钢结构-基础知识入门讲义

§1.1钢结构的发展展历史公元前200年，秦始皇时时代，铁造桥桥墩；公元60年，汉明帝时时代，铁链悬悬桥（兰津桥桥）济宁寺寺甘露寺大渡河铁索桥桥广州中山纪念念堂圆屋顶钱钱塘江大桥桥南京长江大桥桥首都体育馆上上海体育馆馆大型企业业厂房300多年前上世纪30年代上世纪50～60年代中国国际贸易易中心京广广中心大厦深圳发展中心心地王大厦厦黑龙江电视塔塔1990年北京亚运会会场馆现在，金茂大大厦421m，环球金融中中心460m帝国大厦381m新加坡双塔大大厦450msearstower443m世界贸易中心402m结论：材料：连接接：上世纪80年代后国外结构形式：桥→塔→工业与民用用建筑铸铁→锻铁→钢销钉→铆钉→焊接→螺栓金茂大厦厦台北101大厦448/508最 最高 高使 屋用 顶楼 高层 度438 448m m环球金融融中心心新加坡双双塔大大厦95层世贸中心心英国伦敦千年年穹顶－D320m02年世界杯－韩韩国大邱体育育场国家大大剧院院上海八八万人人体育育场上海八八万人人体育育场施施工现现场组合钢钢管悬悬挑空空间桁桁架—70m多澳门东东亚运运动会会体育育馆澳门东东亚运运动会会体育育馆－－亚亚洲跨跨度最最大的的桁架架上海南南站钢钢结构构圆屋屋顶－－D265m长31km东海大大桥钢钢结构构工程程海上段段28km桥宽31.5m336m320m建设中中的迪迪拜塔塔建筑高高度是是绝密密，现现已建建成629m迪拜塔塔效果果图鸟巢水立方方水立方方中国工工程院院院士董石麟：：“(水立立方)结构构形式式我们们现在在叫叫它多多面体体空间间钢架架结构构。这这一种种结构构在过过去，，不单单单在在我我们国国家，，在世世界上上还是是没有有的””。济南奥奥体中中心效效果图图（十一一届全全运会会）济南奥奥体中中心§1.2钢结构构的特特点和和应用用一.钢结构构的特特点自重轻轻、承承载力力高；；为同跨跨度、、同荷荷载钢钢筋混混凝土土屋架架的（（1/3～1/4）重。特别是是地质质条件件差的的地区区，降降低地地基、、基础础的造造价。。钢材的的塑性性和韧韧性好好；（（后面面介绍绍）接近于于匀质质等向向体；；内部组组织均均匀，，各方方向物物理性性能基基本相相同，，在使使用阶阶段段，变变形较较小。。此特特点与与力学学假定定吻合合较好好。焊接性性能；；指钢材材在焊焊接过过程中中和焊焊后，，保持持焊接接部分分不开开裂的的完完整性性的性性质。。不渗漏漏；便于做做成密密闭容容器。。7.耐腐蚀蚀性差差；涂防腐腐漆混混凝凝土包包裹8.耐热好好，防防火差差。t<150℃，性性能变变化不不大t>150℃，性性能变变化大大t>600℃，强强度为为0涂防火火涂料料混凝土土包裹裹二.钢结构构的应应用1.工业厂厂房跨度、、柱距距较大大，有有100t以上上重级级或中中级工工作制制吊车车的的厂房房，有有热辐辐射的的厂房房。现现什么么厂房房都可可采用用。2.大跨结结构解决办办法解决办办法→网架架、网网壳、、悬索索周围温温度超超过150℃，，采采取防防护措措施厂房→钢屋屋架体体育育馆、、会馆馆高耸结结构和和高层层结构构自重轻轻、截截面小小，减减小风风荷载载。受动力力荷载载作用用的结结构钢材的的韧性性好，，动力力性能能高。。容器与与管道道可拆卸卸和移移动的的结构构如流动动式展展览馆馆、活活动房房。其它。。如海洋洋平台台、码码头、、输煤煤栈桥桥等。。总之，，采用用钢结结构，，工期期短、、造价价高，，应从从综合合经济济效效益来来考虑虑。§1.3钢结构构的设设计方方法钢结构构设计计时，，必须须满足足一定定的设设计准准则，，即在在满足功能要要求的前前提下，，做到安安全可靠靠、技术术先进、、确保质质量和和经济合合理。一.安全系数数法（容容许应力力设计法法）KyσSA≤σf构件中应应力容许应力力S：全部荷荷载引起起的结构构构件中中的内力力；A：几何特特性，即即截面面面积或截截面抵抗抗矩等；；fy：材料的的标准强强度，针针对钢材材为屈服服点；K：安全系系数。安全系数数凭经验验而定，，因而不不同构件件的安全全度不可可能相相同，故故不合理理。注意：疲疲劳计算算还采用用此法。。二.极限状态态设计法法极限状态态：当结构或或其组成成部分超超过某一一特定状状态，就不能满满足设计计规定的的某一功功能要求求时，此此特定状状态就称称为该该功能的的极限状状态。承载力极极限状态态正常常使用极极限状态态如倾覆。。②结构构件件或连接接因超过过材料强强度而破破坏（包包括疲疲劳强度度），或或因过度度变形而而不适于于继续承承载；；③结构转变变为机动动体系；；④结构或结结构构件件丧失稳稳定；⑤地基丧失失承载能能力而破破坏。分为具体为承载力极极限状态态：指结构或或构件达达到最大大承载能能力或是是出现不适适于继续续承载的的变形。。包括静力力强度、、动力强强度、稳稳定、倾倾覆等。。①整个结构构或结构构的一部部分作为为刚体失失去平衡衡；正常使用用极限状状态：指结构或或构件达达到正常常使用或或耐久性的某项项规定限限值。①影响正常使使用或外外观的变变形；②影响正常使使用或耐耐久性的的局部损损坏（包包括裂裂缝）；；③影响正常使使用的振振动；④影响正常使使用的其其它特定定状态。。具体为1.极限状态态设计法法是以概率率理论为为基础，，把有变变异性的的设计参参数通过过概率率分析引引入结构构设计中中。根据应用用概率分分析的程程度分为为三种水水准：半概率极极限状态态设计法法；近近似概概率极限限状态设设计法；；全概概率极限限状态设设计法。。作用：是使结构构产生内内力和变变形的所所有原因因。又又称荷载载效应，，以S表示。如荷载、、温度变变化、地地震力等等。抗力：结构或构件件的承载力力，以R表示。它取决于材材料的强度度和构件的的几何因素素。可靠性：指结构在规规定的时间间内、规定定的条件（（正常设计计、正常常施工、正正常使用、、正常维护护）下，完完成预定定功能的能能力。预定功能：：就是对于于规定的某某种功能来来说，结构构不失效。可靠性是结结构安全性性、适用性性、耐久性性的概称。。可靠度度：用来衡量结结构可靠性性的指标。。指结构在规规定的时间间内、规定定的条件下下完成预定定功能的概率率。当结构或构构件的抗力力等于荷载载效应时，，此结构或或构件达达极限状态态。极限状态方方程Zg(R.S)R-S0R>S时，可靠R<S时，失效由于基本变变量的不定定性，即各各变量可能能出现高值值或低值值，因而也也不能保证证结构绝对对可靠。通常，认为为可靠概率率足够大，，或者说，，失效概率率足够小，就可可认为结构构是安全的的。可靠概率即即可靠度，，用ps表示，ps＝g(R-S>0)失效概率用pf表示，pf＝g(R-S<0)pf+ps=1.0结构可靠就就是指失效效概率小到到人们可以以接受的程程度。可可接受的失失效概率为为万分之几几。设计中，荷荷载、材料料强度等指指标大都是是随机变量量，多呈正态分分布，一些些非正态分分布的随机机变量（如如风载）可可以通过过数学变换换成当量的的正态分布布。故此认为R、S为正态分布布。所以，极限限状态函数Z=R-S也是正态分分布的随机机变量。Z的概率分布布曲线Z<0失效概率σR、σS表示R、S的标准差Zf(Z)μZβσZ即R-S<0失效0∫∞f(z)dzpfμZμR-μSR Sσ2σ2则Z的平均值Z的标准差σZZ很难求出，，而Z的特征值较较易求。用μR、μS表示R、S的平均值从图中看出出，pf与μZ至原点的距距离有关，，计算复复杂，想其其它办法。。令μZβσZ，则pf与β之间也存在在相应关系系，β大，则pf小，反之亦亦然，经理论计算算，β与pf一一对应。。故β也可作为衡衡量结构可可靠性的一一个指标，，称为当然，要满满足结构构构件承载能能力的可靠靠指标要求求，β不应小于«规范»规定值。由于R、S采用了近似似的正态分分布，故算算得的β、Pf值是近似的，，故称为近似似概率极限状状态设计法。。由于Z的分布很难求求出，Pf计算复杂，采采用β代替Pf来度量结构的的可靠性。据统计资料，，知R、S平均值和标准准差后，即知知β。2.设计表达式按可靠指标设设计不易掌握握，«规范»将极极限状态设计计公式等效效地转化为分分项系数设计计公式。分项系数不是是凭经验而定定，是以可靠靠指标β为基础采用概率设计计法求出。2sσ2RσμR-μS“可靠指标””。β对应查出Pf（1）承载力极限状状态Z＝R-S＝0S≤R其中：RK：抗力标准值值；②由恒荷载效效应控制的组组合fKAγR1.1重要结构1.0一般结构0.9次要结构应考虑偶然组合：偶然设计状况况（如撞击、、爆炸、火灾灾等）S取值：基本组合①由活荷载效效应控制的组组合取不利组合fdARRKγR引入结构重要要性系数γ0γ0S≤Rγ：材料抗力分分项系数；RfK：钢材强度标标准值；A：截面几何因素素；fd：材料强度设设计值。①由活荷载效应应控制的组合合：永久荷载的的分项系数；；此处不区分各各可变荷载作作用的大小。。S∑ψγSSγ γnQ1KQ1GKGQiKQicii2SSγψγ SGKGQiKQicii1S∑（＊）式中：γGγ：第i个可变荷载的的分项系数；；QiSGK：按永久荷载载标准值GK计算的荷载效效应值；SQiK：按可变荷载载标准值QiK计算的荷载效效应值；ψci：可变荷载Qi的组合值系数数（查规范））。②由恒荷载效应应控制的组合合nSγSGKG∑QiKQii1Sγ0.9取不利组合即：若仅有一个可可变荷载，组组合值系数数取为1.0②由恒荷载效应应控制的组合合仍用（＊＊）式，或ψγSnSGKGQiKQicii1∑Sγ对框架、排架架，公式简化化①为：由活荷载效应应控制的组合合SγSGKγSQ1KGQ1n注：①基本组合中的的设计值适用用于荷载与荷荷载效应线性性的情况；；②SQ1K无法判断时，，轮次以各可可变荷载为SQ1K，然后取不利者；；③当考虑以竖向向的永久荷载载效应控制的的组合时，可可变荷载仅仅取竖向荷载载；（可变荷载效效应控制时）=1.0④γ取值：G时当）效应对结构不利时γ当效应Q对取结值构：有利时：=1.4=1.3(工业楼面活荷荷标准值≥4kN/m2)（2）正常使用极极限状态S≤Cγ=1.2GγGγ=1.35（永久荷载效效应控制GS取值：钢结构只考虑虑荷载的标准准组合。ni2SQ1K∑ψciSQiK标准组合：SSGKni1∑ψSQiKqi准永久值系数数应考虑频遇组合：准永久组合：SSGK准永久组合