钢结构第一章绪论ppt1

1、钢结构课程的主要内容： 钢材材质、稳定和构造材质、稳定和构造（包括连接）问题 钢材材质和使用钢材性能虽然比较稳定，但化学成分、冶金缺陷和加工制作工作环境会对钢材性能产生影响。应合理使用。 稳定问题由于钢材高强，构件的截面面积一般较小，必然产生稳定问题。既要考虑其整体稳定性，又要考虑其局部稳定性。影响稳定性的因素也比较多，理论也比较复杂。所以，稳定是钢结构设计中的突出问题。 构造（包括连接）问题构造问题指构件截面的组成和连接方法，以及构件与构件的节点形式。课程安排：两门课共64课时 一周课程设计成绩平定：考试70，平时30上课、作业和课堂问答。 本章学习目标 通过本章的学习，要求学生对钢结构的特

2、点和设计方法有所了解；了解该课程的基本框架。 本章教学内容 本章的主要知识点是钢结构的特点，钢结构设计方钢结构的特点，钢结构设计方法以及钢结构应用法以及钢结构应用和发展。 教学要求 了解钢结构的发展概况及其在我国现代化建设中的作用和地位；掌握钢结构的特点及其合理应用范围；了解结构按极限状态的设计方法；了解钢结构设计中的主要问题及发展方向。钢结构钢结构 第一章第一章 绪论绪论 本章重点 本章节有两个重点第一: 钢结构的特点。钢结构既有强度高，塑、韧性好等优点，也存在易腐蚀、耐火性能差等缺点。必须在设计中合理使用钢材，注意提高钢材的耐久性。 第二: 钢结构的设计方法，这是一个影响钢结构设计安全与经

3、济的全局问题。设计方法确定后，材料的强度设计值，荷载的取值及其有关分项系数等才能确定。 本章难点钢结构的设计方法。 第一章第一章 绪论绪论1 1、钢结构发展简史、钢结构发展简史、 2 2、钢结构的特点及应用、钢结构的特点及应用 3 3、钢结构设计、钢结构设计方法方法 4 4、钢结构的发展方向、钢结构的发展方向 1-11-1钢结构发展简史钢结构发展简史 钢钢是铁碳合金，人类采用钢结构的历史和炼铁、炼钢技术的发展是密不可分的。早在公元前2000年左右，在人类古代文明的发祥地之一的美索不达米亚平原（位于现代伊拉克境内的幼发拉底河和底格里斯河之间）就出现了早期的炼铁术。 我国也是较早发明炼铁技术的国家

4、之一，在河南辉县等地出土的大批战国时代（公元前475前221年）的铁制生产工具说明，早在战国时期，我国的炼铁技术已很盛行了。公元65年（汉明帝时代），已成功地用锻铁为环，相扣成链，建成了世界上最早的铁链悬桥兰津桥。 此后，为了便利交通，跨越深谷，曾陆续建造了数十座铁链桥。其中跨度最大的为1705年（清康熙四十四年）建成的四川泸定大渡河桥，桥宽2.8m，跨长100m，由9根桥面铁链和4根桥栏铁链构成，两端系于直径20cm、长4m的生铁铸成的锚桩上。该桥比美洲1801年才建造的跨长23m的铁索桥早近百年，比号称世界最早的英格兰30m跨铸铁拱桥也早74年。泸定铁索桥泸定铁索桥除铁链悬桥外，我国古代还

5、建有许多铁建筑物，如公元694年（周武氏十一年）在洛阳建成的“天枢”，高35m，直径4m，顶有直径为11.3m的“腾云承露盘”，底部有直径约16.7m用来保持天枢稳定的“铁山”，相当符合力学原理。又如公元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。 所有这些都表明，我们中华民族对铁结构的应用，曾经居于世界领先地位。湖北荆州玉泉寺建成的湖北荆州玉泉寺建成的13层铁塔层铁塔 欧美等国家中最早将铁做为建筑材料的当属英国，但直到1840年以前，还只采用铸铁来建造拱桥。1840年以后，随着铆钉连接和锻铁技术的发展，铸铁结构逐渐被锻铁结构取代，1846-1850年间在英国威尔士修建的

6、布里塔尼亚桥是这方面的典型代表。该桥共有4跨，跨长分别为70-140-140-70m，每跨均为箱型梁式桥，由锻铁型板和角铁经铆钉连接而成。 随着1855年英国人发明贝氏转炉炼钢法和1865年法国人发明平炉炼钢法，以及1870年成功轧制出工字钢之后，形成了工业化大批量生产钢材的能力，强度高且韧性好的钢材才开始在建筑领域逐渐取代锻铁材料，自1890年以后成为金属结构的主要材料。 20世纪初焊接技术的出现，以及1934年高强度螺栓连接的出现，极大地促进了钢结构的发展。除西欧、北美之外，钢结构在前苏联和日本等国家也获得了广泛的应用，逐渐发展成为全世界所接受的重要结构体系。 由于我国长期处于封建主义统治

7、之下，束缚了生产力的发展，1840年鸦片战争以后，更沦为半封建半殖民地国家，经济凋敝，工业落后，古代在铁结构方面的技术优势早已丧失殆尽。我国在1907年才建成了汉阳钢铁厂，年产钢只有0.85万吨。 1943年是我国历史上钢铁产量最高的一年，生产生铁180万吨，钢90万吨，绝大部分是在东北生产的。这些钢铁很少用于建设，大部分被日本帝国主义用于反动的侵略战争。 新中国成立后，随着经济建设的发展，钢结构曾起过重要作用，如第一个五年计划期间，建设了一大批钢结构厂房、桥梁。但由于受到钢产量的制约，在其后的很长一段时间内，钢结构被限制使用在其他结构不能代替的重大工程项目中，在一定程度上，影响了钢结构的发展

8、。 自1978年我国实行改革开放政策以来，经济建设获得了飞速的发展，钢产量逐年增加。自1996年超过1亿吨以来，一直位列世界钢产量的首位，2003年更达到创纪录的2.2亿吨，逐步改变着钢材供不应求的局面。我国的钢结构技术政策，也从“限制使用”改为积极合理地推广应用。近年来，随着市场经济的不断完善，钢结构制作和安装企业像雨后春笋般在全国各地涌现，外国著名钢结构厂商也纷纷打入中国市场。在多年工程实践和科学研究的基础之上，我国新的钢结构设计规范GB50017-2003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。1-21-2钢结构的特点及应用钢结

9、构的特点及应用 1-2-1钢结构的特点钢结构的特点 钢结构钢结构是由钢板、钢管、热轧型钢和冷加工成型的薄壁型钢制造而成的结构。 优点优点：（1）材料强度高，钢材质量轻（相对）材料强度高，钢材质量轻（相对） a=容重/强度, a越小，结构相对越轻 钢材：钢材：a=1.7a=1.73.73.71010-4/-4/m m； 木材：木材：a=5.4a=5.41010-4/-4/m m； 钢砼：钢砼：a= 18a= 181010-4/-4/m m； 由于钢材强度高，结构需要的构件截面小,结构自重轻。能跨越大跨径。同跨径下钢屋架的重量只有钢筋混凝土屋架的1/41/3。可以简化基础。（2）塑、韧性好塑、韧性

10、好 钢材的塑性好，承受静力荷载时，材料吸收变形能的能力强。钢结构在一般条件下不会因超载等而突然断裂。破坏前一般都会产生显著的变形、易于被发现，可及时采取补救措施，避免重大事故发生。 钢材的韧性好，钢结构对动力荷载的适应性强，具有良好的吸能能力，抗震性能优越。（3）材质均匀材质均匀 钢材内部组织较接近于接近于匀质和各向同性体匀质和各向同性体，实际受力和根据力学情况计算的结果相吻合。4）制作简便，工期短制作简便，工期短 施工周期短，钢结构一般在专业工厂制作，易实现机械化，生产效率和产品精度高，质量易于保证，是工程结构中工业化程度最高的一种结构。构件制造完成后，运至施工现场拼装成结构 。自动钢板切割

11、埋弧自动焊工厂钢构制作作业面多现场基础施工（5）可焊性、密封性好可焊性、密封性好 钢材在焊前和焊后，都能保持焊接部分不开裂的完整性的性质。钢材容易焊接，钢材的这种性能为制造复杂结构复杂结构、高压容器及管道创造了条件。缺点：缺点： （1）耐腐蚀性差耐腐蚀性差-在潮湿和有腐蚀性介质的环境中，纲结构容易锈蚀，要选用耐大气腐蚀的耐侯钢材，注意油漆防护，增加了维护费用。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

12、体型大小限制、无热影响，构件形状复杂时操作困难 2）耐热不耐高温耐热不耐高温-当钢材受热温度在200以内时。其主要性能变化很小，具有较好的耐热性能。但是，当温度在600以上时，其承载力几乎完全丧失。必须有隔热或采用防火涂料等防护措施 提高钢结构耐火性的措施提高钢结构耐火性的措施 外包层外包层在钢结构外表添加外包层，在钢结构外表添加外包层，可以现浇成型，可以采用喷可以现浇成型，可以采用喷涂法涂法。 充水充水(水套水套)空心型钢结构内充水是抵御空心型钢结构内充水是抵御火灾最有效的防护措施。火灾最有效的防护措施。（3）低温脆断低温脆断 -要高度重视（4）变形控制难变形控制难（不利安装）（不利安装）8

13、006004002000N/mm2Efufy200400600温度对钢材机械性能的影响温度对钢材机械性能的影响20406080%220210200190180170160Ex10 x103 3T(0C)1-2-2钢结构的应用钢结构的应用 随着我国国民经济的不断发展和科学技术的进步，钢结构在我国的应用范围也在不断扩大。目前钢结构应用范围大致如下：（1 1）大跨钢结构）大跨钢结构 大跨度钢屋架大跨度钢屋架 网架、网壳结构网架、网壳结构 、悬索结构、拱、悬索结构、拱架结构、桥梁结构架结构、桥梁结构 结构跨度越大，自重自重在荷载中所占的比例就越大，减轻结构的自重会带来明显的经济效益经济效益。 钢材强度

14、高结构重量轻的优势正好适合于大跨结构，因此钢结构在大跨空间结构和大跨桥梁结构 中得到了广泛的应用。网架结构拱结构桥梁道路、桥梁结构道路、桥梁结构重庆朝天门大桥位于长江与嘉陵江交会处，距离朝天门还有1.7公里的溉澜溪青草坪。 朝天门大桥长1741米，主桥为190米+552米+190米，三跨连续中承式钢桁系杆拱桥。大桥为双层公轨两用桥， 大桥桥腹预留两个汽车道，轨道交通“六线一环”中的“一环”通过桥腹过江。采用上层“汽车道+人行道”、下层“汽车道+轨道线”的“双层通行”模式。千年穹顶千年穹顶国家国家大剧大剧院屋院屋架安架安装装 位于北京人民大会堂西侧，西长安街以南，总占地面积近12公顷，总建筑面积

15、近15万平方米，总投资26.88亿元，目前已进行过网壳部分设计与施工验收审查会议。 该工程外部围护结构为钢结构网壳，是半椭圆球形，东西长轴212.2m，南北短轴143.64m，总高度46.285。内设歌剧院（2416席）、音乐厅（2017席）及戏剧院（1040席）及公共大厅等。屋面采用钛金属板，整个网壳外环绕人工湖（35500m2）,各种通道及入口均设在水下 。设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，北京市建筑设计研究院参与主体设计 ，整体结构用钢量达6750t，195kg/m国家大剧院国家大剧院国家体育场建筑体形上像鸟巢。可容纳8万人。平面为椭圆形,长轴340m短轴292m。首次采用Q460E高

16、强度结构钢，截面为加肋薄壁箱形 ，总用钢量达16万吨 。“绿色奥运”、“科技奥运”、“人文奥运” 建筑底面面积为80,000m2，屋顶面积76,719m2，地上层数6层，最高点高度53.00m，可容纳观众数60,000。屋顶结构采用钢桁架悬挑结构 。屋面桁架落地，形似露珠 天津奥林匹克体育场俯瞰效果图天津奥林匹克体育场俯瞰效果图 （2）重型厂房结构 西安变压器厂（400t吊车） 鞍钢鞍钢1700连连铸主厂房工程铸主厂房工程 鞍钢大连镀鞍钢大连镀锌线主厂房工程锌线主厂房工程金陵石化总厂金陵石化总厂 (3）高层建筑高层建筑 80年代我国建造的11栋高层钢结构基本上都是国外设计、施工承建。 由日本森

17、大厦株式会社的全额子公司森海外株式会社及日本具有代表性的银行、保险公司、商社等36家企业，偕同政府系统机构日本海外经济协力基金(OECF)联合投资的上海环球金融中心，总投资逾750亿日元。位于陆家嘴金融贸易区，建筑总面积335,420平方米，地下3层，地上94层。建成后的高度达460米 。总用钢量26000t，钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱。 上海环球金融中心上海环球金融中心上海环球金融中心上海环球金融中心 金茂大厦是由中国上海对外贸易中心股份有限公司独家投资5.6亿美元建设的一座88层的超高层大厦，建筑高度420.5米，建筑面积28.9万平方米，于1998年8月28日竣工。 总用钢量

18、14000t，钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱。设计者为美国S.O.M事务所。 上海金茂大厦上海金茂大厦帝王大厦帝王大厦北北京京财财富富中中心心 央视新台址建设工程位于北京朝阳区东三环中路、北京商务中心区的核心地段，占地面积18.7万平方米，总建筑面积55万平方米,最高建筑约234米，工程建安总投资约50亿元人民币。该方案由世界著名建筑设计大师雷姆库哈斯和奥勒舍仁担任主建筑师，荷兰大都会大都会建筑事务所负责设计，并与奥雅纳工程顾问公司合作完成，国内的合作设计单位为上海华东建筑设计研究院； 2003年10月开工建设，2008年正式运行 。 大连远洋大厦由大连远洋运输公司、中远房地产开发公司

19、与美国ESPIRIT公司联合投资14.8亿人民币开发的集五星级酒店和甲级写字楼为一体的智能大厦。 总建筑面积14.8万平方米。其中：A座为五星级酒店，地上51层，总高200.8m。钢筋混凝土核心筒，外框钢框架。设计、加工、安装全部国产化。大连远洋大厦大连远洋大厦 长宽各长宽各150m150m，总面积，总面积30277m30277m2 2，塔高，塔高508m508m，世界第，世界第一高，一高，2626层以上以层以上以8 8层为一单层为一单元。主要由巨柱、核心系统元。主要由巨柱、核心系统及外伸桁架梁。巨柱自地下及外伸桁架梁。巨柱自地下5 5层至地上层至地上9090层，最大尺寸为层，最大尺寸为2.4

20、mx3m2.4mx3m。台北台北101直径直径5.5m，重，重670t的阻尼器的阻尼器世界最高建筑世界最高建筑“迪拜塔迪拜塔” 2010年1月4日历时5年、耗资15亿美元的全球最高大楼迪拜塔矗立在阿拉伯联合酋长国迪拜。 这座160层的摩天大楼高达828米，可容纳1.2万人，内设57部世界最快的电梯。迪拜塔用钢量 3.14万吨3.9万吨 大楼改名为“哈里发”。 “哈里发”苏州中南中心（729米）苏州将建高达729米的苏州第一地标性建筑苏州中南中心，该项目日前已正式公示，苏州中南中心位于苏州工业园区金鸡湖畔湖西CBD商务区F地块，总建筑面积约50万，地上138层，地下5层，檐口高度598米，塔冠最

21、高点将达729米。塔楼采用巨型框架-核心筒-外伸臂结构，裙楼为大跨度钢结构桁架上悬结构。该项目由苏州中南中心投资建设有限公司建设，其塔楼的主体结构设计使用年限在承载力及正常使用情况下为50年，耐久性重要构建为100年，次要构件为50年，裙楼的设计使用年限为50年；其抗震设防烈度为7度。深圳平安金融中心（660m）2013年12月19日凌晨，中国第一高楼660m的深圳平安金融中心建筑标高已至300.35m，全面突破300m大关。平安金融中心项目位于深圳市福田中心区，总用地面积18931.74 m2，总建筑面积460665.0m2，建筑基底面积12305.63m2。塔楼地上118层，标准层层高4.

22、5m，塔尖高度为660m，主体结构屋盖高度为588m，主体顶层楼面高度为554.5m，建筑面积约319416m2；商业裙楼地上11层，高度约53m，建筑面积约49785m2；扩大地下室5层，深28m，柱网9m9m，建筑面积约81035m2，总建筑面积约45万m2。建筑功能为办公、交易、会议、商业、观光及餐饮。 (4)高耸建筑高耸建筑 电视塔、微波塔、通讯塔、电力输送塔等 东方明珠广播电视塔座落在上海浦东新区黄浦江畔，以其468米的高度成为亚洲当时第一高 塔。她于1991年3月开始建造，1994年11 月完工，总重量达12万吨，总投资8.3亿元人民币。 东方明珠塔由三根直径为九米的擎天立柱、太空

23、舱、上球体、下球体、五个小球、塔座和广场组成。东方明珠广播电视塔艾艾菲菲尔尔铁铁塔塔 埃菲尔铁塔（法语：La Tour Eiffel）是一座于1889年建成位于法国巴黎战神广场上的镂空 结构铁塔，高300米，天线高24米，总高324米。 埃菲尔铁塔得名于设计它的桥梁工程师居斯塔夫埃菲尔。铁塔设计新颖独特，是世界建筑史上的技术杰作，因而成为法国和巴黎的一个重要景点和突出标志。埃菲尔铁塔从1887年起建，分为三楼，分别在离地面57.6米、115.7米和276.1米处，其中一、二楼设有餐厅，第三楼建有观景台，从塔座到塔顶共有1711级阶梯，共用去钢铁7000吨，12000个金属部件，250万只铆钉，

24、超级壮观。微微波波塔塔神州飞船发射塔神州飞船发射塔(5)轻型钢结构轻型钢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。因为当屋面活荷载特别轻时，小跨结构的自重也成为一个重要因素。冷弯薄壁型钢屋架在一定条件下的用钢量可比钢筋混凝土屋架的用钢量还少。轻钢结构的结构形式有实腹变截面门式刚架、冷弯薄壁型钢结构（包括金属拱形波纹屋盖）以及钢管结构等。门式刚架结构门式刚架结构（6）容器和其他构筑物陕西铜川天然气公司1000立方米天然气球罐大连西太平洋石化有限公司1500立方米CF-62钢球罐 冶金、石油、化工企业中大量采用钢板做成的容器结构，包括各种反应塔、油罐、煤气罐、高炉

25、、热风炉等。此外，经常使用的还有皮带通廊栈桥、管道支架、锅炉支架等其他钢构筑物，海上采油平台也大都采用钢结构。 海上石油平台海上石油平台沿海采油平台(7)(7)可拆卸的结构可拆卸的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、油田和需野外作业的生产和生活用房的骨架；安装大型设备用的吊装机械等。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 。活动车库活动车库中国南极长城站综合仓库(8)(8)钢和混凝土的组合结构钢和混凝土的组合结构钢构件和板件受压时必须满足稳定性要求，往往不能充分发挥它的强度高的作用，而混凝

26、土则最宜于受压不适于受拉，将钢材和混凝土并用，使两种材料都充分发挥它的长处，是一种很合理的结构。近年来这种结构在我国获得了长足的发展，广泛应用于高层建筑(如深圳的赛格广场)、大跨桥梁、工业厂房和地铁站台柱等。主要构件形式有钢与混凝土组合梁和钢管混凝土柱等。 钢结构应用种类繁多，造型新颖，规模宏大。按功能分主要应用有： 会展场馆 体育建筑 机场 剧院 高层建筑 塔桅结构 厂房 仓储 住宅 桥梁 储罐管道 其他构筑物1-3钢结构的设计方法介绍钢结构的设计方法介绍 1.3.1 概率极限状态设计法概率极限状态设计法钢结构设计方法的演变钢结构设计方法的演变（1）传统容许应力法（安全系数法57年以前） （

27、2）多系数半概率法（74年旧规范）（3）一次二阶矩概率极限状态设计法（分项系数法）（4）全）全概率极限状态设计法（发展方向）fQKQGKG）（0（一）（一）. .容许应力方法容许应力方法 从从2020世纪初到世纪初到2020世纪世纪5O5O年代，钢结构采用安年代，钢结构采用安 全系数法设计，即全系数法设计，即: :)11( kfANN-构件截面的内力；构件截面的内力；A-构件截面几何特征；构件截面几何特征；F-钢材的最大强度；钢材的最大强度；K-K-大于大于1 1的安全系数；的安全系数；-钢材的容许应力。钢材的容许应力。结构设计的目的结构设计的目的是保证所设计的结构和结构构件在施工和工作过程中

28、能满足各种预定功能要求并具有适当的可靠性。（二）（二）. .概率极限状态设计方法概率极限状态设计方法b.b.正常使用极限正常使用极限状态状态: :结构或构件达到使用功能上允许的某个限值的状态 包括：包括：影响正常使用或外观的变形、影响正常使用影响正常使用或外观的变形、影响正常使用的振动、影响正常使用的或耐久性的局部破坏等状态。的振动、影响正常使用的或耐久性的局部破坏等状态。a.a.承载能力承载能力极限状态极限状态: :结构或构件发挥允许的最大承载功能的状态 包括：包括：强度破坏、疲劳破坏、不适于继续承载的强度破坏、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。变形、失稳、倾覆

29、、变为机动体系等状态。 (1) 极限状态极限状态：当结构或其组成部分超过某一特定状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，此特定态就不能满足设计规定的某一功能要求时，此特定状态称为结构的极限状态。状态称为结构的极限状态。(2) 极限状态分为两类：极限状态分为两类： 注意：注意：两种极限状态有时都与两种极限状态有时都与变形变形有关，但两者的含义有关，但两者的含义不同。前者是指构件已发生了塑性变形，虽然还不同。前者是指构件已发生了塑性变形，虽然还不影响正常使用，也没有达到最大承载能力，但不影响正常使用，也没有达到最大承载能力，但由于由于变形很大变形很大，已，已不适于

30、继续承载（不可逆）不适于继续承载（不可逆） ；而后者是变形而后者是变形超过某项规定限值超过某项规定限值，已经影响到正，已经影响到正常使用常使用（可逆）（可逆）。对承载能力极限状态应该用。对承载能力极限状态应该用荷荷载设计值载设计值，对正常使用极限状态则应该用，对正常使用极限状态则应该用荷载标荷载标准值。准值。1.1.半经验半概率极限状态设计法半经验半概率极限状态设计法( (容许应力法）容许应力法） )21(321 KfKKKfANykyk N- N-构件截面的内力；构件截面的内力； A-A-构件截面几何特征；构件截面几何特征； K K1 1-荷载系数；荷载系数； K K2 2-材料系数材料系数

31、; ; K K3 3-调整系数；调整系数； f fykyk-钢材的屈服强度标准值；钢材的屈服强度标准值； -钢材容许应力钢材容许应力1955年苏联颁布 121-55规范2 2、近似概率极限状态设计法、近似概率极限状态设计法 （现行钢结构设计规范（现行钢结构设计规范(GB50017(GB500172003)2003)） 结构的工作性能可用结构的结构的工作性能可用结构的“功能函数功能函数”来描述：来描述： Z Zg g（X X1 1，X X2 2，X Xn n） （1 1 3 3） 式中：式中： g g（）-结构的功能函数；结构的功能函数； X Xi i(i(i1 1，2,2,n)-,n)-影响结

32、构可靠性的各物理量。影响结构可靠性的各物理量。 将各因素概括为两个将各因素概括为两个综合随机变量综合随机变量-结构的结构的抗力抗力R R、（包括材料、尺寸和形状）（包括材料、尺寸和形状）作用效应作用效应S S （包括内力、应力和变形）（包括内力、应力和变形） 则公式（则公式（1-31-3）可以写成：）可以写成： Z Zg g（R R，S S）R RS S （1-41-4） 在实际工程结构中，可能出现下列三种情况：在实际工程结构中，可能出现下列三种情况： Z Z0 0表示结构处于可靠状态；表示结构处于可靠状态； Z Z0 0表示结构处于极限状态表示结构处于极限状态 Z Z0 0表示结构处于失效状

33、态；表示结构处于失效状态； 判断结构是否可靠，要看结构是否达到极限状态，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：为此，通常将下式： Z Zg(Rg(R，S)S)R RS S0 0 (1-5)(1-5) 称为称为极限状态方程极限状态方程。结构能完成预定功能的概率结构能完成预定功能的概率( (可靠度，安全概率可靠度，安全概率) )用用P Ps s表示，则：表示，则：P Ps sPZ0PZ0 （1-61-6）结构不能完成预定功能的概率结构不能完成预定功能的概率( (失效概率失效概率) )用用P Pf f表示，表示，则：则：P Pf fPZ0PZ0 （1-71-7）由于事件由于

34、事件Z0Z0与事件与事件ZZ0 0是对立事件，所以结是对立事件，所以结构的可靠度与结构的失效概率满足构的可靠度与结构的失效概率满足: : P Ps s P Pf f 1 1 或或 P Ps s1- P1- Pf f （1-81-8）结构的可靠度结构的可靠度结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力，称为结构的能力，称为结构的可靠性。可靠性。 结构可靠度结构可靠度是对结构可靠性的定量描述，即结构在规定的是对结构可靠性的定量描述，即结构在规定的时间内，在规定的条件下，时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率完成预定功能的概率。（包括安

35、全。（包括安全性、适用性、耐久性）性、适用性、耐久性） 安全性安全性：结构在正常施工和正常使用条件下，承受可能出：结构在正常施工和正常使用条件下，承受可能出现的各种作用的能力，以及在偶然事件发生时和发生后，仍保现的各种作用的能力，以及在偶然事件发生时和发生后，仍保持必要的整体稳定性的能力。持必要的整体稳定性的能力。 适用性适用性：结构在正常使用条件下，满足预定使用要求的能：结构在正常使用条件下，满足预定使用要求的能力。力。 耐久性耐久性：结构在正常维护条件下，随时间变化而仍能满足：结构在正常维护条件下，随时间变化而仍能满足预定功能要求的能力。预定功能要求的能力。 对结构可靠度的要求与结构的设计

36、基准期长短有关，设计对结构可靠度的要求与结构的设计基准期长短有关，设计基准期长，可靠度要求就高，反之则低。一般建筑物的基准期长，可靠度要求就高，反之则低。一般建筑物的设计基设计基准期为准期为5050年年。 因为因为R R和和S S都是随机变量，且都是随机变量，且假定假定都服从正态分布，由都服从正态分布，由 概率论原理知功能函数概率论原理知功能函数 Z=R-S Z=R-S 也服从正态分布也服从正态分布, ,则则: :)91 ()()0(0dZZfZPPff(z)f(z)P Pf fz zZ Z 的概率密度曲线的概率密度曲线Z=R-SZ=R-S Z)111()101(22 SRZSRZ 令：令：Z

37、 Z、R R、S S的平均值分别为的平均值分别为 z z、R R、s s，标准差分，标准差分 别为别为z z、R R、s s，则，则: : 因因z z0 0，故：，故： f(z)f(z)z zZ Z 的概率密度曲线的概率密度曲线P Pf fZZ=R-SZ=R-S)121(00 ZZZZfZffZPZPZP )151()()141()1(1 ffPPZZZ 因因 服从标准正态分布，故上式又可写成：服从标准正态分布，故上式又可写成：式中式中: : ()-)-标准正态函数；标准正态函数；-1-1( ()-)-标准正态函数标准正态函数 的反函数的反函数。)131(0 ZZffZZZPZP则则：令令：

38、从图中可以看出从图中可以看出与失效概率与失效概率P Pf f 间存在着一一对应间存在着一一对应关系关系, ,即即: : 1). 1).减小减小时时，阴影部分，阴影部分 的面积增大，即失效概的面积增大，即失效概 率率P Pf f增大增大； 2).2).增大增大时，阴影部分时，阴影部分 的面积减少，亦即失效的面积减少，亦即失效 概率概率P Pf f减小减小。 说明说明可以作为衡量结可以作为衡量结 构构可靠度可靠度的一个数量指的一个数量指 标标。可靠度指标可靠度指标f(z)f(z)z zZ Z 的概率密度曲线的概率密度曲线P Pf fZZ=R-SZ=R-SfP标准正态分布时标准正态分布时 与与 的对

39、应值的对应值 pf4.04.03.17X103.17X10-5-53.73.71.08X101.08X10-4-43.23.26.87X106.87X10-4-41.35X101.35X10-3-33.03.0 的计算的计算: : 将式将式(1-10)(1-10)、(1-11)(1-11)代入代入的定义的定义式得：式得：)161 (22SRsRzZ表1.3.1 当R和S的统计值不按正态分布时，结构构件的可靠指标应以它们的当量正态分布的平均值和标准差代入公式(1-16)来计算。当功能函数Z为非线性函数时，可将此函数展为泰勒级数而取其线性项计算。 结构构件设计时采用的可靠指标，可根据对现有结构构件

40、的可靠度分析(所谓校准法)，并考虑使用经验和经济因素等确定。我国建筑结构可靠度设计统一标准(GB50068)规定，结构构件承载能力极限状态的可靠指标，不应小于表1.3.2的规定。钢结构各种构件，按钢结构设计规范设计，经校准分析，其值在3.2左右，钢结构一般情况下属延性破坏，故总体安全等级为二级。 （三）（三）. .全概率设计法全概率设计法 对结构的各种基本变量均采用对结构的各种基本变量均采用随机变量或随机随机变量或随机过程过程来描述，对结构进行来描述，对结构进行精确的概率分析精确的概率分析，求得结，求得结构构最优失效概率最优失效概率作为结构作为结构可靠度的直接度量可靠度的直接度量。( (四四)

41、 )、钢结构设计表达式、钢结构设计表达式 a. a. 采用以概率理论为基础的极限状态设计方法采用以概率理论为基础的极限状态设计方法( (疲劳问题除外疲劳问题除外) )，用分项系数的表达式进行计算；，用分项系数的表达式进行计算； b. b. 结构的可靠度用可靠度指标来度量，并以分项系结构的可靠度用可靠度指标来度量，并以分项系数的形式考虑。数的形式考虑。 1.按承载能力极限状态设计按承载能力极限状态设计 应考虑荷载效应的基本组合或偶然组合进行荷应考虑荷载效应的基本组合或偶然组合进行荷 载（效应）组合，采用下列表达式设计：载（效应）组合，采用下列表达式设计： 式中：式中：o o-结构重要性系数；结构

42、重要性系数； S -S -荷载效应（组合）的设计值；荷载效应（组合）的设计值； R -R -钢结构构件或连接材料抗力的设计值。钢结构构件或连接材料抗力的设计值。 )171(0 RS 结构设计准则结构设计准则-结构由各种荷载所产生的效应（内力和变形）不大于结构（包括连接）由材料性能和几何因素等所决定的抗力或规定限值。荷载效应组合如下：)181(211 SSSSQikciQinikQQGkG 2.2.由永久荷载效应控制的组合：由永久荷载效应控制的组合：)191(1 SSSQikciQiniGkG 3.3.荷载分项系数取值如下：荷载分项系数取值如下：1.1.由可变荷载效应控制的组合：由可变荷载效应控

43、制的组合：（a a）永久荷载分项系数）永久荷载分项系数 当其效应对结构不利时当其效应对结构不利时 -对可变荷载效应控制的组合，应取对可变荷载效应控制的组合，应取1.2;1.2; - -对永久荷载效应控制的组合，应取对永久荷载效应控制的组合，应取1.35;1.35; 当其效应对结构有利时当其效应对结构有利时 -一般情况下应取一般情况下应取1.01.0； -对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.90.9。（b b）可变荷载的分项系数）可变荷载的分项系数 -一般情况下应取一般情况下应取1.41.4； -对标准值大于对标准值大于4kN/m4kN/m2 2的工业房屋楼面

44、结构的的工业房屋楼面结构的 活荷载标准值应取活荷载标准值应取1.31.3。 对于钢结构这种单一材料，可以将荷载效应表达对于钢结构这种单一材料，可以将荷载效应表达式用应力形式表示。式用应力形式表示。 ）（201)(2110fQiknicikQQGkGQi)211 ()(1fQikciniQiGkGo可变荷载起控制作用时：可变荷载起控制作用时：永久荷载永久荷载起控制作用时：起控制作用时：AASSQikQikGkGk ,式中：式中：4、钢结构构件承载能力极限状态设计表达式、钢结构构件承载能力极限状态设计表达式f-钢材或连接材料强度钢材或连接材料强度设计值设计值。)221 ( ARffRkfk-钢材或

45、连接材料强度钢材或连接材料强度标准值标准值。R-钢材或连接材料抗力分项系数，对于钢材或连接材料抗力分项系数，对于Q235Q235钢钢R R=1.087=1.087;Q345;Q345、Q390Q390、Q420Q420钢钢R R=1.111=1.111 。钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。结构的功能要求结构的功能要求建筑结构要解决的基本问题是，力求以较为建筑结构要解决的基本问题是，力求以较为经济经济的手段，的手段，使所要建造的结构具有足够的使所要建造的结构具有足够的可靠度可靠度；以满足各种；以满足各种预定功能预定功能的要求。的要求。结构在规

46、定的设计使用年限内应满足的功能有：结构在规定的设计使用年限内应满足的功能有： (1)(1) 在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用。在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用。(2)(2) 在正常使用时具有良好的工作性能。在正常使用时具有良好的工作性能。(3)(3) 在正常维护下具有足够的耐久性。在正常维护下具有足够的耐久性。(4)(4) 在设计规定的偶然事件（如地震、火灾、爆炸、撞击等）在设计规定的偶然事件（如地震、火灾、爆炸、撞击等）发生时及发生后，仍能保持必须的发生时及发生后，仍能保持必须的整体稳定性整体稳定性。上述上述“各种作用各种作用”是指凡是指凡使结构产生内力或变形

47、的各种使结构产生内力或变形的各种原因原因，如施加在结构上的，如施加在结构上的集中荷载或分布荷载集中荷载或分布荷载，以及，以及引起结引起结构外加变形或约束变形的原因构外加变形或约束变形的原因，例如地震、地基沉降、温度，例如地震、地基沉降、温度变化等。变化等。(2) 正常使用极限状态正常使用极限状态）（ 23. 121niQikcikQGkvvvvv1.1. 对于正常使用极限状态，要求分别采用对于正常使用极限状态，要求分别采用荷载的标荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合准组合、频遇组合和准永久组合，并使变形等不超过，并使变形等不超过相应的规定限值。相应的规定限值。Gk Gk -永久荷载标准值永久荷

48、载标准值在结构或结构构件中产生的在结构或结构构件中产生的 变形值；变形值；Q1kQ1k-第第1个个可变荷载的标准值可变荷载的标准值在结构或结构构件中在结构或结构构件中 产生的变形值（该值使计算结果为最大）；产生的变形值（该值使计算结果为最大）；Qik-其他第其他第i个可变荷载标准值在结构或构件中产个可变荷载标准值在结构或构件中产 生的变形值。生的变形值。 -结构或结构构件的容许变形值。结构或结构构件的容许变形值。(315页附录页附录2) 2. 对于对于受压受压、受拉构件受拉构件，规范规定应限制其长细比，规范规定应限制其长细比， 即即: (1.24） 式中：式中：-受压、受拉构件的计算长细比受压

49、、受拉构件的计算长细比 ； -规范规定的受拉、受压构件容许长规范规定的受拉、受压构件容许长 细比，按规范采用。细比，按规范采用。1-41-4钢结构的发展方向钢结构的发展方向 随着人类社会在经济和科学技术方面的不断发展和进步，在钢结构领域也取得了不少新的进展。 （包括结构用钢的发展,新型结构体系的应用和发展,设计方法的发展）1.4.11.4.1 结构用钢的发展结构用钢的发展 国内外在高性能钢材的应用方面取得不少新进展，其中包括高强度高性能钢、低屈服点钢和耐火钢的开发和应用等。 我国新修订的钢结构设计规范中增列了性能优良的Q420钢，该钢材(15MnVN)已成功地在九江长江大桥的建设中。 Q460

50、钢已首次应用在国家体育场(鸟巢)工程。 另外我国冶金部门制订了行业标准另外我国冶金部门制订了行业标准高层建高层建筑结构用钢板筑结构用钢板(YB4104)(YB4104)，该钢板是专门供高层，该钢板是专门供高层建筑和其他重要建建筑和其他重要建( (构构) )筑物用来生产厚板焊接截筑物用来生产厚板焊接截面构件的。其性能与日本建筑结构用钢材相近，面构件的。其性能与日本建筑结构用钢材相近，而且质量上还有所改进。我国有些企业正在试生而且质量上还有所改进。我国有些企业正在试生产屈服点达到产屈服点达到100N/mm100N/mm2 2的低屈服点钢材，相当于的低屈服点钢材，相当于日本的日本的LY100LY10

51、0钢，可用于抗震结构的耗能部件。钢，可用于抗震结构的耗能部件。有的企业正在开发耐火钢，该钢即使加热到有的企业正在开发耐火钢，该钢即使加热到600600也能保持常温也能保持常温2/32/3以上的强度。以上的强度。 日本在日本在19941994年制定了新的建筑结构专用钢材年制定了新的建筑结构专用钢材规格规格建筑结构用轧制钢材建筑结构用轧制钢材(JIS(JIS G3136):SNG3136):SN标标准准。该种钢材的质量等级已不再按夏比。该种钢材的质量等级已不再按夏比(Charpy)(Charpy)冲击试验分类，而是按使用部位、提示冲击试验分类，而是按使用部位、提示有关需要分类。有关需要分类。 如S

52、N400A（相当于我国的Q235A）只能使用在次要构件处于弹性范围的、原则上非焊接的构件或部位；SN400B及SN490B（接近于我国Q345强度等级）是能保证塑性变形和焊接性能的钢材。 使用在抗震结构构件和部位中；SN400C及SN490C具有非常好的抗层状撕裂性能，主要使用在如箱型柱的外部板材等需要板厚方向性能（Z向性能）的构件和部位中。 SN B、C类钢材均对屈服点的上限值做出了规定，以防构件需塑性变形耗能的部位不能进入塑性屈服；并对碳当量及磷、硫的上限予以严格限制。 SN C类钢材对硫的含量提出了更严格的限制，并规定生产厂家有义务进行超声探伤试验，以确保板厚方向的性能。目前日本国内建筑

53、用厚钢板的70为SN钢材。 日本已开发出LY225钢、LY100钢等低屈服点钢和耐火钢(FR钢)。美国和欧洲等国家也在高强度高性能钢材的研制和应用等方面做出了不少贡献。如美国生产的经调质处理的合金钢板A514，其屈服点高达690 N/mm2，并可用于焊接生产。 相对来说，我国钢材的种类和质量均不及工业发达国家的。如何研制开发新型高效钢材是摆在我国冶金战线科技工作者面前的一项重要任务。 从美国、日本、欧洲一些发达国家的经验看，建筑业即将成为钢材应用的主要市场。而目前我国与之相比还有差距。 因此我国的高层建筑钢材到目前为止大部分从国外进口，特别是大于50mm的厚钢板，国产产品的Z向性能尚达不到要求

54、 。 国外不仅钢板厚度较大，而且可以满足各种性能要求。如日本已经能够生产的100mm的厚钢板，具有以下类型： 有高强度低预热型(以前预热75，现在预热50)的厚钢板590N/mm级(HT590级)； 抗地震的厚钢板，主要有低屈服比高强度钢材(HT590HT780级)和低屈服点钢板，这种钢材日本重点生产，用于次要结构上，当地震时这种材料先屈服 ，保证主要 结构减少地震损失； 防火厚钢板。有400N/mm及490N/mm，当其在600 时屈服强 度还能达到常温下的2/3； 装饰用的奥氏体不锈钢板及铁素体不锈钢板(沿海用，优于前者 )。 目前，国内高层钢结构钢材几乎都从国外进口，工程总承包由国外承担

55、，制造和安装则由国内廉价劳动力承包，这种局面应从速扭转，因为这与我国产钢大国的地位很不相称。大跨度钢结构钢材不象高层钢结构那样突出，但设计方案(包括建筑和结构)经常国外中标，这种局 面与中央强调建立我们自己的科技创新体系的号召相距甚远，应该引起我国建筑界的关注 ，是水平低还是其它原因，值得我们深思。 1.4.21.4.2 新型结构体系的应用和发展新型结构体系的应用和发展近年来，在全国各地修建了大量的大跨空间结构，网架和网壳结构形式已在全国普及，张弦桁架、悬挂结构也有很多应用实例；直接焊接钢管结构、变截面轻钢门式刚架、金属拱型波纹屋盖等轻钢结构也已遍地开花；钢结构的高层建筑也在不少城市拔地而起；

56、适合我国国情的钢-混凝土组合结构和混合结构也有了广泛应用；目前好多地方都在建造索膜结构的罩棚和建筑小品；。 可以毫不夸张地说，我国已成了各种钢结构体系的展览馆和试验场。 各种不同的结构体系各有所长，但生命力较强的结构体系均具有如下特点：(1) 必须是几何不可变的(除悬索、薄膜等张拉结构)空间整体，在各类作用的效应之下能保持稳定性、必要的承载力和刚度；(2) 应使结构材料的强度得到充分地利用，使自重趋于最低；(3) 能利用材料的长处，避免克服其短处；(4) 能使结构空间和建筑空间互相协调、统一；(5) 能适合本国情况，制作、安装简便，综合效益好。 轻钢建筑已被广泛应用于工厂、仓库、体育馆、展览馆

57、、超市等建筑。 所谓轻钢是指以彩钢板作为屋面和墙面，以薄壁型钢作檩条和圈梁，以焊接“H”型截面做柱与梁，现场用螺栓或焊接拼接的门式刚架为主要结构的一种建筑，再配以零件、扣件、门窗等形成比较完善的建筑体系，即轻钢结构体系。 这种体系由工厂制作，现场按要求拼装形成。具有自重轻，建设周期短，适应性强，外表美观，造价低，易维护等特点。 由于自重轻，也降低了基础的造价。国外轻钢结构厂商如Butler、BHP、ABC等都已经进入了中国市场，我国企业应奋起直追，创造条件积极发展我国自己的轻钢结构体系，以适应今后我国建筑钢结构不断发展的要求。 目前我国正在进行大规模的基本建设，许多大型复杂的钢结构工程，包括2

58、008年奥运场馆工程的建设。选择先进合理的结构体系，既能满足建筑艺术需要，又能做到技术先进、经技术先进、经济合理、安全适用、确保质量济合理、安全适用、确保质量就显得非常重要。 目前有一种为追求建筑造型新奇、怪异，而不惜浪费钢材采用最笨重的结构形式的倾向是值得警惕的。 1.4.3 1.4.3 设计方法的发展设计方法的发展 目前我国采用的概率极限状态设计法的特点是用根据各种不定性分析所得到的失效概率(或可靠指标)去度量结构的可靠性，并使所计算的结构构件的可靠度达到预期的一致性和可比性。但是该方法还有待发展，因为用它计算的可靠度还只是构件或某一截面的可靠度而不是结构体系的可靠度，该方法也不适用于构件

59、或连接的疲劳验算。 目前大多数国家(当然包括我国)采用计算长度法计算钢结构的稳定问题。该方法的步骤是：采用一阶分析求解结构内力，按各种荷载组合求出各杆件的最不利内力，按第一类弹性稳定问题建立结构达临界状态时的特征方程，确定各压杆的计算长度；将各杆件隔离出来，按单独的压弯构件进行稳定承载力验算，验算中考虑了弹塑性、残余应力和几何缺陷等的影响。该方法的最大特点是采用计算长度系数来考虑结构体系对被隔离出来的构件的影响，计算比较简单，对比较规则的结构也可给出较好的结果。规范GB50017在5.3.3条中列入了有支撑框架柱计算长度系数的有关条款，并给出了强、弱支撑框架的概念。认为弱支撑不足以阻止框架的侧

60、移，其框架压杆的稳定系数可利用规范中查得的相应于有、无侧移框架柱的稳定系数经插值求得。该法计算比较简单，概念也较清楚，完善了有支撑框架的稳定计算方法。 本章主要教学内容小结 通过学习这一章，应重点理解两个问题：一、一、钢结构有强度高，塑韧性好等优点，但同时存在易锈蚀、不耐火低温脆断、变形较大的缺陷，因而在设计和使用钢结构时，必须采取相应措施，提高结构的耐久性和抗灾能力，并根据我国国情合理地使用钢结构，节约钢材。二、二、对钢结构设计规范采用的设计方法有一基本概念，这个问题关系到安全和经济，是一个重要问题。但是近似概率状态设计理论上很复杂，对学生来说，只要对涉及的几个名词，有一初步了解就可以了，学