钢结构基本理论(第一章绪论)

钢结构基本理论,第一章绪论1.1概述1.2钢结构的特点1.3钢结构的应用和发展1.4钢结构的设计方法,1.1概述,1、什么是“钢结构”？定义：钢结构是钢材经过设计、制作和安装而形成的工程结构形式。2、钢结构与其它结构有何异同？钢筋混凝土结构砌体结构木结构3、钢结构课与其它专业课之间的关系钢结构设计需要:理论基础+工程经验设计过程：整体结构分析结构力学为基础单个构件分析材料力学为基础连接与构造分析结合工程实际施工图纸与计算书,1.2钢结构的特点,（2）钢结构的质量轻；质强比：a=容重/强度,a越小，结构相对越轻。钢材：a=1.73.710-4/m；木材：a=5.410-4/m；钢砼：a=1810-4/m；质量轻的优点：自重轻可承担更多的外荷载；可减轻基础负荷，降低地基基础成本；方便运输与吊装；,与其它结构相比，钢结构有如下特点：（1）建筑钢材强度高，塑性、韧性好；强度：材料抗破坏能力的大小度量；塑性：材料变形性能的重要指标；韧性：材料抗冲击破坏及抗疲劳能力的指标；要求：理解强度、塑性、韧性的概念，以及其对结构性能的影响；,1.2钢结构的特点,1.2钢结构的特点,（3）材质均匀，与力学计算的假定较相符；材质均匀，接近各向同性，具有良好的塑性性能，接近理想弹塑性体；与力学计算时对材料的假定比较相符，理论分析的结果可适用于工程实践；力学的理论研究成果可用于工程实践设计；提示：工程力学中的相关理论，可直接应用于钢结构工程的设计，或进行简单修正后应用，,1.2钢结构的特点,（4）制作简单，施工周期短，机械化程度及自动化程度高。钢结构构件一般工厂里制作，精度高，准确度好，不受外部环境影响；采用机械化加工，自动控制，节约人工成本；现场采用拼接安装，施工速度快，周期短；施工现场作业少，便于质量控制及安全保障；注意：随着我国人力成本的提高，钢结构的总体成本与现行混凝土结构相比，差距在减小。,1.2钢结构的特点,（5）钢结构密闭性好；材质致密，有良好的水密性和气密性，适用于板壳结构、管道结构及压力容器如油库、气柜等。原因：采用焊接技术，形成密闭结构；（6）采用螺栓连接的钢结构，方便装、拆。活动建筑、临时建筑采用钢结构，便于安装与拆卸。原因：采用螺栓连接技术，易于装卸；,1.2钢结构的特点,（7）绿色环保，材料回收可循环使用；钢结构达到使用期限后，材料可回收利用，是绿色环保的材料。对环境的影响小，基本无污染；治金技术的提高，降低了能耗。,1.2钢结构的特点,（8）钢结构耐腐蚀性差；钢材生锈：自然潮湿环境下产生锈蚀；不耐酸不耐碱：正常使用时需采取必要的防护措施：防护措施：刷漆、喷漆、镀锌、热浸锌等。正常使用的维护费用较高。,1.2钢结构的特点,（9）钢材耐热不耐火；200以内时，材料性能基本不变，200以上时，材料性能变化很大。尤其是在高温情况下，强度下降很快，发生软化现象，承载力迅速降低。隔热措施：钢结构表面受热温度不超过150时可不采取措施；超过150时，需采取隔热措施；防火措施：钢结构对防火要求较高，根据实际防火要求，采取合理的防火措施。,1.2钢结构的特点,（10）钢结构可能发生脆性破坏和失稳现象；脆性破坏：与塑性破坏相对，破坏前无明显征兆，比较突然，危害大。问题：塑性好的钢材为什么会产生脆性破坏？丧失稳定：钢结构的稳定问题比较突出，而结构或构件的失稳往往产生较为严重的后果，需特别注意。相关内容在后续学习中大家需特别注意。,1.2钢结构的特点,总结：了解钢结构的特点的意义学习过程中，注重特点的具体体现，以便更好地掌握相关专业知识，提高对钢结构基本理论知识的理解和应用能力。在今后的应用中，应做到以下几个方面：正确选择，合理使用；精心设计，扬长避短；精心施工，确保安全；注重维护，经济耐久；,1.3钢结构应用与发展,钢结构的应用：（1）大跨建筑结构大会堂、纪念馆等建筑；体育场、体育馆等建筑；展览馆、会展中心等；飞机场、火车站等交通枢纽及桥梁工程；仓库、煤棚、飞机装配车间、飞机库等；结构体系：网架、网壳、悬索、拱、张拉体系及组合结构体系等。,1.3钢结构应用与发展,（2）工业厂房较大起重设施的重型厂房；（重载）承受动力荷载作用的厂房；（动力荷载）生产工艺及设备要求大空间的结构体系；结构体系：框架结构、排架结构、门式刚架。注意：目前钢结构厂房广泛采用的轻钢门式刚架结构，其与传统重型钢结构厂房的结构体系有较大区别；,1.3钢结构应用与发展,（3）多高层建筑钢结构多层钢结构高层钢结构超高层钢结构常用结构体系：框架、框架剪力墙、框架支撑结构、框筒、巨型桁架等。,1.3钢结构应用与发展,（4）高耸结构桅杆电视塔烟囱输电线塔、微波发射塔特种结构此类结构特点：自重轻、抗风、抗震要求高。,1.3钢结构应用与发展,（5）密闭结构。高压容器煤气柜贮油罐输油管、输水管等,1.3钢结构应用与发展,（6）可拆卸、可移动结构起重运输设备钻井平台采油井临时建筑,1.3钢结构应用与发展,（7）其它行业中用到的钢结构交通运输业中的大跨桥梁结构水工结构中的闸门工业设备的支架（锅炉支架）航空发射塔天文望远镜娱乐设施（伦敦眼、过山车等）,1.3钢结构应用与发展,钢结构的发展：（1）新材料：不锈钢，耐候钢，高强钢；50年代：A3钢（16q）：235Mpa；60年代：16Mn（16Mnq）：345Mpa；70年代：15MnV：390Mpa；改革开放以来：15MnVNq：450Mpa；GB50017-2003:Q235,Q345,Q390,Q420,1.3钢结构应用与发展,（2）规范(程)和设计理论的不断完善1)结构设计1、钢结构设计规范（GB50017-2003）；2、冷弯薄壁型钢结构术规范（GB50018-2003）；3、网架结构设计与施工规程（JCJ7-91）；4、门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS102:2003）；5、型钢混凝土组合结构技术规程（JGJ138-2001）；6、钢混凝土组合结构设计规程（DL/T5058-1999）；2)施工验收1、钢结构质量验收规范（GB50205-2001）；2、建筑钢结构焊接与验收规程（JGJ81-91）；3、钢管混凝土结构设计施工规程（9082-97）,1.3钢结构应用与发展,（3）新体系、新理论：组合结构，轻钢，索膜；钢-混凝土组合结构：组合梁：简支、连续、刚接、组合扁梁组合柱：钢管混凝土柱、劲性(钢骨)混凝土柱组合楼板：压型钢板组合梁、叠合板组合梁、现浇组合梁（4）建筑结构一体化：新颖结构形式表现建筑。,1.4钢结构的设计方法,钢结构计算方法经历四阶段上世纪初到50年代：总安全系数的容许应力法（54规范）50年代中期到70年代中期：基于三系数的极限状态设计法（前苏联55版规范）70年代中期到80年代末期：基于极限状态、多系数分析的单一安全系数考虑调整系数的新容许应力法（74规范）80年代末期到现在：二阶矩法。以概率论为基础的极限状态设计方法，并以分项系数设计表达式进行计算。（88规范、2003规范）,1.4钢结构的设计方法,一、钢结构设计方法的演变1.容许应力方法从20世纪初到20世纪5O年代，钢结构采用安全系数法设计，即:N-构件截面的内力；A-构件截面几何特征；f-钢材的最大强度；K-大于1的安全系数；-钢材的容许应力。,1.4钢结构的设计方法,2.概率极限状态设计方法(1)极限状态：当结构或其组成部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求时，此特定状态称为结构的极限状态。(2)极限状态分为两类：a.承载能力极限状态包括：强度破坏、疲劳破坏、不适于继续承载的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等。b.正常使用极限状态包括：影响正常使用或外观的变形、影响正常使用的振动、影响正常使用的或耐久性的局部破坏等。,1.4钢结构的设计方法,(3)根据应用概率分析的程度不同，可分为三种水准：半概率极限状态设计方法;近似概率极限状态设计方法;全概率设计方法。a.半概率极限状态设计方法;1).三系数法（当时称为计算极限状态法）1957年至1973年我国钢结构设计采用半概率的分项系数法,结构设计中引入三个分项系数，即:荷载分项系数-考虑荷载的不定性;材料分项系数-考虑材料的不均性;工作条件系数-考虑结构及构件的工作特点以及某些假定的计算简图与实际情况不完全相符等因素。,1.4钢结构的设计方法,2)半经验半概率极限状态设计法(容许应力法）N-构件截面的内力；A-构件截面几何特征；K1-荷载系数；K2-材料系数;K3-调整系数；fyk-钢材的屈服强度标准值；-钢材容许应力,1.4钢结构的设计方法,b、近似概率极限状态设计法（现行钢结构设计规范(GB500172003)采用的方法。）结构的工作性能可用结构的“功能函数”来描述：Zg（X1，X2，Xn）（13）式中：g（）-结构的功能函数；Xi(i1，2,n)-影响结构可靠性的各物理量。,1.4钢结构的设计方法,将各因素概括为两个综合随机变量-结构的抗力R、作用效应S，则公式（1-3）可以写成：Zg（R，S）RS（1-4）在实际工程结构中，可能出现下列三种情况：Z0表示结构处于可靠状态；Z0表示结构处于极限状态Z0表示结构处于失效状态；判断结构是否可靠，要看结构是否达到极限状态，为此，通常将下式：Zg(R，S)RS0(1-5)称为极限状态方程。,1.4钢结构的设计方法结构能完成预定功能的概率(可靠度)用Ps表示，则：,PsPZ0（1-6）,结构不能完成预定功能的概率(失效概率)用Pf表示，则：,PfPZ0（1-7）,由于事件Z0与事件Z0是对立事件，所以结构的可靠度与结构的失效概率满足:,PsPf1或Ps1-Pf（1-8）,因为R和S都是随机变量，且假定都服从正态分布，由概率论原理知功能函数Z=R-S也服从正态分布,则:,f(z),Pf,z,Z的概率密度曲线,Z=R-S,令：Z、R、S的平均值分别为z、R、s，标准差分别为z、R、s，则:,因z0，故：,因服从标准正态分布，故上式又可写成：,式中:()-标准正态函数；-1()-标准正态函数的反函数。,从图中可以看出与失效概率Pf间存在着一一对应关系,即:1).减小时，阴影部分的面积增大，即失效概率Pf增大；2).增大时，阴影部分的面积减少，亦即失效概率Pf减小。说明可以作为衡量结构可靠度的一个数量指标。可靠度指标,的计算:将式(1-10)、(1-11)代入的定义式得：,1.4钢结构的设计方法,c.全概率设计法对结构的各种基本变量均采用随机变量或随机过程来描述，对结构进行精确的概率分析，求得结构最优失效概率作为结构可靠度的直接度量。三、钢结构设计表达式a.采用以概率理论为基础的极限状态设计方法(疲劳问题除外)，用分项系数的表达式进行计算；b.结构的可靠度用可靠度指标来度量，并以分项系数的形式考虑。,1.4钢结构的设计方法,（一）按承载能力极限状态设计应考虑荷载效应的基本组合或偶然组合进行荷载（效应）组合，采用下列表达式设计：式中：o-结构重要性系数；S-荷载效应（组合）的设计值；R-钢结构构件或连接材料抗力的设计值。,荷载效应组合如下：,2.由永久荷载效应控制的组合：,3.荷载分项系数取值如下：,1.由可变荷载效应控制的组合：,1.4钢结构的设计方法,1.4钢结构的设计方法,（1）永久荷载分项系数当其效应对结构不利时-对可变荷载效应控制的组合，应取1.2;-对永久荷载效应控制的组合，应取1.35;当其效应对结构有利时-一般情况下应取1.0；-对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。（2）可变荷载的分项系数-一般情况下应取1.4；-对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载标准值应取1.3。,对于钢结构可以将荷载效应用应力形式表示。,可变荷载起控制作用时：,永久荷载起控制作用时：,式中：,4、钢结构构件承载能力极限状态设计表达式,1.4钢结构的设计方法,-钢材或连接材料强度设计值。,-钢材或连接材料强度标准值。,-钢材或连接材料抗力分项系数，对于Q235钢R=1.087;Q345、Q390、Q420钢R=1.111。,钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。,1.4钢结构的设计方法,(二)正常使用极限状态,1.对于