钢结构设计原理-1绪论学习培训模板课件

1、钢结构设计原理1、张耀春，钢结构设计原理，高等教育出版社，20012、沈祖炎，钢结构基本原理，中国建筑工业出版社，20003、钟善桐，钢结构，中国建筑工业出版社，1988主要参考书：材料力学、结构力学先修课程：课程内容结构轴心构件 受弯构件 偏心构件材料发展构件厂房高层建筑桥梁结构 大跨度建筑塔桅结构焊接铆接螺栓焊接铆接螺栓计算设计原理桥梁第一章 绪论第二章 钢结构的材料第三章 连接第四章 受弯构件第五章 轴心受力构件第六章 拉弯、压弯构件第七章 公路桥梁钢结构设计特点 总复习主要内容：第1章 绪 论1.1 钢结构的发展简史及钢结构的地位早在公元前2000年左右，美索不达米亚平原（两河流域）就

2、出现了早期的炼铁术我国也较早（战国，公元前400年左右）最早出现时间钢(steel)是铁碳合金 全国重点保护文物泸定铁索桥，建于17051706年，桥身共由13根铁链组成；每根（铁链）由862977节铁环相扣，每根铁链重13001800kg。 我国古代发展 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。 铁塔高17.9米，八角十三级，重53.3吨，为我国现存最高、最重、最大的铁塔。已有900多年的历史。我国古代金属结构建筑在世界上处于领先地位。荆州玉泉寺铁塔、镇江甘露寺铁塔等等。 甘露寺铁塔位于天王殿东北，实际上是唐宝历元年(八二五年)卫公李德裕建，故又称卫公塔。宋代重

3、铸为铁塔，原塔为七级。十九世纪末又因大风疾雷，倾倒四层。甘露寺铁塔建国前我国现代 19271937年是我国土木工程及金属结构建设的黄金时代，代表作品有：沈阳皇姑屯机车厂钢结构厂房（1927）广州中山纪念堂圆屋顶（19281931）钱塘江大桥（1937） 广州中山纪念堂是为了纪念孙中山先生建造的，于1931年10月竣工。厅内容积为33300立方米，容量为5000人。建国后，广州市的标志性建筑，为国家一级文物。 茅以升、一批留学生自行设计和监造丹麦康益洋行：下部结构和沉箱基础工程，英商道门朗公司：上部结构钢梁杭州钱塘江大桥建国后第一个五年计划：以工业厂房（156个大型项目）、交通工程为主。第一重型

4、机械厂第一汽车制造厂人民大会堂第二第四个五年计划：以公共建筑为主。钢屋架跨度61米高度7米以工业厂房、公共建筑、交通工程为主（宝钢、体育馆和桥梁）宝钢厂区芜湖长江大桥九江长江大桥钢材15MnVN中国钢产量的增长速度最快BRIC2012年：7.1亿吨中国建筑钢结构及用钢消费现状中国钢材消费特点：建筑用钢比例高。2005年中国建筑用钢消费1.73亿吨，占钢材消费50.5%。2010年建造用钢3.6亿吨，占钢材消费的55%。中国建筑用钢中：城镇房屋用钢占建筑用钢76%。其中城镇住宅2005年消费6090万吨，占建筑用钢35%。建筑用钢房屋建筑土木工程城镇住宅农村房屋城镇非住宅房屋1.2 钢结构的特点

5、及应用钢材强度高，结构重量轻 与混凝土相比，密度大，但强度高 当跨度和荷载均相同时，钢屋架的重量仅为钢筋混凝土屋架的1/31/4，冷弯薄壁型钢屋架甚至接近1/10 为运输和吊装提供了方便钢结构的特点钢构件常较柔细，稳定问题比较突出材质均匀，且塑性韧性好 晶格均匀，各向同性，良好延性 符合工程力学理性弹塑性假定，计算简单、结果可靠 重量轻和韧性好，抗震性能也好于其他结构良好的加工性能和焊接性能 便于厂家批量生产，精度较高，成品现场安装，既可保证质量，又可缩短工期密封性好 可用来制作压力容器、管道，甚至载人太空结构。钢材的可重复使用性钢材耐热但不耐火 100左右，性能变化不大 250左右，会出现兰

6、脆现象 600时进入热塑性状态，将丧失承载能力 有防火要求时：防火涂料、耐火材料、循环水套等耐腐蚀性差 一般厂房钢构件经过除锈、涂防腐油漆后，不会锈蚀 特殊环境中，可采用耐候钢或不锈钢钢结构的低温冷脆倾向 厚钢板焊接节点，应力复杂，有低温脆性破坏倾向 可采用耐候钢钢结构的应用大跨结构 跨度越大，自重在荷载中所占的比例越大，减轻自重是首要问题 钢材强度高、重量轻的优势正好适合于大跨结构 结构形式有空间桁架、网架、网壳、悬索、张弦梁、实腹或格构式拱架和框架等。国家大剧院东西跨度212米，南北跨度144米，钢壳体总重6750吨，由148榀钢屋架及顶环梁、中环梁组成江西亚东水泥有限公司瑞昌制造厂石灰石

7、仓棚螺栓球网架、78.5m跨度哈尔滨国际会展中心（128m跨）及体育场北京金盏汽车修配厂直接焊接方管格构式刚架结构悉尼国际水上运动中心内部图奥运工程钢结构总量统计表新建场馆12-9万吨改扩建场馆11-1万吨临建场馆8-0.5万吨相关设施5-0.2万吨主要相关配套钢结构工程9-25万吨京外主要场馆工程4-2.7万吨 钢结构在奥运工程中的应用奥运钢结构工程特点结构类型多样，涵盖了多种现代钢结构体系建筑造型新颖，加大结构设计施工难度钢结构跨度大，安装技术含量高 预应力钢结构体系、膜结构等新体系应用，填补国内相关标准空白节能环保技术在钢结构围护体系中广泛应用，推广示范作用显著 武钢承担数量最大(08办

8、提供),舞钢供应的钢板强度级别和厚度最高国家体育场弯扭构件的加工制作鸟巢的弯扭构件空中多点对接要求精准国家游泳中心中国国家游泳中心采用了一种新的杆件布置方式。根据Kelvin的“泡沫理论”构成。即将水在泡沫状态下的微观分子结构放大到建筑结构尺度，从几何上可以归结为6个十四面体（12个五边形面+2个六边形面）结合了2个十二面体（12个五边形面）的多次重复。将这些多面体内部抽空就形成了空间网格，然后按照建筑需要切割出平板网架。这种网格是世界上第一次应用于建筑结构。每个节点四根杆件，只有三种节点、四种杆件长度。必须保证节点刚接，杆件承受弯矩。 多面体网格结构 中国国家游泳中心研制了刚接焊接球节点。增

9、加加强板使塑性铰外移。计算公式进入网格规程网格结构节点创新老山自行车馆采用四个铸件组成的铸钢球铰支座，12.5t。网格结构节点创新 国家体育馆尽管用立体桁架作为上弦有效地提高了平面外的稳定性。整体屋盖还是单向受力为主。国家体育馆南北长 144.5米，东西宽114 米，尝试了张弦立体桁架的空间结构形式双向张弦立体桁架。如何保证双向索同时张拉到位并发挥作用?双向张弦立体桁架国家体育馆 93m跨的北京工业大学体育馆 （奥运羽毛球、艺术体操）采用索承网壳。 比赛馆热身馆工业厂房 重型厂房：大起重量、繁忙吊车的厂房 钢屋架和阶形柱组成的门式刚架或排架 轻型厂房：轻型设备、轻型维护结构 实腹式变截面门式刚

10、架受动力荷载影响的结构 发挥钢材的良好韧性 有较大锻锤或动力设备的厂房、对抗震要求高的结构多层和高层建筑 利用钢结构具有较高的强度、塑性耗能能力、韧性等优点 结构形式有多层框架、框架支撑结构、框筒、悬挂、巨型框架等 1931年纽约建成381m(102层)的帝国大厦，钢框架结构，206Kg/m2, 雄踞世界第一高40多年。Empire state building 芝加哥Sears大厦，109层443米，用钢量161Kg/m2，1974年建成。Sears Tower 成束筒体系。Sears纽约世界贸易中心双塔楼，110层412米，用钢量186Kg/m2，1973年建成，2001年9月11日被撞倒

11、塌。框筒结构体系。近年新建的高层钢结构建筑上海环球金融中心主楼建筑面积：25.3万m2。总用钢量：65000t。建筑规模：主体建筑物高492米, 地上101层，地下3层。结构形式为同时采用三种体系： a、巨型柱、巨型斜撑和 带状桁架组成的巨型结构； b、钢筋混凝土的核心筒； c、构成核心筒和巨型柱之间 相互作用的伸臂桁架。上海世贸广场建筑面积：17万m2。总用钢量：8500t。建筑规模： 主体建筑物高246米,桅杆 顶333米；地上60层，地 下3层。结构形式： 框筒结构（混凝土筒体 钢结构外框架）。施工单位： 沪宁钢机（参加）中国国际贸易中心3期建筑规模： 地上74层，地下三层，总高330m

12、， 总建筑面积192000m2； 标准层尺寸：53.353.3。结构类型： SRC柱钢梁组成外框筒； SRC柱钢梁支撑组成内筒； 内筒56为钢板剪力墙； 在2830层和5557层处设有两道伸臂 桁架连接内外筒。柱距： 底部11.2m，中部4.2m(办公层)，上部 5.6m (宾馆层) 。钢材： 大部分钢柱Q390Z25，梁Q345； 总重为42000t.周边框架三维示意图 核心筒三维示意图 立面图北京电视中心建筑面积：18.9万m2。总用钢量：35000t。建筑规模： 主体建筑物高236.4 米,最高层数41层。平面尺寸：67m61m。 结构形式： 地下部分钢骨砼结 构、地上部分巨型 框架结构

13、体系。整 体结构在建筑物的 四角上布置四个“L 型”巨型柱，巨型 柱之间用钢梁与巨 型钢桁架相连。中央电视台新台址建设规模： 总建筑面积约55万平方米，主楼建筑面积约38万平方米。用钢10万吨。总投资预算：50亿元人民币。存在问题： 1.建筑物出现3维结构体不稳 定问题和整体抗震问题 ； 2.结构基础重力抗倾覆问题； 3.45M悬挑竖向抗震问题； 4.抗风力乱流问题 ； 5.抗击恐怖活动的结构安全度 问题； 高耸结构 包括塔架和桅杆结构，如高压输电线路的塔架、广播、通信和电视发射用的塔架和桅杆、火箭发射塔架等可拆卸的结构 应用于建筑、铁路、公路、水利、石油、商业、旅游和军事等领域的办公室、指挥

14、部、宿舍、会议室、仓库、商店、楼顶加层及各种临时用房等。容器和其他构筑物 化工类钢板容器，如油罐、气罐、高炉、热风炉等 还有通廊栈桥、管道支架、锅炉支架、海洋平台等轻型钢结构 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 如变截面门式刚架、冷弯薄壁型钢结构、金属拱形波纹屋盖结构、钢管结构等大跨度桥梁桁架桥、拱桥、悬索桥、斜拉桥 钢和混凝土的组合结构 钢板件受压失稳，不能充分发挥它的高强，而混凝土则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 组合结构在我国获得了长足的发展，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

15、构件形式有组合梁、组合柱、组合楼板等1.3 钢结构的设计方法容许应力设计方法概率极限状态设计方法容许应力设计方法 由标准荷载按一阶弹性分析求得得结构构件中的最大应力；规范规定的材料的容许应力；大于1的安全系数，凭工程经验取值。如中国的TJ 17-3-74钢结构规范取1.41.式中：材料的标准强度。对塑性材料取屈服点，对脆性材料取抗拉强度； 以结构构件的计算应力 不大于规范所给定的材料容许应力 的原则来进行设计的方法。简单，相当可靠，已使用多年。目前疲劳计算和钢桥、储液罐及压力容器等的设计均使用该方法。优点: 仅以某点的应力考虑可靠性，忽略了塑性发展；不考虑荷载作用比例的变化和反号作用；无可靠度

16、概念，可能带来不安全或浪费。缺点:结构的可靠度 结构在规定时间内和规定条件下，完成预定功能的概率 显然可靠度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。 一般建筑物的设计基准期为50年。 概率极限状态设计方法荷载规范的承载力极限状态表达式 可变荷载效应控制的组合：永久荷载效应控制的组合：对于排架、框架结构，可采用简化公式计算： 可变荷载效应控制的组合： 永久荷载效应控制的组合，公式与上同。注意： f为钢材或连接的强度设计值，对钢材为屈服点fy除以抗力分项系数的商。 如Q235钢抗拉强度设计值为 fy/R=fy/1.087=235/1.087 =215N/mm2；对于端面承压和连接则为极限强度fu