钢结构设计基础理论介绍

钢结构理论基础

钢结构设计基础理论课程介绍自我介绍李海旺，高平人，太原理工大学教授、博导太原理工大学交通工程与防灾研究所所长。手机人电子信箱：lhwtut@126.com课程服务邮箱：lhwgjg@126.com微信号：lhw6528601QQ号：7306000学术兼职中国钢结构协会专家委员会专家；中国金属结构协会专家委员会专家；中国钢协检测与鉴定分会专家委员会专家中国标准化学会轻钢结构委员会委员；中国土木工程学会空间结构委员会委员；中国钢协检测与鉴定分会常务理事、房屋分会理事、稳定与疲劳分会理事；中国工业与民用建筑物鉴定加固标准委员会；山西省土建学会理事、空间结构委员会主任委员、建筑物鉴定与加固学术委员会委员；国际薄壳与空间结构学会（IASS）动力与稳定（Group8）委员；山西省建筑结构设计专家组副组长；高层建筑抗震超限审查委员会委员；核心期刊《空间结构》编委。推荐的微信公公众号1、建筑结构，建筑结构杂志社2、建筑技艺杂志，建筑结构杂志社3、施工技术，施工技术杂志社设计软件PKPM，中科院3d3s，同济大学SAP2000，美国Midas，韩国ABAQUS，美国其他软件参考文献1、《钢结构设计手册》（上/下）第二版，

建工出版社2、《钢结构》（上下册），第三版，西安建筑科技大学陈绍蕃等主编，建工出版社3、《钢结构设计规范》GBJ50017-2003北京，中国计划出版社4、超高层钢结构施工技术，王宏主编，李海旺主审，建

工出版社，2014。5、大跨度钢结构施工技术，王宏主编，李海旺、戴立先副主编，建工出版社，2015。6、材料力学，课本7、钢结构

武汉工业大学出版社，2001

1.教材：《钢结构设计基本原理》，科学出版社，2006年1月.课程说明该课程是建筑工程专业必修科：授课36课时、实验4课时，合计40课时。1-12周上课，主要内容包括：1绪论(1课时）2钢结构材料（8课时）3钢结构的连接（9课时）4轴心受力构件（8课时）5受弯构件（6课时）6压弯构件（6课时）高强度摩擦型螺栓抗滑移系数实验土木1304：第

11周星期日第1~2节土木1305：第

11周星期日第3~4节土木1306：第

11周星期日第5~6节轴心受压构件整体失稳实验土木1304：第

7周星期日第1~2节土木1305：第

7周星期日第3~4节土木1306：第

7周星期日第5~6节1.1钢结构应用体系建筑钢结构应用范围如下：(1)工业厂房(2)大跨度空间结构结构(3)高耸结构(4)多层和高层建筑(5)承受振动荷载影响较大的结构(6)板壳结构（如油库、油罐、煤气库、高炉、热风炉、漏斗、烟囱、水塔以及各种管道等）1.1钢结构构应用用体系系(7)其他特特种结结构（（如栈栈桥、、管道道支架架、井井架和和海海上采采油平平台等等）(8)可拆卸卸或移移动的的结构构，建建筑工工地的的生产产、生生活附附属用用房，，临时时展览览馆等等，这这些结结构是是可拆拆迁的的。移移动结结构如如塔式式起重重机，，履带带式起起重机机的吊吊臂，，龙门门起重重机等等。(9)荷载较较轻或或跨度度较小小的建建筑，，结构构形式式有轻型钢钢结构构包括轻轻型门门式刚刚架，，冷弯弯薄壁壁型钢钢结构构以及及钢管管结构构。(10)混凝土土组合合成的的组合合结构构如组合合梁和和钢管管混凝凝土柱柱等。。工业厂厂房工工程实实例四川夹夹江水水工机机械厂厂重钢钢结构构厂房房（（高度度28m，双层层行车车，高高跨100t、50t，底跨跨50t）高耸结结构实实例埃菲尔尔铁塔塔埃菲尔尔铁塔塔是1887年1月26日动工工，1889年5月15日开放放的，，距今今已有有100多年的的历史史了。。埃埃菲尔尔铁塔塔占地地一公公顷，，耸立立在巴巴黎市市区赛赛纳河河畔的的战神神广场场上。。除了了四个个脚是是用钢钢筋水水泥之之外，，全身身都用用钢铁铁构成成，塔塔身总总重量量7000吨。塔塔分三三层，，第一一层高高57米，第第二层层115米，第第三层层274米。除除了第第三层层平台台没有有缝隙隙外，，其他他部分分全是是透空空的。。从塔塔座到到塔顶顶共有有1711级阶梯梯，现现已安安装电电梯，，故十十分方方便。。每一一层都都设有有酒吧吧和饭饭馆，，供游游客在在此小小憩，，领略略独具具风采采的巴巴黎市市区全全景：：每逢逢晴空空万里里，这这里可可以看看到远远达70公里之之内的的景色色。高耸结结构实实例东方明明珠卫星发发射塔塔鸟巢国家体体育场场是2008年北京京奥运运会的的主场场馆，，由于于于独独特造造型又又俗称称“鸟鸟巢””。体体育场场在奥奥运会会期间间设有有10万个座座位，，承办办该届届奥运运会的的开、、闭幕幕式，，以及及田径径同足足球等等比赛赛项目目。国家体体育场场建筑筑顶面面呈鞍鞍形，，长轴轴为332.3米，短短轴为为296.4米，最最高点点高度度为68.5米，最最低点点高度度为42.8米。占占地面面积25.8万平方方米，，座席席数：：永久久座席席8万个，，临时时性座座席2万个。。胶州湾湾跨海海大桥桥青岛海海湾大大桥又又称胶胶州湾湾跨海海大桥桥，是是我国国自行行设计计、施施工、、建造造的特特大跨跨海大大桥。。它是是国家家高速速公路路网G22青兰高高速公公路的的起点点段，，是山山东省省“五五纵四四横一一环””公路路网上上框架架的组组成部部分，，是青青岛市市规划划的胶胶州湾湾东西西两岸岸跨海海通道道“一一路、、一桥桥、一一隧””中的的“一一桥””。大大桥起起自青青岛主主城区区海尔尔路，，经红红岛到到黄岛岛，大大桥全全长36.48公里，投投资额近近100亿，历时时4年完工。。全长超超过我国国杭州跨跨海大桥桥和美国国切萨皮皮克跨海海大桥，，是当今今世界上上最长的的跨海大大桥，也也是世界界第二长长桥。大大桥于2011年6月30日全线通通车。2011年上榜和和美国，，荣膺““全球最最棒桥梁梁”荣誉誉称号。。上海环球球金融中中心上海环球球金融中中心是位位于中国国上海陆陆家嘴的的一栋摩摩天大楼楼，2008年8月29日竣工。。楼高492米，地上上101层，是目目前中国国第3高楼（截截至2014年）、世世界最高高的平顶顶式大楼楼。开发发商为““上海环环球金融融中心有有限公司司”，由由日本森森大厦株株式会社社主导兴兴建。其面积为为379,875㎡，建筑层层数地上上101层、地下下3层。中央电视视台大楼楼上海中心心大厦中国尊中国尊是是位于北北京市朝朝阳区CBD核心区Z15地块的一一幢超高高层建筑筑，建成成后将是是北京市市最高的的地标建建筑。该该项目西西侧与北北京目前前最高的的建筑国国贸三期期对望，，建筑总总高528米，未来来将被规规划为中中信集团团总部大大楼。广州体育育馆广州体育育馆是为为“中国第九九届运动动会”建设的一一座现代代化综合合性多功功能体育育设施，，是“九运会”体操、篮篮球等项项目的比比赛地和和盛大的的闭幕式式举办地地。它是是广州市市新世纪纪的重点点、标志志性建筑筑。广广州体育育馆位于于广州新新广从公公路原白白云苗圃圃地段，，项目占占地约24万平方米米。结构选双双向钢桁桁架材料料选用采采用钢结结构，承承重部分分钢筋混混凝土。。佛山岭南南明珠体体育馆岭南明珠珠体育馆馆位于广广东省佛佛山市禅禅城区季季华五路路，于2004年4月动工，，2006年6月建成。。岭南明明珠体育育馆占地地22.3公顷，是是由日本本仙田满满株式会会社环境境设计研研究所设设计，整整个体育育馆最多多能容纳纳9500多个观众众。其独独特的““斗拱型型”穹顶顶钢结构构是体育育馆采用用新颖结结构体现现造型美美的一次次精彩的的诠释。。岭南明明珠体育育馆独特特的造型型及室内内空间效效果得益益于独特特的大跨跨度空间间结构设设计，由由三个多多重圆水水平环屋屋顶联体体构成一一体，体体育馆屋屋面采用用连续的的穹顶网网壳结构构。图1.3上部网架架、下部部钢框架架图1.4体育场看看台环状状钢结构构图1.4体育场大大跨屋盖盖青岛颐中中体育馆馆青岛颐中中体育馆馆位于颐颐中体育育中心主主入口中中心大道道西侧，，总投资资约4亿元，总总建筑面面积62630平方米，，设有符符合国际际标准的的比赛大大厅，可可容纳观观众12500人。珠港澳大大桥港珠澳大大桥是一一座连接接香港、、珠海和和澳门的的巨大桥桥梁，在在促进香香港、澳澳门和珠珠江三角角洲西岸岸地区经经济上的的进一步步发展具具重要的的战略意意义。港港珠澳大大桥全长长为49.968公里，主主体工程程“海中中桥隧””长35.578公里。属属于G94珠三角环环线高速速的一部部分，设设计计时速每每小时100-120公里。工工程路线线起自香香港国际际机场附附近的香香港口岸岸人工岛岛，向西西接珠海海/澳门口岸岸人工岛岛、珠海海连接线线，止于于珠海洪洪湾，路路线总长长为55公里。上海旗忠忠森林体体育城网网球中心心上海旗忠忠体育城城网球中中心位于于上海市市西南部部的闵行行区马桥桥镇，网网球中心心用地面面积约为为508亩，基地地总建筑筑面积为为85438平方米。。基地容容积率为为0.187，建筑密密度15.1%，绿化率率46.1%，停车位位993个。中央央赛场建建筑面积积30649平方米，，地上四四层，建建筑物高高度约40米，顶棚棚为钢结结构，开开启方式式仿佛上上海市市市花白玉玉兰的开开花过程程，为世世界首创创。中国正在在设计的的一些未未来钢结结构建筑筑国外的钢钢结构建建筑迪拜塔迪拜塔高高828米，可用用楼层超超过160层，建成成后将成成为世界界最高建建筑。除除了高度度挑战极极限，迪迪拜塔采采用世界界最快电电梯，速速度达17.5米/秒。即使使是临时时用来建建筑施工工的电梯梯速度也也快得惊惊人，从从首层升升至124层景观层层只需70秒左右。。迪拜风中中烛火大大厦迪拜风中中烛火大大厦从54层到97层不等，，汇集在在一起构构成一座座舞蹈般般的雕塑塑形象，，看上去去很像是是烛火在在闪动。。建筑表表达方面面，其成成熟的美美学和结结构工程程方面的的创新是是任何现现代建筑筑都无法法比拟的的。AnaraTower由英国Atkins公司设计计，一共共拥有125层，总高高度达到到了700米。每隔隔27层便有一个供供休憩观赏的的天台。Anara大楼虽然比迪迪拜塔矮了一一些，但是它它的外观倒是是奇特很多。。楼顶扇叶中中间的那个不不是风力发电电机，而是一一个餐厅。Anara大楼钻戒旅馆这个设计可以以说是疯狂透透顶，每个分分支都是一个个房间——有机会去住的的话，记得时时时背着降落落伞。正像名字一样样，钻戒旅馆馆就像一枚镶镶嵌在天地间间的钻戒，与与太阳的光芒芒遥相辉映。。旋转塔让一座摩天大大楼在空中旋旋转“跳舞””，听上去像像是科幻小说说。来自意大大利的建筑师师菲舍尔宣布布将在迪拜建建立“世界首首个动态塔””，迪拜的旋旋转塔高420米，是80层的综合大楼楼，它将包括括办公区域、、居民住宅以以及一个豪华华酒店帆船酒店这是阿拉伯人人奢侈的象征征，亦是迪拜拜的新标志。。走进这个世世界上最高的的酒店就似走走进了阿拉丁丁的洞穴，豪豪华的佐证非非笔墨可言喻喻，从带你走走进海鲜餐馆馆的小型潜艇艇，到每个房房间的17个电话筒，再再到用作机场场巴士的8辆劳斯莱斯都都可略见些许许。高耸结构实例例埃菲尔铁塔埃菲尔铁塔是是1887年1月26日动工，1889年5月15日开放的，距距今已有100多年的历史了了。

埃菲尔尔铁塔占地一一公顷，耸立立在巴黎市区区赛纳河畔的的战神广场上上。除了四个个脚是用钢筋筋水泥之外，，全身都用钢钢铁构成，塔塔身总重量7000吨。塔分三层层，第一层高高57米，第二层115米，第三层274米。除了第三三层平台没有有缝隙外，其其他部分全是是透空的。从从塔座到塔顶顶共有1711级阶梯，现已已安装电梯，，故十分方便便。每一层都都设有酒吧和和饭馆，供游游客在此小憩憩，领略独具具风采的巴黎黎市区全景：：每逢晴空万万里，这里可可以看到远达达70公里之内的景景色。大跨度空间斜斜拉网壳结构构MillenniumDomeMillenniumDome,with320diameter,builtin1999,istheWorld'slargestDome.Thehugesteelgridsdomeissuspenedfromaseriesoftwelve100mhighmasts.strengthcables...1绪论1.2钢结构的特点点(通过8个小问题掌握握）(1)强度高、塑性性好、韧性好好问题１：比较钢材（（Q235钢）和C80混凝土的抗压和抗拉强度度设计值。215N/mm2;50.2N/mm2,3.11N/mm2问题２：比较钢材（（Q235钢）和C80混凝土的弹性性模量。（206E3N/mm2;38E3N/mm2)问题３：钢材塑性好赋予钢钢结构的特性性是什么？问题4：钢材韧性好赋予钢钢结构的特性性是什么？1绪论1.2钢结构的特点点(2)钢结构的重量量轻问题5：钢材容重大，，强度高，做做成的结构却却比较轻？质量密度ρ和强度ƒ的比值α来衡量，α值越小，结构构相对越轻。。建筑钢材的的值等于1.7~3.7×10-4/m；木材为5.4×10-4/m；钢筋混凝土土约为18×10-4/m。以同样跨度度承受同样的的荷载，钢屋屋架的重量最最多不过为钢钢筋混凝土屋屋架的1/3~1/4，冷弯薄壁型型钢屋架甚至至接近于1/10。重量轻，可减减轻基础的负负荷，降低地地基、基础部部分的造价，，同时还方便便运输和吊装装。1绪论1.2钢结构的特点点(3)材质均匀问题6：钢材材质均匀赋予钢结构设设计的特点是什么？？钢材由于冶炼炼和轧制过程程的科学控制制，其组织比比较均匀，接接近各同向性性，为理想的的弹性-塑性体，其弹弹性模量和韧韧性模量皆较较大，因此，，钢结构实际际受力情况和和工程力学计计算结果比较较符合，在计计算中采用的的经验公式不不多，从而计计算上的不定定性较小，计计算结果比较较可靠。1绪论1.2钢结构的特点点(4)钢结构制作简简便，施工工工期短钢结构构件一一般是在金属属结构厂制作作，施工机械械化，准确度度和精密度皆皆较高。钢结结构所有材料料皆已轧制成成各种型材，，加工简易而而迅速。钢构构件较轻，安安装方便，施施工周期短。。小量钢结构构和轻型钢结结构尚可在现现场制作，简简易吊装。钢钢结构由于连连接的特性，，易于加固、、改建和拆迁迁。(5)钢结构密闭性性较好钢结构的钢材材和连接(如焊接)的水密性和气气密性较好，，适宜于做要要求密闭的板板壳结构，如如高压容器、、油库、气柜柜、管道等。。1绪论1.2钢结构的特点点(6)钢结构耐腐蚀蚀性差问题7：钢材耐腐蚀性差给钢结构设计计附加的内容是是什么？钢材容易锈蚀蚀，对钢结构构必须注意防防护，特别是是薄壁构件更更要注意，因因此，处于较较强腐蚀性介介质内的建筑筑物不宜采用用钢结构。钢钢结构在涂油油漆以前应彻彻底除锈，油油漆质量和涂涂层厚度均应应符合要求。。在设计中应应避免使结构构受潮、漏雨雨，构造上应应尽量避免存存在难于检查查、维修的死死角。1绪论1.2钢结构的特点点(7)钢材耐热但不不耐火问题8：钢材不耐火给钢结构设计计附加的内容容是什么？钢材表面温度度超过多少度度后就需加以隔热防防护？温度超过200℃后，材质变化化较大，不仅仅强度总趋势势逐步降低，，还有兰脆和和徐变现象。。达600℃时，钢材进入入塑性状态已已不能承载。。因此，设计计规定钢材表表面温度超过过150℃后即需加以隔隔热防护，对对有防火要求求者，更需按按相应规定采采取隔热保护护措施。(8)钢结构在低温温和其他条件件下，可能发发生脆性断裂裂，这点点应引起设计计者的特别注注意。-惧火性能WorldTradeCentersteelDescription:ThiscollectionofsteelfromtheWorldTradeCenterincludesaheavilydamagedcolumnassemblyfromtheoutsidecolumnringatthe70thfloorofthesouthtower,andtwoshortcolumnstubs.WorldTradeCenterstructuraljointDescription:ThisdamagedstructuralbracketfromtheWorldTradeCenterwasrecoveredfromthedebrispile.1.3钢结构设计方方法概率极限状态态法问题9：什么是结构构功能的极限限状态？什么么是承载能力力极限状态和正正常使用极限限状态？极限状态的定定义：结构的的极限状态可可以分为下列列两类：(1)承载能力极限限状态对应于结构或或结构构件达达到最大承载载能力或是出出现不适于继继续承载的变变形，包括倾倾覆、强度破破坏、疲劳破破坏、丧失稳稳定、结构变变为机动体系系或出现过度度的塑性变形形。1.3钢结构设计方方法(2)正常使用极限限状态对应于结构或或结构构件达达到正常使用用或耐久性能能的某些规定定限值，包括括出现影响正正常使用或影影响外观的变变形，出现影影响正常使用用或耐久性能能的局部损坏坏以及影响正正常使用的振振动。1.3钢结构设计方法现行规范承载力极极限状态的计算公公式：其荷载效应的基本本组合按下列设计计表达式中最不利利值确定：活荷载控制组合(1.29)恒荷载控制组合(1.30)1.2钢结构设计方法——结构重要性系数，，对安全等级为一一级、二级、三级级的结构构件分别别取不小于1.1、1.0、0.9；——永久荷载标准值在在结构构件截面或或连接中产生的应应力；——起控制作用