钢结构设计原理-第一章-绪论PPT课件.ppt

第一章绪论 钢结构课程的特点与学习方法钢结构的特点及应用钢结构的设计方法钢结构的发展与展望 钢结构设计原理 1 1 1钢结构课程的特点与学习方法 钢结构课程包括 钢结构设计原理 钢结构设计 高层钢结构 大跨空间结构 钢结构设计原理课程特点 稳定 连接构造 重要的专业基础课 材料力学 强度 稳定 几何特性 面积矩 惯性矩 回转半径 剪切中心等 学习方法 学好基本理论 掌握基本概念 善于归纳分析 不断加深理解 联系工程实践 吸取感性知识参考文献 丁阳 钢结构设计原理 天津大学出版社 2004 陈绍藩 钢结构 上 钢结构基础 中国建工出版社 2003 沈祖炎等 钢结构基本原理 中国建筑工业出版社 2003 郑廷银 钢结构高等分析理论与实用计算 科学出版社 2007 5 钢结构设计规范 GB50017 2003 6 刘声扬 钢结构疑难释疑 中国筑工业出版社 1998 2 1 2钢结构的特点及其应用钢结构的定义钢结构的特点钢结构的应用 一 钢结构的定义由钢板 型钢 热轧型钢 冷弯薄壁型钢 等通过焊接或螺栓连接所组成的承重结构统称钢结构 3 二 钢结构的特点1 钢结构承载力高 自重轻钢材虽然质量密度大 但其强度高 其质量密度与其强度之比a相对较小钢材 a 1 7 3 7 10 4 m木材 a 5 4 10 4 m混凝土 a 18 10 4 m因此 做成的结构构件面积小 自重轻 如 在同样跨度承受同样荷载下 钢屋架的自重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1 10 而高层钢结构自重则为高层钢筋混凝土的1 2 3 5 优点 方便运输和吊装 减小地震作用 减轻基础负荷 降低地基 基础部分的造价 増加建筑有效使用面积 4 2 钢结构可靠性高由于钢材性能非常接近于力学计算的弹性 匀质 各向同性的基本假定 因此 钢结构的实际受力情况与工程力学计算结果比较符合 计算中采用的经验公式不多 从而计算上的不定性较小 计算结果可靠性高 3 钢结构抗震性能好由于钢材具有良好的塑性 承受静力荷载时 材料吸收变形能的能力 和韧性 承受动力荷载时 材料吸收能量的多少 塑性好 会使结构一般情况下不会由于偶然超载而突然断裂 韧性好 说明材料具有良好的动力工作性能 因此 钢结构具有良好的延性和耗能能力 其抗震性能好 5 4 钢结构工业化程度高钢结构采用工厂制造 工地拼装的施工方法 制作简便 安装方便 从而工业化程度高 施工周期短 5 钢结构密闭性较好由于钢材组织非常致密 且具有可焊性 因此 通过焊接连接的结构具有较好的气密性和水密性 不易渗漏 可用于大型油库 高压容器 管道等板壳结构 6 钢结构加固 改造 拆迁方便由于钢结构制作 连接的特性 因此易于加固 改造 拆迁 7 符合环保与可持续发展的要求钢材是节约土地 能源和资源的持久性建筑材料 拆除建筑物时 大部分材料可回收利用 再生或降解 不会造成很多垃圾 施工现场湿作业少 尘埃少 施工噪音低 对周围环境污染小 6 8 钢结构耐热但不耐火100 以内强度无影响150 以上必须进行遮挡处理 即采用防护措施 600 左右E 0结构不能继续承载 可能倒塌措施 使用耐火钢 防火涂料 防火漆 外包混凝土等9 钢结构耐腐蚀性差钢结构在湿度大 有侵蚀介质的环境中易于锈蚀 使结构受到损坏 因此必须对结构采取防腐措施 措施 使用耐候钢 防锈漆 外包混凝土等10 钢结构在低温条件下可能发生脆性断裂可能的原因 磷 氮含量过高等 7 11 钢结构稳定问题突出由于钢材强度高 所设计的结构构件壁薄 面积小 因此 在压力作用下 构件甚至结构易于失稳 是钢结设计的一个重要特点 8 三 钢结构的应用 钢结构按其特点 应该在绝大多数建筑领域应用 但实际则不然 因为钢结构的应用还要受到国民经济发展的制约 多年来 我国的钢产量一直不高 因此钢结构的应用受到一定的限制 近年来 随着我国钢产量的增加 1996年就已超亿吨 2005年已超过3亿吨 和国家鼓励用钢政策的出台 钢结构的应用得到了很大的发展 其范围越来越广泛 目前主要应用于 大跨 重型 高层 动载 轻钢 住宅 小型 可移动 可拆卸结构等领域 9 大跨 大跨度结构 即体育馆 展览馆 飞机库 桥梁结构等 如 人民大会堂 西安兵马俑展厅 上海体育馆 首都体育馆 石景山体育馆 朝阳体育馆等 金门桥 GordonGateBridge 南京长江大桥 武汉长江大桥 九江长江大桥 西陵长江大桥 徐浦大桥 汕头海湾大桥等 10 国家奥林匹克游泳馆 11 广州新体育馆 12 台湾桃园体育馆 13 重型 主要是内有大吨位重级工作制吊车等重工业厂房如鞍钢 首钢 宝钢及一些电厂的主厂房等 14 15 高层 超高层建筑结构如台北101大厦 508m 吉隆坡双塔大厦 452m 美国西尔斯大厦 443m 上海金茂大厦 421m 深圳地王大厦 384m 北京京广大厦 208m 等 16 目前 至2010年2月 世界10幢最高的高层建筑 17 日本部分超高层建筑构想 18 阿联酋迪拜塔楼828米高 19 台北101大厦 吉隆坡双塔大厦 20 上海环球金融中心大厦 上海金茂大厦 21 南京紫峰大厦450米高 22 美国世贸中心大厦 美国西尔斯大厦 23 深圳地王大厦 香港国际金融中心大楼二期方案420米高 24 香港中国银行大厦 汇丰银行大厦 25 德国法兰克福商业银行中心新大楼298 5米高 美国约翰汉考克大厦 26 日本千年塔楼 27 高耸建筑 塔桅结构 如 法国埃菲尔铁塔 广州 上海 汕头电视塔 北京气象 桅杆 塔 325米 等 28 法国埃菲尔铁塔 29 广州电视塔610米高 日本拟建电视塔600m高 30 动载 受动力作用的厂房 机座 地震区内要求较高的建筑 31 轻钢 指荷载较小的轻型钢结构 其用钢量可能低于钢筋混凝土结构的用钢量 如轻钢住宅 轻钢厂房 大棚等 32 中国南极长城站综合仓库 33 可拆装 可移动 小型结构 临时建筑等 如建筑工地的生产 生活附属用房 临时展棚 塔吊 栈桥 管道等 34 35 1 3钢结构的设计方法 概述概率极限状态设计法结构设计表达式1 3 1概述1 结构设计的目的 使所设计的结构和结构构件在施工和使用过程中满足各种预定功能要求并具有适当的可靠性 36 2 结构设计准则 结构由各种荷载所产生的效应 内力和变形 不大于结构 包括连接 由材料性能和几何因素等所决定的抗力或规定限值 3 结构设计方法的发展 a 定值法包括容许应力法和最大荷载法 b 概率设计法包括半概率设计法 以 TJ17 74 设计规范为代表 和近似概率设计法 以 GBJ17 88 和现行设计规范 GB50017 2003 为代表 37 1 3 2概率极限状态设计法1 几个概念1 结构极限状态的定义结构或构件能够满足设计规定的某功能要求的临界状态 2 结构极限状态的分类承载能力极限状态 第一极限状态 结构或结构构件达到最大承载能力 如强度 稳定 疲劳 或出现不适于继续承载的巨大变性 如塑性变形 正常使用极限状态 第二极限状态 结构或结构构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值 如出现影响正常使用的变形 局部损坏或振动 38 3 结构可靠度的定义结构可靠度 指结构在规定时间内 规定条件下完成预定功能的概率 它是度量可靠性的指标 4 结构可靠性的定义结构可靠性 指结构在规定时间内 规定条件下完成预定功能的能力 它是结构安全性 适用性 耐久性的统称 安全性 结构应能承受正常施工和正常使用 使可能出现的各种荷载 外加变形等的作用 在偶然事件发生后 能保证整体稳定性 不致倒塌 适用性 结构在正常使用荷载下 应具有良好的工作性能 如不发生影响结构正常使用的过大的变形等 耐久性 结构在正常维护下 随时间变化仍能满足预定功能要求 如锈蚀而影响寿命等 39 2 原理结构的工作性能可用结构的功能函数来描述 其n个随机变量的功能函数为 Z g x1 x2 xn 可简化为Z g R S R S当Z 0即S R时结构处于可靠状态当Z 0即S R时结构达到临界状态 即处于极限状态当Z0 与事件 Z 0 是对立的 所以结构可靠概率与失效概率符合下式要求或 1 40 可见 结构可靠度的计算可以转化为结构失效概率的计算 结构的失效概率可由下式求得 问题是 R和S的分布非常复杂 而且目前的统计数据还不够多 因此一般来说 Z的分布很难求出 失效概率的计算仅仅在理论上是可行的 实际上很难求出 所以人们只能寻求近似概率设计法 41 在近似概率设计法中 由于R和S都是随机变量 且假定都服从正态分布 根据概率原理 功能函数Z也服从正态分布 且有 即 42 即只要知道R S的平均值和标准差 便可算得 使其满足规定即可 从图中还可以看出 与失效概率之间存在着一一对应关系 当增大 则减小 因此定义为可靠指标 其正态分布时与的对应关系见教材表1 1 钢结构的各种构件 经校准分析后 其值在3 2左右 即 3 2 属延性破坏 安全等级为二级 43 1 3 3结构设计表达式现行钢结构设计规范 采用以概率理论为基础的极限状态设计法 疲劳计算除外 采用分项系数的设计表达式进行计算 其分项系数不是凭经验确定 而是以可靠指标为基础 用概率设计法求出 若直接应用概率法的设计表达式 目前还有困难 其原因是 1 广大设计人员不熟悉也不习惯 2 许多基本统计参数还不完善 不能导出设计式 对于承载能力极限状态 荷载效应的基本组合 按教材式 1 24 1 25 中最不利值确定 或按下述方法确定 44 当可变荷载效应控制组合时 当永久荷载效应控制组合时 要求 式中 45 注 1 其中的结构重要性系数 各分项系数 荷载组合系数的取值见教材P6 P7 2 对一般排架 框架结构的简化组合 见教材P7 对正常使用极限状态 第二极限状态 钢结构只考荷载的标准组合 其设计式为 计算强度 稳定及连接等第一极限状态问题用荷载的设计值 计算疲劳 变形用荷载的标准值 对于疲劳 目前还不能用上述方法设计