钢结构的应用和发展

第一章绪论§1-1钢结构的应用和发展钢(steel)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），用锻铁(wrought

iron)为环，相扣成链，建成了世界上最早的铁链悬桥——兰津桥，陆续建造了数十座铁链桥其中跨度最大的是泸定桥。1705年（清康熙四十四年）建成的四川泸定大渡河桥，桥宽，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，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(cast

iron)拱桥也早74年四川泸定大渡河桥公元694年（周武氏十一年）在洛阳建成的“天枢”，高35m，直径4m，顶有直径为的“腾云承露盘”，底部有直径约用来保持天枢稳定的“铁山”，相当符合力学原理公元1061年（宋代）在湖北荆州玉泉寺建成的13层铁塔所有这些都表明，我们中华民族对铁结构的应用，曾经居于世界领先地位玉泉铁塔欧美等国家中最早将铁做为建筑材料是英国但直到1840年以前，还只采用铸铁来建造拱桥1840年以后，随着铆钉(rivets)连接和锻铁技术的发展，铸铁结构逐渐被锻铁结构取代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，钢材才开始在建筑领域逐渐取代锻铁材料自1890年以后钢材成为金属结构的主要材料。20世纪初焊接(welding)技术的出现，以及1934年高强度螺栓(high-strength

bolts)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工业厂房

吊车起重量较大或者其工作较繁重的车间的主要承重骨架多采用钢结构，结构形式多为由钢屋架和阶形柱组成的门式刚架或排架，也有采用网架做屋盖的结构形式，随着压型钢板等轻型屋面材料的采用，轻钢结构工业厂房得到了迅速的发展。其结构形式主要为实腹式变截面门式刚架受动力荷载影响的结构由于钢材具有良好的韧性，设有较大锻锤或产生动力作用的其他设备的厂房，即使屋架跨度不大，也往往由钢制成。对于抗震能力要求高的结构，采用钢结构也是比较适宜的

现代钢结构应用高耸结构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（卫星）发射塔架等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容器和其他特种结构冶金、石油、化工企业中大量采用钢板做成的容器结构，包括油罐、煤气罐、高炉、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

主要构件形式有钢与混凝土组合梁和钢管混凝土柱等

常用钢－混凝土组合截面大跨结构结构跨度越大，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。钢材强度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。所采用的结构形式有空间桁架、网架、网壳、悬索（包括斜拉体系）、张弦梁、实腹或格构式拱架和框架等

南通体育会展中心-开合结构（网架体系）北京奥运会主会场-鸟巢（门式钢架组合体系）南京火车站南京火车站多高层建筑

钢结构的综合效益指标优良，在多、高层民用建筑中也得到了广泛的应用。其结构形式主要有多层框架、框架－支撑结构、框筒、悬挂、巨型框架等香港汇丰银行（框支悬挂体系）轻钢结构

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。

轻钢结构住宅轻钢结构住宅轻钢结构住宅优点建筑钢材强度高，塑性韧性好强度高——大跨、高层、高负荷结构塑性好——防止脆性破坏，应力重分配韧性好——承受动力荷载，抗震性能好钢结构的重量轻，质强比小材料的质量密度ρ与强度f的比值α（质强比）小建筑钢材质强比α：～3.7×104

木材质强比α：5.4×104

钢筋混凝土质强比α：18×104材质均匀、性能好，结构可靠性高钢材接近于各向同性的理想弹－塑性体，实际受力同工程力学计算理论比较符合，因此钢结构的可靠性高钢结构施工简便，工期短，易于改造和加固

钢材可加工性能好，工业化机械化程度高，构件轻，连接简单，安装方便§1-2钢结构的特点

钢结构钢混结构钢筋混凝土结构自重11.221.72结构自身面积0.280.371施工周期11.331.6用钢量1.451.231平均施工进度4.5天/层

7天/层几种类型结构比较缺点耐腐蚀性差

使用环境，钢材极易锈蚀，需注意保护，特殊环境下不易使用钢结构耐火性差耐热性较好（200℃以下钢材性质变化很小），高于200℃后钢材强度下降很快，600℃时钢材进入塑性状态，强度几乎降为零丧失承载力，需采取隔热防火措施钢材价格相对较高结构设计准则：结构由各种作用所产生的效应（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确定的抗力或规定限值问题及矛盾：荷载大小、材料强度、截面尺寸、计算模式、施工质量等因素均为随机变量（或随机过程）不确定，导致结构效应与抗力均为随机变量，不可能保证百分之百保证结构效应小于抗力或规定限值，只能作一定的概率保证§1-3钢结构的设计方法1.3.1概述容许应力法（建国初～1957年）把钢材可以使用的最大强度，除以一个笼统的安全系数作为结构设计计算时构件容许达到的最大应力，即允许应力法

N——构件的内力；

S——截面几何特性；

σs——钢材屈服强度；K——总安全系数；

σ——构件的计算应力式中：

（）

优点：简单、明确缺点：太笼统。各构件的可靠程度各不相同，而整个结构取决于可靠度最小的构件半概率法（1957年～1988年）三个系数的极限状态计算方法（1957年～1974年）以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一设计安全系数的容许应力计算方法（1974年～1988年）（）

（）

材料强度概率：荷载概率：——材料强度和荷载的标准值——材料强度和荷载的平均值——材料强度和荷载的标准差——材料强度和荷载的保证系数以结构极限状态（强度、稳定、疲劳、变形等）为依据，对影响结构安全度的诸因素以数理统计，并结合工作实践经验进行分析。其实质是半概率、半经验的极限状态计算方法优点：对结构可靠性的处理有所改进缺点：对荷载、材料性能等的处理都取一个经验定值，因为这对结构可靠度的研究仅处于以经验为基础的定性分析阶段

——根据标准荷载求得的内力；

——屈服强度；——

构件几何特性；、

、——

分别为荷载系数、材料系数和调整系数（）

式中：

——安全系数；——钢材的允许应力概率论为基础概率极限状态设计方法结构可靠度研究由经验为基础的定性分析阶段推进以概率论和数理统计为基础的定量分析阶段近似的概率设计法（分析中忽略和简化了基本变量随时间变化的关系，所以确定基本变量分布时有相当程度的近似性，且进行了线性化简化计算

）

一次二阶矩极限状态设计法（1988年～发展中）极限状态：实质上是结构可靠与不可靠的界限，故也可称为“界限状态”；对于结构的各种极限状态，均应规定明确的标志或限值两类极限状态：

（1）承载能力极限状态

包括：构件和连接的强度破坏、疲劳破坏和因过度变形而不适于继续承载，结构和构件丧失稳定，结构转变为机动体系和结构倾覆（2）正常使用极限状态

包括：影响结构、构件和非结构构件正常使用或耐久性能的局部损坏（包括组合结构中混凝土裂缝）1.3.2概率极限设计方法功能函数

式中

Z=g(﹒)

——结构的功能函数；

xi(i=1,2,……n)

——影响结构或构件可靠度的基本变量（）

仅有作用效应S和结构抗力R两个基本变量时结构的功能函数可表为：

（）

荷载效应S：取决于各种荷载（恒载、活载、风、地震作用、温度变化等）

结构或构件的承载力或抗力R：取决于材料、构件的几何特性等

由于R和S都是随机变量，其函数Z也是一个随机变量。功能函数Z存在三种可能状态：

结构可靠度：结构在规定时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率

若以ps表示结构的可靠度则：

（）

若以pf表示结构的失效概率则：

（）

Z的概率密度fZ（Z）曲线：正态分布概率密度曲线中Z的平均值和标准差存在下述关系：

（）

（）

β——可靠指标或安全指标

β与pf存在一一对应关系，β与pf变化相反若Z为正态分布：（）

由：有：（）

由于β的计算只采用分布的特征值，即一阶原点矩（均值）μZ和二阶中心矩（方差）σZ2，对非线性函数只取线性项，而不考虑Z的全分布，故称此法为一次二阶矩法β与pf对应表格不同结构构件承载能力极限状态的可靠指标β1.3.3设计表达式《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068)规定结构构件的极限状态设计表达式，应根据各种极限状态的设计要求，采用有关的荷载代表值、材料性能标准值、几何参数标准值以及各种分项系数等表达。简单荷载分项系数设计式：（）

RK

——抗力标准值SGK——按标准值计算的永久荷载（G）效应值SQK——按标准值计算的可变荷载（Q）效应值

γ

——分项系数式中：

一般情况下荷载分项系数：

γ

G＝1.2；γ

Q＝永久荷载效应与可变荷载效应异号时：

γ

G＝1.0；γ

Q＝1.4抗力分项系数：

Q235钢：γ

R＝；

Q345、Q390；Q420钢：γ

R＝其中：钢材强度设计值f——钢材强度除以对应