钢结构设计王小平讲稿绪论

钢结构设计原理

DesignPrincipleofSteelStructureH.X.Wan教材：《钢结构基本原理》（第二版）沈祖炎陈扬骥陈以一编著中国建筑工业出版社参考书：《钢结构疑难释义》（第三版）刘声扬主编中国建筑工业出版社《钢结构复习与习题》何敏娟主编同济大学出版社《钢结构稳定设计指南》（第二版）陈绍蕃主编中国建筑工业出版社国外大学优秀教材—土木工程系列（影印版）：《钢结构》（第4版）施皮格尔主编清华大学出版社AppliedStructuralSteelDesign(FourthEdition)，LeonardSpiegel钢结构网络学习资源：钢结构精品课程0/jpkc/gjg/钢结构/2005/steel/香港兴伦信息有限公司:同济大学土木工程学院:Chapter1IntroductiontoSteelStructures1.1CharacteristicsofSteelStructures1.2DevelopmentsandApplicationsofSteelStructures1.3TypesofSteelStructures1.4SteelStructuralMembers绪论1.1CharacteristicsofSteelStructuresHighstrengthandlowweight1.1.1Advantages

钢结构的优点UniformityofmaterialandpredictabilityofpropertiesEaseoffabricationandhighspeedoferectionGoodperformanceinearthquakeresistance钢结构的特点材料的质量密度材料的强度建筑钢材：钢筋混凝土：木材：适用于跨度大、高度高、承载重的结构！适用于承受动力荷载的结构、地震区结构！钢结构构件在工厂制作加工钢结构构件的运输钢结构施工现场钢材耐热性较好焊接连接的钢结构密封性好，适用于要求密闭的高压容器、管道等结构温度在200℃以内时：钢材性质基本不变温度在300℃以上后：钢材强度逐渐下降温度达到600℃时：钢材强度降至不到三分之一钢结构压力容器石油天然气输送用钢管SusceptibilitytocorrosionPoorabilityinfireresistanceHighpriceofsteels1.1.2Disadvantages

钢结构的缺点在火灾中，未加防护的钢结构一般只能维持20分钟左右！火灾中倒塌的钢桁架火灾中软化的钢梁钢结构的防火保护措施工人包覆防火板工人喷涂防火涂料水泥沙浆包覆

包覆防火板喷涂防火涂料1.2DevelopmentsandApplicationsofSteelStructures

钢结构的发展和应用Atthebeginningofthe19thcentury:IronstructureswereusedinbuildingsandbridgesinEurope1.2.1DevelopmenthistoryinforeigncountriesIn1856steelwasfirstmanufacturedTheageofsteelbegan1856年：英国人贝斯麦首次用转炉炼钢成功，钢材开始用于建筑结构，进一步出现了轧制型钢和铆钉连接方法，钢结构得到了广泛应用HomeInsuranceCompany

Building家庭保险公司大楼Location:Chicago,Illinois,USA

CompletionDate:1885(demolishedin1931)

Height:55m(138feet)

Stories:10

Materials:Steel

FacingMaterials:Brick

Engineer(s):WilliamLeBaronJenneyIn1885thefirsthigh-risesteel-framedbuildingwascompleted:HomeinsurancecompanybuildinginChicagoAtthebeginningofthe20thcentury:High–risebuildingsappearedinNewYorkParkRowBuilding公园街大厦Manhattan,NewYorkcity,USATechnicalDataHeight119m391ftFloors(OG)30Year(start)1896Year(end)1899Thiswasthefirstbuildingintheworldevertoreach30floorsTimesTower时代塔楼Height:110m

Stories:25CompletionDate:1904EmpireStateBuilding

帝国大厦Height:381m

Stories:102CompletionDate:1931保持世界最高建筑记录达40余年！第二次世界大战期间（1939-1945）：钢结构的发展陷入停顿状态1945-今：钢结构进入恢复和发展阶段卷入战争的国家和地区80多个（其中参战国61个），人口约20亿，占当时世界总人口80％以上特别是50-70年代，欧洲国家（主要是西欧）和日本在较短的时间内进入到高速发展阶段，成为除美国外钢结构发展水平较高的国家资料:1991年前，世界前100栋高层建筑中，81栋为钢结构81栋9栋其它国家72栋美国24栋纽约7栋芝加哥41栋其它城市日本加拿大香港新加坡南朝鲜1.2.2DevelopmenthistoryinChinaInancienttimes(beforetheOpiumWar):Chinawasthepioneertouseironsasload-carryingmembers玉泉寺铁塔（湖北当阳）：塔高16．69米，共13层建于北宋(公元1061年)我国现存最高、最重和保存最完好的铁塔大渡河铁索桥（四川泸定）：始建于清代康熙四十四年（公元1705年），次年完成桥净跨约103m，桥宽2.8m现存古代铁索桥中制作最精良的一座IntheyearsbetweentheOpiumWarand1949:SlowdevelopmentofsteelstructuresIntheyearsbetween1949and1980s:Steelswereusedonlyinimportantstructures建国后第一个五年计划期间：钢结构得到了发展,兴建了一批钢结构厂房、桥梁1957年10月15日：武汉长江大桥建成通车典礼武汉长江大桥夜景60-70年代：由于钢产量的限制，仅有少数重要建筑采用钢结构1961年建成的北京工人体育馆：为举办第26届世乒赛兴建直径94m的车辐式悬索结构辐射布置上下钢索各144根至今仍然是我国最大的悬索结构建于1968年的南京长江大桥：采用三跨连续钢桁架After1980s:Rapiddevelopmentofsteelstructures钢结构在我国得到了迅速发展：出现了一些钢结构（超）高层建筑、高耸建筑东方明珠电视塔：1993年建成高468m金茂大厦：地上88层，地下3层高365m1998年建成深圳地王大厦：81层高325m1996年建成2006年：我国钢产量突破4亿吨，占全球产量的三分之一1996年：我国钢产量突破1亿吨，并连续十年位居世界第一钢结构建筑总量/建筑总量中国韩国日本美国1%20%50%68%我国建设部建筑用钢发展规划：“十五”期间建筑用钢达到总钢产量的3%2015年建筑用钢达到总钢产量的6%与发达国家相比，我国钢结构的应用存在较大差距：促进钢结构的发展和应用1.3TypesofSteelStructures1.3.1Single-storeybuildings

单层房屋建筑钢结构的形式1.3.2Multi-storeyandhigh-risebuildings

多层和高层房屋建筑1.3.3Bridges

桥梁1.3.4Towersandmasts

塔架和桅杆

1.3.1Single-storeybuildings

单层房屋建筑Portalframestructuresandbentstructures

门式刚架结构和排架结构Gridstructuresandreticulatedshells

网架和网壳结构日本明古屋体育馆世界上最大的单层网壳结构单层球面网壳，直径187m，1997年建成采用直径65cm，长10m的钢管组成三角形网格网壳结构的工程实例：网壳结构的工程实例：福冈穹顶日本第一个可开合网壳结构，1993年建成，跨度：212.8m中国国家游泳中心-“水立方”网架结构的工程实例：“水立方”内部构造：

Kelvin的“泡沫理论”：将水在泡沫状态下的微观分子结构放大到建筑结构尺度，从几何上可以归结为1个14面体结合了14个12面体的多次重复，将这些多面体内部抽空形成网格，然后按建筑需要切割出平板网架在主体钢结构的外面：“水立方”的建筑外围采用世界上最为先进的环保节能ETFE(四氟乙烯)膜材料，由3000多个气枕组成，覆盖面积达到10万平方米，堪称世界之最，具有较好的抗压性、自洁功能、隔热散光功能膜施工中膜上的镀点可以改变光线的方向起到隔热散光的效果Suspendedcablestructures

悬索结构主要受力构件为高强度钢索，有多种不同的布置方式平行布置辐射布置索网华盛顿杜勒斯机场侯机厅悬索采用Φ25mm圆钢，平行布置索拉力由抗弯刚度较大的斜柱传递北京工人体育馆车辐式悬索结构辐射布置上下钢索各144根悬索结构的工程实例：Cableandmembranestructures

索膜结构深圳华侨城欢乐谷中心剧场

深圳大梅沙海滨广场张拉膜1.3.2Multi-storeyandhigh-risebuildings

多层和高层房屋建筑Rigidframedstructures

刚架结构Bracedrigidframes

刚架—支撑结构Tubestructures

筒体结构梁和柱刚性连接形成多层多跨框架侧向刚度小，适用于层数≤30的多层或高层钢结构Rigidframedstructures

刚架结构北京长富宫中心

地上25层，地下2层,高94m1987年建成2层以下和地下室为型钢砼结构,以上全部为钢框架结构框架和支撑体系（支撑桁架、剪力墙、核心筒）组成的结构可用于40～60层的高层钢结构Bracedrigidframes

刚架—支撑结构框架和支撑体系（核心筒）组成的结构筒体结构由内外两个筒体或多个筒体组合而成分别称为“筒中筒体系”和“筒束体系”筒体通常的做法为“密柱深梁”筒体结构具有较大的侧向刚度，可用于60～100层左右的超高层钢结构Tubestructures

筒体结构西尔斯大厦的筒束体系

西尔斯大厦：位于美国芝加哥高443m,108层，建于1974年筒体结构的工程实例：1.3.3Bridges

桥梁Solidwebplategirders

实腹板梁式结构Trussstructures

桁架式结构Archesandframes拱或刚架式结