钢结构基础第一章.ppt

标题,钢结构钢结构基础,张玉敏济南大学土木建筑学院,内容提要,内容提要,本课程主要介绍钢结构的基本性能，主要内容有：,钢结构的材料构件的截面承载能力强度单个构件的承载能力稳定性整个结构中的压杆和压弯构件钢结构的正常使用极限状态钢结构的连接和节点构造,第1章概述1.1钢结构的特点和应用1.1.1钢结构的特点钢结构是用钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢通过连接制造而成的。钢板:分厚板和薄板两种。热轧型钢：角钢、槽钢、工字钢、H型钢和剖分T型钢。冷加工成型的薄壁型钢：等边角钢、卷边等边角钢、Z型钢、卷边Z型钢、槽钢、卷边槽钢、圆管、方管、压型钢板。连接：焊接、铆接和螺栓连接。,钢结构与其他材料的结构相比，具有以下一些特点：(1)材料的强度高，塑性和韧性好；(2)材质均匀，和力学计算的假定比较符合；(3)钢结构制造简便，施工周期短；(4)钢结构的质量轻；(5)钢材耐腐蚀性差；(6)钢材耐热但不耐火。,图1-1钢拉杆和压杆性能比较,1.1.2钢结构的应用范围（1）大跨度结构,图1南京长江大桥,图2斜拉桥,图3国家体育场,主体结构设计使用年限100年，耐火等级为一级,抗震设防烈度8度,地下工程防水等级1级。工程主体建筑呈空间马鞍椭圆形，南北长333米、东西宽294米的，高69米。主体钢结构形成整体的巨型空间马鞍形钢桁架编织式“鸟巢”结构,钢结构总用钢量为4.2万吨，混凝土看台分为上、中、下三层，看台混凝土结构为地下1层，地上7层的钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。,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53m，可容纳观众数60,000。屋顶采用钢桁架悬挑结构。屋面桁架落地，形似露珠。,“绿色奥运”、“科技奥运”、“人文奥运”,图4天津奥林匹克体育场,图5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。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46.285m。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/m2。,图6穹顶结构,图7钢拱桥,图9海上采油平台,图8杂交结构,（2）重型厂房结构,图10重型厂房,（3）受动力荷载影响的结构（4）可拆卸的结构（5）高耸结构和高层结构,图11上海东方明珠电视塔,图12上海金茂大厦,图13高层钢结构建筑,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,（6）容器和其他构筑物,图14容器,（7）轻型钢结构,图15轻型钢结构,1.2钢结构的建造过程和内在缺陷1.2.1钢结构的建造过程,钢结构的建造分为两个主要步骤：工厂制造和工地安装。,1.2.2钢结构的初始缺陷,几何缺陷和材料缺陷。,1.3钢结构的组成原理,对结构的要求：稳定性、承载力和刚度。对于桁架、刚架等平面承重结构，需要设置支撑、横隔等组成空间整体。除容器类结构外，其余各类结构可分为两类：跨越结构：桥梁和单层房屋结构；高耸结构：房屋、塔架和桅杆结构。,桁架,刚架,1.3.1跨越结构,组成：平面体系加支撑组成。,图19穿式桁架桥,结构中的交叉支撑和柔性系杆可按拉杆设计，非交叉支撑中的受压杆件及刚性系杆按压杆设计。,上、下弦横向水平支撑的内力，根据纵向风荷载按支承于顶的水平桁架计算，并计入支撑对弦杆起减少计算长度作用而承受的力，对于交叉支撑可不计压杆的受力。,横向水平支撑,单层房屋的屋盖结构是由平面屋架和支撑体系组成。,图110单层房屋结构的组成。,空间体系,图111空间屋盖结构,（a）平板网架结构,（b）穹顶结构,图112空间框架体系,1.3.1高耸结构,高层房屋结构是两个方向的横梁和柱刚性连接形成空间桁架。,图113高层房屋结构,图115桅杆结构,图114塔架结构,1.4钢结构的极限状态和概率极限状态法,1.4.1钢结构的极限状态,承载能力极限状态指结构或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。正常使用极限状态指结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值，包括出现影响正常使用的变形、振动和局部破坏等。强度破坏是指构件的某一截面或连接因应力超过材料强度而导致的破坏。在特定条件下出现低应力状态的脆性断裂。影响因素：材质低劣、构造不合理和低温等。,建筑用钢具有较好的塑性变形能力。根据钢材单向拉伸性能曲线可知，钢材在屈服之后还会强化，表现为抗拉强度fu高于屈服强度fy。,超静定梁或框架可以允许在受力最大的截面出现全塑性，形成塑性铰。,超静定梁,框架,理想轴心受压构件,大挠度弹性理论分析的轴心受压构件的P曲线,偏心受压构件,荷载位移曲线,钢结构因材料强度高而截面小，且组成构件的板件又较薄，使失稳成为承载能力极限状态的极为重要的方面。压应力是使构件失稳的原因。,桥梁、吊车梁承受多次重复的动荷载，象这样的构件，在反复循环荷载作用下，可能会出现疲劳破坏。,1.4.2结构的荷载效应分析,设计钢结构需要考虑两方面的因素：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。内力分析：一阶分析法忽略变形的影响。二阶分析法考虑变形的影响；属于几何非线形分析。确定构件抗力和内力分析时，需考虑构件和结构的几何缺陷。分为弹性分析和非弹性分析,1.4.3概率极限状态法,结构的功能函数：R结构的抗力；S荷载效应。,（1-1a）,（1-1c）,（1-1b）,按照概率极限状态设计方法，结构的可靠度定义为：“结构在规定的时间内，在规定的条件下（是指正常设计、正常施工、正常使用），完成预定功能的概率”。注意区分：安全性、适用性和耐久性三者总称为结构的可靠性。“完成预定功能”就是对于规定的某种功能来说结构不失效（Z0）。则结构的可靠度为：Ps=P（Z0）结构的失效概率为：Pf=P（Z0）Ps=1-Pf结构可靠度的计算可以转换为结构失效概率的计算。,（1-2a）,（1-2b）,结构的可靠度受荷载、材料性能、几何参数和计算公式精确性等因素的影响。这些因素都具有随机性，称为“基本变量”。对于一般建筑结构，可以归并为两个基本变量，即荷载效应S和结构抗力R，并设都服从正态分布。这样Z=R-S也是正态随机变量。代表平均值，代表标准差。则根据平均值和标准差的性质可得：,（1-3）,（1-4）,由于标准差都取正值，所以,（1-5）,已知结构的失效概率表达式为,令,则,因为是正态分布,(1-6),(1-5a),(1-7),如果荷载效应和结构抗力不服从正态分布。可以对非正态的随机变量进行当量正态变换，得到当量正态分布的平均值和标准差。,图1-16Pf与的对应关系,用来衡量结构的可靠度，比传统的安全系数更为合理，可以通过下面分析进一步说明。传统的定值法中安全系数是,从统计数学的观点来看，如果用平均强度相等的两批材料建成一结构（R1=R2），在相同的荷载作用下，其可靠度常常是不相同的。,R1均匀性好的一批材料的标准差；R2均匀性差的一批材料的标准差。,R1R2,图1-17均匀性对可靠度的影响,两图中的荷载效应概率密度函数fs(x)完全相同，结构抗力的概率密度函数是不相同的。图中阴影部分面积的大小可反映出失效概率的大小，即pf1pf2。,影响构件抗力的主要因素：（1）构件材料性能的不定性，主要是指材质的变异性以及加工、受荷、环境和尺寸等因素引起的材料性能变异性；（2）构件几何参数的不定性，主要是指尺寸偏差和安装误差等引起的构件几何参数的变异性；（3）构件计算模式的不定性，主要是指计算所采用的基本假设和计算公式不精确等引起的变异性。,以上三种不定性可以分别用下列随机变量来表达：,这三个随机变量的平均值和标准差分别为:平均值KM，KA和KP标准差KM，KA和KP相应的变异系数,构件的抗力表达式为R=KMKAKPRK式中RK按标准的材料性能、几何参数和抗力计算公式求得的构件抗力值。R=KMKAKPRK,（1-8）,（1-9）,（1-10）,已知KM、KA和KP的各项统计参数后，就可以求得R、R和R=RR,1.4.4设计表达式,规范把结构构件极限状态设计式表达为下列形式,式中SGK和SQK按规范规定的标准值算得的永久荷载效应和可变荷载效应；R构件抗力分项系数；G和Q永久荷载分项系数和可变荷载分项系数；0结构重要性系数，应按结构构件的安全等级、设计使用年限并考虑工程经验确定。,建筑结构设计统一标准没有推荐直接按目标可靠度指标进行设计的方法，而是采用了定值分项系数的极限状态表达式。规范3.2.5条基本组合的荷载分项系数，应按下列规定采用：1.永久荷载的分项系数：1）当其效应对结构不利时对有可变荷载效应控制的组合，应取1.2；对有永久荷载效应控制的组合，应取1.35；,2）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应取1.3。注：对于某些特殊情况，可按建筑结构有关设计规范的规定确定。,当可变荷载多于一个时，应按下列公式中最不利组合进行计算,（1-17）,对于一般排架、框架结构当仅有一个可变荷载时，应按下列公式中最不利组合进行计算,当有多个可变荷载时,（1-18a）,（1-18b）,例1求悬臂外伸梁的跨中最大弯矩条件：某悬臂外伸梁如图所示，跨度6m，伸臂的外挑长度为2m，承受永久荷载标准值gk=20kN/m，可变荷载标准值qk=10kN/m，组合值系数为0.7。要求：AB跨中的最大弯矩。,q1,q2,6m,2m,A,B,C,AB跨的荷载：1.220+1.410=38kN/m1.3520+1.40.710=36.8kN/m取q1=38kN/m。BC跨的荷载：取q2=1.020=20kN/mRA=（0.538620.52022）/6=107.33kNX=RA/38=107.33/38=2.824mMmax=RAX0.538X2=107.332.8240.52.5242=151