钢结构设计原理-第1章

钢结构设计原理

第1章绪论李晓克教授Mobileel:037169127587QQ：39251099Email：39251099@Address:No.36BeihuanRd,Zhengzhou,China华北水利水电大学土木与交通学院2015.03钢结构的定义

由梁、板、柱、桁架等钢构件通过焊缝、螺栓等连接组制成的工程结构。

采用钢板、型钢通过连接而成的结构（赵顺波，2013）你所了解的钢结构都有哪些呢？

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。钢结构的特点1、轻质高强2、塑性和韧性好3、工业化程度高、施工周期短4、耐热性较好，耐火性差5、耐腐蚀性差6、低温冷脆倾向钢与混凝土对比Q235C30轻质高强

Q235钢

密度：7850kg/m3强度：215N/mm2

C30混凝土

密度：2450kg/m3强度：14.3N/mm2

同跨度同荷载条件下：钢屋架重量为钢筋混凝土屋架的1/4~1/3，冷弯薄壁型屋架接近1/10

钢结构建筑自重约为同高度混凝土结构建筑的1/2~3/5，柱面积较混凝土结构柱减少一半左右。

钢结构的特点1、轻质高强2、塑性和韧性好3、工业化程度高、施工周期短4、耐热性较好，耐火性差5、耐腐蚀性差6、低温冷脆倾向

汶川地震中都江堰市华夏广场小区，底部两层整体倒塌

汶川地震中绝大部分钢结构建筑安然无恙第一章绪论汶川地震震害反思钢结构房屋具有良好的延性和较强的整体性，具有卓越的抗震性能，在地震中很少发生整体破坏或倒塌现象。

混凝土结构

砌体结构

钢结构2、塑性和韧性好材质均匀，且塑性韧性好

钢材内部组织比较接近于匀质和各向同性体，而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。因此，钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合，计算结果比较可靠，安全可靠度高。钢材在冶炼和轧制过程中质量可以严格控制，材质波动的范围小。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，适宜在动力荷载下工作。适用于建造重要结构、对抗震要求较高的结构。钢结构的特点1、轻质高强2、塑性和韧性好3、工业化程度高、施工周期短4、耐热性较好，耐火性差5、耐腐蚀性差6、低温冷脆倾向制造简单，工厂化生产，工业化程度高，施工速度快，施工周期短，适宜建造加固、改建、可拆卸结构。举例说明：日本装配式钢结构住宅50天施工过程第一日堪察现场第二日维护现场，拆除旧房第十日基础完成第二十日房屋单元安装完毕第二十五日门窗安装完毕，内墙安装完毕、石膏板安装完毕天棚、地面开始制作第三十日室内外装修基本完毕第三十五日电器、洁具、上下水管道安装调试完毕第四十三日班组自行检查调整第四十八日公司检查第四十九、五十日使用说明介绍完工后的室内完工后的外观钢结构的特点1、轻质高强2、塑性和韧性好3、工业化程度高、施工周期短4、耐热性较好，耐火性差5、耐腐蚀性差6、低温冷脆倾向钢结构需重视防火问题！

钢结构设计需重视防火问题！100℃以内，强度无影响；150℃以上，必须进行遮挡处理；600℃左右，钢材进入塑性，无承载能力。温度在200℃以内时，钢材主要力学性能降低不多。温度超过250℃后，不仅强度逐步降低，还会发生兰脆和徐变现象。温度达600℃时，钢材进入塑性状态不能继续承载。裸钢的耐火极限通常只有15～30分钟。根据我国有关建筑防火设计规范的要求，建筑的主要承重构件，如柱、梁、墙、楼板的耐火极限的要求，分别为0.5～3.0小时。我们国家已经明文规定必须在钢结构上采取防火措施，而且要达到相应的国家标准才能通过验收。措施：防火涂料、防火漆、外包混凝土钢结构的特点1、轻质高强2、塑性和韧性好3、工业化程度高、施工周期短4、耐热性较好，耐火性差5、耐腐蚀性差6、低温冷脆倾向干煤棚因锈蚀倒塌因锈蚀引起钢结构的事故节点锈蚀情况

钢材耐腐蚀的性能比较差，必须对结构注意防护。尤其是暴露在大气中的结构如桥梁，更应特别注意。这使维护费用比钢筋混凝土结构高。不过在没有侵蚀性介质的一般厂房中，构件经过彻底除锈并涂上合格的油漆，锈蚀问题并不严重。

近年来出现的耐候钢具有较好的抗锈性能，已经逐步推广应用。

容易腐蚀，处于较强腐蚀性介质内的建筑物不宜采用钢结构。钢结构的特点1、轻质高强2、塑性和韧性好3、工业化程度高、施工周期短4、耐热性较好，耐火性差5、耐腐蚀性差6、低温冷脆倾向在低温和其他条件下，可能发生脆性断裂。

钢结构的应用及发展简况应用领域及结构形式的发展高层及超高层钢结构轻型钢结构住宅大跨度空间结构桥梁钢结构压力管道及容器特种钢结构材料和焊接与防护技术方面的发展钢材焊接技术防腐涂料防火涂料设计计算理论方面的发展80年代我国建造的11栋高层钢结构基本上都是国外设计、施工承建。目前我国已建和在建的高度超过100m的钢结构超200座，未来平均5d封顶1座。高层建筑高达492米的上海环球金融中心

2008年8月28日

落成启用

上海环球金融中心

由日本森大厦株式会社的全额子公司森海外株式会社及日本具有代表性的银行、保险公司、商社等36家企业，偕同政府系统机构日本海外经济协力基金(OECF)联合投资的上海环球金融中心，总投资逾750亿日元。位于陆家嘴金融贸易区，建筑总面积335,420平方米，地下3层，地上94层。建成后的高度达460米。总用钢量26000t，钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱。

金茂大厦是由中国上海对外贸易中心股份有限公司独家投资5.6亿美元建设的一座88层的超高层大厦，建筑高度420.5米，建筑面积28.9万平方米，于1998年8月28日竣工。总用钢量14000t，钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱。设计者为美国S.O.M事务所。上海金茂大厦

央视新台址

央视新台址建设工程位于北京朝阳区东三环中路、北京商务中心区的核心地段，占地面积18.7万平方米，总建筑面积55万平方米,230m高。央视新台址建设工程总投资约50亿元人民币，2003年10月开工建设，2008年正式运行。

大连远洋大厦由大连远洋运输公司、中远房地产开发公司与美国ESPIRIT公司联合投资14.8亿人民币开发的集五星级酒店和甲级写字楼为一体的智能大厦。总建筑面积14.8万平方米。其中：A座为五星级酒店，地上51层，总高200.8m。钢筋混凝土核心筒，外框钢框架。设计、加工、安装全部国产化。大连远洋大厦

台北101长宽各150m，总面积30277m2塔高508m，世界第一高，26层以上以8层为一单元。主要由巨柱、核心系统及外伸桁架梁。巨柱自地下5层至地上90层，最大尺寸为2.4mx3m。直径5.5m，重670t的阻尼器

轻型钢结构门式刚架轻钢住宅用于中、小型房屋、小型仓库等。大跨度空间结构

国家体育场建筑体形上像鸟巢。可容纳8万人。平面为椭圆形,长轴340m短轴292m。屋盖中间有一个146m×76m的开口，这部分将设计成开合屋盖。采用加肋薄壁箱形截面，总用钢量达16万t。用于足球和田径比赛国家体育场

建筑底面面积为80,000m2，屋顶面积76,719m2，地上层数6层，最高点高度53.00m，可容纳观众数60,000。屋顶结构采用钢桁架悬挑结构。屋面桁架落地，形似露珠。天津奥林匹克体育场俯瞰效果图

国家大剧院（网壳结构）

该工程外部围护结构为钢结构网壳（特点是重量轻、覆盖面积大。

），是半椭圆球形，东西长轴212.2m，南北短轴143.64m，总高度46.285。屋面采用钛金属板，整个网壳外环绕人工湖（35500m2）,各种通道及入口均设在水下。设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，北京市建筑设计研究院参与主体设计，整体结构用钢量达6750t，195kg/m。桥梁结构

活动桥桥梁结构悬索结构日本明石海峡大桥，主跨长1991m。

润扬大桥，主跨1480m。苏通大

桥(主跨1088米)日本多多罗大

桥（主跨890米)悬索桥斜拉桥卢浦大桥，主跨550米悉尼港桥，主跨503米拱桥1957年武汉长江大桥3×128m连续国产A3钢240MPa1969年南京长江大桥3×160m连续16MNq340MPa1993年九江长江大桥180+216+18015MnVNq420MPa2000年芜湖长江大桥180+312+18014MnNbq420MPa

跨度最大、规模最大的公铁两用桥。钢桁梁体系：压力管道及容器储油库、煤气库、高炉等各种容器大连西太平洋石化有限公司1500立方米CF-62钢球罐陕西铜川天然气公司1000立方米天然气球罐特种钢结构电视塔、微波塔、通讯塔等

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1991年3月开始建造，1994年11月完工，总重量达12万吨，总投资8.3亿元人民币。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。东方明珠电视塔

架桥机

挂篮钢材高强螺栓连接与焊接技术高强螺栓通过摩擦力来传递应力,由螺栓、螺母和垫圈3部分组成。高强螺栓连接具有施工简便、拆除灵活、承载力高、抗疲劳性能和自锁性好、安全性高等优点,工程中已取代了铆接和部分焊接,成为钢结构制作及安装中的主要连接手段。在车间内制作的钢构件,厚板应采用自动多丝埋弧焊、箱型柱隔板应采用熔嘴电渣焊等技术。现场安装施工中应采用半自动焊技术和气体保护焊药芯焊丝及自保护药芯焊丝技术。钢结构防护技术钢结构防护包括防火、防腐、防锈,一般在防火涂料处理后无需再做防锈处理,但在有腐蚀气体的建筑中尚需做防腐处理。国内防火涂料种类较多,如TN系列、MC—10等,其中MC—10防火涂料具有防火、防腐功能。防腐防锈涂料有醇酸磁漆、氯化橡胶漆、氯橡胶涂料及氯磺化涂料等。在施工中应根据钢结构形式、耐火等级要求及环境要求选用合适的涂料及涂层厚度。随着经济和科学技术的迅猛发展,钢结构技术日新月异,一些新型结构体系如住宅钢结构体系、预应力结构体系、张弦顶结构、膜结构等处于研究开发和推广应用阶段;一些新型高效材料如轧制H型钢、冷弯型钢、压型钢板、耐火钢、不锈钢正在积极推广。钢结构的设计方法概率极限状态设计法1.结构的功能要求可靠性指结构在规定的使用期限内，在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护），完成预定结构功能的能力。建筑结构应该满足的功能要求可概括为：（1）安全性建筑结构应能承受正常施工和正常使用时可能出现的各种荷载和变形。（2）适用性结构在正常使用过程中应具有良好的工作性。例如，不产生影响使用的过大变形或振幅，不发生足以让使用者不安的过宽的裂缝等；（3）耐久性结构在正常维护条件下应有足够的耐久性，完好使用到设计规定的年限（即设计使用年限例如一般建筑结构可以规定为50年）。例如混凝土不发生严重风化、腐蚀、脱落，钢筋不发生锈蚀等。（4）在设计规定的偶然事件(如地震、爆炸)发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性所谓整体稳定性，系指在偶然事件发生时及发生后，建筑结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。概率极限状态设计法2.结构的可靠度结构的可靠度是：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。规定时间，通常采用结构的设计使用年限；规定条件是指正常设计，正常施工，正常使用和维护的条件，不考虑人为过失影响。3.结构的极限状态设计时，结构的可靠性是用结构的极限状态来判断的。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指定的某一功能