第一章 钢结构原理

华中科技大学土木工程与力学学院钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure本课程的学习目标了解钢结构的特点、历史和发展方向，掌握钢结构材料的工作性能，掌握钢结构基本构件及各种连接的性能、受力分析与设计计算，了解钢结构体系的组成原理和典型结构形式的设计要点。§1.1钢结构的发展简史§1.2钢结构的特点及应用§1.4钢结构的设计方法§1.3钢结构的主要结构形式§1.5钢结构的新发展

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，称为钢结构。什么是钢结构?

钢结构是土木工程的主要结构形式之一。钢结构与钢筋混凝土结构、砌体结构等都属于按材料划分的工程结构的不同分支。结构：基本构件组成的受力体系，建筑物(构筑物)的骨架§1.1钢结构的发展简史古代钢(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。早在战国时期，我国的炼铁技术已很盛行。我国是最早用钢铁建造承重结构的国家。公元65年，汉明帝时代建造了铁链悬桥——云南“兰津桥”1705年建成的四川泸定大渡河桥，桥宽2.8m，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。公元1061年（宋代）在湖北荆州玉泉寺建成的13层铁塔十九世纪五十年代前为铸铁结构，这是钢结构的前身结构。1851年英国伦敦第一届世博会的水晶宫是铸铁结构的典型建筑(9万平米,6个月，用4500吨铸铁、10吨玻璃建成，1936年火毁)。它是英国工业革命时期的最具有代表性的建筑。近代

1870年生产型钢，标志着人类社会开始由铸铁结构转为钢结构。巴黎的标志——艾菲尔铁塔

1889年为纪念法国大革命100周年建造的艾菲尔铁塔。于1887年11月26日动工1889年3月31日竣工，历时21个月，铁塔占地12.5公顷，高320.7米,重7000吨,由18038个优质钢铁部件和250万个铆钉铆接而成，建筑设计中最著名的是防范强风吹袭的对称钢结构设计。以艾菲尔铁塔为标志，钢结构应用有120多年的历史。

第一座依照现代钢结构框架结构设计原理建造起来的高层建筑是芝加哥家庭保险公司大厦（1883-1885）共十层。这是真正意义上世界上建造的第一座钢结构大厦。芝加哥家庭保险公司大厦HomeInsuranceBuilding

芝加哥是美国摩天大楼的发源地，从此人们建造的房屋越来越高，结构和功能都同传统建筑相比发生了非常大的改变。建国以来钢结构的发展概况50年代,为初盛时期（156项援建工程大部分为重型钢结构）。60-70年代,为限制使用时期，当时中国钢产量仅1～2千万吨，主要用于国防、机械业。当时国家政策建筑业中“凡是可用其它材料代替的，均不用钢结构建造”。由于受到钢产量的制约，钢结构仅在重型厂房、大跨度公共建筑、铁路桥梁以及塔桅结构中采用。因此二十世纪钢筋混凝土结构成为中国主导结构。80-90年代,出现了新的发展时期,国家鼓励建筑用钢。中国钢结构应用发展的三个时期刚解放时钢产量几乎是零1949 十几万吨1990 5000万吨1995 7000万吨1996 1亿吨20001.285亿吨20042.72亿20064.62亿吨20074.89亿吨20085.84亿吨

6.92亿吨

6.83亿吨

7亿吨？2003年中国钢铁行业产量、消费量均占世界第一。历史上钢产过亿吨国家仅有前苏联、美国和日本，过2亿吨由中国开创。钢产量每年以15%-20%的水平递增亿吨我国钢结构应用现状，与发达国家比较自1996年钢产量超过1亿吨，连续10年居世界第一。我国建设部建筑用钢发展规划“十五”期间建筑钢结构用钢达到总钢产量3％2015年建筑钢结构用钢达到总钢产量6％节约用钢

开始转向

鼓励用钢§1.2钢结构的特点及应用1.2.1钢结构的特点1.2.2钢结构的应用范围1.强度高、重量轻（密度2400kg/m3

Vs7850

kg/m3）§1.2钢结构的特点及应用2.材质均匀，塑性、韧性好3.良好的加工性能和焊接性能4.密封性能好5.可重复性使用6.耐火性差7.耐腐蚀性差8.低温冷脆倾向1.2.1钢结构的特点9.钢结构基本问题：材质构造（计算和构造并重）稳定（核心问题）疲劳SteelPierRCPier钢桥墩和RC桥墩的设计截面比较良好的加工性能和焊接性能——易于工厂化生产，施工周期短、效率高、质量好。密封性能好——储存、运输可重复性使用性——绿色环保可持续发展的建筑材料，符合当前节地节能政策。耐腐蚀性差——钢材在潮湿、腐蚀环境中易锈蚀，维护费用高。低温冷脆现象——低温下有脆性破坏的倾向。>>>>耐候钢的开发与应用>>>>高延性钢(高性能钢的一种)的开发与应用耐热性较好，耐火性差钢材虽为非燃烧体，但裸露钢结构耐火极限一般为15～20分钟钢结构防火保护措施1.2.2钢结构的应用范围

多层与高层建筑（宾馆、办公楼、住宅等）

大跨度建筑（体育馆、会展、机场、厂房）

大跨度桥梁（公路桥、铁路桥）

高耸构筑物（电视塔、发射塔、输电塔）

密闭结构（油罐、煤气罐、天然气管道）

轻型钢结构

其它结构

受动力荷载影响的结构可拆移结构

国家体育场体形上像鸟巢，建筑面积25.8m2，可容纳观众9.1万人，其中固定坐席8万座，临时坐席1.1万座。平面为椭圆形，长轴332.3m，短轴296.4m；最高点高度为68.5米，最低点高度为42.8米。大跨度屋盖支撑在24根桁架柱上，主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置，有22榀主桁架直通或接近直通，少量主桁架在内环附近截断。钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件，交叉布置的主桁架与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。主看台部分采用钢筋混凝土框架一剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。建设中的鸟巢单根桁架柱立柱高70m!重600t!!

屋盖为大跨度焊接钢管拱形桁架网壳结构，主体结构由7榀拱形主桁架通过次桁架和水平支撑组成。主桁架拱跨94.6m，矢高27.5m，相邻主桁架轴线距为8m。华中科技大学光谷体育馆順序橋名総延長（ｋm）竣工年建設地1杭州湾大桥362008中国2港珠澳大桥35.62015年？中国3东海大桥32.52005中国4青岛海湾大桥272011中国5法赫德国王大桥251986巴林6舟山大陆连岛工程252009中国7大带桥17.51997丹麦8厄勒海峡大桥162000丹麦9尼特罗伊大桥13.31974巴西10杭州湾嘉绍大桥10.12012年12月？中国世界10大跨海大橋杭州湾大桥港珠澳大桥东海大桥青岛海湾大桥钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure

该桥是一座公铁两用桥，铁路桥全长10521m，公路桥全长5681m，正桥钢梁长2193.7m，大桥采用了连续钢桁梁结构，考虑到主跨达到了180+312+180m，在桥上的低塔和钢桁梁之间设置了斜拉索参与受力，因此，芜湖长江大桥也叫做连续钢桁梁斜拉桥。

芜湖长江大桥广播电视塔火箭发射塔输电塔东京千年塔巴黎的埃菲尔铁塔东京晴空塔东京天空树东方明珠电视塔

东方明珠广播电视塔座落在上海浦东新区黄浦江畔，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。

深圳地王大厦

高383.95m，地上78层，地下3层高342.95m，加桅杆总高383.95m。于1996年完工，其建筑形体的设计灵感来源于中世纪西方的教堂和中国古代文化中通、透、瘦的精髓，它的宽高比例为1:9，创造了世界超高层建筑最扁最瘦的记录。地王大厦钢结构总量达2.45万t，高强度螺栓50万个,焊缝长60万m。

1996年竣工。日本水户艺术馆架桥机摩天轮

其它结构化工厂生产设备支架§1.3钢结构的主要结构形式§1.3钢结构的主要结构形式

桁架结构（杆系）

框架结构（杆系）

网架结构（杆系）

拱结构（曲杆）

板式结构（板）

张拉结构——索桁架、斜拉索、悬索、索膜※结构的组成：由若干个单元所组成的结构骨架。※基本单元：承重体系中具有独立力学性能的构件。可以是杆件、板件、索等单元或这些单元的组合。桁架(Truss)钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure钢屋架框架(Frame)刚架(RigidFrame)框架(Frame)网架结构是由许多杆件按一定规律布置，通过节点连接成空间杆系结构，其外形成平板状。

网架结构螺栓球节点网架(SpatialGridStructure;SpaceTrussStructure)网壳(SpatialShellStructure)

网壳结构同网架结构一样，网壳也是由许多杆件按一定规律布置，通过节点连接成空间杆系结构，但网架的外形呈平板状，而网壳的外形呈曲面状。一般为单层或双层，按其外形为单曲面或双曲面而构成网状穹顶、网状筒壳以及双曲抛物面网壳等多种形式。网壳结构的特点：外形美观、通透感好，建筑空间大、用材省，设计施工较复杂。加拿大蒙特利尔世界博览会美国馆直径为76m，高60m上海商务中心（网状网壳）拱结构(ArchStructure)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。

香港大球场板式结构(PlatedStructure)钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure

以一系列拉索为主要承重构件，这些索按一定的规律组成各种不同的形式，悬挂于相应的支撑结构上，使材料强度在受拉情况下得到充分发挥的结构形式。索(Cable)索桁架、斜拉索、悬索钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure武汉军山长江大桥（斜拉）美国旧金山大桥（悬索）张拉结构——索膜结构钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure斜拉索在钢结构建筑物中的应用

轴心受力构件(ConcentricallyLoadedMember/AxialForceMember/AxialMember)

—拉杆(TensionMember)

—压杆(CompressionMember)

受弯构件(BendingMember)

—梁(Beam)

偏心受力构件(EccentricallyLoadedMember/CombinedCompressionandBendingMember)

—拉弯杆（偏心受拉）EccentricallyLoadedTensionMember

—压弯杆（偏心受压）

EccentricallyLoadedComp.Member

拱(Arch)

索(Cable)结构中构件主要受力形式本课程学习§1.4钢结构的设计方法1.4.1钢结构设计变迁1.4.2结构概率极限状态设计法1.4.3结构内力的分析方法1.4.1钢结构设计变迁§1.4钢结构的设计方法1.4.1钢结构设计变迁1957年以前：采用总安全系数的容许应力计算法；1957～1974：采用三个系数的极限状态计算法；1974～1989：采用以结构极限状态为依据，进行多系数

分析，用单一的系数表示的容许应力计算法；1989～：采用以概率论为基础的极限状态设计法。缺点：安全系数凭工程经验确定的一定值，这样，各种构件的可靠性将不能保证比较一致的水平。总安全系数容许应力法三系数极限状态设计法特点：明确提出了两种极限状态，采用三个系数来考虑结构构件的安全储备问题，避免单一安全系数的缺陷。缺点：材质均匀系数概念重复。强度标准不是明确概率取值，而是取钢的废品限值，不符合概率方法。容许应力屈服应力或者屈曲应力缺点：各种载荷并不相同，各种构件承受荷载的情况也不一定相同，构件的几何尺寸变异并不完全一致，采用统一的安全系数显然不可能获得相同的安全度。以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一安全系数的容许应力计算法以概率为基础的极限状态设计法

把各种参数（载荷效应、结构抗力等）作随机变量，运用概率分析法并考虑变异性来确定设计采用值。

把概率分析引入结构设计方法，显然比容许应力法先进，标志我国在设计理论上前进了一大步，迈入了国际先进水平。1.4.2结构概率极限状态设计法1.4.2结构概率极限状态设计法1.基本概念结构可靠度：结构在规定的时间（50年），规定的条件（正常设计、正常施工、正常使用、正常维护）下，完成预定功能的概率。失效概率：结构不能完成预定功能的概率。结构的功能要求：安全性，适用性，耐久性。结构作用：施加在结构上的各种荷载及引起外加变形或约束变形的原因（如荷载、地震、基础下沉、温度变化、焊接等）作用：永久作用，可变作用，偶然作用作用效应（S）:结构作用引起结构或构件的内力（轴、弯、剪）和变形（挠度、转角）。结构抗力（R）：结构或构件承受作用效应的能力。（1）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，包括以下几个方面：2.结构的极限状态整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；结构构件或连接因超过材料强度而破坏；结构构件或连接在循环荷载作用下发生的疲劳破坏；结构构件或结构转变为机动体系；结构或构件丧失稳定（如压屈等）。

整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，这一特定状态称为结构的极限状态。承载能力极限状态

不发生破坏、倒塌、失稳、倾覆；（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值：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。

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，所以也应该给予足够的重视。正常使用极限状态

不发生过大变形、振动、裂缝。3.概率极限状态设计原理

设计基本原则：技术先进、经济合理、安全适用、确保质量。将各因素概括为两个综合随机变量——结构的抗力R、作用效应S。

>0，结构处于可靠状态

功能函数

Z=R-S=0，结构处于极限状态<0，结构处于失效状态失效概率（1.3.3）Z=R-S称为极限状态方程。这样，结构可靠概率为Ps=p{(R-S)≥0}且可靠度Ps=1-Pf绝对可靠的结构是不存在的，只要Pf达到人们可以接受的程度是安全的。可靠指标的引入结构功能函数Z=R-S

由于S和R均为正态分布的随机变量，其均值和标准差分别为s、s和

R、R。（1.3.7）设：（1.3.6）1z12z2可靠失效z1Z1z2Z2f(z)Z=R-SoPf2Pf1Z功能函数Z的概率密度曲线b2.52.73.23.74.2Pf5×10-33.5×10-36.9×10-41.1×10-41.3×10-5表1.3.1失效概率和可靠指标的对应关系值越大，Pf

就越小。

可以作为衡量结构可靠度的一个数量指标。—可靠度指标表1.3.2结构构建承载力极限状态的可靠指标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

建筑结构安全等级：一级；设计基准期：50年；

设计使用年限：100年；

抗震设防分类：乙类；抗震设防烈度：8度；

场地类别：Ⅲ类；

设计地震分组：第一组。鸟巢结构设计特性将改写为

若规定了，并有μR、

μS、σR、

σS，就可利用上式进行设计或验算。一次二阶矩的近似概率方法结构作用效应结构抗力

GB50068-2001《建筑结构可靠度设计统一标准》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。

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.设计表达式钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure

在荷载效应的基本组合条件下，式（1.3.11）可转化为等效的以基本变量标准值、分项系数和组合系数，并以应力形式表达的极限状态公式。

可变荷载起控制作用时：永久荷载起控制作用时：1）承载能力极限状态分项系数表达式

对于一般排架和框架结构：（1.3.14）（2）可变荷载的分项系数（gQ）

--一般情况下应取1.4；

--对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的

活荷载标准值应取1.3。（1）永久荷载分项系数（gG）当其效应对结构不利时

--对可变荷载效应控制的组合，应取1.2;--对永久荷载效应控制的组合，应取1.35;当其效应对结构有利时

--一般情况下应取1.0；--对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。fd

或f——钢材或连接材料强度设计值。fk——钢材或连接材料强度标准值。R——钢材或连接材料抗力分项系数，对于Q235钢R

=1.087；Q345、Q390、Q420钢R=1.111

。钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。（P381－3页，附录1）

对于正常使用极限状态，要求分别采用荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计，并使变形等设计值不超过相应的规定限值。对于钢结构只考虑荷载的标准组合。υGk--永久荷载标准值在结构或构件中产生的变形值；υQ1k—起控制作用的第1个可变荷载的标准值在结构或结构构件中产生的变形值（该值使计算结果为最大）；(1.3.15)2）正常使用极限状态

νQik--其他第i个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值。[ν]--结构或结构构件的容许变形值。(P384-5页，附录2)

1.4.3结构内力的分析方法1.4.3结构内力的分析方法1.一阶弹性分析框架柱顶位移为：固端弯矩为：（1.3.16）（1.3.17）图1.3.2b，e框架和悬臂柱按一阶弹性分析：

力的平衡条件按变形前的结构杆件轴线建立，不考虑结构变形对内力的影响，可以利用叠加原理。2hl2PPPEI=∞EIEI2PPPⅠPPⅠPPx2.框架结构的近似二阶弹性分析