水工钢结构第一章

1、水工钢结构第一章 水工钢结构第一章 l钢结构是土木工程专业的主要专业课之一，也钢结构是土木工程专业的主要专业课之一，也 是水工、港航、海工、农水等水利类专业的技是水工、港航、海工、农水等水利类专业的技 术基础课。钢结构是当前我国重点推广和发展术基础课。钢结构是当前我国重点推广和发展 的结构形式。的结构形式。 l钢结构是采用钢材制作而成的结构，是建筑工钢结构是采用钢材制作而成的结构，是建筑工 程的主要结构程的主要结构 形式之一。课程的主要内容包括形式之一。课程的主要内容包括 材料、连接、基本构件三大部分。不同结构形材料、连接、基本构件三大部分。不同结构形 式都是由基本构件联结而成，式都是由基本构

2、件联结而成，基本构件的核心基本构件的核心 问题是稳定问题。问题是稳定问题。 l本课程为本课程为2 2学分学分, ,计划计划 授课授课3232学时。本课程课堂学时。本课程课堂 授课结束后集中安排一周的课程设计。授课结束后集中安排一周的课程设计。 课程概况及基本要求课程概况及基本要求 水工钢结构第一章 l课程成绩由考试课程成绩由考试 + + 平时成绩给出。平时成平时成绩给出。平时成 绩包括作业、课堂提问等。抄作业者和被绩包括作业、课堂提问等。抄作业者和被 抄作业者作业成绩为零分。抄作业者作业成绩为零分。 l不得迟到、旷课。为了不影响他人，迟到不得迟到、旷课。为了不影响他人，迟到 者须到课间休息时方

3、可进入教室。旷课达者须到课间休息时方可进入教室。旷课达 1/31/3，取消考试资格。缺课累计达，取消考试资格。缺课累计达5 5节及以节及以 上，上， 成绩由口试成绩由口试+ +笔试笔试 + + 平时成绩给出，平时成绩给出， 且口试及格后方可参加笔试。且口试及格后方可参加笔试。 水工钢结构第一章 l学习时应重点搞清基本概念与性能，掌学习时应重点搞清基本概念与性能，掌 握设计原理，熟悉构造要求。握设计原理，熟悉构造要求。 l讲课主要讲述重点和难点，为了便于大讲课主要讲述重点和难点，为了便于大 家学习和复习，建议作好笔记。家学习和复习，建议作好笔记。 l我们采用的是最新版本（以新规范标准我们采用的是

4、最新版本（以新规范标准 编写）的教材，该教材反映了目前钢结编写）的教材，该教材反映了目前钢结 构领域的最新成果和动向。欢迎同学们构领域的最新成果和动向。欢迎同学们 对教材的不足之处提出宝贵意见，以便对教材的不足之处提出宝贵意见，以便 进一步改进。进一步改进。 水工钢结构第一章 第一节第一节 钢结构的特点和应用钢结构的特点和应用 一. 钢结构的特点 : 水工钢结构第一章 l钢材在钢厂生产时，整个过程可严格控 制，质量比较稳定; l钢材组织均匀，接近于各向同性匀质体； 钢材的物理力学特性与工程力学对材料 性能所作的基本假定符合较好； l钢结构的实际工作性能比较符合目前采 用的理论计算结果。所以说钢

5、结构的可 靠性高。 水工钢结构第一章 l钢材与其它材料相比，它的强度与重力密 度之比要高得多。在同样的受力条件下， 钢结构用材料少，自重轻。以24m跨度厂房 屋架为例，当承受相同的荷载时，每榀钢 屋架的重量为2.12.7吨，而预应力钢筋混 凝土屋架的重量为6.411.3吨，后者为前者 的34倍。若采用冷弯薄壁型钢屋架，其自 重接近钢筋混凝土屋架的1/10 。 l钢结构自重轻，便于运输和安装，基础费 用低。 水工钢结构第一章 l钢材的塑性好，钢结构破坏前一般都会产生显 著的变形，易于被发现，可及时采取补救措施， 避免重大事故发生。 钢材的韧性好，钢结构 对动力荷载的适应性强，具有良好的吸能能力，

6、 抗震性能优越。 4. 4. 钢结构制造简便，施工工期短钢结构制造简便，施工工期短 钢结构一般在专业工厂制造，易实现机械化，是工程结 构中工业化程度最高的一种结构。构件制造完成后，运 至施工现场拼装成结构。施工工期短，可尽快发挥投资 的经济效益。我国已建成的某240m315m全钢结构厂房， 建筑面积达7.6万m2，其结构安装仅用了98天。钢结构由 于连接的特性，易于加固、改建和拆迁。 水工钢结构第一章 钢结构采用焊接连接可制成水密性和气密 性较好的常压和高压容器结构和管道。 6. 6. 钢材的耐锈蚀性差钢材的耐锈蚀性差 在没有腐蚀性介质的一般环境中，钢结构 经除锈后再涂上合格的防锈涂料后，锈蚀

7、问题 并不严重。但在潮湿和有腐蚀性介质的环境中， 钢结构容易锈蚀，需定期维护，增加了维护费 用。我国已研究生产出抗锈蚀性能良好的耐大 气腐蚀钢，并用于工程结构。 水工钢结构第一章 l当钢材受热温度在200 oC以内时，钢材 的主要性能变化很小，具有较好的耐热 性能。当温度达600 oC以上时，钢材的 承载力几乎完全丧失，所以说钢材不耐 火。当温度在250o C左右时，钢材的塑 性和韧性降低，破坏时常呈脆性断裂。 l考虑一定的安全储备，当结构表面长期 受辐射热温度不小于150 oC时，需加以 隔热防护。当有防火要求时，要采取防 火措施。 水工钢结构第一章 l在负温度区（0 oC以下）,钢材的塑性

8、和韧 性随着温度降低而变差。 二、钢结构的应用范围二、钢结构的应用范围 应根据钢结构的特点，注意扬长避 短，合理使用钢结构。在建筑工程和水 利水电工程中，钢结构的主要应用范围 如下： 水工钢结构第一章 1. 1.大跨度结构大跨度结构 随着结构跨度增大，结构自重在全部荷随着结构跨度增大，结构自重在全部荷 载中所占比重也就越大，减轻自重可获得载中所占比重也就越大，减轻自重可获得 明显的经济效益。对于大跨度结构，钢结明显的经济效益。对于大跨度结构，钢结 构重量轻的优点显得特别突出。构重量轻的优点显得特别突出。 水工钢结构第一章 上海上海8 8万人体育馆万人体育馆：径向悬挑桁架和环向桁架组成的空 间钢

9、屋盖结构。长轴为288.4m, 短轴为274.4m，最大悬挑 跨度达73.5m。 水工钢结构第一章 水工钢结构第一章 上海浦东机场 水工钢结构第一章 水工钢结构第一章 高层建筑已成为现代化城市的一个标志。 钢材强度高和钢结构重量轻的特点对高层 建筑具有重要意义。强度高则构件截面尺 寸小，可提高有效使用面积。重量轻可大 大减轻构件、基础和地基所承受的荷载， 降低基础工程等的造价。当今世界上最高 的50幢建筑中，钢结构和钢砼混合结构占 80%以上。1996年建成的吉隆坡佩重纳斯大 厦（双塔），95层，高452米，是世界上目 前最高的建筑。 水工钢结构第一章 水工钢结构第一章 水工钢结构第一章 l上

10、海金茂大厦: 88+3层，88层为观 光厅,高度为 340.1m，总高 420.5m。 用钢14000t， 28.7万m2。 大厦桩深83.5m， 总投资5.4亿。 水工钢结构第一章 l110层，高417m，100万平米，两楼共有239部电梯。办 公人员5万，每日来访和观光8万。施工期间无工人死亡。 用钢20多万t。 l93 年恐怖组织车载炸药爆炸（地下可停车2000多辆） ， 三层楼板被炸穿，无大影响。75年2月11层失火，三小 时控制火势，直接损失100万美元。 l01年9月11日，北京时间20:45一757飞机（起飞重量达 104t，可载油35t）撞击北塔楼， 9499层直接受损， 22

11、:28倒塌；21:03一767飞机（起飞重量达156t，载油51t) 撞击南大楼，7884层直接受损，22:05倒塌。客机的 起飞重量加上约1000公里的飞行速度，撞击力总共相当 于2万多公斤的黄色炸药。撞击使世贸中心产生巨大晃 动，但内部和外部并没有严重塌落，从撞到塌时间较长， 楼内人员可以逃生，世贸中心死亡人数2797人(其中失 踪59人，机组156人）。 水工钢结构第一章 水工钢结构第一章 l当工业建筑的跨度和柱距较大，或者 设有大吨位吊车，结构需承受大的动 力荷载时，往往部分或全部采用钢结 构。 l西安变压器电炉厂的总装车间，L = 36m，高30余米，Q=(400+50+1)t。 l

12、为了尽快发挥投资效益，近年来我国 的普通工业建筑大量采用了钢结构。 水工钢结构第一章 马钢平（炉）改转（炉）工程：马钢平（炉）改转（炉）工程： 占地面积1.98万平米，钢结构总重量1.79万吨。 水工钢结构第一章 l称使用荷载较小或跨度不大的结构为 轻型结构。自重是这类结构的主要荷 载，常采用冷弯薄壁型钢或小型钢制 成的轻型钢结构。 l国内跨度最大的轻钢结构是大连某粮 食仓库，l =72m，建筑面积8000m2 ， 结构用钢量49.7kg/m2 。近年来金属拱 型波纹屋盖已用于建筑工程。 水工钢结构第一章 绍兴邮电培训中心大堂 水工钢结构第一章 青岛海尔 鲁能集团 东方航空公司 华北制药集团

13、水工钢结构第一章 l如塔架和桅杆等，它们的高度大，横截面 尺寸较小，风荷载和地震作用常常起主要 作用，自重对结构的影响较大，常采用钢 结构。加拿大多伦多电视塔高553.34米， 目前世界第一。 水工钢结构第一章 水工钢结构第一章 l如水工钢闸门、升船机等，可充分发挥钢结构 重量轻的特点，降低启闭设备的造价和运转所 耗费的动力。 l我国三峡工程的永久船闸采用双线五级连续梯 级船闸，总水级差113m，闸门孔口净宽34m， 每级均采用人字钢闸门，共有12道24扇闸门， 每扇闸门高38.5m，宽20m，重864t。船过船闸 一般需2小时35分钟。 l三峡升船机承船箱长120m，总宽23m，总高10m,

14、 水深3.5m，提升重量可达1.18万吨，提升高度 113m。30分钟过坝，计划2009年建成。 水工钢结构第一章 水工钢结构第一章 如施工用建筑和钢栈桥、流动式展览馆、移 动式平台等，可发挥钢结构重量轻，便于运 输和安装方便的优点。加拿大已建成120多万 吨重，可容5000多人工作的海上采油平台。 水工钢结构第一章 水工钢结构第一章 水工钢结构第一章 可发挥钢结构动力性能好的优点。 10.10.急需早日交付使用的工程或运输急需早日交付使用的工程或运输 条件差的工程条件差的工程 可发挥钢结构施工工期短和重量轻便于运 输的特点。 水工钢结构第一章 钢烟囱（上海宝钢烧结厂钢烟囱高达200多 米）、

15、钢水塔等。 北京“中华世纪坛” 该钢结构圆坛直径 47m，重达1400t，倾斜19.4度，转一周时间 为424小时。 水工钢结构第一章 水工钢结构第一章 重建的“雷峰塔” 2002年10月25 日在杭州落成。 塔总高71.679米， 塔身高45.809米， 地上六层地下二 层总共八层。采 用钢结构框架， 用钢1400t。总 建筑面积6089平 方米。造价1.5亿 元。 水工钢结构第一章 国内最大钢桁架桥为九江长江大桥， l=216m(南京一桥为160m)。江阴长江大桥 为悬索桥，l=1385m，主揽直径866mm，由 20320根直径5.35mm的钢丝组成，两根主揽 总重16800t，钢丝总长

16、10万km。世界第一 为日本明石海峡大桥，l=1991m(1990+1m)。 南京二桥南汊主桥为钢箱梁斜拉桥，主跨 628m，中国第一，世界第三。桥全长 21.197km。 l 水工钢结构第一章 江阴长江大桥江阴长江大桥：主跨：主跨13851385米，主塔高米，主塔高193193米，米， 主缆直径主缆直径86.686.6厘米、长厘米、长22002200米，居悬索桥世米，居悬索桥世 界第四，国内第一。界第四，国内第一。 水工钢结构第一章 上海卢浦大桥目前世界上最大的中承式钢 结构拱桥，总投资约24亿元。该桥主跨550米， 2002年10月12日合龙,03年8月完工。 水工钢结构第一章 伦敦的塔桥

17、：伦敦的塔桥：18941894年建成，此桥的边跨为罕见年建成，此桥的边跨为罕见 的三铰悬挂。悬挂单元于桥面之间是加劲桁架，的三铰悬挂。悬挂单元于桥面之间是加劲桁架， 一方面加强悬挂单元的刚度，另一方面抵抗桥面一方面加强悬挂单元的刚度，另一方面抵抗桥面 的弯矩和剪力。的弯矩和剪力。 水工钢结构第一章 加劲桁架近景加劲桁架近景 水工钢结构第一章 中间铰近景中间铰近景 水工钢结构第一章 水工钢结构第一章 水工钢结构第一章 水工钢结构第一章 水工钢结构第一章 综上所述可见，钢结构是在各种工程 中广泛应用的一种重要的结构形式。 随着我国经济建设的发展和钢产量的 提高，钢结构将会发挥日益重要的作 用。 水

18、工钢结构第一章 一结构设计的目的：任何结构都是为了完成所要求的某一结构设计的目的：任何结构都是为了完成所要求的某 些功能而设计的。工程结构必须具备下列功能：些功能而设计的。工程结构必须具备下列功能： 1安全性安全性：结构在正常施工和正常使用条件下，承受 可能出现的各种作用的能力，以及在偶然事件发生 时和发生后，仍保持必要的整体稳定性的能力。 2适用性适用性：结构在正常使用条件下，满足预定使用 要求的能力。 3耐久性耐久性：结构在正常维护条件下，随时间变化而仍 能满足预定功能要求的能力。 结构的安全性、适用性、耐久性总称为结构的可靠 性。结构设计（计算）的目的是在满足各种预定功能的 前提下，做到

19、技术先进、安全适用、经济合理和确保质 量。要实现这一目的，必须借助于合理的设计方法。 水工钢结构第一章 1影响结构可靠性的因素 对于一般的工程结构，影响结构可靠性的因素 可以归并为荷载效应S（荷载作用引起的结构或构 件的内力、变形等）和结构抗力R （结构或构件 承受荷载效应的能力，如承载力、刚度等）两个 基本变量。 Z = R- S （1- 1） Z结构完成预定功能状态的函数。 Z0结构处于可靠状态； Z0 结构处于失效状态； Z0结构处于临界状态，一旦超过这一状态， 结构将不再能满足设计要求。因此它也称为极限 状态。 水工钢结构第一章 1)结构设计应考虑下列两种极限状态： （1） 承载能力极

20、限状态承载能力极限状态：结构或构件达到 最大承载能力，或达到不适于继续承载的 变形的极限状态。 （2） 正常使用极限状态正常使用极限状态：结构或构件达到 使用功能上允许的某一限值的极限状态。 2)结构可靠度 结构在规定的时间内，在规定 的条件下，完成预定功能的概率(Pr ) 。 Pf =P (z0) Pr = P (z0) =1- Pf 水工钢结构第一章 类别 设计使用年限示例 15临时性结构 225易于替换的结构构件 350普通房屋和构筑物 4100纪念性建筑和特别重要 的结构 水工钢结构第一章 l对于承载能力极限状态采用应力表达式 l正常使用极限状态 4）现行水工、桥梁钢结构专门规范的设计方法容许 应力法（如水利水电工程钢闸门设计规范SL74-95） f QiKQi n i ciKQQGKG )( 2 110 2 1 WWWWW QiK n i ciKQGK /)/( 321 Kfkkkf kk 水工钢结构第一章 l我国的钢产量从1996年起年产已突破1亿吨,2001年1.57 亿吨，2002年预计可达1.8 亿吨。高的钢产量为发展钢 结构提供了主要的物质基础。 l一系列的规范和规程