钢结构设计原理：第一章 绪论

1、钢结构设计原理Design Principles of Steel Structure教学计划 绪论2学时 结构钢材6学时 连接14学时 轴心受压构件8学时 受弯构件7学时 拉弯和压弯构件8学时 课程总结1学时4.了解杆件和板件稳定的基本理论，理解影响稳定性的主要因素及提高稳定性的措施；3.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；2.理解“钢结构”的计算方法；1.了解钢结构的应用和发展概况,掌握钢结构的特点；本课程的基本要求5. 掌握各种连接（焊接、螺栓连接）和各类构件(梁、柱和屋架)的工作性能、破坏特征及其设计的基本方法。教学参考书及规范:1.钢结构 戴国欣 主编 武汉

2、理工业大学出版社2.钢结构工程施工质量验收规范 （GB50205-2001)3.钢结构设计规范 （GB50017-2003)4.钢结构设计标准 （GB50017-2017)6.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； 7.熟悉与土木工程相关的钢结构设计规范。1.1 钢结构特点与应用1.2 钢结构设计基本方法第一章 绪论(Chapter 1 Preface to Steel Structure)1.1 钢结构特点与应用 一、什么是钢结构钢材经过设计、制作和安装而形成的工程结构形式。定义由钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢以及 钢索为主材建造的工程结构，如房屋、桥梁等。钢与铁的区别

3、含碳量小于2的铁碳合金称作钢，含碳量大于2时称作铁。纵向跨度为240m，顶部高55m，拱形骨架有12度的倾角，其截面为3.5m2。 香港大球场 公、铁路两用桥，铁路桥全长7675m，公路桥全长4460m，正桥11孔，全长1806m，主跨216m，采用连续钢桁梁结构。 九江长江大桥 二、钢结构的特点 材质均匀，可靠性高这表现在：钢材在使用阶段接近理想弹塑性体,这使得理论计算与实际情况相吻合; 钢材具有良好的塑性和韧性，不会因偶然的超载而破坏，对动力荷载适应性强。 强度高，重量轻在结构重量相同时，钢结构的承载能力更大，因而可达到其他建筑材料难以达到的跨越能力。 塑性韧性、抗震性能好 便于机械化制造

4、，施工期短钢结构构件一般可以在专业化工厂由专门机具加工，生产效率高，且不受气候影响。 可回收，建筑造型美观 耐火性和耐腐蚀性差钢材在表面温度不超过200时，其性能变化很小，因而适合于热车间。温度达到200300以后,强度和弹性模量显著下降。可以采取的对策是：用混凝土或耐火砖将其包裹起来。三、钢结构的应用范围（1）工业厂房钢铁、化工、机械、发电电 上海浦东国际机场候机楼屋架梁跨度83m，跨中高度超过11m，单榀屋架梁重55吨。 为了增加屋架结构的刚度，同时为保证屋架梁在风吸力作用下始终处于受拉状态，下弦布置了一根预应力钢索，对下弦施加足够的预应力。（2）大跨度建筑物体育馆、展览馆、影剧院、会议中

5、心、机库 （3）大跨度桥梁公路，铁路，跨江，跨海海 （4）多层和高层建筑香港中国银行大楼 于1990年落成，由著名建筑学家贝聿铭负责设计。 高300多米，是结构美和建筑美的统一。建筑即结构，结构即建筑。三角形的受力简洁明快，巨型立柱对角布置，使得抗倾覆力臂达到最大，而从底到顶不断缩进，使得结构受力极为合理。顶端像针尖一样直刺云霄。巴黎埃菲尔铁塔 建于1886年,是为随后1889万国博览会而建,以建筑师埃菲尔的名字命名。塔高320m,建筑设计中最著名的是防范强风吹袭的对称钢结构设计,集实用与美感于一体。（5）塔桅结构电视塔、天线、发射架、管道支架 东方明珠电视塔 东方明珠广播电视塔座落在上海浦东

6、新区黄浦江畔，以其468米的高度成为亚洲第一高 塔。她于1994年11月完工，总重量达12万吨。 东方明珠塔由三根直径为九米的擎天立柱、太空舱、上球体、下球体、五个小球、塔座和广场组成。多功能广播电视发射塔输电塔火箭发射塔（6）容器和管道： 油罐、储气罐 （7）可拆卸、移动的结构舞台、展棚、军用设施、温室、水闸门 （8）轻型结构厂房、住宅、公共建筑 （9）在地震区抗震要求高的工程结构（10）海洋平台沿海采油平台四、钢结构体系杆：受拉,受压桁架、支撑、网架梁：受弯框架、楼层梁桁架：整体受弯、杆件受拉受压屋架、支撑平面桁架空间桁架框架：梁受弯，柱受压弯单层、多高层建筑拱：受压为主，局部受弯桁架拱、

7、薄板拱 钢拱桥空间（刚性）：整体受弯、局部受拉压 网架、网壳、拱壳 总建筑面积近15万平方米，外部围护结构为钢结构半椭圆球形网壳，东西长轴212.2m，南北短轴143.64m，总高度46.285m。设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，整体结构用钢量达6750吨。 国家大剧院 张力(非线性）：整体受弯、局部杆件受拉为主 索、网、膜明石海峡大桥1998年建成通车，大桥主桥全长3910m，主跨1990m，是目前世界上主跨最长的悬索桥，钢桥塔高297m，是世界上最高的桥塔。两根主缆各由290根直径1.222m的高强钢索构成，主缆的极限强度为1800MPa。五、我国钢结构的应用前景（1）我国钢产量10亿

8、多吨，质量可靠；（2）扩大钢材建筑市场：目前仅5%；（3）扩大应用范围：住宅、公共、商业；（4）开发新材料：不锈钢，耐候钢，耐火钢，高强钢；（5）新体系、新理论：组合结构，预应力，索膜；（6）建筑结构一体化：新颖结构形式表现建筑。六、钢结构基本内容理论基础+工程经验复杂结构分解成单个构件，构件间连接整体结构分析结构力学为基础单个构件分析材料力学为基础连接分析结合工程实际钢结构(I)-钢结构设计基本原理 钢结构的材料 钢结构的连接 轴心受力构件（杆） 受弯构件（梁）拉弯和压弯构件（柱）节点构造钢结构(II)钢结构工程 单层厂房钢结构（轻钢） 大跨房屋钢结构 多高层房屋钢结构 钢结构制作和安装七、

9、预备知识高等数学，材料力学，结构力学八、考核方式出勤 10%课堂讨论和作业 10%期中考试10%期末考试70%1.2 钢结构设计基本方法【钢结构设计的基本要求】钢规(GB500172003):“为在钢结构设计中贯彻执行国家的技术经济政策,做到技术先进、经济合理、安全使用、确保质量,特制定本规范”。即力求用最经济的方法,使所建结构满足基本功能要求：（1）安全性: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（如地震、爆炸）发生时及发生后，仍保持必要的整体稳定性的能力。（2）适用性:结构在正常使用条件下,满足预定使用要求的能力。（3）耐久性:结构在正常维护条件下，随时

10、间变化而仍能满足预定功能要求的能力。结构的安全性、适用性、耐久性总称结构的可靠性。一、结构设计的原则1、目标（1）承受各种作用，满足功能要求；（2）技术先进，经济合理，安全适用，确保质量。（1）使结构产生内力和变形, 作用效应，外部因素；2、作用（S）（2）荷载：恒载(G)，活载(Q)，风载(W)静载，动载，温度, 沉降，地震，可变作用，永久作用。3、抗力（R）（1）结构承受作用的能力，结构特性；（2）与结构形式、尺寸、材料性能有关。 为了便于应用并符合人们长期以来的习惯，规范并不直接使用进行设计，而利用式: 来完成。就设计而言，问题被转化为计算效应S和抗力R。4、功能（1）设计基准期内（一般

11、50年），（2）安全性(S0，或RS，安全状态；Z0，或RS，失效状态；Z=0，或R=S，极限状态（2）承载能力极限状态：结构或构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形。 承载能力极限状态包括： 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡(如倾覆); 结构构件或连接在循环荷载作用下发生的疲劳破坏； 结构构件或连接因超过材料强度而破坏； 结构构件或连接因过度变形而不适于继续承载； 结构转变为机动体系； 结构或构件丧失稳定（如压屈等）。（3）正常使用极限状态：结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定值。 (Limit Status for Normally Used Steel Structu

12、re) 正常使用极限状态包括： 影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；影响正常使用的振动；影响正常使用的其它特定状态。【注】承载力极限状态与正常使用极限状态相比，前者可能导致人身伤亡和大量的财产损失,而后者对生命的危害则较小,主要是引起人们的不适,故也应该给予足够的重视。 7、随机变量作用、作用效应和抗力随机分布；标准值，设计值。8、可靠度指标（b=3.2）可靠概率（Ps），失效概率（Pf），校准法, 计算复杂。失效概率可靠指标9、结构安全等级结构重要性分三级： 重要、一般、次要1、统计变量：标准值，设计值，分项系数；恒载SG=gGSGk；活载SQ=gQSQk

13、；抗力R=Rk/gR a. 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)，用分项系数的表达式进行计算； b. 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。二、钢结构设计表达式 ？ 1957年至1973年我国钢结构设计采用半概率的分项系数法,结构设计中引入三个分项系数，即: 荷载分项系数-考虑荷载的不定性; 材料分项系数-考虑材料的不均性; 工作条件系数-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。 2、荷载组合承载能力极限状态正常使用极限状态设计基准期内最不利组合 3、一般表达式（承载能力极限状态）：gG=1.2；gQ=1.4；gR=1.1y

14、ci为荷载组合系数； ak为结构几何特性； f为材料强度设计值。go为结构重要性系数, go=1.1(一级)；go=1.0 (二级)； go=0.9 (三级)； 4、框架结构：承载能力极限状态:正常使用极限状态:有风载参与组合时荷载组合系数取0.85；w为限制值（变形、刚度）。三、结构设计规范碳素结构钢(GB700-2006),低合金高强度结构钢 (GB/T1591)：材料性能指标；建筑结构荷载规范(GB50009-2010)：活载、风载、 雪载标准值、材料自重(实测统计值)；建筑抗震设计规范(GB50011-2010)：地震烈度、地 震作用标准值计算、抗震设计； 钢结构设计规范(GB5001

15、7-2003)/钢结构设计标准(GB50017-2003) ：热轧和焊接结构，材料强度、构件设计、连接设计、构造要求； 冷弯薄壁型钢结构技术规范(GB50018-2002):冷弯薄壁结构,材料强度、构件设计、连接设计、构造要求； 钢结构工程施工质量验收规范(GB50205-2001)：制作、安装工艺和质量控制要求；正常设计、正常施工、正常使用、 正常维护。四、钢结构设计基本过程1、结构方案:结构体系，材料，构件布置；2、荷载计算:恒、活、风、雪、吊车、地震等；3、荷载组合:恒+活、恒+活+风、恒+活+地震等， 地震和风作用的方向，吊车不同的位置；4、内力分析:截面估算,结构力学,弹性分析,变形计算；5、构件设计:验算两种极限状态，优化设计；6、构造要求:考虑