钢结构讲义

1钢结构主讲人：杨斌2参考资料钢结构设计规范GB50017－2003建筑结构荷载规范GB50009－2001钢结构设计原理张耀春主编高等教育出版社钢结构魏明钟主编武汉工业大学出版社钢结构陈绍蕃主编中国建筑工业出版社3第一章概述4§1.1钢结构的发展历史公元前200年，秦始皇时代，铁造桥墩；公元60年，汉明帝时代，铁链悬桥（兰津桥）济宁寺甘露寺大渡河铁索桥广州中山纪念堂圆屋顶钱塘江大桥南京长江大桥首都体育馆上海体育馆大型企业厂房300多年前上世纪30年代上世纪50～60年代5中国国际贸易中心京广中心大厦深圳发展中心地王大厦黑龙江电视塔1990年北京亚运会场馆现在，金茂大厦421m，环球金融中心460m帝国大厦381m新加坡双塔大厦450msearstower443m世界贸易中心402m结论：材料：连接：结构形式：上世纪80年代后国外桥销钉→钢→锻铁铸铁→铆钉→工业与民用建筑→塔→焊接→螺栓6金茂大厦7台北101大厦448/508最高使用楼层438m最高屋顶高度448m8环球金融中心9新加坡双塔大厦95层10111213世贸中心14英国伦敦千年穹顶－D320m1502年世界杯－韩国大邱体育场16国家大剧院17上海八万人体育场18上海八万人体育场施工现场组合钢管悬挑空间桁架—70m多19澳门东亚运动会体育馆20澳门东亚运动会体育馆－亚洲跨度最大的桁架21上海南站钢结构圆屋顶－D265m22东海大桥钢结构工程长31km海上段28km桥宽31.5m23336m320m24迪拜塔改名为“哈里发”高度828米25建设中的迪拜塔建筑高度是绝密，现已建成629m26迪拜塔效果图27鸟巢28水立方29中国工程院院士董石麟：“(水立方)结构形式我们现在叫它多面体空间钢架结构。这一种结构在过去，不单单在我们国家，在世界上还是没有的”。水立方30济南奥体中心效果图（十一届全运会）31济南奥体中心32石家庄晋州近200米在建电视塔雨夜折断-2009.7.19整个电视塔高186.8米，第一断裂处位于塔高56米处，第二断裂处位于塔高约70米处。33a石家庄晋州近200米在建电视塔雨夜折断-2009.7.1934§1.2钢结构的特点和应用一.钢结构的特点1.自重轻、承载力高；为同跨度、同荷载钢筋混凝土屋架的（1/3～1/4）重。特别是地质条件差的地区，降低地基、基础的造价。2.钢材的塑性和韧性好；（后面介绍）3.接近于匀质等向体；内部组织均匀，各方向物理性能基本相同，在使用阶段，变形较小。此特点与力学假定吻合较好。4.焊接性能；指钢材在焊接过程中和焊后，保持焊接部分不开裂的完整性的性质。5.不渗漏；便于做成密闭容器。6.制造简便、施工方便、具有良好的装配性；357.耐腐蚀性差；涂防腐漆混凝土包裹8.耐热好，防火差。t150℃，性能变化不大t150℃，性能变化大t600℃，强度为0涂防火涂料混凝土包裹二.钢结构的应用1.工业厂房跨度、柱距较大，有100t以上重级或中级工作制吊车的厂房，有热辐射的厂房。现什么厂房都可采用。2.大跨结构体育馆、会馆解决办法解决办法→钢屋架→网架、网壳、悬索周围温度超过150℃，采取防护措施厂房363.高耸结构和高层结构自重轻、截面小，减小风荷载。4.受动力荷载作用的结构钢材的韧性好，动力性能高。5.容器与管道6.可拆卸和移动的结构如流动式展览馆、活动房。7.其它。如海洋平台、码头、输煤栈桥等。总之，采用钢结构，工期短、造价高，应从综合经济效益来考虑。§1.3钢结构的设计方法钢结构设计时，必须满足一定的设计准则，即在满足功能要求的前提下，做到安全可靠、技术先进、确保质量和经济合理。37一.安全系数法（容许应力设计法）S：全部荷载引起的结构构件中的内力；A：几何特性，即截面面积或截面抵抗矩等；fy：材料的标准强度，针对钢材为屈服点；K：安全系数。安全系数凭经验而定，因而不同构件的安全度不可能相同，故不合理。注意：疲劳计算还采用此法。二.极限状态设计法当结构或其组成部分超过某一特定状态，就不能满足设计规定的某一功能要求时，此特定状态就称为该功能的极限状态。Kσ≤ASσyf构件中应力容许应力极限状态：38承载力极限状态正常使用极限状态指结构或构件达到最大承载能力或是出现不适于继续承载的变形。包括静力强度、动力强度、稳定、倾覆等。①整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡；如倾覆。②结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳强度），或因过度变形而不适于继续承载；③结构转变为机动体系；④结构或结构构件丧失稳定；⑤地基丧失承载能力而破坏。指结构或构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值。分为具体为承载力极限状态：正常使用极限状态：39①影响正常使用或外观的变形；②影响正常使用或耐久性的局部损坏（包括裂缝）；③影响正常使用的振动；④影响正常使用的其它特定状态。1.极限状态设计法是以概率理论为基础，把有变异性的设计参数通过概率分析引入结构设计中。根据应用概率分析的程度分为三种水准：半概率极限状态设计法；近似概率极限状态设计法；全概率极限状态设计法。是使结构产生内力和变形的所有原因。又称荷载效应，以S表示。如荷载、温度变化、地震力等。具体为作用：40结构或构件的承载力，以R表示。它取决于材料的强度和构件的几何因素。指结构在规定的时间内、规定的条件（正常设计、正常施工、正常使用、正常维护）下，完成预定功能的能力。预定功能：就是对于规定的某种功能来说，结构不失效。可靠性是结构安全性、适用性、耐久性的概称。用来衡量结构可靠性的指标。指结构在规定的时间内、规定的条件下完成预定功能的概率。当结构或构件的抗力等于荷载效应时，此结构或构件达极限状态。抗力：可靠性：可靠度：41极限状态方程RS时，可靠RS时，失效由于基本变量的不定性，即各变量可能出现高值或低值，因而也不能保证结构绝对可靠。通常，认为可靠概率足够大，或者说，失效概率足够小，就可认为结构是安全的。可靠概率即可靠度，用ps表示，失效概率用pf表示，pf+ps=1.0结构可靠就是指失效概率小到人们可以接受的程度。可接受的失效概率为万分之几。设计中，荷载、材料强度等指标大都是随机变量，多呈正态分布，一些非正态分布的随机变量（如风载）可以通过数学变换成当量的正态分布。故此认为R、S为正态分布。0S-Rg(R.S)Zps＝g(R-S0)pf＝g(R-S0)42所以，极限状态函数Z=R-S也是正态分布的随机变量。Z的概率分布曲线Z0失效概率Z很难求出，而Z的特征值较易求。用、表示R、S的平均值σR、σS表示R、S的标准差则Z的平均值Z的标准差从图中看出，pf与至原点的距离有关，计算复杂，想其它办法。令，则pf与β之间也存在相应关系，β大，则pf小，反之亦然，经理论计算，β与pf一一对应。Zf(Z)μZβσZ即R-S0失效dz(z)p∫0∞ffμμμSRZ-2S2RZσσσμRμSσZZβμμZ43故β也可作为衡量结构可靠性的一个指标，称为“可靠指标”。当然，要满足结构构件承载能力的可靠指标要求，β不应小于«规范»规定值。由于R、S采用了近似的正态分布，故算得的β、Pf值是近似的，故称为近似概率极限状态设计法。由于Z的分布很难求出，Pf计算复杂，采用β代替Pf来度量结构的可靠性。据统计资料，知R、S平均值和标准差后，即知β。2.设计表达式按可靠指标设计不易掌握，«规范»将极限状态设计公式等效地转化为分项系数设计公式。分项系数不是凭经验而定，是以可靠指标β为基础采用概率设计法求出。σσ-2s2RSRμμβ对应查出Pf44（1）承载力极限状态Z＝R-S＝0S≤R其中：RK：抗力标准值；：材料抗力分项系数；fK：钢材强度标准值；A：截面几何因素；fd：材料强度设计值。S取值：①由活荷载效应控制的组合②由恒荷载效应控制的组合偶然设计状况（如撞击、爆炸、火灾等）γARKf引入结构重要性系数1.1重要结构0.9次要结构1.0一般结构应考虑偶然组合：基本组合取不利组合AdfγRRRKγ0R≤Sγ0γR45①由活荷载效应控制的组合式中：：永久荷载的分项系数；：第i个可变荷载的分项系数；SGK：按永久荷载标准值GK计算的荷载效应值；：按可变荷载标准值计算的荷载效应值；：可变荷载Qi的组合值系数（查规范）。②由恒荷载效应控制的组合此处不区分各可变荷载作用的大小。n2KQQcQ1KQ1GKGSγψSγSγSiiiiψciKQQn1cGKGSγψSγSiiii（＊）γGQKiγQiSKQi46n1KQQGKGSγ0.9SγSiiiQ1KQ1GKGSγSγS取不利组合仍用（＊）式，即：①由活荷载效应控制的组合②由恒荷载效应控制的组合或若仅有一个可变荷载，组合值系数取为1.0KQQn1cGKGSγψSγSiiii对框架、排架，公式简化为：47注：①基本组合中的设计值适用于荷载与荷载效应线性的情况；②SQ1K无法判断时，轮次以各可变荷载为SQ1K，然后取不利者；③当考虑以竖向的永久荷载效应控制的组合时，可变荷载仅取竖向荷载；④取值：=1.2（可变荷载效应控制时）=1.35（永久荷载效应控制时）当效应对结构有利时：=1.0=1.4=1.3(工业楼面活荷标准值≥4kN/m2)（2）正常使用极限状态S≤C式中：C：结构或构件达到正常使用要求的规定限值。γG当效应对结构不利时取值：γQγGγGγG48S取值：标准组合：频遇组合：准永久组合：钢结构只考虑荷载的标准组合。准永久组合适用于钢与混凝土组合梁，另外还得考虑标准组合。§1.4钢结构的新发展1.高效能钢材的研究和应用；提高承载力：H型钢耐腐蚀钢、耐火钢。2.设计准则的进一步完善；现行准则还仅是构件或某一截面的可靠度。S∑ψSSSKQn2cQ1KGKiiiS∑ψSSKQn1qGKiii准永久值系数应考虑Q235→Q345→Q390→Q420→强度更高493.构件和结构稳定理论的进一步研究；构件稳定研究的很多，结构体系稳定研究的不够。4.大跨度结构、高层结构、轻型钢结构的研究；5.组合结构的研究组合梁钢管混凝土§1.5钢结构设计中的主要问题1.钢材材质：2.稳定问题：截面面积小截面开展3.构造问题指构件截面的组成和连接方式，以及构件与构件间的节点形式。节点处，内力分布复杂，计算简化因而近似，处理不当，可能导致构件或结构的破坏。整体稳定、局部稳定化学成分、冶金缺陷对钢材性能的影响。