第一章钢结构概述(2011.8.29)

1、山东理工大学山东理工大学建筑工程学院建筑工程学院 史史 萍萍 4.4.了解杆件和板件稳定的基本理论，了解杆件和板件稳定的基本理论，理解影响稳定性理解影响稳定性的主要因素及提高稳定性的措施；的主要因素及提高稳定性的措施；3.3.掌握钢结构用钢的主要性能及其主要影响因素，并掌握钢结构用钢的主要性能及其主要影响因素，并能正确地选择钢材；能正确地选择钢材；2.2.了解了解“钢结构钢结构”的计算方法；的计算方法；1.1.了解钢结构的应用和发展概况了解钢结构的应用和发展概况, ,掌握钢结构的特点；掌握钢结构的特点；本课程的基本要求本课程的基本要求5. 5. 掌握各种连接（焊接、螺栓连接）和各类构件掌握各种

2、连接（焊接、螺栓连接）和各类构件( (梁、梁、柱柱) )的工作性能、破坏特征及其设计的基本方法。的工作性能、破坏特征及其设计的基本方法。6.6.理解构件间的连接方法、力的传递方式和过程以及理解构件间的连接方法、力的传递方式和过程以及构造原则；构造原则；教学参考书及规范教学参考书及规范:1.1.钢结构钢结构 魏明钟魏明钟 主编主编 武汉工业大学出版社武汉工业大学出版社2.2.钢结构设计规范钢结构设计规范 （GB50017-2003)GB50017-2003)7.7.熟悉与土木工程相关的钢结构设计规范。熟悉与土木工程相关的钢结构设计规范。3.3.钢结构工程施工质量验收规范钢结构工程施工质量验收规范

3、 （GB50205-2001)GB50205-2001)第一章第一章 钢结构概论钢结构概论大纲要求大纲要求1. 1. 掌握钢结构的特点和钢结构的应用范围掌握钢结构的特点和钢结构的应用范围；2 2了解钢结构按极限状态的设计方法；3 3了解钢结构在我国的发展趋势。了解钢结构在我国的发展趋势。 鸟巢所用钢材名为鸟巢所用钢材名为Q460EZ235Q460EZ235，这种钢的强度是普通钢材的两倍，性能达，这种钢的强度是普通钢材的两倍，性能达到最高级别，而这种钢材完全由我国自主创新研究出来。到最高级别，而这种钢材完全由我国自主创新研究出来。 Q460EZ235Q460EZ235是顶级建筑用钢，是顶级建筑用

4、钢，“460”460”指的是钢材的强度，这表明这种钢指的是钢材的强度，这表明这种钢的强度是普通钢材的两倍，的强度是普通钢材的两倍，“E”E”指的是负指的是负4040度的冲击韧性指标，这表明此钢度的冲击韧性指标，这表明此钢的韧性十足，而的韧性十足，而“Z235”Z235”则表明鸟巢钢材的性能是最高级的。则表明鸟巢钢材的性能是最高级的。 按照我国钢材标准，强度为按照我国钢材标准，强度为420420的钢材可满足普通建筑用钢标准，而鸟巢的钢材可满足普通建筑用钢标准，而鸟巢的用钢总量极大，重量也超出想象，因此，的用钢总量极大，重量也超出想象，因此，420420强度的钢不能满足鸟巢的需求，强度的钢不能满足

5、鸟巢的需求，因此，必须采用超出我国现有标准的钢材。因此，必须采用超出我国现有标准的钢材。1.1 1.1 钢结构的定义和特点钢结构的定义和特点1.1.轻质高强轻质高强; ; 由于钢材强度高，结构需要的由于钢材强度高，结构需要的构件截面小构件截面小, ,结构自重轻。结构自重轻。 a=a=容重容重/ /强度强度, a, a越小，结构相越小，结构相对越轻。对越轻。 钢材：钢材：a=1.7a=1.73.73.71010-4/-4/m m； 木材：木材：a=5.4a=5.41010-4/-4/m m； 钢砼：钢砼：a= 18a= 181010-4/-4/m m；一、钢结构的特点一、钢结构的特点澳大利亚啤酒

6、中心澳大利亚啤酒中心拱结构 2.2.钢材的钢材的塑性塑性好，好，韧度韧度高；高； 塑性塑性和和韧度韧度是概念上完全不同的两个物理量。是概念上完全不同的两个物理量。 塑性塑性承受静力荷载时，材料吸收变形能的能力承受静力荷载时，材料吸收变形能的能力。 塑性好，会使结构一般情况下不会由于偶然超载而塑性好，会使结构一般情况下不会由于偶然超载而 突然断裂，给人以安全保证；突然断裂，给人以安全保证； 韧度韧度承受动力荷载时，材料吸收能量的多少。承受动力荷载时，材料吸收能量的多少。 韧性好，说明材料具有良好的动力工作性能。韧性好，说明材料具有良好的动力工作性能。 3.3.材质均匀、各向同性，接近理想的弹塑性

7、体，与力材质均匀、各向同性，接近理想的弹塑性体，与力 学假定符合较好学假定符合较好; ; 钢材屈服前看作弹性材料钢材屈服前看作弹性材料, ,屈服以后看作塑性屈服以后看作塑性或弹塑性材料或弹塑性材料4 4. .制造简便，施工方便，具有良好的装配性制造简便，施工方便，具有良好的装配性; ; 国国家家大大剧剧院院屋屋架架安安装装钢结构住宅钢结构住宅5 5、密闭性好，不渗漏。密闭性好，不渗漏。6 6、钢材耐腐蚀性差、钢材耐腐蚀性差; ;7 7、钢材耐热性好，耐火性差钢材耐热性好，耐火性差; ; 当结构表面长期受辐射热达当结构表面长期受辐射热达150150以上或在短时间内以上或在短时间内可能受到火焰作用

8、时，须采用隔热和防火措施。可能受到火焰作用时，须采用隔热和防火措施。二、钢结构的应用范围二、钢结构的应用范围1.1.大跨度结构大跨度结构网架结构拱结构桥梁天津体育场天津体育场千年穹顶千年穹顶西班牙迪加航空港上海会展中心单层厂房单层厂房多层工业厂房多层工业厂房2. 2. 工业厂房工业厂房金陵石化总厂金陵石化总厂3. 3. 承受动力荷载及承受动力荷载及 地震作用的结构地震作用的结构地王大厦地王大厦4.高层建筑与高耸结构高层建筑与高耸结构金金茂茂大大厦厦8888层层420420米米东京千年塔东京千年塔5 5. .道路、桥梁结构道路、桥梁结构6 6. .水利、水工结构水利、水工结构海上石油平台海上石油

9、平台(1).(1).波纹拱壳结构波纹拱壳结构7. 轻型钢结构轻型钢结构( (2 2) ) 门式刚架结构门式刚架结构（3 3）多层轻型房屋建筑）多层轻型房屋建筑活动车库活动车库8 8. .可拆卸、移动房屋及可拆卸、移动房屋及 移动结构移动结构9.9.构筑物构筑物10.10.建筑小品建筑小品结构必须满足的功能：1）承受正常施工和正常使用时可能出现的各种情况：荷载、温度变化、基础不均匀沉降、地震作用等； 2）正常使用情况下结构具有良好的工作性能；3）正常维护下结构具有足够的耐久性；4）偶然事件发生时及发生后保持必需的整体稳定性。三三 钢结构的设计方法钢结构的设计方法 3.1 概率极限状态设计方法 极

10、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。 结构的极限状态可以分为下列两类： 承载能力极限状态 对应于结构或结构构件达到最大承载能力或是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 对应于结构或结构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或影响外观的变形，出现影响正常使用或耐久性能的局部损坏以及影响正常使用的振动。 三三 钢结构的设计方法钢结构的设计方法3.1 概率极限状态设计方法结构的功能函数： Zg(R，S)R-S R结构构

11、件的抗力S 荷载效应R 、S是随机变量，其函数Z也是一个随机变量。在实际工程中，可能出现下列三种情况：Z0 结构处于可靠状态；Z0 结构达到临界状态，即极限状态；Z0 结构处于失效状态。 3.1 概率极限状态设计方法结构的可靠度：结构在规定的时间内、规定的条件下，完成预定功能的概率。“完成预定功能”就是对于规定的某种功能结构不失效(Z0)。以 表示结构的可靠度，则上述定义可表达为： 结构的失效概率以 表示，则 由于事件(Z0)件(Z0)是对立的，所以结构可靠度与结构的失效概率符合下式：sp)0(Zpps)0(Zppffp1fspp3.2 设计表达式 钢结构设计规范除疲劳计算外，采用以概率理论为

12、基础的极限状态设计方法，用分项系数的设计表达式进行计算。以简单的荷载情况为例，分项系数设计式： 抗力标准值(由材料强度标准值和截面公称尺寸计算而得)； 按标准值计算的永久荷载(G)效应值； 按标准值计算的可变荷载(Q)效应值； 分项系数。QKQGKGRKSSRKRGKSQKS3.2 设计表达式建筑结构可靠度设计统一标准经过计算和分析，规定出在一般情况下荷载分项系数： 1.2； 1.4 当永久荷载效应与可变荷载效应异号时，这时永久荷载对设计有利(如屋盖当风的作用而掀起时)，应取： 1.0； 1.4GGQQ3.2 设计表达式承载能力极限状态荷载效应的基本组合按下列设计表达式中最不利值确定：可变荷载

13、效应控制的组合： 永久荷载效应控制的组合： 结构重要性系数，安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件，不应小于1.1；安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件，不应小于1.0；安全等级为三级或设计使用年限为5年结构构件，不应小于0.9；fniQiKciQiKQQGKG2110fniQiKciQiGKG100 永久荷载标准值在结构构件截面或连接中产生的应力； 起控制作用的第1个可变荷载标准值在结构构件截面或连接中产生的应力（该值使计算结果为最大）； 其他第i个可变荷载标准值在结构构件截面或连接中产生的应力； 永久荷载分项系数，当永久荷载效应对结构构件的承载力不利时取1.2，但

14、对由永久荷载效应控制的组合则取1.35。当永久荷载效应对结构构件的承载力有利时取1.0；验算结构倾覆、滑移或漂浮时取0.9； 、 第1个和其他第i个可变荷载分项系数，当可变荷载效应对结构构件的承载力不利时取1.4(当楼面活荷载大于4.0时，取1.3)；有利时，取为0。GKKQ1QiKG1QQi3.2 设计表达式对于一般排架、框架结构，可采用简化式计算，由可变荷载效应控制的组合： 由永久荷载效应控制的组合，按下式进行计算 简化式中采用的荷载组合值系数，一般情况下可采用0.9；当只有1个可变荷载时，取为1.0。 fniQiKQiGKG10fniQiKciQiGKG103.2 设计表达式正常使用极限

15、状态：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： 永久荷载的标准值在结构或构件中产生的变形值； 起控制作用的第1个可变荷载的标准值在结构或构件中产生的变形值(该值使计算结果为最大)； 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； 结构或构件的容许变形值。 niQiKciKQGK21GKKQ1QiK 3.2 设计表达式钢结构设计用应力表达，采用钢材强度设计值。强度设计值( f )：钢材的屈服点( )除以抗力分项系数，如Q235抗拉强度设计值为 ；Q235的 1.087；Q345、Q390和Q420钢的 1.

16、111。 yf087. 1/yff RR四 钢结构的发展 材料 先是铸铁、锻铁，后是钢, 高强度钢。 连接方式 在生铁和熟铁时代是销钉连接，19世纪初采用铆钉连接，20世纪初有了焊接连接，目前多采用高强度螺栓连接。 结构形式 先是桥梁、塔，后是工业及民用房屋和水工结构以及板结构，如高炉、储液库、储气库等。钢结构设计规范 88规范与 74规范比较，除对一些问题进行合理改进外，还增加了新的内容。现行规范(GB500l 7) 在设计方法上有所改进和提高。 (1)发展高强度低合金钢材 除Q235、Q345、Q390钢外，增加了Q420钢，但后者应用于钢结构尚有待进一步研究。钢材品种也有所增加。 （2）改进钢结构的设计方法 采用以概率理论为基础的极限状态设计法，主要表现在不是采用经验的安全系数，而是根据各