钢结构第一章 绪论.ppt

钢结构设计原理,2013年8月,三个问题：,1钢结构课的性质和任务是什么？,本课程是土木工程专业的主要专业课之一，课程的任务是使学生了解钢结构的特点（不仅要了解钢结构的优点和缺点，还要了解钢结构的主要问题是什么，譬如钢结构的断面一般都比较小，专业稳定问题就比较突出）、掌握钢结构基本理论的一般概念及基本知识，初步掌握一般钢构件和普通钢屋盖的设计，为解决较为复杂的钢结构设计打下基础。,2主要参考资料,1）钢结构设计规范GB500172003；我们所用的教材是根据钢结构设计规范进行编写的，钢结构设计规范是钢结构设计时必须遵守的法律法规；代号GB500172003是什么意思，（GB、YBJ）.大概15年左右修订一次,2）钢结构设计规范GB500172003条文说明；,3）钢结构设计规范应用讲评,4）钢结构设计手册，里面有很多计算例题,三个问题：,3本课程的主要内容,第一章是概述，最后一章是钢结构的塑性设计和抗震设计，中间包括八章，是我们学习的主要内容，概括起来可分为四个部分：,1）钢结构的材料，这是独立的一章，主要讲钢材的性质；,2）钢结构的连接，因为钢结构需要许多板和型钢连在一起，组合成一个结构，这里就要有连接计算的问题，因此它也是独立的一个章节，也是很重要的一章；,三个问题：,3本课程的主要内容,3）基本构件：轴心受力和受弯构件，拉弯和压弯构件，这些基本构件是我们学习的主要内容，也是学习的基本内容；,4）屋盖结构，是根据我们学习的前面几章，将材料的知识、连接的知识、基本构件的知识用到一个结构上，也就是用到屋盖结构上，来具体应用它，所以这也是我们学习的主要内容。,三个问题：,第1章绪论,本章主要内容：钢结构的发展概况、特点和应用范围；钢结构的设计方法；钢结构的新发展。,本章重点内容：钢结构的特点和合理应用范围。,本章难点内容：钢结构的设计方法。,1.1钢结构的发展概况,解放前，我国是最早发明炼铁技术的国家之一，如大渡河铁链桥，玉泉寺铁塔等。大渡河铁链桥修建于300年前，每一根铁链重约1.5t左右，跨度达100m以上，属于铁结构。我们学习的应该叫做金属结构，它不但包括铁结构、钢结构、还包括铝合金结构。那么我们钢结构发展的得为什么这么慢呢？这主要和钢铁的发展有关系，在封建社会，我国的钢铁发展的速度很慢，因此钢结构发展也是比较慢的。,解放后，工业发展使钢结构得到相应的发展，因钢产量不高，发展受限，由于钢的优点，预期，随钢产量的增加（如我国的几大钢厂，首钢、武钢、鞍钢、宝钢、攀钢的钢产量日益增加），钢结构的应用将日益广泛（如北京的京广中心大厦、国际贸易中心，亚运会、奥运会期间建了很多跨度很大的体育场馆，很多的桥梁，铁路桥用钢结构的最多）。钢结构为什么将来会用得越来越多呢，除了钢产量的增加外，最主要还是钢结构具有许多的优点。,1.1钢结构的发展概况,1.2钢结构的特点和应用,1.2.1钢结构的特点,1自重轻而强度高。由于钢材强度高，单位重量的钢材就比混凝土承载力高很多，如一个屋架，钢结构的大约是混凝土结构的重量1/31/4。,2材质均匀，弹性模量高。钢材不用考虑各个方向性质的不同，混凝土因为有细骨料和粗骨料的结合，各个方向的性质就不同，木材受压，有顺着木材纹理的强度和垂直于木材纹理的强度，它也不是匀质体，所以钢结构的计算理论和实际比较吻合，同时弹性模量高也能是计算结果更为准确，因为弹性模量高构件的纵向和横向变形均很小，截面变化就不大，这就很符合我们的计算假定。,3钢材的塑性和韧性好。钢材的塑性和韧性好说明钢材在破坏前有很大的变形，同时在破坏时要吸收很多的能量，要给它作很多功才能破坏。当然塑性和韧性我们在第二章还会详细介绍,4钢材可焊性好，密闭性好。钢材可焊性好就是钢材容易焊接，焊缝承载力高，有的材料根本就焊不到一起或者焊缝焊完马上就开裂了，那肯定不行。正因为钢材的可焊性好，它就容易焊接成密封性容器（结构），这样一个容器可以储存液体和气体。,1.2.1钢结构的特点,1.2钢结构的特点和应用,5钢材的可重复使用性。回炉冶炼，重复使用。绿色和可持续发展的材料。,以上是钢结构的优点，下面在看看它的缺点：,6钢材耐热不耐火。耐热100度以内没有问题，但是超过200度时会发生兰脆现象，当达到600度时，钢材就会软化，丧失承载力，因此钢材如果不加防火保护的话，还不如木结构，因为木结构发生火灾时燃烧需要一个过程，破坏需要一段时间。钢结构的耐火问题必须引起足够的重视，高层钢结构防火问题更为重要，可以喷上防火涂料，它可以在1.52h钢结构的温度也不会达到600度。,1.2.1钢结构的特点,1.2钢结构的特点和应用,7耐腐蚀性差。钢结构不注意防腐，就要产生事故，由于腐蚀，断面不断缩小而最后跨掉，因此我们要注意钢结构的防腐问题，钢结构制造最后阶段要作防腐处理，使用阶段要注意维护。一般钢厂有专门的维护队，过去有人统计过，每年的钢材有相当于年产量的1/3被腐蚀。当然，我们可以回收一部分，但是也有1/10钢材被腐蚀掉，尤其化工企业钢材的腐蚀最为严重，我们的土建行业也有这些问题，应当引起我们足够的重视。,8有低温冷脆倾向。由厚钢板焊接而成的构件和节点在低温下有脆性破坏的倾向，应当引起我们足够的重视。,1.2.1钢结构的特点,1.2钢结构的特点和应用,1.2.2钢结构的应用,1大跨结构,1.2钢结构的特点和应用,1大跨结构,浙江某展览中心,1.2钢结构的特点和应用,1.2.2钢结构的应用,1大跨结构,湖南游泳中心内景图,1.2钢结构的特点和应用,1.2.2钢结构的应用,1大跨结构,湖南游泳中心外景图,1.2钢结构的特点和应用,1.2.2钢结构的应用,2游泳池,1.2钢结构的特点和应用,1.2.2钢结构的应用,2工业厂房,1.2钢结构的特点和应用,1.2.2钢结构的应用,3受动力荷载作用的结构,1.2钢结构的特点和应用,1.2.2钢结构的应用,3受动力荷载作用的结构,南京长江大桥,1.2钢结构的特点和应用,1.2.2钢结构的应用,4多层和高层建筑,香港上海汇丰银行大厦,1.2钢结构的特点和应用,1.2.2钢结构的应用,5高耸结构,巴黎的艾菲尔铁塔,1.2钢结构的特点和应用,1.2.2钢结构的应用,6轻型钢结构,轻钢别墅,1.2钢结构的特点和应用,1.2.2钢结构的应用,7可拆卸的结构野外作业的临时用房、钢筋混凝土结构施工用的模板和支架等。,8容器和其他构筑物油罐、煤气罐、高炉，皮带通廊栈桥、管道支架，海上作业平台等。,9钢和混凝土的组合结构高层建筑、大跨桥梁、工业厂房和地铁站台柱等。,1.2钢结构的特点和应用,1.2.2钢结构的应用,1.3钢结构的设计方法,1.3.1概率极限状态设计法,1结构设计目的：充分满足功能要求的基础上，做到安全可靠，技术先进，但又要经济合理。,2结构在规定的设计使用年限内应满足的功能有：(1)在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用；(2)在正常使用时具有良好的工作性能；(3)在正常维护下具有足够的耐久性；(4)在设计规定的偶然事件(如地震、火灾、爆炸、撞击等)发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。,3结构的可靠度结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力，称为结构的可靠性。结构可靠度是对结构可靠性的定量描述，即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。可靠度与设计基准期有关，一般建筑物的设计基准期为50年。,4结构的极限状态整个结构或结构的一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，称为该功能的极限状态。极限状态实质上是结构可靠与不可靠的界限，故也可称为“界限状态”。,1.3钢结构的设计方法,1.3.1概率极限状态设计法,我国规范规定，承重结构应按下列两个极限状态进行设计：,1）承载能力极限状态。包括静力强度、动力强度和稳定等的计算。达到此极限状态时，结构或构件达到了最大承载能力而发生破坏，或者达到了不适于继续承受荷载的巨大变形。,2）正常使用极限状态。达到此极限状态时，结构或构件虽仍保持承载能力，但产生的变形使结构或构件已不能满足正常使用的要求。如一根梁当变形很大，梁下面的摸灰就会掉下来。,1.3钢结构的设计方法,1.3.1概率极限状态设计法,5概率极限状态设计原理,如果以R表示结构的抗力，以S表示各种作用对结构产生的效应，则结构的功能函数为：,由于R和S都是随机变量，Z存在三种可能状态：,当RS时，结构处于可靠状态。,当RS时，结构处于失效状态。,当R=S时，结构处于极限状态。,1.3钢结构的设计方法,1.3.1概率极限状态设计法,5概率极限状态设计原理,设R和S的概率统计值均服从正态分布，则功能函数的平均值和标准差分别为：,1.3钢结构的设计方法,1.3.1概率极限状态设计法,f(z)概率密度函数,5概率极限状态设计原理,由图可知,令,值与失效概率存在着对应关系,1.3钢结构的设计方法,1.3.1概率极限状态设计法,5概率极限状态设计原理,失效概率与可靠指标的对应关系,6设计表达式,1）承载能力极限状态表达式,由,可变荷载效应控制的组合：,（1）,1.3钢结构的设计方法,1.3.1概率极限状态设计法,6设计表达式,永久荷载效应控制的组合：,（2）,对于一般排架,框架结构,可采用简化式计算：由可变荷载效应控制的组合：,（3）,由永久荷载效应控制的组合仍按（2）进行计算。,1.3钢结构的设计方法,1.3.1概率极限状态设计法,6设计表达式,2）正常使用极限状态表达式,对于按GB500682001建筑结构可靠度设计统一标准的规定要求分别采用荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计，并使变形等设计值不超过相应的规定限值。,钢结构只考虑荷载的标准组合，其设计式为：,1.3钢结构的设计方法,1.3.1概率极限状态设计法,1.3.2结构内力的分析方法,设计钢结构需要处理两个方面的因素：一是结构和构件的抗力；二是荷载施加于结构的效应。荷载效应通过内力分析来计算。,结构在荷载作用下必然有变形。当变形和构件的几何尺寸相比微不足道时，内力分析按结构的原始位形进行，即忽略变形的影响。这种做法称为一阶分析。,大跨度的钢拱桥，拱肋的柔度就比较大，变形影响不再能被忽略。考虑变形影响的内力分析称为二阶分析，属于几何非线性分析。,1.3钢结构的设计方法,构件和结构的几何缺陷，有些在确定构件抗力时加以考虑，如压杆的初始弯曲，有的则在内力分析时予以考虑，如框架柱的初始倾斜。,结构结构内力分析还可以区分为弹性分析和非弹性分析。传统的做法是把结构看做弹性体来分析。如果结构或构件在达到承载能力极限状态之前不出现塑性，弹性分析正确反映结构的真实情况。如果结构出现少量非弹性应变，但对结构的行为影响不大，为计算简便计，仍然可以用弹性分析。多次超静定的结构如多层刚架，在达到承载极限之前会在多处出现塑性变形，精确反映这类结构极限状态的计算应充分考虑钢材的塑性性能。,1.3.2结构内力的分析方法,1.3钢结构的设计方法,1.4钢结构的新发展,1.4.1结构用钢的新发展,利用高强度钢材，可以用较少材料做成功效较高的结构，对跨度和荷载大以及高耸的结构极为有利。我国钢结构规范推荐的钢材有Q235钢、Q345钢、Q390钢、Q420钢。目前，国内外高性能钢材取得不少进展，其中包括高强度高性能钢、低屈服点钢和耐火钢的开发和应用等。,近年开发的更合理的型钢截面有H型钢和T型钢，可直接用作梁、柱或屋架杆件，使制造简便，工期缩短，已列入我国钢结构构件设计规范。,压型钢板也是一种新材料，在组合楼板中可兼作施工模板使用，大大缩短施工周期。,1.4.2新型结构体系的应用和发展,1结构形式的革新新技术、新结构的应用，在减轻结构自重、节约钢材方面有很大作用，为大跨度结构、高层、超高层结构的发展奠定了基础。如平板网架结构、网壳结构、薄壁型钢结构、悬索结构、预应力钢结构及钢与混凝土组合构件等的研究和应用。,2结构优化设计结构的优化设计是以质量最轻和造价最低为目标的，包括确定最优结构方案和最优截面尺寸。,1.4钢结构的新发展,现行钢结构规范（