钢结构第一章 绪论

1、说明：说明： 本课件采用本课件采用PowerPoint 2003制作，如制作，如果用低版本的果用低版本的 PowerPoint 播放，可能部分播放，可能部分动画功能无效，建议采用动画功能无效，建议采用 PowerPoint 2003或更高版本播放！另，建议用或更高版本播放！另，建议用Windows xp内的媒体播放器播放课件中的内的媒体播放器播放课件中的AVI文件！文件！辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学土木建筑工程学院土木建筑工程学院 建筑工程教研室建筑工程教研室4.4.了解杆件和板件稳定的基本理论，了解杆件和板件稳定的基本理论，理解影响稳定性理解影响稳定性的主要因素及提高稳定性的措施；的主要

2、因素及提高稳定性的措施；3.3.掌握钢结构用钢的主要性能及其主要影响因素，并掌握钢结构用钢的主要性能及其主要影响因素，并能正确地选择钢材；能正确地选择钢材；2.2.理解理解“钢结构钢结构”的计算方法；的计算方法；1.1.了解钢结构的应用和发展概况了解钢结构的应用和发展概况, ,掌握钢结构的特点；掌握钢结构的特点；本课程的基本要求本课程的基本要求5. 5. 掌握各种连接（焊接、螺栓连接）和各类构件掌握各种连接（焊接、螺栓连接）和各类构件( (梁、梁、柱和屋架柱和屋架) )的工作性能、破坏特征及其设计的基本方法。的工作性能、破坏特征及其设计的基本方法。6.6.理解构件间的连接方法、力的传递方式和过

3、程以及理解构件间的连接方法、力的传递方式和过程以及构造原则；构造原则；教学参考书及规范教学参考书及规范:1.1.钢结构钢结构 魏明钟魏明钟 主编主编 武汉工业大学出版社武汉工业大学出版社2.2.钢结构设计规范钢结构设计规范 （GB50017-2003)GB50017-2003)7.7.熟悉与土木工程相关的钢结构设计规范。熟悉与土木工程相关的钢结构设计规范。3.3.钢结构工程施工质量验收规范钢结构工程施工质量验收规范 （GB50205-2001)GB50205-2001)第一章第一章 绪绪 论论大纲要求大纲要求1. 1. 掌握钢结构的特点和钢结构的应用范围掌握钢结构的特点和钢结构的应用范围。2

4、2理解钢结构按极限状态的设计方法，掌握其设理解钢结构按极限状态的设计方法，掌握其设 计表达式的应用。计表达式的应用。3 3了解钢结构在我国的发展趋势。了解钢结构在我国的发展趋势。1.1 1.1 钢结构的特点和应用范围钢结构的特点和应用范围1.1.轻质高强轻质高强; ; 由于钢材强度高，结构需要由于钢材强度高，结构需要的构件截面小的构件截面小, ,结构自重轻。结构自重轻。 a=a=容重容重/ /强度强度, a, a越小，结构越小，结构相对越轻。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：

5、钢砼：a= 18a= 181010-4/-4/m m；一、钢结构的特点一、钢结构的特点澳大利亚啤酒中心澳大利亚啤酒中心 2.2.钢材的钢材的塑性塑性和和韧性韧性好；好； 塑性塑性和和韧性韧性是概念上完全不同的两个物理量。是概念上完全不同的两个物理量。 塑性塑性承受静力荷载时，材料吸收变形能的能力承受静力荷载时，材料吸收变形能的能力。 塑性好，会使结构一般情况下不会由于偶然超载而塑性好，会使结构一般情况下不会由于偶然超载而 突然断裂，给人以安全保证；突然断裂，给人以安全保证； 韧性韧性承受动力荷载时，材料吸收能量的多少。承受动力荷载时，材料吸收能量的多少。 韧性好，说明材料具有良好的动力工作性能

6、。韧性好，说明材料具有良好的动力工作性能。 3.3.材质均匀、各向同性，接近理想的弹塑性体，与力材质均匀、各向同性，接近理想的弹塑性体，与力 学假定符合较好学假定符合较好; ; 钢材屈服前看作弹性材料钢材屈服前看作弹性材料, ,屈服以后看作塑性屈服以后看作塑性或弹塑性材料或弹塑性材料4 4. .制作、安装简便，工期短，符合工业化要求制作、安装简便，工期短，符合工业化要求; ; 国国家家大大剧剧院院屋屋架架安安装装钢结构住宅钢结构住宅5 5、密闭性好，不渗漏密闭性好，不渗漏; ;6 6、钢材耐热性好，耐火性差钢材耐热性好，耐火性差; ; 当结构表面长期受辐射热达当结构表面长期受辐射热达 150

7、150 以上或在以上或在短时间内可能受到火焰作用时，须采用隔热和防短时间内可能受到火焰作用时，须采用隔热和防火措施。火措施。7 7、钢材耐腐蚀性差钢材耐腐蚀性差。二、钢结构的应用范围二、钢结构的应用范围1.1.大跨度结构大跨度结构网架结构拱结构桥梁天津体育场天津体育场千年穹顶千年穹顶西班牙迪加航空港上海会展中心单层厂房单层厂房多层工业厂房多层工业厂房2. 2. 工业厂房工业厂房金陵石化总厂金陵石化总厂单击图片播放单击图片播放单击图片播放单击图片播放3. 3. 承受动力荷载及承受动力荷载及 地震作用的结构地震作用的结构单击图片播放单击图片播放帝王大厦帝王大厦4.高层建筑与高耸结构高层建筑与高耸结

8、构金金茂茂大大厦厦8888层层420420米米北北京京财财富富中中心心东京千年塔东京千年塔单击图片播放单击图片播放单击图片播放单击图片播放5 5. .道路、桥梁结构道路、桥梁结构单击图片播放单击图片播放6 6. .水利、水工结构水利、水工结构海上石油平台海上石油平台(1).(1).波纹拱壳结构波纹拱壳结构7. 轻型房屋钢结构轻型房屋钢结构单击图片播放单击图片播放( (2 2) ) 门式刚架结构门式刚架结构（3 3）多层轻型房屋建筑）多层轻型房屋建筑活动车库活动车库8.8.可拆卸、移动房屋及可拆卸、移动房屋及 移动结构移动结构单击图片播放单击图片播放9.9.构筑物构筑物10.10.建筑小品建筑小

9、品单击图片播放单击图片播放1.2 钢结构的设计方法钢结构的设计方法一、钢结构设计方法的演变一、钢结构设计方法的演变1.1.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。2 2. .概率极限状态设计方法概率极限状态设计方法(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

10、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： b.b.正常使用正常使用极限状态极限状态: : 包括：包括：影响正常使用或外观的变形、影响正常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使用的振动、影响正常使用的或耐久性的局部破坏等状态等状态。a.a.承载能力承载能力极限状态极限状态: : 包括：包括：强度破坏、疲劳破坏、不适于继续承载强度破坏、疲劳破坏、不适于继续承载的变形、失稳、倾覆、变为机动体

11、系等状态。的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。 (3) 根据应用概率分析的程度不同，可分为三种水准：根据应用概率分析的程度不同，可分为三种水准： 半概率极限状态设计方法半概率极限状态设计方法; ; 近似概率极限状态设计方法近似概率极限状态设计方法; ; 全概率设计方法。全概率设计方法。 a. a. 半概率极限状态设计方法半概率极限状态设计方法; ; 1). 1).三系数法三系数法（当时称为（当时称为计算极限状态法计算极限状态法） : : 1957 1957年至年至19731973年我国钢结构设计采用半概率的年我国钢结构设计采用半概率的分项系数法分项系数法, ,结构设计中引入三个分项系数，即

12、结构设计中引入三个分项系数，即: : 荷载分项系数荷载分项系数-考虑荷载的不定性考虑荷载的不定性; ; 材料分项系数材料分项系数-考虑材料的不均性考虑材料的不均性; ; 工作条件系数工作条件系数-考虑结构及构件的工作特点以及某考虑结构及构件的工作特点以及某些假定的计算简图与实际情况不完全相符等因素些假定的计算简图与实际情况不完全相符等因素。2)2) 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

13、； K K2 2-材料系数材料系数; ; 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b b、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,n)-2,n)-影响结构可

14、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综合随机变量将各因素概括为两个综合随机变量-结构的抗力结构的抗力R R、 作用效应作用效应S S，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表示结构处于表示结构处于可靠可靠状态；状态； Z Z0 0表示结构处于表示结构处于极限极限状态状态 Z Z0 0表示结构处于表示结构处于失效失效状态；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

15、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( (可靠度可靠度) )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

16、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） 因为因为R R和和S S都是随机变量，且假定都服从正态分布，由都是随机变量，且假定都服从正态分布，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(0 dZZfZPPff(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 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

17、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： 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

18、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-S单击图片播放单击图片播放fP标准正态分布时标准正态分布时 与与 的对应值的对应值 pf4.04.03.17X103.17X10-5-5

19、3.73.71.08X101.08X10-4-43.23.26.87X106.87X10-4-41.35X101.35X10-3-33.03.0 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(22 SRsRRZ c. .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随机变量或随机对结构的各种基本变量均采用随机变量或随机过程来描述，对结构进行精确的概率分析，求得结过程来描述，对结构进行精确的概率分析，求得结构最优失效概率作为结构可靠度的直接度量。构最优失效概率作为结构可靠度的直接度量。三、钢结构设计表达式三、钢结构设

20、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( (疲疲劳问题除外劳问题除外) )，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。 （一）（一）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；结构重要性系数； S -S -

21、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 荷载效应组合如下：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：由可变荷载效应控制的组合：（1 1）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

22、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。（2 2）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，可以将荷载效应表对于钢结构这种单一材料，可

23、以将荷载效应表达式用应力形式表示。达式用应力形式表示。 ）（201)(2110fdQiknicikQQGkGQi )211()(1 fdQikciniQiGkGo 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fd-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( ARffRkd fk-钢材或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

24、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。(二二) 正常使用极限状态正常使用极限状态）（ 23121 niQikcikQGkvvvvv 1.1. 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