钢结构基础第1章课件

钢结构设计原理1、概述

了解钢结构的特点和应用。理解钢结构的极限状态、概率极限状态法的基本原理，掌握用分项系数的设计表达式进行计算的方法。2、钢结构的材料

认识钢材的破坏形式、钢材的主要性能和影响钢材性能的因素。熟悉建筑钢材的类别及钢材的选用。3、构件的截面承载能力—强度

了解各类构件的应用和截面形式。认识各类构件截面的受力状态、应力分布特点，理解和掌握各类构件的强度计算准则和方法。4、单个构件的承载力—稳定性认识各类构件的整体失稳形式及影响稳定性的主要因素，理解和掌握各类构件的整体稳定计算方法。认识构件各组成板件的屈曲问题，理解各类构件的局部稳定条件，并能正确进行验算。了解板件的屈曲后强度的利用。本课程的基本要求5、整体结构中的压杆和压弯构件了解影响杆件屈曲的主要因素，能正确、合理地确定桁架杆件、框架柱的计算长度。6、钢结构的正常使用极限状态了解正常使用极限状态的主要内容。掌握各类构件的刚度验算方法。7、钢结构的连接和节点构造了解钢结构的连接方法及特点。熟悉焊缝连接、螺栓连接的基本构造要求，认识焊缝连接、螺栓连接的工作性能，理解和掌握焊缝连接、螺栓连接在各种受力状态下的强度计算条件。8、了解与土木工程相关的钢结构设计规范。本课程的基本要求课程考核平时成绩：20%（到课率，作业）；考试成绩：80%（闭卷考试）。课程体系图示教学参考书及规范钢结构基本原理

万凤鸣

北京理工大学出版社，2013钢结构设计原理赵根田机械工业出版社，2012钢结构设计原理刘智敏北京交通大学出版社，2012钢结构设计规范

（GB50017-2003)建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068-2001)建筑结构荷载规范（GB50009-2012)钢结构工程施工质量验收规范

（GB50205-2001)1.1钢结构的特点和应用1.2钢结构的建造过程和内在缺陷1.3钢结构的组成原理1.4钢结构的极限状态和概率极限状态法1.5钢结构的发展

钢材的塑性和韧性好

塑性和韧性是概念上完全不同的两个物理量。

塑性——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突然断裂，给人以安全保证；

韧性——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。

5、钢材耐热性好，耐火性差

温度≤200℃，强度变化很小。适应该场所。温度≥600℃，钢材将丧失承载能力。6、钢材耐腐蚀性差，维护费用高。

在潮湿、腐蚀性介质环境中，发生锈蚀，影响钢结构寿命。必须定期刷涂料等维护。7、钢结构在低温条件下有冷脆倾向。

在低温条件下，不仅可能发生脆性断裂，而且容易发生厚板的层状撕裂等。1.1.2钢结构的应用范围（1）大跨度空间结构网架结构拱结构桥梁天津体育场千年穹顶西班牙迪加航空港上海会展中心单层厂房多层工业厂房2.重型工业厂房结构金陵石化总厂东京千年塔4.高耸建筑(1).波纹拱壳结构5.轻型房屋钢结构（3）多层轻型房屋建筑5.轻型房屋钢结构活动车库6.可拆卸、移动房屋及移动结构8.钢与混凝土组合结构老山自行车馆南通会展中心（11亿）3.空间桁架网架上海浦东机场航站楼5.张拉集成结构美国亚特兰大乔治亚穹顶6.索膜结构上海世博会--世博轴

索膜顶盖1.1.2用于多层、高层及超高层建筑的主要结构形式框架结构、刚架---支撑结构、框筒、筒中筒、束筒等1.1.3用于桥梁的主要结构形式实腹板梁式结构桁架式结构拱式结构拱与梁桁架组合结构斜拉结构悬索结构武汉长江大桥九江长江大桥武汉天兴洲长江大桥湖南矮寨特大桥1.1.4用于塔桅的主要结构形式广州电视塔1.2.1钢结构的建造过程1.工厂制造—验收、放样、加工、装配、矫正、除锈和涂漆2.工地安装—扩大拼装、吊装就位、临时固定、最后固定1.2.2钢结构的初始缺陷1.几何缺陷初弯曲初倾斜杆件长度误差2.材料缺陷钢材并非理想的匀质体和各向同性体1.3.1结构设计的目的与内容1.结构设计的目的（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。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。（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、耐久性总称为结构的可靠性。

任何结构都必须是几何不变的空间整体，并且在各类作用的效应之下保持稳定性能，必要的承载能力和刚度。当结构的承重主体是桁架、刚架等平面体系时，需要设置一些辅助构件如支撑、横隔等把他们连成空间整体。除容器外，一般将结构分为跨越结构和高耸结构，前者是跨越地面上一定空间的结构，包括桥梁和单层房屋结构；后者则是从地面向上发展的结构，包括高层房屋、塔架和桅杆结构。曾数不多的房屋则介于两者之间。1.3.1跨越结构1.平面体系加支撑如：穿式桁架桥单层厂房的屋盖2.空间体系如：平板网架穹顶结构悬索屋盖结构空间框架1.3.2高耸结构

高耸结构不同于跨越结构的一个重要特点是，水平荷载

（风力、地震的水平作用）可能居于主导地位。1.高层房屋结构---刚架（a）框架-支撑或剪力墙(b,c)重型支撑（d）2.塔架——本身就是一个空间桁架3.桅杆——用纤绳抵抗水平作用和保持稳定的结构。1.3.3其他结构形式的组成上述可以看出：大部分钢结构为系杆结构

（除容器、管道）；基本构件可以概括为三大类：轴心受力构件；受弯构件；拉弯或压弯构件1.4.1钢结构的极限状态（2）.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限值的极限状态，包括：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。（1）.承载能力极限状态:

结构或构件达到最大承载力或达到不适应于继续承载的变形的极限状态，包括：倾覆、强度破坏、疲劳破坏、失稳、结构变为机动体系等状态。

《钢结构设计规范》（GB50017-2003)规定，极限状态分为两类：1.4.2结构的荷载效应分析

设计钢结构需要处理两个方面的因素：一是结构和构件的抗力；二是荷载施加于结构的效应。荷载效应通过内力分析来计算。结构在荷载作用下必然有变形。当变形和构件的几何尺寸相比微不足道时，内力分析按结构的原始位形进行，即忽略变形的影响。这种做法称为一阶分析。

大跨度的钢拱桥，拱肋的柔度就比较大，变形影响不再能被忽略。考虑变形影响的内力分析称为二阶分析，属于几何非线性分析。

构件和结构的几何缺陷，有些在确定构件抗力时加以考虑，如压杆的初始弯曲，有的则在内力分析时予以考虑，如框架柱的初始倾斜。结构内力分析还可以区分为弹性分析和非弹性分析。传统的做法是把结构看做弹性体来分析。如果结构或构件在达到承载能力极限状态之前不出现塑性，弹性分析正确反映结构的真实情况。如果结构出现少量非弹性应变，但对结构的行为影响不大，为计算简便计，仍然可以用弹性分析。多次超静定的结构如多层刚架，在达到承载极限之前会在多处出现塑性变形，精确反映这类结构极限状态的计算应充分考虑钢材的塑性性能。结构有各种荷载所产生的效应（内力和变形）结构和连接有材料性能和几何因素等所决定的抗力或规定限值。保证结构的可靠性≤荷载大小、材料强度、截面尺寸、施工质量的随机性结构不可能百分之百可靠，做出一定概率保证现行《钢结构设计规范》---概率极限状态设计方法1.4.3概率极限状态法

钢结构设计的基本原则是要做到技术先进、经济合理、安全适用和确保质量。因此，结构设计要解决的根本问题是在结构的可靠和经济之间选择一种最佳的平衡，使由最经济的途径建成的结构能以适当的可靠度满足各种预定的功能要求。结构的可靠性理论近年来得到了迅速的发展，结构设计已经摆脱传统的定值设计方法，进入以概率理论为基础的极限状态设计方法，简称概率极限状态设计法。

结构的功能函数Z，结构的抗力R、作用效应S，Z＝g（R，S）＝R－S在实际工程结构中，可能出现下列三种情况：

Z＞0结构处于可靠状态；（1-1a）

Z＝R－SZ=0结构达到极限状态；（1-1b）Z＜0结构处于失效状态；（1-1c）

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：

Z＝g(R，S)＝R－S＝0

称为极限状态方程。

概率极限状态设计原理Ps＝P{Z≥0}

（1-2a）结构不能完成预定功能的概率---失效概率，用Pf表示，则：Pf＝P{Z<0｝（1-2b）结构在规定的时间内、在规定的条件下，完成预定功能的概率---可靠度，用Ps表示，则：由于可靠度｛Z≥0｝与失效概率{Z＜0｝是两个相反的概率，所以两者的关系应满足:Ps＋Pf＝1

或

Ps＝1-Pf

结构的可靠度——结构在规定的时间内，规定的条件下，完成预定功能的概率。及结构不失效（Z≥0）若可靠概率记为Ps，失效概率记为Pf；则：Ps+Pf=1

结构的可靠度通常受荷载、材料性能、几何参数和计算公式精确性等因素的影响。这些具有随机性的因素称为“基本变量”。对于一般建筑结构，可以归并为荷载效应(S)和结构抗力（R），并设这二者服从正态分布，这样Z=R-S也是正态分布。以代表平均值，以代表标准差，可进行概率分析得：值越大，Pf就越小。f(z)μz图1-17与β的对应关系PfZ=R-SPf从图中可以看出β与Pf间存在着一一对应关系,即:1).β减小时，阴影部分的面积增大，即失效概率Pf增大；

2).β增大时，阴影部分的面积减少，亦即失效概率Pf减小。说明β可以作为衡量结构可靠度的一个数量指标。f(z)μz图1-17Z的概率密度函数曲线PfZ=R-Sβ—可靠度指标（1-5）失效→←可靠Ps

规范或标准规定的值可以称之为目标可靠指标。目标可靠指标的取值从理论上说应根据各种结构构件的重要性、破坏性质及失效后果，以优化方法确定。但是，实际上这些因素还难以找到合理的定量分析方法。因此，目前各个国家在确定目标可靠指标时都采用“校准法”，通过对原有规范作反演算，找出隐含在现有工程结构中相应的可靠指标值，经过综合分析后确定设计规范中相应的可靠指标值。这种方法的实质是从整体上继承原有的可靠度水准，是一种稳妥可行的办法。《建筑结构可靠度设计统一标准》规定各类构件按承载能力极限状态设计时的可靠指标见表1-3，一般的工业与民用建筑的安全等级属于二级。钢结构的强度破坏和大多数失稳破坏都具有延性破坏性质，所以钢结构构件设计的目标可靠指标一般为3.2。但是也有少数情况，主要是某些壳体结构和圆管压杆及一部分方管压杆失稳时具有脆性破坏特征。对这些构件，可靠指标按表1-3应取3.7。疲劳破坏也具有脆性特征，但我国现行设计规范对疲劳计算仍然采用容许应力法。钢结构连接的承载能力极限状态经常是强度破坏而不是屈服，可靠指标应比构件为高，一般推荐用4.5。破坏类型安全等级一级二级三级延性破坏3.73.22.7脆性破坏4.23.73.2目标可靠指标表1-21.4.4设计表达式式中

SGK和SQK——按规范规定的标准值算得的永久荷载的效应和可变荷载的效应；G和Q——永久荷载和可变荷载的效应分项系数；

R——构件抗力分项系数；

0——结构重要性系数，应按下列规定采用：对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件，不应小于1.1；对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件，不应小于1.0；对于设计使用年限为25年的结构构件，不应小于0.95；对安全等级为三级或设计使用年限为5年的结构构件，不应小于0.9；1.发展低合金