第1章钢结构绪论

钢结构原理与设计主讲：许信2023/2/32第1章绪论1.1钢结构的发展1.2钢结构的特点及应用1.3钢结构的设计方法2023/2/331.1钢结构的发展一、材料的发展生铁（pigiron）含碳量2%以上的铁碳合金。铁的冶炼和铸造在我国发展最早，春秋时代用铁造农具高炉生铁分为：由铁矿石在高炉（炼铁炉）内冶炼而成。还含Si、Mn，少量的P、S炼钢生铁铸造生铁特种生铁天然合金生铁铁合金2023/2/34熟铁（wroughtiron）—含碳量小于0.05%由铁矿石用碳直接还原，或由生铁经过熔化并将杂质氧化而得到的产物，。也称锻铁。春秋时期或更早出现熟铁不易使渣同铁完全分离，常含少量渣具有较好的抗蚀性，高的延展性铸铁（castiron）含碳2%以上的铸造铁碳合金的总称。由生铁、废钢、铁合金等以不同的比例配合，通过熔炼而成。还含Mn、Si，少量P、S。铸铁分类：白口铸铁灰口铸铁球墨铸铁可锻铸铁合金铸铁2023/2/35钢（steel）含碳量0.025%~2%的铁基合金的总称。成分上分：

碳素钢（不含合金元素）

合金钢（含一种或一种以上合金元素）用途上：结构钢，工具钢，特殊性能钢炼钢炉分：转炉钢平炉钢电炉钢2023/2/36二、钢材的大量生产贝塞麦与炼钢法贝塞麦（1813-1898）：英国冶金学家。1856年提出，不需外热，单纯以空气吹入液态生铁，利用空气中的氧取出铁中的硅、碳等元素而成钢。贝塞麦炼钢法：酸性底吹转炉炼钢法

用酸性炉衬。空气从炉底风眼吹入。生铁成分限制较严，需含有足够的硅以供应吹炼所需热能，硫和磷含量必须在限值以下。吹炼初期，硅和锰迅速氧化，接着碳大量氧化沸腾。一般吹炼时间15分钟。首创大量产钢的方法2023/2/37旧中国钢材生产1890年张之洞在汉阳办铁厂，大冶办铁矿。开始官办，1896年派盛宣怀招商承办，改为官督商办。1898年江西萍乡开煤矿。1907年汉阳钢铁厂，年产量8500t。1908年合并成立汉冶萍煤铁厂矿公司，简称汉冶萍公司。抗日战争时期，汉阳钢铁厂部分设备运往陪都重庆，成立大渡口钢铁厂重钢汉阳造2023/2/38新中国钢材生产1958年全民炼钢，“超英赶美”1996年钢产量>1亿t，产量世界第一2003年钢产量2.2亿t2009年钢产量5.68亿吨=日俄美印四国总和的2.2倍首钢宝钢鞍钢本钢酒钢马钢武钢重钢攀钢长钢包钢2012年超过10亿吨2023/2/39三、古代铁结构铁桥兰津桥（汉）[永平霁虹桥]—65年蒲津渡桥（唐）—725年泸定桥（清）—1706年黄河铁牛30吨/牛2023/2/310铁塔济宁铁塔寺铁塔

北宋1105年，初七层明代增加2层=九层甘露寺铁塔寺建于256年东吴甘露元年唐（825）年卫公李德裕建塔宋重铸为铁塔九级镇江北固山现仅存地下三级甘露寺刘皇叔招亲2023/2/311四、近代钢铁结构房屋结构芝加哥家庭保险公司大楼

1883年，11层。铁柱钢梁1927年沈阳皇姑屯机车厂钢结构厂房1931年广州中山纪念堂钢结构圆屋顶1931纽约帝国大厦102层，381m1950年加建顶部电视台，总高448m2023/2/312桥梁结构金门大桥

金门大桥，建于1937年主跨1280m

世界第一保持27年钱塘江大桥

1937年建成铁路公路两用桥茅以升主持建造抗战期间曾炸毁一孔战后修复，现在仍在为杭州人民服务。2023/2/313塔式结构艾菲尔铁塔为迎接在巴黎召开的世界博览会而于1889年建成的。铁塔的设计者、杰出的建筑工程师居斯塔夫·艾菲尔。

塔尖高320.7米，塔身为钢架镂空结构，重达9000吨，共用了1.8万余个金属部件，以100余万个铆钉铆成一体，全靠四条粗大的用水泥浇灌的塔墩支撑。2023/2/314五、现代钢结构设计施工规范GB50017-2003《钢结构设计规范》GB50018-2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50205-2001《钢结构工程施工质量验收规范》钢结构的应用大跨度超高层多领域2023/2/3151.2钢结构的特点和应用一、钢结构的特点钢结构的优点钢材的强度高，结构质量轻。材质均匀，塑性、韧性好。制作安装工业化程度高，施工周期短焊接结构气密性和水密性好。抗震性能好。钢材可重复使用。2023/2/316钢结构的缺点易腐蚀，维护费用高耐火性能差

温度达到250C

时，材质会发生较大变化；达到500C时，强度下降，结构会瞬间崩溃，完全丧失承载能力。

耐火时间30min低温变脆倾向受环境因素影响2023/2/317二、钢结构的应用大跨度房屋结构体育场馆影视剧院、礼堂航站楼、飞机库2023/2/318

北京植物园展览温室（1999）

半椭球部分由双向空间桁架组成,长轴×短轴×高=45m×36.6m×15m，桁架最大高度2m。2023/2/319单层钢结构工业厂房轻工业厂房重工业厂房2023/2/320多、高层钢结构房屋多层：2~9层房屋高层：10层以上或高度大于28m超高层：35层以上或高度大于100m超高层钢构代表——西尔斯大厦钢结构束筒：

9个22.86m×22.86m的钢框筒美国Chicago1974年建成442m高，110层2023/2/321风采依旧2023/2/322超高层钢构代表——台北101大楼钢结构巨型框架——核心筒：造价580亿新台币高度508m1998年动工，2005年建成101层2023/2/323高耸钢结构电视塔火箭发射塔输电线塔广州电视塔上海东方明珠2023/2/324板壳钢结构轮船、航母油库、管道水工船闸2023/2/325桥梁钢结构钢桁梁桥钢桁拱桥斜拉桥悬索桥2023/2/326施工钢结构基坑钢支撑脚手架、支架海上石油平台劲性骨架2023/2/327移动钢结构活动板房塔吊龙门吊大型浮吊2023/2/328娱乐钢结构过山车摩天轮2023/2/3291.3钢结构的设计方法结构设计理论指导容许应力法极限状态设计法先秦《考工记》民间《鲁班经》凭经验北宋《营造法式》前清《工部工程做法则例》一、结构设计方法的发展2023/2/330容许应力法方法源头：《材料力学》1826年，法国人纳维提出方法本质：定值法极限应力安全系数容许应力法的缺陷

不能从定量上确定结构的可靠度不能使各类结构安全度达到同一水准误导人们思维易使人将安全系数与安全度等同错误地认为安全系数大结构的安全度就高2023/2/331半概率极限状态设计法方法的含义

用概率统计的方法，考虑材料强度的变异、考虑荷载的变异分项安全系数由工程经验确定材料强度变异荷载变异2023/2/332荷载安全系数材料安全系数调整系数结构安全系数材料强度标准值设计表达式公式形式采用容许应力法的公式形式安全系数由多系数分析决定1974年开始应用，廿世纪八十年代末期淘汰2023/2/333近似概率极限状态设计法设计参数确定材料强度按概论统计理论确定荷载按概率统计理论确定分项安全系数按概率方法确定优点（1）有明确的极限状态（2）可给出结构构件的可靠度（可靠概率）不足：忽略了基本变量随时间的变化

复杂关系线性化处理近似之所在现在采用的设计方法2023/2/334极限状态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，此特定状态称为该功能的极限状态。承载能力极限状态功能：安全性正常使用极限状态功能：适用性耐久性二、极限状态设计法2023/2/335结构构件抗力设计值荷载效应组合的设计值结构重要性系数：对安全等级为一级或设计使用年限为100及以上的结构构件，不应小于1.1；安全等级二级或使用年限为50年，不应小于1.0；对安全等级为三级或设计使用年限为5年及以下的结构构件，不应小于0.9。承载力极限状态设计2023/2/336荷载效应基本组合设计值荷载设计值=分项系数荷载代表值效应设计值=荷载设计值产生的效应

=分项系数荷载代表值产生的效应（1）由可变荷载效应控制的组合

工程简称1.2组合（2）由永久荷载效应控制的组合(只考虑竖向荷载)

工程简称1.35组合2023/2/337各个系数：

0

—结构重要性系数：1.1、1.0、0.9G

—永久荷载分项系数：不利1.2、1.35

有利1.0，抗倾0.9Q

—可变荷载分项系数：一般1.4

工业楼面活荷载标准值>4kN/m2取1.3

对于一般排架和框架，可变效应控制的组合，可不区分第一个和第i

个可变荷载，简化计算：2023/2/338正常使用极限状态实用表达式（公式）：

v

[

v]—正常使用规定的挠度限值

|_荷载效应（挠度）的设计值荷载效应采用标准组合用荷载效应标准组合计算钢结构构件的挠度见P.239附表2.12023/2/339三、钢结构的疲劳计算疲劳现象金属构件承受交变应力，经过较长时间或较长应力循环次数后所发生的突然失效，称为疲劳失效（fatiguefailure）。疲劳失效简称疲劳（fatigue）。疲劳失效的特点低应力（名义应力）破坏经历多次应力循环才破坏脆性断裂对表面及缺陷敏感疲劳断口：光滑区+粗糙区2023/2/340疲劳分类常幅疲劳：交变应力幅为常数变幅疲劳：交变应力幅随时间变化需要进行疲劳验算的构件直接承受动力荷载作用的构件（如吊车梁）且应力变化的循环次数5万次常幅疲劳变幅疲劳2023/2/341容许应力幅应力幅—寿命曲线双对数坐标下为直线：平均值关系取平均值减2倍标准差，保证率97.73%2023/2/342取此时的应力幅为容许应力幅[]，并将疲劳寿命N改为n，则有构件和连接类别12345678C(×1012)19408613.262.181.470.960.650.4144333333构件和连接类别见：P.254-256附录72023/2/343例1.1

取循环次数n=2106次，试确定构件和连接类别分别为1类和2类时的容许应力幅。解构件和连接类别为1类构件和连接类别为2类2023/2/344常幅疲劳计算对于结构构件的焊接部位对于结构构件的非焊接部位，如高强度螺栓连接和带孔构件，取折算应力幅2023/2/345变幅疲劳计算迈因纳准则从已知变幅交变应力的应力幅水平1、2、…、i、…及其对应的循环次数n1、n2、…、ni、…。假设1、2、…、i、…为常幅时，相对应的疲劳寿命是N1、N2、…、Ni、…，则在i作用下，一次循环所引起的损伤为1/Ni，ni次循环所引起的损伤为ni/Ni。按累积损伤观点，总的损伤应累加计算迈因纳（Miner）认为总损伤达到1时构件疲劳失效2023/2/346变幅疲劳的等效应力变幅疲劳任意一级应力水平设另一常幅疲，应力幅e，应力循环ni次也发生疲劳破坏变幅疲劳强度条件2023/2/347吊车梁的欠载效应系数设为计算应力谱中的最大应力幅，等效应力幅按下式计算则f称为变幅疲劳的欠载效应系数规范以2106循环为基准，实测欠载系数重级工作制硬钩吊车f=1.0重级工作制软钩吊车f=0.8中级工作制吊车f=0.52023/2/348吊车梁的疲劳强度条件为吊车工作制