钢结构第一章绪论课件

1、钢结构钢结构Steel Structure目的：目的： 掌握钢结构材料性能，连接掌握钢结构材料性能，连接 计算计算、轴心受力、受弯、压弯构、轴心受力、受弯、压弯构 件、桁架与屋盖结构设计的基本件、桁架与屋盖结构设计的基本 理论和方法。理论和方法。第一章第一章 绪论绪论 掌握：掌握： 轻型钢架轻型钢架 重型厂房结构重型厂房结构 多高层结构多高层结构 设计特点。设计特点。第一节第一节 钢结构特点及应用钢结构特点及应用钢结构：用钢板和型钢制成构件，钢结构：用钢板和型钢制成构件， 并连接成结构体系。并连接成结构体系。钢结构特点：钢结构特点： 1 1、高强度、良好塑性和韧性、高强度、良好塑性和韧性 高强

2、度高强度 钢材：铁碳合金高强来自于纯铁和碳钢材：铁碳合金高强来自于纯铁和碳元素及合金元素（锰、钒）含量关系元素及合金元素（锰、钒）含量关系含碳量含碳量 0.25% 0.25-0.60% 0.60% 0.25% 0.25-0.60% 0.60% 低碳钢低碳钢 中碳钢中碳钢 高碳钢高碳钢 标准强度比较：标准强度比较： 结构钢结构钢Q345 Q345 混凝土混凝土C60C60 抗压强度抗压强度 340 340 MPaMPa 36 36 MPaMPa 峰值应变峰值应变 0.200 0.00150.200 0.0015塑性：达到塑性屈服极限后，仍然产生大量塑性：达到塑性屈服极限后，仍然产生大量 变形，通

3、过消耗塑性功，保持高应力状态。变形，通过消耗塑性功，保持高应力状态。韧性：动荷载下构件吸收能量强弱的性能。韧性：动荷载下构件吸收能量强弱的性能。受压构件破坏模式主要为失稳模式受压构件破坏模式主要为失稳模式 杆件抗拉承载力大于或等于抗压承载力杆件抗拉承载力大于或等于抗压承载力 NN压拉2 2、均质、接近各向同性，力学计算与工程实、均质、接近各向同性，力学计算与工程实 际较符合，离散率小。际较符合，离散率小。3 3、制造简便，工期短。、制造简便，工期短。4 4、质量轻，自重小。、质量轻，自重小。 因强度高，钢结构断面小、自重和地震惯因强度高，钢结构断面小、自重和地震惯 性力小。性力小。5 5、耐腐

4、蚀性差、耐腐蚀性差 锈蚀、酸雨腐蚀锈蚀、酸雨腐蚀6 6、耐热不耐火、耐热不耐火 温度环境：温度环境：100100强度不变强度不变; 200; 200徐徐 变；变；600 600 承载能力完全丧失。承载能力完全丧失。钢结构应用：钢结构应用：v厂房结构厂房结构v大跨度结构大跨度结构v多层、高层结构多层、高层结构v塔桅结构塔桅结构v壳体结构壳体结构v桥梁结构桥梁结构v各种轻钢结构房屋各种轻钢结构房屋工业厂房建筑工业厂房建筑厂房结构厂房结构厂房柱、吊车梁与屋盖厂房柱、吊车梁与屋盖厂房结构厂房结构航站楼大跨钢管桁屋架航站楼大跨钢管桁屋架大跨度结构大跨度结构会堂波形曲梁屋盖会堂波形曲梁屋盖大跨度结构大跨度

5、结构多层房屋多层房屋钢结构住宅钢结构住宅多层房屋多层房屋住宅钢结构住宅钢结构高层钢结构上海环球金融中心 结构形式：由核心筒结构、结构形式：由核心筒结构、 巨型柱、巨型斜撑和桁巨型柱、巨型斜撑和桁 架组成。架组成。 总建筑面积：总建筑面积： 38.1638.16万平方米万平方米 建筑主体高度：建筑主体高度： 492492米米 地上地上101101层，地下层，地下3 3层层用钢总量用钢总量6.26.2万吨万吨天津云坛花园大厦天津云坛花园大厦总建筑面积：总建筑面积： 160,000 m160,000 m2 2结构形式：结构形式： 高层钢结构高层钢结构高高4343层层, , 185.8 m 185.8

6、 m塔桅结构塔桅结构电视发射塔电视发射塔网壳结构网壳结构球形网壳结构球形网壳结构桥梁结构桥梁结构钢拱提篮桥钢拱提篮桥桥梁结构桥梁结构斜拉索桥斜拉索桥鸟巢钢结构鸟巢钢结构北京奥运会主体育场北京奥运会主体育场项目工程概况项目工程概况瑞士赫尔佐格和瑞士赫尔佐格和 德梅隆设计事务所德梅隆设计事务所ARUPARUP工程顾问公司工程顾问公司中国建筑设计研究院中国建筑设计研究院 共同设计共同设计鸟巢钢结构鸟巢钢结构场馆名称：国家体育场场馆名称：国家体育场建筑面积：建筑面积：25.8 25.8 万万M M结构形式：钢结构结构形式：钢结构座席数：座席数：9100091000赛时功能：赛时功能： 20082008

7、年奥运会年奥运会 开、闭幕式开、闭幕式 田径、足球田径、足球鸟巢钢结构鸟巢钢结构鸟巢建筑顶面呈鞍形鸟巢建筑顶面呈鞍形长轴长轴332.3332.3米，短轴米，短轴296.4296.4米米最高点最高点68.568.5米，最低点米，最低点42.842.8米米鸟巢钢结构鸟巢钢结构空间结构新颖，空间结构新颖，建筑和结构浑然建筑和结构浑然一体，独特、美一体，独特、美观。观。形态象征孕育生形态象征孕育生命的命的“巢巢”和摇篮，和摇篮，寄托人类对未来寄托人类对未来的希望。的希望。鸟巢钢结构体育场主体由一系列钢桁架围绕碗状坐席区编制而成鸟巢钢结构看台部分采用钢筋看台部分采用钢筋混凝土框架一剪力混凝土框架一剪力墙

8、结构体系，与大墙结构体系，与大跨度钢结构完全分跨度钢结构完全分开。开。鸟巢钢结构鸟巢钢结构建筑立面与结构统建筑立面与结构统一在一起，形成格一在一起，形成格栅结构；栅结构；格栅由格栅由1.2M1.2M* *1.2M1.2M银色钢构件组成，银色钢构件组成，如同金属树枝编制如同金属树枝编制的巨大鸟巢；的巨大鸟巢； 鸟巢钢结构鸟巢钢结构交叉布置的主桁交叉布置的主桁架与屋面及立面架与屋面及立面的次结构一起形的次结构一起形成了成了“鸟巢鸟巢” ” 建建筑造型，具有很筑造型，具有很强的震撼力和视强的震撼力和视觉冲击力。觉冲击力。鸟巢钢结构鸟巢钢结构结构内力计算结构内力计算v计算软件：计算软件：ANSYSAN

9、SYSv计算内容：计算内容： 静力计算静力计算 动力计算动力计算（振型分解反应谱法）（振型分解反应谱法） 钢结构设计的基本要求钢结构设计的基本要求结构有足够有强度、刚度和稳定性，结构有足够有强度、刚度和稳定性， 安全可靠安全可靠符合建筑物使用要求，有良好耐久性符合建筑物使用要求，有良好耐久性尽量节约钢材，缩短制造、安装周期尽量节约钢材，缩短制造、安装周期结构便于运输与维护结构便于运输与维护力求美观力求美观美国明尼苏达州美国明尼苏达州I I35W35W跨河大桥垮塌跨河大桥垮塌20072007年年8 8月月1 1日日150150米的桥段米的桥段分成三截分成三截美国明尼苏达州美国明尼苏达州I I35

10、W35W跨河大桥垮塌跨河大桥垮塌事故原因：事故原因：结构性损伤结构性损伤关键螺栓丢关键螺栓丢失金属结构失金属结构老化生锈。老化生锈。承重结构为钢桁架结构承重结构为钢桁架结构美国明尼苏达州美国明尼苏达州I I35W35W跨河大桥垮塌跨河大桥垮塌支撑桥面的钢桁架结构支撑桥面的钢桁架结构第二节第二节 钢结构体系及组成钢结构体系及组成一一. .单层厂房单层厂房 钢结构钢结构1. 1. 平面承重平面承重 结构结构桁架（梁）桁架（梁） 角钢杆件角钢杆件柱柱 型钢柱型钢柱吊车梁吊车梁 型钢梁型钢梁 吊车吊车 组合钢梁组合钢梁基础基础 独立杯形独立杯形2. 2. 网架网架平面网架平面网架 双层平板网架双层平板

11、网架倒置四角锥倒置四角锥 网状筒拱：网状筒拱： 由两组倾斜于房屋由两组倾斜于房屋 轴线的斜拱、一组轴线的斜拱、一组 垂直于轴线的拱肋垂直于轴线的拱肋 和平行纵轴杆件联和平行纵轴杆件联 接。接。 垂直与倾斜房垂直与倾斜房 屋轴线的拱肋屋轴线的拱肋 平行纵轴杆件平行纵轴杆件 曲面网壳曲面网壳网状筒拱网状筒拱拱肋：拱肋： 钢管钢管 H H型钢（隧道）型钢（隧道）联接杆件联接杆件: : 直径较小钢管直径较小钢管 槽钢槽钢 角钢角钢 曲面网壳曲面网壳穹顶网壳结构穹顶网壳结构由拱肋、环梁（杆）、斜撑组成由拱肋、环梁（杆）、斜撑组成悬索桥悬索桥（因岛）（因岛）3. 3. 索结构索结构悬索桥塔与主梁断面悬索桥

12、塔与主梁断面悬索只能承受拉力，不发生失稳，悬索只能承受拉力，不发生失稳，钢材强度充分利用钢材强度充分利用4. 4. 钢桁梁结构钢桁梁结构钢桁梁桥结构钢桁梁桥结构钢桁梁桥钢桁梁桥横断面横断面1. 1. 高层钢结构建筑体系高层钢结构建筑体系 刚架框撑结构刚架框撑结构 荷载：水平力、竖向力荷载：水平力、竖向力 构件：梁、柱、中心支撑构件：梁、柱、中心支撑 水平桁架、垂直桁架水平桁架、垂直桁架二二. . 多层、高层房屋多层、高层房屋 钢结构钢结构 内力计算：内力计算：竖向力构件内力用分层法计算竖向力构件内力用分层法计算水平力产生的构件内力用底部剪力法水平力产生的构件内力用底部剪力法 或振型分解反应谱法

13、、反弯点法和或振型分解反应谱法、反弯点法和D D值值 法计算。法计算。 地震荷载计算：地震荷载计算： 结构高度小于等于结构高度小于等于40m40m采用底部剪力法，采用底部剪力法， 大大40m40m采用振型分解反应谱法。采用振型分解反应谱法。柱：型钢柱：型钢、H H 箱形、钢管砼箱形、钢管砼梁：型钢梁：型钢、H H支撑：角钢、槽支撑：角钢、槽 钢、钢板、钢、钢板、 H H钢、箱形钢、箱形楼盖：压型钢板楼盖：压型钢板V V、W W，现浇混凝土，栓，现浇混凝土，栓钉钉墙板：墙板： 非承重墙：轻质非承重墙：轻质混凝土砌块墙混凝土砌块墙 承重墙：承重墙：钢板剪力墙；钢板剪力墙；中心支撑钢板剪力墙中心支撑

14、钢板剪力墙2. 2. 筒式结构筒式结构 房屋周围柱子密集排列，房屋周围柱子密集排列， 形成空间刚架式筒体。形成空间刚架式筒体。纽约世贸大厦纽约世贸大厦110110层层 410 m410 m外筒抵抗水平侧力外筒抵抗水平侧力内筒承受竖向力内筒承受竖向力成束筒成束筒 束筒共同承受竖束筒共同承受竖 向力和水平力向力和水平力芝加哥西尔斯大厦芝加哥西尔斯大厦110110层层 443m443m钢结构体系高度钢结构体系高度钢结构构件种类：钢结构构件种类： 受拉构件受拉构件: : 索、拉杆索、拉杆 受压柱：轴心受压柱受压柱：轴心受压柱 纯弯构件纯弯构件: : 梁梁 压弯构件：偏心受压柱压弯构件：偏心受压柱 桁架

15、及网架：二力杆桁架及网架：二力杆 连接件：焊缝、螺栓、节点板连接件：焊缝、螺栓、节点板第三节第三节 钢结构钢结构计算方法计算方法一一. . 结构功能要求结构功能要求（1 1）能够承受施工与使用荷载、）能够承受施工与使用荷载、 温度应力、基础沉降、地震，温度应力、基础沉降、地震， 保持整体稳定性；保持整体稳定性； （安全性）（安全性）（2 2）足够的刚度）足够的刚度: :正常使用时不产生正常使用时不产生 过大的变形；（适用性）过大的变形；（适用性）（3 3）耐久性：不发生严重锈蚀影响结构寿命。）耐久性：不发生严重锈蚀影响结构寿命。 随时间推移，结构仍能满足预定功能，随时间推移，结构仍能满足预定功

16、能， 即承受设计弯矩、剪力和轴力，不发生即承受设计弯矩、剪力和轴力，不发生 超容许变形超容许变形 二、结构可靠性、可靠度、失效概率二、结构可靠性、可靠度、失效概率 可靠性可靠性: : 安全性、适用性和耐久性安全性、适用性和耐久性 可靠度可靠度: : 可靠性的定量描述可靠性的定量描述 失效概率失效概率 ：结构不能完成预定功：结构不能完成预定功 能的概率能的概率 可靠概率可靠概率 ：完成预定功能的概率：完成预定功能的概率fPsP三、极限状态三、极限状态（1 1）承载力极限状态：）承载力极限状态： 结构达到最大承载能力或不适于继续承载结构达到最大承载能力或不适于继续承载 变形。变形。 包括：包括：

17、整体结构失去平衡，倾覆；整体结构失去平衡，倾覆； 构件强度破坏，疲劳破坏、过量塑性变形；构件强度破坏，疲劳破坏、过量塑性变形； 结构转为机动体系；结构转为机动体系； 构件失稳。构件失稳。 ( (对应荷载设计值对应荷载设计值) )（2 2）正常使用极限状态：）正常使用极限状态： 结构达到规定的使用极限值。结构达到规定的使用极限值。 包括：包括： 过量外观变形过量外观变形; ; 振动；振动； 局部开裂破坏。局部开裂破坏。 ( (对应荷载标准值对应荷载标准值) )四四. . 概率极限状态设计法概率极限状态设计法 随机变量随机变量 Z=R-S Z=R-S （1 1） Z-Z-结构功能函数结构功能函数

18、R-R-结构抗力；结构抗力；S-S-荷载效应荷载效应 Z = Mc-M Z = Mc-M ，Vc-VVc-V，Nc-NNc-N Z Z 随机分布，服从正态分布随机分布，服从正态分布 结构功能函数概率结构功能函数概率密度函数密度函数f(z)f(z)分布曲线分布曲线结构可靠度：结构可靠度：sp(z0)p SpRS22RSZZ定义可靠度指标定义可靠度指标： （ 连接概率与钢结构设计式）连接概率与钢结构设计式）-结构可用概率值；结构可用概率值；（2 2）（3 3）可靠度随机变量可靠度随机变量Z Z均值与方差：均值与方差：zRS22ZRS nRi11Rnn22RiR11(R)nSSi11Snn22SiS

19、11(S)n 结构抗力均值与方差：结构抗力均值与方差： 设标准化变量：设标准化变量： 得得z z的正态分布的正态分布标准化概率密度标准化概率密度函数函数 g(t) , g(t) , 则则zzztt0t1正态标准化概率正态标准化概率密度分布函数密度分布函数g(t)g(t)寻求寻求概率意义概率意义失效概率：失效概率：zzfzzzp(z0)p()p f( )1p 1f(1)p p(t)()1( ) 知道可靠度指标知道可靠度指标可得失效概率可得失效概率 ；知道知道 可知可知，通过标准正态分布表转换。，通过标准正态分布表转换。fpfp 结构安全等级：结构安全等级： 一级：重要工民建筑物；如影剧院、体育馆

20、、一级：重要工民建筑物；如影剧院、体育馆、 高层建筑；高层建筑； 二级：一般工民建筑物；如厂房、普通住宅；二级：一般工民建筑物；如厂房、普通住宅； 三级：次要建筑物；仓库等。三级：次要建筑物；仓库等。 一般钢结构安全等级为二级，承载力极限状态下，一般钢结构安全等级为二级，承载力极限状态下，=3.2=3.2， ，延性破坏；正常使用，延性破坏；正常使用 极限状态，极限状态， =1-2=1-2。4f6.87 10p 的取值的取值 钢结构规范钢结构规范: : 1 1、承载能力极限状态设计式、承载能力极限状态设计式KGGKQQKRRSSKsKRRS五五. 分项系数概率极限状态实用设计法分项系数概率极限状

21、态实用设计法或或承载能力极限状态分项系数大于承载能力极限状态分项系数大于1 1正常使用极限状态分项系数等于正常使用极限状态分项系数等于1 1 - -荷载分项系数荷载分项系数 -抗力分项系数抗力分项系数 -荷载效应标准值荷载效应标准值 -抗力标准值抗力标准值 ( (材料屈服强度值材料屈服强度值) )skskRR 用概率参数与可靠度指标用概率参数与可靠度指标表达表达 和和 将结构可靠度将结构可靠度转化为设计实际公式：转化为设计实际公式： 由由RsRS22RS22RSRS （4）代入式（代入式（4 4）2222SRRS2222RSRSSRRRSSRS(1)(1+)RRRSSS(1)(1+) RRSS 令：令：（6）（5）抗力取值抗力取值 R R R 为为95%95%=1.645=1.645荷载保证系数荷载保证系数KSSSS SKSKS荷载效应概率分布密度函数荷载效应概