钢结构第一章 概述

1,钢结构基本原理,主讲：陈娟，副教授,2,第一章概述,1.1钢结构的特点和应用,1.3钢结构的组成原理,1.2钢结构的构造过程和内在缺陷,1.5钢结构的发展,1.4钢结构的极限状态和概率极限状态,3,第一章概述,基本要求：掌握钢结构的特点及应用范围；了解钢结构的组成原理和钢结构的发展方向；知道钢结构的建造过程和内在缺陷及钢结构的极限状态和概率极限状态法。重点：掌握钢结构的特点及应用范围。难点：理解钢结构的计算方法。,4,钢结构：由钢板、热轧型钢、冷加工成型的薄壁型钢以及钢索制成的工程结构称为钢结构。,1.1钢结构的特点和应用,5,1.1钢结构的特点和应用,一、钢结构的特点和应用,材料的强度高，塑性和韧性好,材质均匀，和力学计算的假定比较符合,钢结构制造简便，施工周期短,钢结构的质量轻,钢材耐腐蚀性差,钢材耐热但不耐火,6,1.1钢结构的特点和应用,二、钢结构的应用范围1.大跨度结构,国家大剧院大圆壳长218米、宽146米、高46米、厚3米。12万m2，由歌剧院（2500座）、音乐厅（2000座）、戏剧场（1200座）位和小剧场（300至500座）四大部分组成。,7,1.1钢结构的特点和应用,南京奥体中心主体育场：屋盖为直径285.6m的圆，建筑面积13.6万m2，6万个座位。结构采用钢拱（钢管桁架，钢管直径1m）、钢箱梁（宽0.5m，高1.12.1m）、支撑杆件组合结构。钢拱跨度360.6m，45度斜放。,8,1.1钢结构的特点和应用,9,明石海峡大桥日本神户市与淡路岛之间跨越明石海峡的一座特大跨径的悬索桥。1998年建成通车，大桥主桥全长3910m，主跨1990m，是目前世界上主跨最长的悬索桥，钢桥塔高297m，也是世界上最高的桥塔。两根主缆各由290根高强钢索构成，直径为1.222m，主缆的极限强度为1800MPa。,10,1.1钢结构的特点和应用,2.重型厂房结构,鞍钢1700连铸主厂房工程,鞍钢大连镀锌线主厂房工程,11,1.1钢结构的特点和应用,3.受动力荷载作用的结构,桥梁,吊车梁,12,1.1钢结构的特点和应用,4.可拆卸的结构,应用于建筑、铁路、公路、水利、商业、旅游和军事等领域的办公室、指挥部、宿舍、会议室、仓库、商店及各种临时用房。,13,1.1钢结构的特点和应用,海上采油平台：东海平湖平台可供90人居住、工作、娱乐。,14,1.1钢结构的特点和应用,5.高耸结构和高层建筑,15,1.1钢结构的特点和应用,110层，高度约412m,16,1.1钢结构的特点和应用,6.容器和其他构筑物,17,三峡水利枢纽工程中的发电机组采用的压力钢管内径达12.4m，板厚达60mm。,18,19,神州飞船发射塔,20,1.1钢结构的特点和应用,7.轻型钢结构,厂房、库房、体育馆展览馆机场机库,21,1.1钢结构的特点和应用,22,1.1钢结构的特点和应用,国家体育场体形上像鸟巢，建筑面积25.8m2，可容纳观众9.1万人，其中固定坐席8万座，临时坐席1.1万座。平面为椭圆形，长轴332.3m，短轴296.4m；最高点高度为68.5米，最低点高度为42.8米。大跨度屋盖支撑在24根桁架柱上，主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置，有22榀主桁架直通或接近直通，少量主桁架在内环附近截断。钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件，交叉布置的主桁架与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。主看台部分采用钢筋混凝土框架一剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。,建设中的鸟巢,单根桁架柱,立柱高70m!重600t!,23,1.1钢结构的特点和应用,24,1.2钢结构的建造过程和内在缺陷,一、钢结构的建造过程,工厂制造,工地安装,钢材验收、整理和保管放样、下料加工整平装配矫正除锈、涂漆,现场的扩大拼装吊装就位调整位置、固定,25,1.2钢结构的建造过程和内在缺陷,二、钢结构的内在缺陷,几何缺陷,材料缺陷,26,1.3钢结构的组成原理,一、跨越结构,1937年建成的杭州钱塘江大桥,27,1.3钢结构的组成原理,28,1.3钢结构的组成原理,29,1.3钢结构的组成原理,二、高耸结构,高层房屋结构,塔架结构,桅杆结构,30,1.4钢结构的极限状态和概率极限状态法,一、钢结构的极限状态极限状态：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，此特定状态就称为该功能的极限状态。,出现影响正常使用的变形、振动和局部破坏,31,1.4钢结构的极限状态和概率极限状态法,二、结构的荷载效应分析,弹性分析,非弹性分析,32,1.4钢结构的极限状态和概率极限状态法,三、钢结构设计变迁,1957年以前：采用总安全系数的容许应力计算法；19571974：采用三个系数的极限状态计算法；19741989：采用以结构极状态为依据，进行多系数分析，用单一的系数表示的容许应力计算法；1989：采用以概率论为基础的极限状态设计法。,33,1.5钢结构的发展,传统的容许应力法和最大荷载法（统称单系数法）（1957年以前）；,缺点：安全系数凭工程经验确定的一定值，这样，各种构件的可靠性将不能保证比较一致的水平。,34,1.5钢结构的发展,三系数极限状态设计法（19571974）,特点：明确提出了两种极限状态，采用三个系数来考虑结构构件的安全储备问题，避免单一安全系数的缺陷。,缺点：材质均匀系数概念重复。强度标准不是明确概率取值，而是取钢的废品限值，不符合概率方法。,35,1.5钢结构的发展,缺点：各种载荷并不相同，各种构件承受荷载的情况也不一定相同，构件的几何尺寸变异并不完全一致，采用统一的安全系数显然不可能获得相同的安全度。,以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一安全系数的容许应力计算法,以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一安全系数的容许应力计算法（19741989）,36,1.5钢结构的发展,以概率为基础的极限状态设计法（1989）,把各种参数（载荷效应、结构抗力等）作随机变量，运用概率分析法并考虑变异性来确定设计采用值。把概率分析引入结构设计方法，显然比容许应力法先进，标志我国在设计理论上前进了一大步，迈入了国际先进水平。,37,1.4钢结构的极限状态和概率极限状态法,四、概率极限状态法1、极限状态：当结构或构件的抗力等于荷载效应时，此结构或构件达到极限状态。2、极限状态设计法：是以概率理论为基础，把有变异性的设计参数通过概率分析引入结构设计中。根据应用概率分析的程度分为三种水准：半概率极限状态设计法；近似概率极限状态设计法；全概率极限状态设计法。,38,0结构处于可靠状态,=0结构处于极限状态,极限状态方程：,1.4钢结构的极限状态和概率极限状态法,39,1.4钢结构的极限状态和概率极限状态法,3、可靠度结构的可靠性包括结构的安全性、适用性和耐久性。而结构的可靠度则是结构可靠性的概率度量，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。用ps表示结构的可靠度。当结构处于失效状态（Z0）时的概率，称为失效概率，用pf表示，即:,40,结构可靠就是指失效概率小到人们可以接受的程度。可接受的失效概率为万分之几。设计中，荷载、材料强度等指标大都是随机变量，多呈正态分布，一些非正态分布的随机变量（如风载）可以通过数学变换成当量的正态分布。故此认为R、S为正态分布。所以，极限状态函数Z=R-S也是正态分布的随机变量。,失效概率:,1.4钢结构的极限状态和概率极限状态法,Z很难求出，而Z的特征值较易求。,41,1.4钢结构的极限状态和概率极限状态法,值越大，pf就越小，经理论计算，与pf是一一对应的。可以作为衡量结构可靠度的一个数量指标。称为“可靠指标”。,令,从图中看出，pf与z至原点的距离有关，,则与z之间存在相应关系,42,1.4钢结构的极限状态和概率极限状态法,由于R、S采用了近似的正态分布，故算得的、pf值是近似的，故称为近似概率极限状态设计法。由于Z的分布很难求出，pf计算复杂，采用代替pf来度量结构的可靠性。据统计资料，知R、S平均值和标准差后，即知。,43,1.4钢结构的极限状态和概率极限状态法,3.设计表达式,按可靠指标设计不易掌握，规范将极限状态设计公式等效地转化为分项系数设计公式。为了便于应用并符合人们长期以来的习惯，利用式:来完成。就设计而言，问题被转化为计算效应S和抗力R。,分项系数不是凭经验而定，是以可靠指标为基础采用概率设计法求出。,44,1.4钢结构的极限状态和概率极限状态法,4.荷载组合（荷载效应S）,1）承载能力极限状态分项系数表达式,偶然设计状况（如撞击、爆炸、火灾等）,45,1.4钢结构的极限状态和概率极限状态法,由永久荷载效应控制的组合：,由可变荷载效应控制的组合：,1）承载能力极限状态分项系数表达式（基本组合）,46,fd或f钢材或连接材料强度设计值。,fk钢材或连接材料强度标准值。,R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。（P335，附录3、4）,1.4钢结构的极限状态和概率极限状态法,47,1.4钢结构的极限状态和概率极限状态法,可变荷载的分项系数（gQ）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。,永久荷载分项系数（gG）,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。,48,1.4钢结构的极限状态和概率极限状态法,注意：基本组合中的设计值适用于荷载与荷载效应线性的情况；SQ1K无法判断时，轮次以各可变荷载为SQ1K，然后取不利者；当考虑以竖向的永久荷载效应控制的组合时，可变荷载仅取竖向荷载；,49,1.4钢结构的极限状态和概率极限状态法,2）正常使用极限状态,对于正常使用极限状态，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。对于钢结构只考虑荷载的标准组合。,Gk-永久荷载标准值在结构或构件中产生的变形值；Q1k起控制作用的第1个可变荷载的标准值在结构或结构构件中产生的变形值（该值使计算结果为最大）；,Qik-其他第i个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值。-结构或结构构件的容许变形值。,50,1.5钢结构的发展,一、结构用