钢结构建筑概述

钢结构理论(lǐlùn)基础

共八十页钢结构设计基础理论课程(kèchéng)介绍共八十页自我介绍李海旺，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(diànzǐxìnxiānɡ)：lhwtut@126.com课程服务邮箱：lhwgjg@126.com微信号：lhw6528601QQ号：7306000共八十页学术(xuéshù)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(tǔmùgōngchéng)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。共八十页推荐(tuījiàn)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(zázhì)，建筑结构杂志社3、施工技术，施工技术杂志社共八十页设计(shèjì)软件PKPM，中科院3d3s，同济大学(tónɡjìdàxué)SAP2000，美国Midas，韩国ABAQUS，美国其他软件共八十页参考文献1、《钢结构设计手册(shǒucè)》（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(jiàocái)：《钢结构设计基本原理》，科学出版社，2006年1月.共八十页课程(kèchéng)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(bāokuò)：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）共八十页高强度摩擦型螺栓抗滑移(huáyí)系数实验土木(tǔmù)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节共八十页1.1钢结构应用(yìngyòng)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(hèzài)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）共八十页1.1钢结构应用(yìngyòng)体系(7)

其他特种结构（如栈桥、管道支架、井架和海上采油平台等）(8)可拆卸或移动的结构，建筑工地的生产、生活附属用房，临时展览馆等，这些结构是可拆迁(chāiqiān)的。移动结构如塔式起重机，履带式起重机的吊臂，龙门起重机等。(9)荷载较轻或跨度较小的建筑，结构形式有轻型钢结构包括轻型门式刚架，冷弯薄壁型钢结构以及钢管结构。(10)混凝土组合成的组合结构如组合梁和钢管混凝土柱等。共八十页工业(gōngyè)厂房工程实例四川夹江水工机械厂重钢结构(jiégòu)厂房

（高度28m，双层行车，高跨100t、50t，底跨50t）

共八十页共八十页高耸(ɡāosǒnɡ)结构实例埃菲尔铁塔

埃菲尔铁塔是1887年1月26日动工，1889年5月15日开放的，距今已有100多年的历史(lìshǐ)了。

埃菲尔铁塔占地一公顷，耸立在巴黎市区赛纳河畔的战神广场上。除了四个脚是用钢筋水泥之外，全身都用钢铁构成，塔身总重量7000吨。塔分三层，第一层高57米，第二层115米，第三层274米。除了第三层平台没有缝隙外，其他部分全是透空的。从塔座到塔顶共有1711级阶梯，现已安装电梯，故十分方便。每一层都设有酒吧和饭馆，供游客在此小憩，领略独具风采的巴黎市区全景：每逢晴空万里，这里可以看到远达70公里之内的景色。

共八十页高耸结构(jiégòu)实例东方明珠共八十页卫星(wèixīng)发射塔共八十页鸟巢(niǎocháo)

国家体育场是2008年北京奥运会的主场馆，由于于独特造型又俗称(súchēnɡ)“鸟巢”。体育场在奥运会期间设有10万个座位，承办该届奥运会的开、闭幕式，以及田径同足球等比赛项目。

国家体育场建筑顶面呈鞍形，长轴为332.3米，短轴为296.4米，最高点高度为68.5米，最低点高度为42.8米。占地面积25.8万平方米，座席数：永久座席8万个，临时性座席2万个。共八十页胶州湾跨海大桥

青岛海湾大桥又称胶州湾跨海大桥，是我国自行设计、施工、建造的特大跨海大桥。它是国家高速公路网G22青兰高速公路的起点段，是山东省“五纵四横一环”公路网上框架的组成部分，是青岛市规划的胶州湾东西两岸跨海通道“一路、一桥、一隧”中的“一桥”。大桥起自青岛主城区海尔路，经红岛到黄岛，大桥全长36.48公里，投资额近100亿，历时4年完工。全长超过(chāoguò)我国杭州跨海大桥和美国切萨皮克跨海大桥，是当今世界上最长的跨海大桥，也是世界第二长桥。大桥于2011年6月30日全线通车。2011年上榜和美国，荣膺“全球最棒桥梁”荣誉称号。共八十页上海环球(huánqiú)金融中心

上海环球金融中心是位于中国上海陆家嘴的一栋摩天大楼，2008年8月29日竣工(jùngōng)。楼高492米，地上101层，是目前中国第3高楼（截至2014年）、世界最高的平顶式大楼。开发商为“上海环球金融中心有限公司”，由日本森大厦株式会社主导兴建。其面积为379,875㎡，建筑层数地上101层、地下3层。共八十页中央电视台大楼共八十页上海中心(zhōngxīn)大厦共八十页中国(zhōnɡɡuó)尊

中国尊是位于北京市朝阳区CBD核心区Z15地块(dìkuài)的一幢超高层建筑，建成后将是北京市最高的地标建筑。该项目西侧与北京目前最高的建筑国贸三期对望，建筑总高528米，未来将被规划为中信集团总部大楼。

共八十页广州体育馆

广州体育馆是为“中国第九届运动会”建设的一座现代化综合性多功能体育设施，是“九运会”体操、篮球等项目的比赛地和盛大的闭幕式举办地。它是广州市新世纪的重点、标志性建筑。广州体育馆位于广州新广从公路原白云苗圃(miáopǔ)地段，项目占地约24万平方米。结构选双向钢桁架材料选用采用钢结构，承重部分钢筋混凝土。共八十页佛山岭南(lǐnɡnán)明珠体育馆

岭南明珠体育馆位于广东省佛山市禅城区季华五路，于2004年4月动工，2006年6月建成。岭南明珠体育馆占地22.3公顷，是由日本仙田满株式会社(zhūshìhuìshè)环境设计研究所设计，整个体育馆最多能容纳9500多个观众。其独特的“斗拱型”穹顶钢结构是体育馆采用新颖结构体现造型美的一次精彩的诠释。岭南明珠体育馆独特的造型及室内空间效果得益于独特的大跨度空间结构设计，由三个多重圆水平环屋顶联体构成一体，体育馆屋面采用连续的穹顶网壳结构。共八十页图1.3上部网架、下部(xiàbù)钢框架共八十页图1.4体育场看台(kàntái)环状钢结构共八十页图1.4体育场大跨屋盖共八十页青岛(qīnɡdǎo)颐中体育馆

青岛颐中体育馆位于颐中体育中心主入口中心大道西侧，总投资约4亿元，总建筑面积(jiànzhùmiànjī)62630平方米，设有符合国际标准的比赛大厅，可容纳观众12500人。共八十页珠港澳(ɡǎnɡào)大桥

港珠澳大桥是一座连接香港、珠海和澳门的巨大桥梁，在促进香港、澳门和珠江三角洲西岸地区经济上的进一步发展具重要(zhòngyào)的战略意义。港珠澳大桥全长为49.968公里，主体工程“海中桥隧”长35.578公里。属于G94珠三角环线高速的一部分，

设计时速每小时100-120公里。工程路线起自香港国际机场附近的香港口岸人工岛，向西接珠海/澳门口岸人工岛、珠海连接线，止于珠海洪湾，路线总长为55公里。

共八十页上海旗忠森林体育城网球(wǎngqiú)中心

上海旗忠体育城网球中心位于上海市西南部的闵行区马桥镇，网球中心用地面积约为508亩，基地总建筑面积为85438平方米。基地容积率为0.187，建筑密度15.1%，绿化率46.1%，停车位993个。中央赛场建筑面积30649平方米，地上四层，建筑物高度(gāodù)约40米，顶棚为钢结构，开启方式仿佛上海市市花白玉兰的开花过程，为世界首创。共八十页中国正在(zhèngzài)设计的一些未来钢结构建筑共八十页共八十页共八十页共八十页共八十页共八十页共八十页共八十页共八十页共八十页共八十页共八十页共八十页共八十页共八十页共八十页共八十页共八十页共八十页共八十页共八十页共八十页共八十页共八十页国外的钢结构建筑(jiànzhù)共八十页迪拜塔迪拜塔高828米，可用楼层超过160层，建成后将成为世界最高建筑。除了高度挑战(tiǎozhàn)极限，迪拜塔采用世界最快电梯，速度达17.5米/秒。即使是临时用来建筑施工的电梯速度也快得惊人，从首层升至124层景观层只需70秒左右。共八十页迪拜风中烛火(zhúhuǒ)大厦迪拜风中烛火大厦从54层到97层不等，汇集在一起构成一座舞蹈般的雕塑形象，看上去很像是烛火在闪动。建筑表达方面，其成熟的美学和结构(jiégòu)工程方面的创新是任何现代建筑都无法比拟的。共八十页AnaraTower由英国Atkins公司设计，一共拥有(yōngyǒu)125层，总高度达到了700米。每隔27层便有一个供休憩观赏的天台。Anara大楼虽然比迪拜塔矮了一些，但是它的外观倒是奇特很多。楼顶扇叶中间的那个不是风力发电机，而是一个餐厅。Anara大楼共八十页钻戒(zuànjiè)旅馆这个设计可以说是疯狂(fēngkuáng)透顶，每个分支都是一个房间——有机会去住的话，记得时时背着降落伞。正像名字一样，钻戒旅馆就像一枚镶嵌在天地间的钻戒，与太阳的光芒遥相辉映。共八十页旋转(xuánzhuǎn)塔让一座摩天大楼在空中旋转“跳舞”，听上去像是科幻小说。来自意大利的建筑师菲舍尔宣布将在迪拜建立“世界首个动态塔”，迪拜的旋转塔高420米，是80层的综合大楼，它将包括(bāokuò)办公区域、居民住宅以及一个豪华酒店共八十页帆船(fānchuán)酒店这是阿拉伯人(ālābórén)奢侈的象征，亦是迪拜的新标志。走进这个世界上最高的酒店就似走进了阿拉丁的洞穴，豪华的佐证非笔墨可言喻，从带你走进海鲜餐馆的小型潜艇，到每个房间的17个电话筒，再到用作机场巴士的8辆劳斯莱斯都可略见些许。

共八十页高耸(ɡāosǒnɡ)结构实例埃菲尔铁塔

埃菲尔铁塔是1887年1月26日动工，1889年5月15日开放的，距今已有100多年的历史了。

埃菲尔铁塔占地一公顷，耸立在巴黎市区赛纳河畔的战神广场上。除了四个脚是用钢筋水泥之外，全身都用钢铁构成，塔身总重量7000吨。塔分三层，第一层高57米，第二层115米，第三层274米。除了第三层平台没有缝隙外，其他部分全是透空的。从塔座到塔顶共有1711级阶梯，现已安装电梯，故十分方便。每一层都设有酒吧和饭馆，供游客在此小憩，领略独具风采的巴黎市区全景(quánjǐnɡ)：每逢晴空万里，这里可以看到远达70公里之内的景色。

共八十页大跨度(kuàdù)空间斜拉网壳结构MillenniumDomeMillenniumDome,with320diameter,builtin1999,istheWorld'slargestDome.Thehugesteelgridsdomeissuspenedfromaseriesoftwelve100mhighmasts.

strengthcables...

共八十页1绪论

1.2钢结构的特点(通过(tōngguò)8个小问题掌握）(1)强度高、塑性好、韧性好问题１：比较钢材（Q235钢）和C80混凝土的抗压和抗拉强度设计值。

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(tánxìng)模量。（206E3N/mm2;38E3N/mm2)问题３：钢材塑性好赋予钢结构的特性是什么？问题4：钢材韧性好赋予钢结构的特性是什么？共八十页1绪论(xùlùn)

1.2钢结构的特点(2)钢结构的重量轻问题5：钢材容重大，强度高，做成的结构却比较轻？质量密度ρ和强度ƒ的比值α来衡量，α值越小，结构相对越轻。建筑钢材的值等于1.7~3.7×10-4/m；木材为5.4×10-4/m；钢筋混凝土约为18×10-4/m。以同样跨度承受(chéngshòu)同样的荷载，钢屋架的重量最多不过为钢筋混凝土屋架的1/3~1/4，冷弯薄壁型钢屋架甚至接近于1/10。重量轻，可减轻基础的负荷，降低地基、基础部分的造价，同时还方便运输和吊装。共八十页1绪论(xùlùn)

1.2钢结构的特点(3)材质均匀问题6：钢材材质均匀赋予钢结构设计的特点是什么？钢材由于冶炼(yěliàn)和轧制过程的科学控制，其组织比较均匀，接近各同向性，为理想的弹性-塑性体，其弹性模量和韧性模量皆较大，因此，钢结构实际受力情况和工程力学计算结果比较符合，在计算中采用的经验公式不多，从而计算上的不定性较小，计算结果比较可靠。共八十页1绪论(xùlùn)

1.2钢结构的特点(4)钢结构制作简便，施工工期短钢结构构件一般是在金属结构厂制作，施工机械化，准确度和精密度皆较高。钢结构所有材料皆已轧制成各种(ɡèzhǒnɡ)型材，加工简易而迅速。钢构件较轻，安装方便，施工周期短。小量钢结构和轻型钢结构尚可在现场制作，简易吊装。钢结构由于连接的特性，易于加固、改建和拆迁。(5)钢结构密闭性较好钢结构的钢材和连接(如焊接)的水密性和气密性较好，适宜于做要求密闭的板壳结构，如高压容器、油库、气柜、管道等。共八十页1绪论(xùlùn)

1.2钢结构的特点(6)钢结构耐腐蚀性差问题7：钢材耐腐蚀性差给钢结构设计附加的内容是什么？钢材容易锈蚀(xiùshí)，对钢结构必须注意防护，特别是薄壁构件更要注意，因此，处于较强腐蚀性介质内的建筑物不宜采用钢结构。钢结构在涂油漆以前应彻底除锈，油漆质量和涂层厚度均应符合要求。在设计中应避免使结构受潮、漏雨，构造上应尽量避免存在难于检查、维修的死角。共八十页1绪论(xùlùn)

1.2钢结构的特点(7)钢材耐热但不耐火问题8：钢材不耐火给钢结构设计附加的内容是什么？钢材表面温度超过多少度后就需加以隔热防护？温度超过200℃后，材质变化较大，不仅强度总趋势逐步降低，还有兰脆和徐变现象。达600℃时，钢材进入塑性状态已不能承载。因此，设计规定钢材表面温度超过150℃后即需加以隔热防护，对有防火要求者，更需按相应规定采取(cǎiqǔ)隔热保护措施。(8)钢结构在低温和其他条件下，可能发生脆性断裂，这点应引起设计者的特别注意。共八十页

-惧火性能(xìngnéng)WorldTradeCentersteel

Description:ThiscollectionofsteelfromtheWorldTradeCenterincludesaheavilydamagedcolumnassemblyfromtheoutsidecolumnringatthe70thfloorofthesouthtower,andtwoshortcolumnstubs.

WorldTradeCenterstructuraljoint

Description:ThisdamagedstructuralbracketfromtheWorldTradeCenterwasrecoveredfromthedebrispile.

共八十页1.3钢结构设计(shèjì)方法概率极限(jíxiàn)状态法

问题9：什么是结构功能的极限状态？什么是承载能力极限状态和正常使用极限状态？

极限状态的定义：结构的极限状态可以分为下列两类：(1)承载能力极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或是出现不适于继续承载的变形，包括倾覆、强度破坏、疲劳破坏、丧失稳定、结构变为机动体系或出现过度的塑性变形。共八十页1.3钢结构设计(shèjì)方法(2)正常(zhèngcháng)使用极限状态

对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某些规定限值，包括出现影响正常使用或影响外观的变形，出现影响正常使用或耐久性能的局部损坏以及影响正常使用的振动。共八十页1.3钢结构设计(shèjì)方法现行规范承载力极限状态的计算公式：其荷载效应(xiàoyìng)的基本组合按下列设计表达式中最不利值确定：活荷载控制组合

(1.29)

恒荷载控制组合

(1.30)共八十页1.2钢结构设计(shèjì)方法——结构重要性系数，对安全等级为一级、二级、三级的结构构件分别取不小于1.1、1.0、0.9；

——永久荷载标准值在结构构件截面或连接中产生的应力；

——起控制作用的第一个可变荷载标准值在结构构件截面或连接中产生的应力(该值使计算结果为最大)；

——其他第i个可变荷载标准值在结构构件截面或连接中产生的应力；

——永久荷载分项系数，当永久荷载效应对结构构件的承载能力不利(bùlì)时取1.2，但对式(1.30)则取1.35。当永久荷载效应对结构构件的承载能力有利时，取为1.0；、——第1个和其他第i个可变荷载分项系数，当可变荷载效应对结构构件的承载能力不利时，取1.4(当楼面活荷载大于4.0kN/m2时，取1.3)；有利时，取为1.0；

——第i个可变荷载的组合值系数，可按荷载规范的规定采用(有风时：0.6;无风时：1.0)

——抗力分项系数Q235钢：1.087；对Q345、Q390和Q420钢：1.111

共八十页1.3钢结构设计(shèjì)方法正常使用极限状态计算公式：对于正常使用极限状态，按建筑(