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第一章绪论钢结构是用钢板、型钢，通过焊缝、螺栓等方式连接而成的结构。主要内容有材料、连接、基本构件和结构设计。钢结构与钢筋混凝土结构、木结构和砌体结构都是工程结构的不同分支，它们之间有许多共性。例如，在结构体系、内力分析和设计程序等方面基本相同。但由于材料性质不同，因而钢结构在构件的截面形式、构件的计算方法、连接方法及构造处理方面与其它结构有很大的差别。钢结构内在的特性是由其原材料及构件的加工过程决定的，学习钢结构要注意它的特点。§1.1我国钢结构的发展概况我国是最早应用钢结构的国家，但是历史的原因致使现代建筑钢结构的应用及发展与发达国家相比，已有相当大的差距，最大的差距在于建筑钢结构。钢结构是由生铁结构逐步发展起来的，中国是最早用铁制造承重结构的国家。远在秦始皇时代（公元前二百多年），就有了用铁建造的桥墩。以后在深山峡谷上建造铁链悬桥如四川大渡河桥，我国古代还建造了许多纪念性建筑，如山东济宁市的铁塔寺铁塔，镇江的甘露寺铁塔等，这些表明我国古代建筑和冶金技术方面的高度水平。中国古代在金属结构方面虽有卓越的成就，但由于受到内部的束缚和外部的侵略，相当一段时间内发展较为缓慢。即使这样，我国工程师和工人仍有不少优秀设计和创造，如1927年建成的沈阳黄姑屯机车厂钢结构厂房；1928～1931年建成的广州中心纪念堂圆屋顶；1934～1937年建成的杭州钱塘江大桥等。19世纪后半期开始发展起来的结构力学理论、扎制钢材的普及使“铁结构设计”发展成了“钢结构设计”。20世纪50年代后，钢结构的设计、制造、安装水平有了很大提高，建成了大量钢结构工程，有些在规模上和技术上已达到世界先进水平。如采用大跨度网架结构的首都体育馆（平面为矩形）、上海体育馆（平面为圆形）、深圳体育馆，大跨度三角拱形式的西安秦始皇陵兵马俑陈列馆，悬索结构的北京工人体育馆、浙江体育馆，高耸结构中的200m高广州广播电视塔、210m高上海广播电视塔、194m高南京跨江线路塔、325m高北京气象桅杆等，板壳结构中有效容积达54000m3的湿式储气柜等。近期，随着钢结构设计理论、制造、安装等方面技术的迅猛发展，各地建成了大量的高层钢结构建筑、轻钢结构、高耸结构、市政设施等。如：位于上海浦东、420.5m高、88层、总建筑面积达28.7万m2的金贸大厦；总建筑面积达20万m2的上海浦东国际机场；主体建筑东西跨度288.4m、南北跨度274.7m、建筑高度70.6m、可容纳8万名观众的上海体育场；336m高、建于哈尔滨的黑龙江广播电视塔以及横跨黄浦江的南浦大桥、杨浦大桥等等。96年我国钢产量已开始超亿吨，居世界首位，为钢结构发展奠定物质基础，对钢材的使用已由“节约使用”变为“合理用钢”、“加大建筑用钢”。97年新发布的《中国建筑技术政策》中强调要重点发展建筑钢结构，国家相关部门也多次发布文件，要求扩大钢结构住宅的市场占有率。当今我国建筑业中发展最快的就是钢结构，最缺的人才也是钢结构专业，发展钢结构以带动其它相关产业的发展，已成为建筑业发展的重要任务。§1.2钢结构的特点1.2.1钢结构的特点1.钢结构的优点（1）钢材的强度高，塑性、韧性好钢与混凝土、木材相比，虽然质量密度较大，但其屈服点较混凝土和木材要高得多，其质量密度与屈服点的比值相对较低。在承载力相同的条件下，钢结构与钢筋混凝土结构、木结构相比，构件较小，重量较轻，便于运输和安装。在跨度和荷载都相同时，普通钢屋架的重量只有钢筋混凝土屋架的1/4～1/3，冷弯薄壁轻型钢屋架只有1/10。一般的钢筋混凝土高楼，典型楼层的自重约为10～12kN/m2，而钢结构高楼约为8～10，比前者减轻约30％以上，相应的地震作用液大大减小。建筑工程中钢结构所选用的钢材都具有良好的塑性，在拉力作用下，应力应变曲线有明显的屈服平台，不会因超载而突然断裂。钢材的塑性在一定条件下是可以利用的。如梁和框架的塑性设计，允许在结构中出现塑性铰以及继之而来的内力重分布。建筑钢材还具有较好的韧性，因此，有动力作用的重要结构经常用钢材来做。钢筋混凝土要做成延性很好的框架，就需要增加配筋量，这使它在造价上无法与钢框架竞争。（2）材质均匀、工作可靠性高钢材在冶炼和扎制过程中，质量得到严格的控制，材质波动的范围小。钢材质地均匀，接近于各向同性体，弹性模量大，为理想的弹塑性体，与目前所采用的计算方法和基本理论符合较好，所以其可靠性高。（3）钢结构制造简便、施工周期短、具有良好的装配性钢结构的构件是用各种扎制型材（型钢、板材）经切割、焊接等工序制造而成。因此钢结构生产具备成批大件生产和高度准确性的特点，可以采用工厂制作、工地安装的施工方法，其生产作业面多，可缩短施工周期，进而为降低造价、提高效益创造条件。（4、5）钢材具有可焊性由于焊接结构可以做到完全密封，一些要求气密性和水密性好的高压容器、大型油库、气柜、管道等板壳结构都采用钢结构。（6）钢结构建筑是绿色建筑，具备可持续发展的特点钢结构加工制造过程中产生的余料和碎屑，以及废弃和破坏了的钢结构或构件，均可回炉重新冶炼成钢材使用。因此钢材被称为绿色建筑材料或可持续发展的材料。·抗震及抗动力荷载性能好钢结构因自重轻、质地均匀，具有较好的延性，因而抗震及抗动力荷载性能好。·易于改造何加固钢材具有较好的可加工性能，连接简单，因此对已有结构进行改造和加固相对比较容易。2.钢材的不足（1）耐腐蚀性较差钢结构的最大缺点是容易锈蚀，特别是在潮湿环境、腐蚀性介质中。新建造的钢结构一般都需仔细除锈、镀锌或刷涂料。以后隔一定时间又要重新刷涂料，维护费用较高。目前国内外正在发展不易锈蚀的耐候钢，可大量节省维护费用，但还未能广泛采用。（2）耐热但不耐火温度在250℃以内，钢的性质变化很小，温度达到300℃以上，强度逐渐下降，达到450～650℃时，强度降为零。因此，钢结构可用于温度不高于250℃的场合。在自身有特殊防火要求的建筑中，钢结构必须用耐火材料予以维护。当防火设计不当或者当防火层处于破坏的状况下，有可能将产生灾难性的后果。·钢材价格相对较高1.2.2钢结构的应用·形式·框架单层单跨框架单层多跨框架多层单跨框架多层多跨框架·桁架平面桁架空间桁架·拱架·索·壳体应用1．单层厂房结构厂房钢结构一般指重型、大型车间的承重骨架。通常由檩条、天窗架、屋架、托架、柱、吊车梁、制动梁（桁架）、各种支撑及墙架等构件组成。2．大跨度结构大跨度结构主要有网架结构、悬索结构和网壳结构等。·网架结构网架结构广泛用作体育馆、展览馆、俱乐部、影剧院、食堂、会议室、候车厅、飞机库、车间等的屋盖结构。具有工业化程度高、自重轻、稳定性好、外形美观的特点。构成网架的基本单元有三角锥、三棱体、正方体、截头四角锥等，由这些基本单元可组合成平面形状的三边形、四边形、六边形、圆形或其他任何形体。一般而言，网架钢结构有下列三种节点形式：·焊接球节点·螺栓球节点·钢板节点·悬索及索桁架结构以一系列拉索为主要承重构件，这些索按一定的规律组成各种不同的形式，悬挂于相应的支撑结构上，使材料强度在受拉情况下得到充分发挥的结构形式。节约钢材（以浙江省体育馆为例，仅17kg/m2）、外形美观、设计施工较复杂，适合于大跨度屋顶。·网壳结构同网架结构一样，网壳也是由许多杆件按一定规律布置，通过节点连接成空间杆系结构，但网架的外形呈平板状，而网壳的外形呈曲面状。一般为单层或双层，按其外形为单曲面或双曲面而构成网状穹顶、网状筒壳以及双曲抛物面网壳等多种形式。网壳结构的特点：外形美观、通透感好，建筑空间大、用材省，设计施工较复杂。苏州乐园宇宙大战馆球体屋面（穹顶）上海商务中心（网状网壳）3．多层、高层结构·多层住宅、办公楼多层住宅、办公楼柱距一般为6～9米，不超过8层，基础受力小，有利于抗震；资源耗用少；工业化程度高；施工速度快；可装拆；造价略高。·小别墅轻钢小别墅一般2～3层。造型多变、功能齐全、建造速度快、工业化程度高、造价略高。高层结构·一般50层以上建筑用钢结构或钢－混组合结构·自重轻、抗震性能好，基础处理方便·柱用焊接方管（圆角）、H型钢或组合柱·梁用H型钢，上下翼缘用对接焊，腹板用高强螺栓作抗剪连接，柱与梁翼缘对应处有加强板·楼板用压型钢板加钢筋网加细石砼构成组合板，板与梁连接用销钉·外墙用玻璃或铝幕墙·基础用桩基加箱基，箱基作停车场·防火要求非常严格4．塔桅等耸结构高耸钢结构的结构形式多为空间桁架，其特点是高跨比较大，以水平荷载作用为主，可应用在以下几个方面：·输电塔·通讯及微波塔·多功能广播电视发射塔·桅杆·火炬塔、石油化工塔架5．桥梁结构桥梁钢结构的主要形式有：·桁架式桥（如武汉、南京长江大桥）（连续小跨距）·箱形桥梁（如立交桥、铁路桥），钢板焊成·拱形桥梁，中、小跨度·斜拉桥（如上海南浦、杨浦大桥）“H”型钢，大跨距、特大跨距（5）悬索桥（如江阴长江大桥）桁架梁1000米跨距6．可拆卸、移动结构钢结构不仅重量轻，还可以用螺栓或其他便于拆装的手段来连接，因此非常适用于需要搬迁的结构，如建筑工地、油田和需要野外作业的生产和生活用房的骨架等。钢筋混凝土结构施工用的模板和支架，以及建筑施工用的脚手架等也大量采用钢材制作。7．轻型钢结构轻型钢结构是一个很模糊的概念，没有严格的定义。以下结构都可称为轻型钢结构：①由冷弯薄壁型钢组成的结构；②由热轧轻型型钢（工字钢、槽钢、H型钢、L型钢、T型钢等）组成的结构；③由焊接轻型型钢（工字钢、槽钢、H型钢、L型钢、T型钢等）组成的结构；④由圆管、方管、矩形管组成的结构；⑤由薄钢板焊成的构件组成的结构；⑥由以上各种构件组成的结构。钢结构重量轻不仅对大跨结构有利，对屋面活荷载特别轻的小跨结构也有优越性，因为此时结构的自重液成为一个重要因素。轻钢结构的结构形式有门式刚架、冷弯薄壁型钢结构以及钢管结构等。轻钢结构因具有用钢量省、造价低、供货迅速、安装方便、外形美观、内部空旷等特点，在近年来得到迅速的发展，主要用于：·单层或多层厂房、仓库单层或多层厂房、仓库，有单跨或多跨，跨度一般不超过30m，省材、施工速度快、造价低、耗用资源少，吊车为轻级工作制且起重量一般不超过20t，单层的承重结构用钢量一般为10～30kg/m2,多层承重框架用钢量一般为30～60kg/m2。§1.3钢结构的主要结构体系1.平面承重结构体系2.空间受力结构体系3.多层、高层及超高层建筑结构体系§1.4钢结构的计算原理4.1概述设计结构的最终目的使要要保证结构或构件在使用荷载作用下能安全可靠地工作，并同时满足使用要求和经济要求，也就是要处理好结构的可靠性和经济性的关系。钢结构设计过程：根据建筑布局确定结构方案荷载计算内力分析选定材料及规格构件及连接验算精确计算的要求就是上述每一步都是很准确的，但事实上是很困难的。主要问题在于：计算模型与实际结构有一定的差距计算尺寸与实际尺寸有一定差距计算荷载与实际荷载有一定差距此外，材料性能、施工质量等变化也较大。因此，在设计中如何恰当的考虑这些因素的变动规律，就形成了结构设计方法的几个阶段。1、总安全系数的容许应力计算法2、三个系数的极限状态计算方法3、以结构极限状态为依据,多系数分析后用单一设计安全系数的容许应力计算方法4、概率论为基础的一次二阶矩极限状态设计法1.4.2结构概率设计法1.概率极限状态设计法对结构设计中需要考虑的多种非确定性因素，如荷载、材料性能等，运用概率论和数理统计的方法来寻找它们的规律性，从而进行结构设计，这就是结构概率设计法。荷载效应S：取决于各种荷载（恒载、活载、风、地震作用，温度变化等）。结构或构件的承载力或抗力R：取决于材料、构件的几何特性等。设结构状态方程：当Z0时，结构可靠；当Z=0时，结构失效；当Z0时，结构或构件承载能力处于极限状态。结构可靠度：结构在规定时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。若以表示结构的可靠度，则：失效概率：结构处于失效状态的概率，以表示，则有：且1fspp结构是否可靠就看结构可靠度是否足够大或其失效概率是否小到可以接受的程度。对于一个结构状态方程，其平均值与其标