量的曲线箱形结构,钢结构总用钢量为4.2万吨。,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,湖南国际会展中心,长沙火车南站,浦东国际机场,国家大剧院,（3）高层房屋结构,上海环球金融中心：设计高度492米，楼层为地下3层、地上101层，结构形式为内砼外框，预计钢结构量约65000吨。金茂大厦：
8、1998年建成，88层，420m，混凝土核心筒，钢巨型外伸桁架,钢骨混凝土巨型柱,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,（4）高耸结构（电视塔、输电塔）,广州电视塔：总投资约22.15 亿人民币，塔高达610米，用钢量约10000吨,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,通讯塔,输电塔,（5）桥梁结构（主要用于大跨度桥梁）,明石海峡大桥（钢桁梁悬索桥，主跨1991米）,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,明石海峡大桥（钢桁梁悬索桥，主跨1991米）,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,西堠门大桥:钢箱梁悬索桥，主跨1650米，世界第二、国内第一,中南大学桥梁工程系,第一章
9、 绪论,武汉长江大桥正桥全长1156m，三联3128m铆接连续钢桁梁。进口碳钢，铆接，手工操作，引进了前苏联的机器样板钻孔，使钢梁制造做到了工厂化、标准化。,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,武汉天兴洲长江大桥主跨跨度504 m，为世界上跨度最大的公铁两用斜拉桥；世界上设计载荷最大的公铁两用斜拉桥。本桥荷载标准为6车道公路、4 线铁路（两线客运专线、两线级干线）；斜拉桥首次采用三片桁架主梁、三索面的新结构。；斜拉索为我国国内最大，单根索力为1.25104 kN；深水基础首次采用3.4 m的大直径钻孔灌注桩。,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,三汊矶大桥：目前国内跨度最大的自锚式钢箱悬索桥。全长
10、1442米，主桥跨328米，边跨为132米。,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,重庆朝天门大桥:190m+552m+190m的三跨连续中承式钢桁系杆拱桥。,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,卢浦大桥 上海市黄浦江鲁班路越江工程的一座特大跨径城市桥梁，是目前世界上第二大跨拱桥，该桥已成为上海市的标志性建筑之一。主桥为三跨连续钢箱拱桥，主桥跨径为100m+550m+100m=750m，采用全钢结构的拱、梁组合体系中承式系杆拱桥。,钢板梁桥,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,1907年建成通车,架设在上海苏州河与黄浦江汇合处的外白渡桥，为钢架结构下承式桥，是上海市区最大的一座钢铁桥。桥有二孔，共长1
11、06.7米，车行道宽11.2米，两侧人行道各宽3.6米，经多次改造，现载重为20吨。,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,（6）其他结构（容器、汽车船舶、起重设备、施工支架）,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,64米军用梁,贝雷架,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,摩天轮,储气罐,1.3 钢结构的设计与设计规范,（1）足够强度、刚度和稳定性，结构安全可靠；（2）符合建筑使用要求，具有良好耐久性；（3）节约钢材，减轻重量；（4）制造简单、安装方便，节约劳动力；（5）便于运输、维护；（6）结构适当外露、美观。,1、钢结构设计要求,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,2
12、、钢结构设计内容,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,（1）结构选型和结构布置；（2）确定选用的钢材牌号；（3）建立结构计算简图，确定其所承受的各类荷载；（4）内力分析及组合，确定最不利内力；（5）构件截面设计；（6）连接设计；（7）绘制施工详图，编制材料表。,3、设计规范,铁路钢结构,铁路桥梁钢结构设计规范（2005年）,建筑钢结构,钢结构设计规范（GB50017-2003）,公路钢结构,公路桥梁设计规范（JTJ025-86）,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,1.4 钢结构设计方法,安全性（1）能承受正常条件下的各种作用（2）偶然荷载下，结构保持必要的整体性适用性：正常荷载作用下，结构满足正
13、常使用要求。耐久性：正常维护下，结构具有足够的耐久性。其他要求：经济、美观,一、结构设计的基本要求,可靠性,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,可靠性与经济性的关系？,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,如何在两者之间找到平衡点？,（1）结构设计安全余地留多大？,（2）结构设计时如何把安全余地考虑进去？,解决途径：设计规范与设计方法,二、结构设计方法发展过程,定值法,概率法,容许应力法：单一安全系数；弹性,破坏阶段设计法：单一安全系数；极限状态,多系数极限状态法：多系数；部分概率化；极限状态,近似概率极限状态设计法（一次二阶矩法）：联合概率；近似方法,全概率极限状态设计法：完全概率方法；暂难实现,
14、中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,1 容许应力法基本表达式,三、容许应力法,荷载效应结构抗力安全系数,（强度设计式）（稳定设计式）,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,（1）形式简单，使用方便，已积累丰富经验（2）安全系数K无法反映结构的可靠概率（3）相同安全系数K反映的安全水平可能不同（4）安全系数K的取值主要由经验确定（美国1.671.80；英国1.68；德国1.50；日本1.50；我国1.41.7）,2 容许应力法特点,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,1 结构功能函数与可靠概率,四、一次二阶矩法,0 可靠状态=0 极限状态0 失效状态,结构功能函数,可靠概率与失效概率,要分析可靠概率必须
15、知道Z的概率分布，但实际很难，故全概率分析暂时不能实现，只能走近似道路。,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,2 结构可靠度的近似表达式,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,（1）功能函数Z是基本变量x1xn的一次式。（2）R、S独立，均为正态分布，这样Z也为正态分布。,一次二阶矩法的假定,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,失效概率的计算式,可靠指标与失效概率一一对应,中南大学桥梁工程系,一阶原点矩,二阶中心矩,第一章 绪论,分项系数设计表达式,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,目标可靠指标？,目标可靠指标,中南大学桥梁工程系,校准法：根据新方法，回推以往规范隐含的可靠度，作为 确定目标可靠指标的
16、依据。,第一章 绪论,2 两种极限状态及其设计表达式,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极限状态。,正常使用极限状态结构或构件达到正常使用的某项规定的限值时的极限状态。,说明：关于承载能力具体表达式在后续计算中会体现。,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,1 现有桥梁及建筑钢结构设计规范,五、我国钢结构设计方法及规范,铁路钢结构,容许应力法,铁路桥梁钢结构设计规范（2005年）,建筑钢结构,一次二阶矩法,钢结构设计规范（GB50017-2003）,公路钢结构,容许应力法,公路桥梁设计规范（JTJ025-86）,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,2 其他规范,钢结构设计规范（2003年）：适用于热轧钢材建造的钢结构。,中南大学桥梁工程系,第一章 绪论,冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002）：适用于冷成型的薄壁型钢结构。,钢结构工程施工质量验收规范（GB50205）,其他专门规范：防火、防腐、高层等规范,3、本章总结,
