钢结构基本理论第一章 绪论

1、 钢结构基本理论第一章 绪论1.1 1.1 概述概述1.2 1.2 钢结构的特点钢结构的特点1.3 1.3 钢结构的应用和发展钢结构的应用和发展1.4 1.4 钢结构的设计方法钢结构的设计方法1.1 1.1 概述概述n1、什么是“钢结构”？n定义：钢结构是钢材经过设计、制作和安装而形成的工程结构形式。n2、钢结构与其它结构有何异同？n钢筋混凝土结构 砌体结构 木结构n3、钢结构课与其它专业课之间的关系n钢结构设计需要: 理论基础+工程经验n设计过程：整体结构分析结构力学为基础n单个构件分析材料力学为基础n连接与构造分析结合工程实际n施工图纸与计算书1.2 1.2 钢结构的特点钢结构的特点n（2

2、）钢结构的质量轻；n质强比：a=容重/强度, a越小，结构相对越轻。钢材：a=1.73.710-4/m；木材：a=5.410-4/m； 钢砼：a= 1810-4/m；n质量轻的优点：自重轻可承担更多的外荷载；可减轻基础负荷，降低地基基础成本；方便运输与吊装；n与其它结构相比，钢结构有如下特点：与其它结构相比，钢结构有如下特点：n（1 1）建筑钢材强度高，塑性、韧性好；）建筑钢材强度高，塑性、韧性好；n强度：材料抗破坏能力的大小度量；强度：材料抗破坏能力的大小度量；n塑性：材料变形性能的重要指标；塑性：材料变形性能的重要指标；n韧性：材料抗冲击破坏及抗疲劳能力的指标；韧性：材料抗冲击破坏及抗疲劳

3、能力的指标；要求：要求：理解强度、塑性、韧性的概念，以及其对结构理解强度、塑性、韧性的概念，以及其对结构性能的影响；性能的影响；1.2 1.2 钢结构的特点钢结构的特点1.2 1.2 钢结构的特点钢结构的特点n（3）材质均匀，与力学计算的假定较相符；n材质均匀，接近各向同性，具有良好的塑性性能，接近理想弹塑性体；n与力学计算时对材料的假定比较相符，理论分析的结果可适用于工程实践；力学的理论研究成果可用于工程实践设计；n提示：工程力学中的相关理论，可直接应用于钢结构工程的设计，或进行简单修正后应用，1.2 1.2 钢结构的特点钢结构的特点n（4 4）制作简单，施工周期短，机械化程度及自动化程度高

4、。）制作简单，施工周期短，机械化程度及自动化程度高。n钢结构构件一般工厂里制作，精度高，准确度好，不受外钢结构构件一般工厂里制作，精度高，准确度好，不受外部环境影响；采用机械化加工，自动控制，节约人工成本；部环境影响；采用机械化加工，自动控制，节约人工成本；n现场采用拼接安装，施工速度快，周期短；现场采用拼接安装，施工速度快，周期短；n施工现场作业少，便于质量控制及安全保障；施工现场作业少，便于质量控制及安全保障；n注意：注意：随着我国人力成本的提高，钢结构的总体成本随着我国人力成本的提高，钢结构的总体成本与现与现行混凝土结构相比，差距在减小。行混凝土结构相比，差距在减小。1.2 1.2 钢结

5、构的特点钢结构的特点n（5 5）钢结构密闭性好；）钢结构密闭性好；n材质致密，有良好的水密性和气密性，适用于板壳结材质致密，有良好的水密性和气密性，适用于板壳结构、管道结构及压力容器如油库、气柜等。构、管道结构及压力容器如油库、气柜等。n原因：原因：采用焊接技术，形成密闭结构；采用焊接技术，形成密闭结构；n（6 6）采用螺栓连接的钢结构，方便装、拆。）采用螺栓连接的钢结构，方便装、拆。n活动建筑、临时建筑采用钢结构，便于安装与拆卸。活动建筑、临时建筑采用钢结构，便于安装与拆卸。n原因：原因：采用螺栓连接技术，易于装卸；采用螺栓连接技术，易于装卸；1.2 1.2 钢结构的特点钢结构的特点（7 7

6、）绿色环保，材料回收可循环使用；）绿色环保，材料回收可循环使用；n钢结构达到使用期限后，材料可回收利用，是绿色环钢结构达到使用期限后，材料可回收利用，是绿色环保的材料。保的材料。n对环境的影响小，基本无污染；对环境的影响小，基本无污染；n治金技术的提高，降低了能耗。治金技术的提高，降低了能耗。1.2 1.2 钢结构的特点钢结构的特点n（8 8）钢结构耐腐蚀性差；）钢结构耐腐蚀性差；n钢材生锈：自然潮湿环境下产生锈蚀；钢材生锈：自然潮湿环境下产生锈蚀；n不耐酸不耐碱：不耐酸不耐碱：n正常使用时需采取必要的防护措施：正常使用时需采取必要的防护措施：n防护措施：刷漆、喷漆、镀锌、热浸锌等。防护措施：

7、刷漆、喷漆、镀锌、热浸锌等。n正常使用的维护费用较高。正常使用的维护费用较高。1.2 1.2 钢结构的特点钢结构的特点n（9 9）钢材耐热不耐火；）钢材耐热不耐火；n200200以内时，材料性能基本不变，以内时，材料性能基本不变， 200200以上时，材料性以上时，材料性能变化很大。能变化很大。n尤其是在高温情况下，强度下降很快，发生软化现象，承尤其是在高温情况下，强度下降很快，发生软化现象，承载力迅速降低。载力迅速降低。n隔热措施：隔热措施：钢结构表面受热温度不超过钢结构表面受热温度不超过150150时可不采取措时可不采取措施；超过施；超过150150时，需采取隔热措施；时，需采取隔热措施；

8、n防火措施：防火措施：钢结构对防火要求较高，根据实际防火要求，钢结构对防火要求较高，根据实际防火要求，采取合理的防火措施。采取合理的防火措施。1.2 1.2 钢结构的特点钢结构的特点n（10）钢结构可能发生脆性破坏和失稳现象；钢结构可能发生脆性破坏和失稳现象；n脆性破坏脆性破坏：与塑性破坏相对，破坏前无明显征兆，比较突：与塑性破坏相对，破坏前无明显征兆，比较突然，危害大。然，危害大。 问题：问题：塑性好的钢材为什么会产生脆性破坏？塑性好的钢材为什么会产生脆性破坏？n丧失稳定丧失稳定：钢结构的稳定问题比较突出，而结构或构件的：钢结构的稳定问题比较突出，而结构或构件的失稳往往产生较为严重的后果，需

9、特别注意。失稳往往产生较为严重的后果，需特别注意。n相关内容在后续学习中大家需特别注意。相关内容在后续学习中大家需特别注意。1.2 1.2 钢结构的特点钢结构的特点n总结：了解钢结构的特点的意义总结：了解钢结构的特点的意义n学习过程中，注重特点的具体体现，以便更好地掌握相关学习过程中，注重特点的具体体现，以便更好地掌握相关专业知识，提高对钢结构基本理论知识的理解和应用能力。专业知识，提高对钢结构基本理论知识的理解和应用能力。n在今后的应用中，应做到以下几个方面：在今后的应用中，应做到以下几个方面：n正确选择，合理使用；正确选择，合理使用；n精心设计，扬长避短；精心设计，扬长避短；n精心施工，确

10、保安全；精心施工，确保安全；n注重维护，经济耐久；注重维护，经济耐久；1.3 1.3 钢结构应用与发展钢结构应用与发展n钢结构的应用：钢结构的应用：n（1 1）大跨建筑结构）大跨建筑结构n大会堂、纪念馆等建筑；大会堂、纪念馆等建筑；n体育场、体育馆等建筑；体育场、体育馆等建筑；n展览馆、会展中心等；展览馆、会展中心等；n飞机场、火车站等交通枢纽及桥梁工程；飞机场、火车站等交通枢纽及桥梁工程；n仓库、煤棚、飞机装配车间、飞机库等；仓库、煤棚、飞机装配车间、飞机库等；n结构体系：结构体系：网架、网壳、悬索、拱、张拉体系及网架、网壳、悬索、拱、张拉体系及组合结构体组合结构体系等。系等。1.3 1.3

11、 钢结构应用与发展钢结构应用与发展n（2 2）工业厂房）工业厂房n较大起重设施的重型厂房；（重载）较大起重设施的重型厂房；（重载）n承受动力荷载作用的厂房；（动力荷载）承受动力荷载作用的厂房；（动力荷载）n生产工艺及设备要求大空间的结构体系；生产工艺及设备要求大空间的结构体系；n结构体系：框架结构、排架结构、门式刚架。结构体系：框架结构、排架结构、门式刚架。n注意：注意：目前钢结构厂房广泛采用的轻钢门式刚架结构，其与目前钢结构厂房广泛采用的轻钢门式刚架结构，其与传统重型钢结构厂房的结构体系有较大区别；传统重型钢结构厂房的结构体系有较大区别；1.3 1.3 钢结构应用与发展钢结构应用与发展n（3

12、 3）多高层建筑钢结构）多高层建筑钢结构n多层钢结构多层钢结构n高层钢结构高层钢结构n超高层钢结构超高层钢结构n常用结构体系：常用结构体系：n框架、框架剪力墙、框架支撑结构、框筒、巨型桁架等。框架、框架剪力墙、框架支撑结构、框筒、巨型桁架等。1.3 1.3 钢结构应用与发展钢结构应用与发展n（4 4）高耸结构）高耸结构n桅杆桅杆n电视塔电视塔n烟囱烟囱n输电线塔、微波发射塔输电线塔、微波发射塔n特种结构特种结构n此类结构特点：自重轻、抗风、抗震要求高。此类结构特点：自重轻、抗风、抗震要求高。1.3 1.3 钢结构应用与发展钢结构应用与发展n（5 5）密闭结构。）密闭结构。n高压容器高压容器n煤

13、气柜煤气柜n贮油罐贮油罐n输油管、输水管等输油管、输水管等1.3 1.3 钢结构应用与发展钢结构应用与发展n（6 6）可拆卸、可移动结构）可拆卸、可移动结构n起重运输设备起重运输设备n钻井平台钻井平台n采油井采油井n临时建筑临时建筑1.3 1.3 钢结构应用与发展钢结构应用与发展n（7 7）其它行业中用到的钢结构）其它行业中用到的钢结构n交通运输业中的大跨桥梁结构交通运输业中的大跨桥梁结构n水工结构中的闸门水工结构中的闸门n工业设备的支架（锅炉支架）工业设备的支架（锅炉支架）n航空发射塔航空发射塔n天文望远镜天文望远镜n娱乐设施（伦敦眼、过山车等）娱乐设施（伦敦眼、过山车等）1.3 1.3 钢

14、结构应用与发展钢结构应用与发展n钢结构的发展：n（1 1）新材料：不锈钢，耐候钢，高强钢；）新材料：不锈钢，耐候钢，高强钢；n5050年代：年代：a3a3钢（钢（16q16q）：）：235mpa235mpa；n6060年代：年代：16mn16mn（16mnq16mnq）：）：345mpa345mpa；n7070年代：年代：15mnv15mnv：390mpa390mpa；n改革开放以来：改革开放以来：15mnvnq15mnvnq：450mpa450mpa；ngb50017-2003:q235,q345,q390,q420gb50017-2003:q235,q345,q390,q4201.3 1.

15、3 钢结构应用与发展钢结构应用与发展n（2 2）规范）规范( (程程) )和设计理论的不断完善和设计理论的不断完善n1)1)结构设计结构设计n1 1、钢结构设计规范（、钢结构设计规范（gb 50017-2003gb 50017-2003）；）；n2 2、冷弯薄壁型钢结构术规范（、冷弯薄壁型钢结构术规范（gb 50018-2003gb 50018-2003）；）；n3 3、网架结构设计与施工规程（、网架结构设计与施工规程（jcj7-91jcj7-91）；）；n4 4、门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（、门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（cecs 102:2003cecs 102:2003）；）；n5

16、 5、型钢混凝土组合结构技术规程（、型钢混凝土组合结构技术规程（jgj 138-2001jgj 138-2001）；）；n6 6、钢混凝土组合结构设计规程（、钢混凝土组合结构设计规程（dl/t 5058-1999dl/t 5058-1999）；）；n2)2)施工验收施工验收n1 1、钢结构质量验收规范（、钢结构质量验收规范（gb 50205-2001gb 50205-2001）；）；n2 2、建筑钢结构焊接与验收规程（、建筑钢结构焊接与验收规程（jgj 81-91jgj 81-91）；）；n3 3、钢管混凝土结构设计施工规程（、钢管混凝土结构设计施工规程（9082-979082-97）1.3

17、1.3 钢结构应用与发展钢结构应用与发展n（3 3）新体系、新理论：组合结构，轻钢，索膜；）新体系、新理论：组合结构，轻钢，索膜；n钢钢- -混凝土组合结构：混凝土组合结构：n组合梁：组合梁： 简支、连续、刚接、组合扁梁简支、连续、刚接、组合扁梁n组合柱：组合柱： 钢管混凝土柱、劲性钢管混凝土柱、劲性( (钢骨钢骨) )混凝土柱混凝土柱n组合楼板：压型钢板组合梁、叠合板组合梁、现浇组合梁组合楼板：压型钢板组合梁、叠合板组合梁、现浇组合梁n（4 4）建筑结构一体化：新颖结构形式表现建筑。）建筑结构一体化：新颖结构形式表现建筑。1.4 1.4 钢结构的设计方法钢结构的设计方法钢结构计算方法经历四阶

18、段钢结构计算方法经历四阶段n上世纪初到上世纪初到5050年代年代：总安全系数的容许应力法总安全系数的容许应力法（5454规范）规范）n5050年代中期到年代中期到7070年代中期：年代中期：基于三系数的极限状态设计法基于三系数的极限状态设计法（前苏联（前苏联5555版规范）版规范）n7070年代中期到年代中期到8080年代末期：基于极限状态、多系数分析的单年代末期：基于极限状态、多系数分析的单一安全系数考虑调整系数的新一安全系数考虑调整系数的新容许应力法容许应力法（7474规范）规范）n8080年代末期到现在：二阶矩法。年代末期到现在：二阶矩法。以概率论为基础的极限状态以概率论为基础的极限状态

19、设计方法设计方法，并以分项系数设计表达式进行计算。（，并以分项系数设计表达式进行计算。（8888规范、规范、20032003规范）规范）1.4 1.4 钢结构的设计方法钢结构的设计方法一、钢结构设计方法的演变一、钢结构设计方法的演变1.1.容许应力方法容许应力方法 从从2020世纪初到世纪初到2020世纪世纪5o5o年代，钢结构采用安全系数法设计，即年代，钢结构采用安全系数法设计，即: :nn-n-构件截面的内力；构件截面的内力；a-a-构件截面几何特征；构件截面几何特征；nf-f-钢材的最大强度；钢材的最大强度；k-k-大于大于1 1的安全系数；的安全系数；n-钢材的容许应力。钢材的容许应力

20、。) 11 (kfan1.4 1.4 钢结构的设计方法钢结构的设计方法n2.概率极限状态设计方法n(1) 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，此特定状态称为结构的极限状态。n(2) 极限状态分为两类：na.承载能力极限状态包括：强度破坏、疲劳破坏、不适于继续承载的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等。nb.正常使用极限状态包括：影响正常使用或外观的变形、影响正常使用的振动、影响正常使用的或耐久性的局部破坏等。1.4 1.4 钢结构的设计方法钢结构的设计方法(3) (3) 根据应用概率分析的程度不同，可分为三种水准：根据应用概率分析的程度不同，可分为三种水

21、准： 半概率极限状态设计方法半概率极限状态设计方法; ; 近似概率极限状态设计方法近似概率极限状态设计方法; ; 全概率设计方法全概率设计方法。 a. a. 半概率极限状态设计方法半概率极限状态设计方法; ; 1). 1).三系数法三系数法（当时称为（当时称为计算极限状态法计算极限状态法） 19571957年至年至19731973年我国钢结构设计采用半概率的分项系数法年我国钢结构设计采用半概率的分项系数法, ,结构设计中引入三个结构设计中引入三个分项系数，即分项系数，即: : 荷载分项系数荷载分项系数-考虑荷载的不定性考虑荷载的不定性; ; 材料分项系数材料分项系数-考虑材料的不均性考虑材料的

22、不均性; ; 工作条件系数工作条件系数-考虑结构及构件的工作特点以及某些假定的计算简图与实际情况考虑结构及构件的工作特点以及某些假定的计算简图与实际情况不完全相符等因素。不完全相符等因素。1.4 1.4 钢结构的设计方法钢结构的设计方法n2) 2) 半经验半概率极限状态设计法半经验半概率极限状态设计法( (容许应力法）容许应力法）n n n-n-构件截面的内力；构件截面的内力；n a-a-构件截面几何特征；构件截面几何特征；n k1-k1-荷载系数；荷载系数；n k2-k2-材料系数材料系数; ;n k3- k3-调整系数；调整系数；n fyk-fyk-钢材的屈服强度标准值；钢材的屈服强度标准

23、值；n -钢材容许应力钢材容许应力)21 (321?kfkkkfanykyk1.4 1.4 钢结构的设计方法钢结构的设计方法b b、近似概率极限状态设计法、近似概率极限状态设计法 （现行钢结构设计规范（现行钢结构设计规范(gb50017(gb500172003)2003)采用的方法。）采用的方法。） 结构的工作性能可用结构的结构的工作性能可用结构的“功能函数功能函数”来描述：来描述： z zg g（x x1 1，x x2 2，x xn n） （1 1 3 3） 式中：式中： g g（）-结构的功能函数；结构的功能函数； x xi i(i(i1 1，2,2,n)-,n)-影响结构可靠性的各物理量

24、。影响结构可靠性的各物理量。 1.4 1.4 钢结构的设计方法钢结构的设计方法n将各因素概括为两个综合随机变量将各因素概括为两个综合随机变量-结构的抗力结构的抗力r r、n作用效应作用效应s s，则公式（，则公式（1-31-3）可以写成：）可以写成：n z zg g（r r，s s）r rs s （1-41-4）n在实际工程结构中，可能出现下列三种情况：在实际工程结构中，可能出现下列三种情况：n z z0 0表示结构处于可靠状态；表示结构处于可靠状态；n z z0 0表示结构处于极限状态表示结构处于极限状态n z z0 0表示结构处于失效状态；表示结构处于失效状态；n判断结构是否可靠，要看结构

25、是否达到极限状态，判断结构是否可靠，要看结构是否达到极限状态，n为此，通常将下式：为此，通常将下式：n z zg(rg(r，s)s)r rs s0 (1-5)0 (1-5)n称为极限状态方程。称为极限状态方程。 1.4 1.4 钢结构的设计方法钢结构的设计方法结构能完成预定功能的概率结构能完成预定功能的概率( (可靠度可靠度) )用用p ps s表示，则：表示，则：p ps spz0 pz0 （1-61-6）结构不能完成预定功能的概率结构不能完成预定功能的概率( (失效概率失效概率) )用用p pf f表示，则：表示，则：p pf fpz0pz0 （1-71-7）由于事件由于事件z0z0与事件

26、与事件zz0 0是对立事件，所以结是对立事件，所以结构的可靠度与结构的失效概率满足构的可靠度与结构的失效概率满足: : p ps s p pf f 1 1 或或 p ps s1- p1- pf f （1-81-8） 因为因为r r和和s s都是随机变量，且假定都服从正态分布，由都是随机变量，且假定都服从正态分布，由 概率论原理知功能函数概率论原理知功能函数 z=r-s z=r-s 也服从正态分布也服从正态分布, ,则则: :)91()()0(0dzzfzppff(z)f(z)p pf fz zz z 的概率密度曲线的概率密度曲线z=r-sz=r-s z)111()101(22 srzsrz 令

27、：令：z z、r r、s s的平均值分别为的平均值分别为 z z、r r、s s，标准差分，标准差分 别为别为z z、r r、s s，则，则: : 因因z z0 0，故：，故： f(z)f(z)z zz z 的概率密度曲线的概率密度曲线p pf fzz=r-sz=r-s)121(00zzzzfzffzpzpzp)151()()141()1(1 ffppzzz 因因 服从标准正态分布，故上式又可写成服从标准正态分布，故上式又可写成：式中式中: : ()-)-标准正态函数；标准正态函数；-1-1( ()-)-标准正态函数标准正态函数 的反函数的反函数。)131(0 zzffzzzpzp则则：令令：

28、n从图中可以看出从图中可以看出与失效概率与失效概率p pf f 间存在着一一对应关系间存在着一一对应关系, ,即即: : 1). 1).减小时，阴影部分减小时，阴影部分 的面积增大，即失效概的面积增大，即失效概 率率p pf f增大；增大； 2).2).增大时，阴影部分增大时，阴影部分 的面积减少，亦即失效的面积减少，亦即失效 概率概率p pf f减小。减小。n说明说明可以作为衡量结构可靠度可以作为衡量结构可靠度n的一个数量指标。的一个数量指标。可靠度指标可靠度指标f(z)f(z)z zz z 的概率密度曲线的概率密度曲线p pf fzz=r-sz=r-sfp 标准正态分布时标准正态分布时 与

29、与 的对应值的对应值 pf4.04.03.17x103.17x10-5-53.73.71.08x101.08x10-4-43.23.26.87x106.87x10-4-41.35x101.35x10-3-33.03.0 的计算的计算: :将式将式(1-10)(1-10)、(1-11)(1-11)代入代入的定义的定义式得：式得：)161(22 srsrrz 1.4 1.4 钢结构的设计方法钢结构的设计方法c.c.全概率设计法全概率设计法 对结构的各种基本变量均采用随机变量或随机过程来描述，对结对结构的各种基本变量均采用随机变量或随机过程来描述，对结构进行精确的概率分析，求得结构最优失效概率作为结

30、构可靠度的直构进行精确的概率分析，求得结构最优失效概率作为结构可靠度的直接度量。接度量。三、钢结构设计表达式三、钢结构设计表达式 a. a. 采用以概率理论为基础的极限状态设计方法采用以概率理论为基础的极限状态设计方法( (疲劳问题除外疲劳问题除外) )，用，用分项系数的表达式进行计算；分项系数的表达式进行计算； b. b. 结构的可靠度用可靠度指标来度量，并以分项系数的形式考虑。结构的可靠度用可靠度指标来度量，并以分项系数的形式考虑。1.4 1.4 钢结构的设计方法钢结构的设计方法（一）按承载能力极限状态设计一）按承载能力极限状态设计 应考虑荷载效应的基本组合或偶然组合进行荷应考虑荷载效应的

31、基本组合或偶然组合进行荷 载（效应）组合，采用下列表达式设计：载（效应）组合，采用下列表达式设计：式中：式中：o o-结构重要性系数；结构重要性系数； s -s -荷载效应（组合）的设计值；荷载效应（组合）的设计值； r -r -钢结构构件或连接材料抗力的设计值。钢结构构件或连接材料抗力的设计值。)171 (0 rs荷载效应组合如下：)181(211 ssssqikciqinikqqgkg 2.2.由永久荷载效应控制的组合由永久荷载效应控制的组合：)191(1sssqikciqinigkg3.3.荷载分项系数取值如下荷载分项系数取值如下：1.1.由可变荷载效应控制的组合：由可变荷载效应控制的组

32、合：1.4 钢结构的设计方法钢结构的设计方法1.4 1.4 钢结构的设计方法钢结构的设计方法（1 1）永久荷载分项系数）永久荷载分项系数 当其效应对结构不利时当其效应对结构不利时 -对可变荷载效应控制的组合，应取对可变荷载效应控制的组合，应取1.2;1.2; - -对永久荷载效应控制的组合，应取对永久荷载效应控制的组合，应取1.35;1.35; 当其效应对结构有利时当其效应对结构有利时 -一般情况下应取一般情况下应取1.01.0； -对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.90.9。（2 2）可变荷载的分项系数）可变荷载的分项系数 -一般情况下应取一般情况下应取1.41.4； -对标准值大于对标准值大于4kn/m4kn/m2 2的工业房屋楼面结构的的工业房屋楼面结构的