第一章 钢结构（绪论）.ppt

1、钢 结 构,钢 结 构,主讲： 贺兴宏,2020年8月6日星期四,目 录,序 言 课程概况及基本要求 第一章 概 论 第二章 钢结构的材料 第三章 钢结构的连接 第四章 轴心受力构件 第五章 梁 第六章 拉弯和压弯构件 第七章 钢桁架与门式刚架 第八章 平面钢闸门 第九章 钢结构的制作、防护与安装,2020年8月6日星期四,序言 课程概况及基本要求,1、课程概况 2、基本要求 3、建议与希望,2020年8月6日星期四,1、课程概况,钢结构是土木工程专业的主要专业课之一，为必修考试科目。也是我国注册结构师考试科目。钢结构是当前我国重点推广和发展的结构形式。 钢结构是采用钢材制作而成的结构，是建筑

2、工程的主要结构形式之一。课程的主要内容包括材料、连接、基本构件三大部分。不同结构形式都是由基本构件联结而成，基本构件的核心问题是稳定问题。 本课程的先行课程主要有：高等数学、建筑材料、材料力学、结构力学、弹性力学、结构稳定、钢筋混凝土等。,2020年8月6日星期四,2、基本要求,（1） 课程成绩由考试 + 平时成绩给出。 （2） 不得迟到、旷课。为了不影响他人，迟到者须到课间休息时方可进入教室。旷课达1/3，取消考试资格。缺课累计达8节及以上， 成绩由口试+笔试 + 平时成绩给出，且口试及格后方可参加笔试。,2020年8月6日星期四,3. 建议与希望,（1） 学习时应重点搞清基本概念与性能，掌

3、握设计原理，熟悉构造要求。 （2）讲课主要讲述重点和难点，为了便于大家学习和复习，建议作好笔记。 （3） 我们将尽可能采用的是较新版本的教材，该教材反映了目前钢结构领域的最新成果和动向。,第一章 概 论,本章重点 1、钢结构的特点和应用 2、钢结构的设计方法3、钢结构的发展,2020年8月6日星期四,目 录,第一节 钢结构的特点和应用 第二节 钢结构的设计方法 第三节 钢结构的发展,2020年8月6日星期四,第一节 钢结构的特点和应用,一、钢结构的特点 二、钢结构的形式 三、钢结构的应用范围 四、钢结构的组成,2020年8月6日星期四,一、 钢结构的特点,1. 可靠性高 2. 材料的强度高，钢

4、结构自重轻 3. 钢材的塑性和韧性好 4. 钢结构制造简便，施工工期短 5. 钢结构密闭性好 6. 钢材的耐锈蚀性差 7. 钢结构耐热但不耐火 8. 钢材在低温时脆性增大,2020年8月6日星期四,1. 可靠性高,钢材在钢厂生产时，整个过程可严格控制，质量比较稳定; 钢材组织均匀，接近于各向同性匀质体； 钢材的物理力学特性与工程力学对材料性能所作的基本假定符合较好； 钢结构的实际工作性能比较符合目前采用的理论计算结果。 所以说钢结构的可靠性高。,2020年8月6日星期四,2. 材料的强度高，钢结构自重轻,钢材与其它材料相比，它的强度与重力密度之比要高得多。在同样的受力条件下，钢结构用材料少，自

5、重轻。以24m跨度厂房屋架为例，当承受相同的荷载时，每榀钢屋架的重量为2.12.7t，而预应力钢筋混凝土屋架的重量为6.411.3t，后者为前者的34倍。若采用冷弯薄壁型钢屋架，其自重接近钢筋混凝土屋架的1/10 。 钢结构自重轻，便于运输和安装，基础费用低。,2020年8月6日星期四,3. 钢材的塑性和韧性好,钢材的塑性好，钢结构破坏前一般都会产生显著的变形，易于被发现，可及时采取补救措施，避免重大事故发生。钢材的韧性好，钢结构对动力荷载的适应性强，具有良好的吸能能力，抗震性能优越。,2020年8月6日星期四,4. 钢结构制造简便，施工工期短,钢结构一般在专业工厂制造，易实现机械化，是工程结

6、构中工业化程度最高的一种结构。构件制造完成后，运至施工现场拼装成结构。施工工期短，可尽快发挥投资的经济效益。我国已建成的某240 x315m全钢结构厂房，建筑面积达7.6万m，其结构安装仅用了98天。钢结构由于连接的特性，易于加固、改建和拆迁。,2020年8月6日星期四,5. 钢结构密闭性好,钢结构采用焊接连接可制成水密性和气密性较好的常压和高压容器结构和管道。,6. 钢材的耐锈蚀性差,在没有腐蚀性介质的一般环境中，钢结构经除锈后再涂上合格的防锈涂料后，锈蚀问题并不严重。但在潮湿和有腐蚀性介质的环境中，钢结构容易锈蚀，需定期维护，增加了维护费用。我国已研究生产出抗锈蚀性能良好的耐大气腐蚀钢，并

7、用于工程结构。,2020年8月6日星期四,7. 钢结构耐热但不耐火,当钢材受热温度在200以内时，钢材的主要性能变化很小，具有较好的耐热性能。当温度达600以上时，钢材的承载力几乎完全丧失，所以说钢材不耐火。当温度在250左右时，钢材的塑性和韧性降低，破坏时常呈脆性断裂。 考虑一定的安全储备，当结构表面长期受辐射热温度不小于150时，需加以隔热防护。当有防火要求时，要采取防火措施。,2020年8月6日星期四,8. 钢材在低温时脆性增大,在负温度区,钢材的塑性和韧性随着温度降低而变差。,2020年8月6日星期四,二、钢结构的形式,1.框架 单层单跨框架 单层多跨框架 多层单跨框架 多层多跨框架

8、2.桁架 平面桁架 空间桁架 3. 拱架 4. 索 5. 壳体,2020年8月6日星期四,三、钢结构的应用,1. 大跨度钢结构 2. 重型厂房结构 3. 高层结构 4. 高耸结构 5. 轻型钢结构 6. 容器和其他构筑物 7. 综合应用,2020年8月6日星期四,1. 大跨度钢结构,大跨度结构主要有 ： 网架结构 网壳结构 悬索结构 桥梁结构 拱架结构,2020年8月6日星期四,（1）网架结构（图）,网架结构广泛用作体育馆、展览馆、俱乐部、 影剧院、食堂、会议室、候车厅、飞机库、车间等 的屋盖结构。具有工业化程度高、自重轻、稳定性 好、外形美观的特点。 构成网架的基本单元有三角锥、三棱体、正方

9、 体、截头四角锥等，由这些基本单元可组合成平面 形状的三边形、四边形、六边形、圆形或其他任何 形体。 一般而言，网架钢结构有下列三种节点形式： 1、焊接球节点 2、螺栓球节点 3、钢板节点,2020年8月6日星期四,网架结构,2020年8月6日星期四,（2）网壳结构,同网架结构一样，网壳也是由许多杆件按一定规律布置，通过节点连接成空间杆系结构，但网架的外形呈平板状，而网壳的外形呈曲面状。 一般为单层或双层，按其外形为单曲面或双曲面而构成网状穹顶、网状筒壳以及双曲抛物面网壳等多种形式。 网壳结构的特点：外形美观、通透感好，建筑空间大、用材省，设计施工较复杂。,2020年8月6日星期四,国家体育场

10、,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146m76m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 。,2020年8月6日星期四,天津奥林匹克体育场俯瞰效果图,屋顶结构采用钢桁架悬挑结构 。屋面桁架落地，形似露珠 。 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。,2020年8月6日星期四,国家大剧院,位于北京人民大会堂西侧，西长安街以南，总占地面积近12公顷，总建筑面积近15万平方米，总投资26.88亿元，目前已进行过网壳部分设计

11、与施工验收审查会议。 该工程外部围护结构为钢结构网壳，是半椭圆球形，东西长轴212.2m，南北短轴143.64m，总高度46.285。内设歌剧院（2416席）、音乐厅（2017席）及戏剧院（1040席）及公共大厅等。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。,2020年8月6日星期四,苏州乐园宇宙大战馆球体屋面（穹顶）,2020年8月6日星期四,上海商务中心（网状网壳）,2020年8月6日星期四,（3）悬索及索桁架结构,以一系列拉索为主

12、要承重构件，这些索按一定的规律组成各种不同的形式，悬挂于相应的支撑结构上，使材料强度在受拉情况下得到充分发挥的结构形式。节约钢材（以浙江省体育馆为例，仅17kg/m2）、外形美观、设计施工较复杂，适合于大跨度屋顶。,2020年8月6日星期四,（4）桥梁钢结构,桥梁钢结构的主要形式有： （1）桁架式桥（如武汉、南京长江大桥）（连续小跨距） （2）箱形桥梁（如立交桥、铁路桥），钢板焊成（图） （3）拱形桥梁，中、小跨度（图） （4）斜拉桥（如上海南浦、杨浦大桥）“H”型钢，大跨距、特大跨距（图） （5）悬索桥（如江阴长江大桥）桁架梁1000米跨距,2020年8月6日星期四,（1）桁架式桥（如武汉长

13、江大桥）,2020年8月6日星期四,2020年8月6日星期四,（2）箱形桥梁（如立交桥、铁路桥），钢板焊成,2020年8月6日星期四,（3）拱形桥梁，中、小跨度,2020年8月6日星期四,（4）斜拉桥（如上海南浦、杨浦大桥）,2020年8月6日星期四,润扬长江公路大桥 （全长35.66公里 ）,2020年8月6日星期四,（5）悬索桥（如江阴长江大桥）,2020年8月6日星期四,2.重型厂房结构,厂房钢结构一般指重型、大型车间的承重骨架。通常由檩条、天窗架、屋架、托架、柱、吊车梁、制动梁（桁架）、各种支撑及墙架等构件组成。,2020年8月6日星期四,西安变压器厂（400t吊车）,2020年8月6

14、日星期四,3.高层结构,（1）一般50层以上建筑均用钢结构 （2）自重轻、抗震性能好，基础处理方便 （3）柱用焊接方管（圆角）、H型钢或组合柱 （4）梁用H型钢，上下翼缘用对接焊，腹板用高强螺栓作抗剪连接，柱与梁翼缘对应处有加强板 （5）楼板用压型钢板加钢筋网加细石砼构成组合板，板与梁连接用销钉 （6）外墙用玻璃或铝幕墙 （7）基础用桩基加箱基，箱基作停车场 （8）防火要求非常严格,2020年8月6日星期四,图示为部分已建的高层钢结构,2020年8月6日星期四,80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 钢结构有48栋。,2020

15、年8月6日星期四,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。,2020年8月6日星期四,上海金茂大厦,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

16、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。,2020年8月6日星期四,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。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 。,2020年8月6日星期四,大连远洋大厦,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

17、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。,2020年8月6日星期四,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，中670t的阻尼器,2020年8月6日星期四,4.高耸结构,高耸钢结构的结构形式多为空间桁架，其特点是高跨比较大，以水平荷载作用为主，可应用在以下几个方面： （1）输电塔 （2）通讯及微波塔 （3）多功能广播电视发射塔 （4）桅杆 （5）火炬塔、石油化工塔架等,2020年

18、8月6日星期四,（1）输电塔,2020年8月6日星期四,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。,（3）多功能广播电视发射塔（东方明珠电视塔）,2020年8月6日星期四,5.轻型钢结构,轻型钢结构是一个很模糊的概念，没有严格的定义。以下结构都可称为轻型钢结构： 由冷弯薄壁型钢组成的结构； 由热轧轻型型钢（工字钢、槽钢、 H型钢、L型钢、T型钢等）组成的结构； 由焊接轻型

19、型钢（工字钢、槽钢、 H型钢、L型钢、T型钢等）组成的结构； 由圆管、方管、矩形管组成的结构； 由薄钢板焊成的构件组成的结构； 由以上各种构件组成的结构。,2020年8月6日星期四,2020年8月6日星期四,2020年8月6日星期四,轻型钢结构因具有用钢量省、造价低、供货迅速、安装方便、外形美观、内部空旷等特点，在近年来得到迅速的发展，主要用于： 单层或多层厂房、仓库 （图） 多层住宅、办公楼 （图） 小别墅 （图）,2020年8月6日星期四,单层或多层厂房、仓库,单层或多层厂房、仓库，有单跨或多跨，跨度一般不超过30m，省材、施工速度快、造价低、耗用资源少，吊车为轻级工作制且起重量一般不超过

20、20t，单层的承重结构用钢量一般为1030kg/m2,多层承重框架用钢量一般为3060kg/m2。,2020年8月6日星期四,多层住宅、办公楼,多层住 宅、办公楼 柱距一般为 69米， 不超过8 层，基础受 力小，有利 于抗震；资 源耗用少； 工业化程度 高；施工速 度快；可装 拆；造价略 高。,2020年8月6日星期四,小别墅,轻钢小别墅一般23层。 造型多变、功能齐全、建造速度快、工业化程度高、造价略高。,2020年8月6日星期四,6.容器和其他构筑物,陕西铜川天然气公司 1000立方米天然气球罐,大连西太平洋石化有限公司 1500立方米CF-62钢球罐,2020年8月6日星期四,7、钢结

21、构的广泛综合应用,餐 厅,剧 院,2020年8月6日星期四,体育馆,“金字塔”结构,2020年8月6日星期四,温 室,连 接 桥,2020年8月6日星期四,凉 亭,钢木结构,2020年8月6日星期四,购物中心,音 乐 厅,2020年8月6日星期四,三、钢结构的组成,跨越式结构 跨越地面上的一定空间，包括桥梁和单层房屋结构。 高耸结构 从地面向上发展的结构，包括高层房屋、塔架和桅杆结构。,2020年8月6日星期四,第二节 钢结构的设计方法,一、结构设计的目的 二、设计方法,2020年8月6日星期四,一、结构设计的目的,1安全性 结构在正常施工和正常使用条件下，承受可能出现的各种作用的能力，以及在

22、偶然事件发生时和发生后，仍保持必要的整体稳定性的能力。 2适用性 结构在正常使用条件下，满足预定使用要求的能力。 3耐久性 结构在正常维护条件下，随时间变化而仍能满足预定功能要求的能力。,2020年8月6日星期四,结构的安全性、适用性、耐久性总称为结构的可靠性。结构设计（计算）的目的是在满足各种预定功能的前提下，做到技术先进、安全适用、经济合理和确保质量。要实现这一目的，必须借助于合理的设计方法。,2020年8月6日星期四,二设计方法,1影响结构可靠性的因素 2概率极限状态设计法 3. 钢结构设计规范(GB50017)设计方法 4. 现行水工、桥梁钢结构专门规范的设计方法,2020年8月6日星

23、期四,1影响结构可靠性的因素,对于一般的工程结构，影响结构可靠性的因素可以归并为荷载效应S（荷载作用引起的结构或构件的内力、变形等）和结构抗力R（结构或构件承受荷载效应的能力，如承载力、刚度等）两个基本变量。 Z = R- S（1- 1） Z结构完成预定功能状态的函数。Z0 结构处于可靠状态； Z0 结构处于失效状态；Z=0 结构处于临界状态，一旦超过这一状态，结构将不再能满足设计要求。因此它也称为极限状态。,2020年8月6日星期四,2概率极限状态设计法,1)结构设计应考虑下列两种极限状态： 承载能力极限状态结构或构件达到最大承载能力，或达到不适于继续承载的变形的极限状态。 正常使用极限状态

24、结构或构件达到使用功能上允许的某一限值的极限状态。 2)结构可靠度 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(Pf)。 Pf = P (Z0)Pf = P (Z0) =1- Pf,2020年8月6日星期四,（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出现不适于继续承载的变形，包括以下几个方面： 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）； 结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），或因过度变形而不适于继续承载； 结构转变为机动体系； 结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）； 地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）。,2020年8月6日星期四,（2）正常

25、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项规定限值： 影响正常使用或外观的变形； 影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）； 影响正常使用的振动； 影响正常使用的其它特定状态。,2020年8月6日星期四,（3）概率极限状态设计方法,设计基本原则：技术先进、经济合理、安全适用、确保质量 0，结构处于可靠状态 Z=R-S =0，结构处于极限状态 0, 结构处于失效状态 除疲劳计算外，钢结构设计规范采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数的设计表达式进行计算。,2020年8月6日星期四,3.钢结构设计规范(GB50017)设计方法,对于承载能力极限状态采用应力表达式

26、 正常使用极限状态,2020年8月6日星期四,4. 现行水工、桥梁钢结构专门规范的设计方法,多系数分析单一系数表达的容许应力设计法:,2020年8月6日星期四,第三节 钢结构的发展,一、我国钢结构发展的历史、现状和趋势 二、钢结构快速发展的条件 二、钢结构发展的几个方面,2020年8月6日星期四,一、我国钢结构发展的历史、现状和趋势,钢结构是由生铁结构逐步发展起来的，中国是最早用铁制造承重结构的国家。远在秦始皇时代（公元前二百多年），就有了用铁建造的桥墩。以后在深山峡谷上建造铁链悬桥、铁塔等，这些表明我国古代建筑和冶金技术方面的高度水平。 中国古代在金属结构方面虽有卓越的成就，但由于受到内部的

27、束缚和外部的侵略，相当一段时间内发展较为缓慢。即使这样，我国工程师和工人仍有不少优秀设计和创造，如1927年建成的沈阳黄姑屯机车厂钢结构厂房，19281931年建成的广州中心纪念堂圆屋顶，19341937年建成的杭州钱塘江大桥等。,2020年8月6日星期四,20世纪50年代后，钢结构的设计、制造、安装水平有了很大提高，建成了大量钢结构工程，有些在规模上和技术上已达到世界先进水平。如采用大跨度网架结构的首都体育馆、上海体育馆 、深圳体育馆，大跨度三角拱形式的西安秦始皇陵兵马俑陈列馆，悬索结构的北京工人体育馆、浙江体育馆，高耸结构中的200m高广州广播电视塔、210m高上海广播电视塔、194m高南

28、京跨江线路塔、325m高北京气象桅杆等，板壳结构中有效容积达54000m3的湿式储气柜等。,2020年8月6日星期四,近期，随着钢结构设计理论、制造、安装等方面技术的迅猛发展，各地建成了大量的高层钢结构建筑、轻钢结构、高耸结构、市政设施等。如：位于上海浦东、420.5m高、88层、总建筑面积达28.7万m2的 金贸大厦 ； 总建筑面积达20万m2的上海浦东国际机场；主体建筑东西跨度288.4m、南北跨度274.7m、建筑高度70.6m、可容纳8万名观众的上海体育场；336m高、建于哈尔滨的黑龙江广播电视塔以及横跨黄浦江的南浦大桥、杨浦大桥等等。,2020年8月6日星期四,二、钢结构快速发展的条件,1. 我国的钢产量从96年起年产已突破1亿吨,01年1.57 亿吨，今年预计可达 亿吨。高的钢产量为发展钢结构提供了主要的物质基础。 2. 一系列的规范和规程的颁发及计算机技术的应用，使我国的钢结构发展具备了必要的技术基础。,