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钢结构基础陈绍蕃2014年4月辅导材料钢结构上册（钢结构基本原理）说明：撰写这份辅导材料的主旨，在于帮助广大学子掌握本书内容的要领，并形成明晰的概念。文件在形式上和课件一样安排成幻灯片，但性质不完全相同。授课教师可以选择一部分在课堂上演示，也可以留给学生结合复习教材自己阅读。结构课特点钢结构特点应用范围结构组成钢结构的极限状态钢结构的发展课程内容和学习建议第1章概述1结构课不同于力学课的特点1）现实性力学课对现实事物高度抽象化和理想化理论力学：对象是质点、刚体和抽象的力系；材料力学：理想化的变形体：匀质，各向同性，完全弹性（或理想弹塑性）。结构课面向现实的物体（钢、木、混凝土），有缺陷。材料：并非质地完全均匀和各向同性。构件：并非理想直杆而是有初始变形，钢构件还存在初始应力。结构：构件间相互连接未必是理想铰接或理想刚接，所受的力来自现实的服役条件和自然环境，要具体分析。2）综合性事物的复杂性导致结构课程的综合性。结构的响应是内在因素和外在因素的综合结果。内在因素：化学元素、金相组织和冶金缺陷决定钢材的基本性能；辊轧使钢材产生方向性和冷却后的残余应力；焊接造成残余应力、残余变形、热影响区和焊接缺陷；制造、安装都有允许误差，其影响不能忽视。外在因素：荷载—自重、使用荷载、气象荷载，有的具有动力性质；温度—对温度变形的约束产生温度应力，低温使材料变脆；环境—腐蚀性介质的不利作用；地震作用和意外的破坏性因素。1结构课不同于力学课的特点钢材的强度高而质量轻承受同样的荷载，钢构件比其他材料轻：强度/密度比值大。做成跨越结构，无效荷载最低；做成柱子，占建筑面积最小。构件轻，适合于交通不便的地区。有双重性：风荷载大的地区要防屋盖结构被风吸力掀起。强度高的另一后果—容易屈曲（失稳）强度高则杆件细长、板件纤薄。屈曲可以使构件提前失效，强度不能充分发挥作用(尤其是高强钢)。稳定计算比较复杂，超出材料力学范围。初始几何缺陷应加以考虑：初弯曲、初倾斜。受压不如受拉，和混凝土刚好相反，组合起来相得益彰。2钢结构不同于其他结构的特点比其他材料更接近理想材料质地比混凝土均匀；各向同性优于木材；具有较大的线弹性范围。因此：钢结构比较符合材料力学的基本假定；大多数情况可以直接应用材料力学的计算公式—简便、够精确，但稳定性能和脆性断裂等问题涉及专门的力学知识；钢材和理想材料还是有差距，有些钢材存在分层问题；钢板有方向性，使用时要发挥其优良的一面：沿辊轧方向受力。2钢结构不同于其他结构的特点钢材塑性（延性）和韧性好较好的变形能力，不会突然断裂；超静定结构可以利用内力重分布；地震作用下有良好的吸能能力；韧性好，能较好地抵抗冲击作用。另一方面，注意避免脆性断裂的可能性：选材、构造、施工。耐腐蚀和抗火灾性能差二者都需要防护，提高造价；趋向于改进钢材来解决，有一定成果。2钢结构不同于其他结构的特点施工优势原材料是钢板和型钢，具有半成品性质。工厂制作阶段：机械化，自动化。包括切割、制孔和焊接等，节省工时，提高精度。工地安装阶段：现场占地少，施工期限短。机械吊装，螺栓紧固，少量焊接。迅速交付使用，资金回收时间短。容易加固，改建。能够做成可拆迁结构。2钢结构不同于其他结构的特点钢结构对缺陷很敏感钢材出厂时就存在内部缺陷；构件在制作和安装过程中会出现新的缺陷；设计计算中忽视缺陷的存在将造成承载力不足。钢结构的变形有时会控制设计变形可能使内力进一步增大；变形可能改变应力的分布。钢结构对生态环境的影响小2钢结构不同于其他结构的特点数控剪板机2钢结构不同于其他结构的特点数控切割机2钢结构不同于其他结构的特点三辊卷板机2钢结构不同于其他结构的特点数控折弯机2钢结构不同于其他结构的特点自动焊接机2钢结构不同于其他结构的特点钢柱吊装2钢结构不同于其他结构的特点高强螺栓扭矩测试升降车施工2钢结构不同于其他结构的特点澳门体育馆吊装2钢结构不同于其他结构的特点特性决定应用范围，首先是高、大、重、动。高耸建筑：高楼、塔架和桅杆。上海金茂大厦365m（421m）吉隆坡453m上海环球金融中心492m台北101层508m华沙无线电桅杆642.5m迪拜超过700m高度超过500m的高楼在国内不断兴建，如天津高银117大夏高597m。3应用范围大跨桥梁：广州珠江口拱桥360m南京长江二桥（斜拉桥）主跨628m江阴长江桥（悬索桥）主跨1385m大跨房屋和体育场：北京游泳中心（水立方）170m×170m北京国家大剧院212m×144m北京奥运主体育场（鸟巢）340m×295m3应用范围重型厂房：框架：吊车起重量达到440t；吊车梁：操作繁重（24h运转），动力作用大。改革开放后的拓展：全面开花（钢产量大增）轻型门式刚架结构：20年盖了千万m2以上；专门为此制订了技术规程。办公楼、住宅楼；一、二层别墅；大型容器；水工结构，海上采油平台；杭州雷锋塔，南海观音像。3应用范围上海金茂大厦（用钢18500t）和环球金融中心3应用范围北京国家大剧院3应用范围CCTV主楼（高234m）3应用范围北京奥运体育场（部分采用Q460E钢）3应用范围北京理工大学体育馆3应用范围北京飞机库3应用范围广州体育馆主桁架（空间）、辐射桁架（平面）、钢索和环梁3应用范围中关村软件广场支于4根柱的新型杂交结构3应用范围大连重机厂（双层吊车，用钢408kg/m2）3应用范围唐山试验园3应用范围芜湖长江桥（312m）铁路公路两用，高性能钢3应用范围北盘江大桥（236m）世界上最高的铁路桥，桥面高于水面280m3应用范围江阴长江桥主跨1385m，大于金门大桥3应用范围长江三峡船闸门（每套八字门重1890t）3应用范围煤气柜（15万m3干式）3应用范围200m烟囱（用塔架支持的烟囱）3应用范围观音像（用钢2000t）3应用范围雷峰塔（结构用钢1293t）3应用范围原则：形成一个有效抵抗各种外加作用的整体，可靠而经济。形成几何不可变体的一种方式：以平面结构为基本承重结构，加支撑。单层结构的组成4钢结构的组成组成空间结构可以少设或不设支撑。双向或多向传力还可减小结构占用的高度。空间屋盖结构4钢结构的组成高耸结构不同于跨越结构风荷载成为主要荷载。满足刚度要求成为决定高楼结构组成的重要因素；型式随高度变化：纯框架—支撑、剪力墙—框筒结构—巨型支撑。支撑成为承重体系的组成部分。高楼的刚度要求：顶点位移≤H/500，层间侧移≤h/250，还对顶点最大加速度有限制。高层房屋结构4钢结构的组成塔桅结构塔架横断面为多边形者需设横隔。桅杆借助纤绳可以保持较小截面。纤绳是柔性构件，必须施加预拉力。纤绳是受拉构件，可用高强钢材，但占地面积大。塔架结构桅杆结构4钢结构的组成钢结构组成原则的补充所承受荷载用最简单、直接的方式传到基础；传力过程没有薄弱环节；受到意外打击不倒塌；大型化的空间体系有利；多用受拉构件有利。空间框架结构北京理工大学体育馆屋盖结构是大型化的又一例子，两榀拱及其间的立体桁架组成大型体系，其余构件跨度不大。4钢结构的组成承载能力极限状态：多种多样，包括强度破坏、丧失稳定、结构变为机动体系、过度变形、疲劳破坏和脆性断裂等。拉杆截面强度大多以屈服为准则，和过度变形有关；简支梁以全截面屈服还是部分截面屈服为准，也和过度变形有关。超静定梁和框架可以在多个截面出现塑性铰，直至形成机构为极限状态，但应以失稳受到防止为前提。正常使用极限状态中的变形和振动限制，通常都在弹性范围内，而且是可逆的。在可靠度要求方面可以放宽一些。5钢结构的极限状态5钢结构的极限状态结构计算如何切合极限状态钢结构内力计算要考虑两个因素：变形影响和非弹性应变。传统的内力计算一般以结构受力前的位形为对象，不考虑变形影响。随着钢材强度提高和围护结构轻型化，结构在荷载作用下的变形增大，变形对内力的影响不再能够忽视。考虑变形影响的内力分析称为二阶分析，分析体现了几何非线性。多层多跨框架往往在出现少量塑性铰后才达到丧失稳定的极限状态。出现塑性后，变形会更大一些。这时的二阶分析同时体现几何非线性和材料非线性。双重非线性的二阶分析，结果和试验数据吻合较好。事物都在不断发展，钢结构也不例外。高性能的新钢材：提高强度并保证优良的塑性、韧性和可焊性；提高抗火性能和防锈性能。深入了解真实的极限状态：依靠先进的计算手段和试验手段。开发新的结构形式：结构更高，跨度更大，需要开发新结构形式。沙特阿拉伯要建1600m高的楼房。提高制造的技术水平：进一步机械化和自动化。6钢结构的发展属于钢结构课程基础阶段：钢结构基本原理专业指导委员会推荐教材：钢结构上册—钢结构基础，共分10章。1、概述6、钢结构的正常使用极限状态2、钢结构的材料7、钢结构的连接和节点构造3、构件的截面承载力——强度8、钢结构的脆性断裂和疲劳4、单个构件的承载能力——稳定性9、简单钢结构设计示例5、整体结构中的压杆和压弯构件10、钢结构的防腐蚀和防火教材体系不同于旧教材：按极限状态分章，而不是按构件，有助于区分强度和稳定的不同性质，疲劳和脆断并非单纯材料问题，适当突出构造问题。7课程内容介绍（1）放开眼界，以全面的观点来学习力学计算必须结合现实的结构，即有缺陷的结构、构造未必和理想条件一致的结构。重视构造设计，构造细节的传力过程和变形情况会在很大程度上影响结构的承载能力。注意施工条件，使构造便于施工，为高质量的工程提供条件。（2）学思结合，以质疑的观点来学习对学习内容要“审问之，慎思之，明辨之”。只有这样才能把知识学到手。养成质疑精神，会为今后工作中创新打好基础。（3）从课程内容领会前人如何不断创新。8学习建议