钢结构设计原理A-1.绪论

1、钢结构设计原理教材：教材：肖光宏主编，钢结构，重庆：重庆大学出版社，肖光宏主编，钢结构，重庆：重庆大学出版社，2011参考教材：参考教材： 1. 范崇仁主编，水工钢结构，北京：中国水利水电出版范崇仁主编，水工钢结构，北京：中国水利水电出版社，社，2008 2.丁阳主编，钢结构设计原理，天津：天津大学出版社，丁阳主编，钢结构设计原理，天津：天津大学出版社，2004 3.钢结构设计规范钢结构设计规范GB50017-2003 4.水利水电工程钢闸门设计规范水利水电工程钢闸门设计规范SL74-95 钢结构课程简介（港航、水利类） 钢结构是土木工程专业的主要专业课之一，也是钢结构是土木工程专业的主要专业

2、课之一，也是水工、港航、海工、农水等水利类专业的技术基础课。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的结构形式。钢结构是当前我国重点推广和发展的结构形式。 钢结构是根据所用材料不同而划分出来的工程结钢结构是根据所用材料不同而划分出来的工程结构的一门分支。课程的主要内容包括材料、连接、基构的一门分支。课程的主要内容包括材料、连接、基本构件三大部分。不同的钢结构物都是由基本构件联本构件三大部分。不同的钢结构物都是由基本构件联结而成，结而成，基本构件的核心问题是稳定问题。基本构件的核心问题是稳定问题。 Preface to Steel Structure 一、本

3、课程的性质和任务1 本课程的性质2 本课程的任务 1、钢材的性能、影响因素及合理选择；、钢材的性能、影响因素及合理选择； 2、钢结构的连接设计与计算；、钢结构的连接设计与计算； 3、构件设计、构件设计二、钢结构的主要特点：二、钢结构的主要特点： A 优点优点1、材料强度高、结构重量轻、材料强度高、结构重量轻 强度是混凝土强度的强度是混凝土强度的20倍以上，截面尺寸小，比如，钢屋架倍以上，截面尺寸小，比如，钢屋架重量是钢筋混凝土屋架重量的重量是钢筋混凝土屋架重量的1/31/4 。（注：混凝土的质量密度（注：混凝土的质量密度24002500kg/m3, 钢材为钢材为7850kg/ m3)2、钢结构

4、工作的可靠性高。钢材材质均匀，各向同性。可简化为、钢结构工作的可靠性高。钢材材质均匀，各向同性。可简化为理想的弹塑性体。理想的弹塑性体。3、塑性性能好、塑性性能好 破坏前产生显著的变形，有明显的预兆。抗震性能好。破坏前产生显著的变形，有明显的预兆。抗震性能好。4、具有良好的韧性，适宜于承受动荷载、具有良好的韧性，适宜于承受动荷载5、良好的加工性能、焊接性能、良好的加工性能、焊接性能 专业化工厂加工制造，运至现场安装。易于保证质量、缩短工专业化工厂加工制造，运至现场安装。易于保证质量、缩短工期。我国已建成的某期。我国已建成的某240m 315m全钢结构厂房，建筑面积达全钢结构厂房，建筑面积达7.

5、6万万平方米，其结构安装仅用了平方米，其结构安装仅用了98天。天。6、密闭性好，适用于高压容器、管道、大型油罐等、密闭性好，适用于高压容器、管道、大型油罐等7、便于拆装、便于拆装 ，重复使用，重复使用 如塔吊、挂篮、架桥机、拱架、钻井塔架。如塔吊、挂篮、架桥机、拱架、钻井塔架。B 值得注意的问题：值得注意的问题：1、钢结构的稳定性、钢结构的稳定性 强度高，截面尺寸小，厚度薄，容易失稳。强度高，截面尺寸小，厚度薄，容易失稳。2、钢结构的耐腐蚀问题、钢结构的耐腐蚀问题 钢材易锈蚀，应加强维护。钢材易锈蚀，应加强维护。3、钢结构的耐火问题、钢结构的耐火问题 钢结构耐热，不防火。钢结构耐热，不防火。

6、温度高于温度高于300 C时，强时，强度急剧下降，软化，度急剧下降，软化，600 C 时已不能承重。一般时已不能承重。一般在在200 C以下，钢结构的强度无影响。以下，钢结构的强度无影响。4、低温冷脆、低温冷脆 0 C以下钢材开始变脆，以下钢材开始变脆，- 20 C以下更为明显。以下更为明显。承受动荷载时应严格保证冲击韧性要求。承受动荷载时应严格保证冲击韧性要求。国家体育场国家体育场国家体育场建筑体形上像鸟巢。可容纳8万人。平面为椭圆形,长轴340m短轴292m。屋盖中间有一个146m76m的开口，这部分将设计成开合屋盖。采用加肋薄壁箱形截面 ，总用钢量达16万t 。（1）大跨度结构三、钢结构

7、的应用国家大剧院国家大剧院 位于北京人民大会堂西侧，西长安街以南，总占地面积近12公顷，总建筑面积近15万平方米，总投资26.88亿元。 该工程外部围护结构为钢结构网壳，是半椭圆球形，东西长轴212.2m，南北短轴143.64m，总高度46.285。内设歌剧院（2416席）、音乐厅（2017席）及戏剧院（1040席）及公共大厅等。屋面采用钛金属板，整个网壳外环绕人工湖（35500m2）,各种通道及入口均设在水下 。设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，北京市建筑设计研究院参与主体设计 ，整体结构用钢量达6750t，195kg/m。 钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles

8、 of Steel Structure第一章第一章 绪绪 论论 公、铁路两用桥，铁路桥全长公、铁路两用桥，铁路桥全长7675m7675m，公路桥全长，公路桥全长4460m4460m，正桥，正桥1111孔，孔，全长全长1806m1806m，主跨，主跨216m216m，采用连续钢桁梁结构。，采用连续钢桁梁结构。 九江长江大桥九江长江大桥（2）桥梁结构桁架桥桁架桥（3）重型厂房结构 西安变压器厂（400t吊车）第一章第一章 绪绪 论论台北台北101101楼高楼高101101层，总高层，总高度度508508米，米，2626层以上以层以上以8 8层为一层为一单元。主要由巨柱、核心系统单元。主要由巨柱、核

9、心系统及外伸桁架梁。及外伸桁架梁。 有世界最大且最重的有世界最大且最重的“风阻尼器风阻尼器”，直径直径5.5m5.5m，重，重670670吨的阻尼器吨的阻尼器 （4）高层与高耸建筑钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure第一章第一章 绪绪 论论上海金茂大厦上海金茂大厦 位于上海浦东新区，陆位于上海浦东新区，陆家嘴金融贸易中心，采用家嘴金融贸易中心，采用钢筋混凝土核心筒，外框钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱结构。钢骨混凝土及钢柱结构。建筑面积建筑面积28.928.9万万m m2 2，地下，地下3 3层，地上层，地上8888层，建

10、筑高度层，建筑高度420.5m420.5m，总用钢量，总用钢量1800018000吨。吨。设计者为美国设计者为美国S.O.MS.O.M事务所。事务所。 钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure第一章第一章 绪绪 论论上海环球金融中心上海环球金融中心 位于陆家嘴金融贸易区，毗位于陆家嘴金融贸易区，毗邻金贸大厦，是以日本森大厦邻金贸大厦，是以日本森大厦株式会社为中心，联合日本、株式会社为中心，联合日本、美国等美国等4040多家企业投资兴建的多家企业投资兴建的项目。工程占地面积为项目。工程占地面积为3 3万万m m2 2，总建筑面积达总建

11、筑面积达38.1638.16万万m m2 2。该工。该工程地上程地上101101层，地下层，地下3 3层，建筑层，建筑主体高度达主体高度达492m492m，总用钢量，总用钢量2600026000吨，采用钢筋混凝土核心吨，采用钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱结筒，外框钢骨混凝土及钢柱结构，目前正在施工中，预期构，目前正在施工中，预期20082008年竣工。年竣工。钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure第一章第一章 绪绪 论论上海环球金融中心和金贸大厦的相对位置和相对高度上海环球金融中心和金贸大厦的相对位置和相对高度 上海中心，

12、632米（5）轻型钢结构（6）容器和其他构筑物陕西铜川天然气公司1000立方米天然气球罐大连西太平洋石化有限公司1500立方米CF-62钢球罐（7）住宅钢结构 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。 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20.2m，重830t。船过船闸一般需2小时35分钟。 钢结构钢结构设计的要求和目的设计的要求和目的 任何结构都是为了完成所要求的某些功能而设计的。任何结构都是为了完成所要求的某些功能而设计的

13、。工程结构必须具备下列功能：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。在偶然事件发生时和发生后，可能出现的各种作用的能力。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。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，满足预定使用要结构在正常使用条件下，满足预定使用要求的能力。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。能满足预定功能要求的能力。 结构的安全性、适用性

14、、耐久性总称为结构的可靠性。结构的安全性、适用性、耐久性总称为结构的可靠性。 钢结构的设计方法 公桥规的设计方法 基于容许应力的设计表达式 一般K=1.7，考虑匀质系数、超载系数、工作条件系数。Ksk钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure第一章第一章 绪绪 论论概率极限状态设计法概率极限状态设计法（1 1）承载能力极限状态）承载能力极限状态 结构或构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形，包括结构或构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形，包括以下几个方面：以下几个方面：1. 1. 结构的极限状态结构的极限状态整个结构

15、或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；结构构件或连接因超过材料强度而破坏；结构构件或连接因超过材料强度而破坏；结构构件或连接在循环荷载作用下发生的疲劳破坏；结构构件或连接在循环荷载作用下发生的疲劳破坏；结构构件或连接因过度变形而不适于继续承载；结构构件或连接因过度变形而不适于继续承载；结构转变为机动体系；结构转变为机动体系； 结构或构件丧失稳定（如压屈等）。结构或构件丧失稳定（如压屈等）。钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure第一章第一章 绪绪 论论（2 2）正常使用极限状

16、态）正常使用极限状态 结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定值：结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定值：影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；影响正常使用的振动；影响正常使用的振动；影响正常使用的其它特定状态。影响正常使用的其它特定状态。承载力极限状态与正常使用极限状态相比，前者可能导致人身伤亡承载力极限状态与正常使用极限状态相比，前者可能导致人身伤亡和大量的财产损失，而后者对生命的危害则较小，主要是引起人们和大量的财产损失，而后者对生命的危害则较小，主要是引起人们的不适，所以也

17、应该给予足够的重视。的不适，所以也应该给予足够的重视。第一章第一章 绪绪 论论2. 2. 概率极限状态设计原理概率极限状态设计原理 设计基本原则：技术先进、经济合理、安全适用、确保质量设计基本原则：技术先进、经济合理、安全适用、确保质量 0，结构处于可靠状态，结构处于可靠状态 功能函数功能函数 Z=R-S =0，结构处于极限状态，结构处于极限状态 0，结构处于失效状态，结构处于失效状态失效概率失效概率 0)(0zpdzZfPf可靠指标可靠指标22SRSRZZ一次二阶矩的近似概率方法一次二阶矩的近似概率方法fz(Z)pfzzzZ钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles o

18、f Steel Structure第一章第一章 绪绪 论论2.52.73.23.74.2Pf510-33.510-36.910-41.110-41.310-5失效概率和可靠指标的对应关系失效概率和可靠指标的对应关系设计表达式设计表达式 为了便于应用并符合人们长期以来的习惯，规范并不为了便于应用并符合人们长期以来的习惯，规范并不直接使用直接使用 进行设计，而利用基本表达式式进行设计，而利用基本表达式式: : 来来完成。完成。就设计而言，问题被转化为计算效应就设计而言，问题被转化为计算效应S S和抗力和抗力R R。RS RSSSSQikniciQikQQGkG)(21100RSSSQikniciQ

19、iGkG)(1004 . 1Q3 . 1Qc2 . 1G35. 1G1 1）承载能力极限状态分项系数表达式）承载能力极限状态分项系数表达式f钢材或连接材料强度钢材或连接材料强度设计值设计值。fk钢材或连接材料强度钢材或连接材料强度标准值标准值。 R钢材或连接材料抗力分项系数，对于钢材或连接材料抗力分项系数，对于Q235钢钢 R =1.087;Q345、Q390、Q420钢钢 R=1.111 。)( RkRkRRff 对于正常使用极限状态，要求分别采用对于正常使用极限状态，要求分别采用荷载的标准组合、频荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计遇组合和准永久组合进行设计，并使变形等设计值不超过

20、相应的，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。规定限值。对于钢结构只考虑荷载的标准组合。Gk -永久荷载标准值永久荷载标准值在结构或构件中产生的变形值；在结构或构件中产生的变形值；Q1k起控制作用的起控制作用的第第1 1个个可变荷载的标准值可变荷载的标准值在结构或结构构件中产生的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）；变形值（该值使计算结果为最大）； 12nGkQ kciQiKi 2 2）正常使用极限状态）正常使用极限状态 Qik-其他第其他第i i个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值。个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值。 -结构或

21、结构构件的容许变形值。结构或结构构件的容许变形值。1.设计方法和计算理论的改进1）向采用更为先进合理的全概率极限状态设计法向采用更为先进合理的全概率极限状态设计法的方向努力。的方向努力。2 2）设计由构件或某一截面的可靠度，向以整个结）设计由构件或某一截面的可靠度，向以整个结构体系可靠度分析为目标的结构设计发展。构体系可靠度分析为目标的结构设计发展。3) 3) 钢结构的计算理论，如稳定计算、塑性设计、钢结构的计算理论，如稳定计算、塑性设计、优化设计以及在动力荷载作用下的性能等，都优化设计以及在动力荷载作用下的性能等，都需要进一步深入研究。需要进一步深入研究。 采用高强度钢材采用高强度钢材: :

22、 国外已把屈服强度为国外已把屈服强度为700700800N/mm800N/mm2 2或更高或更高强度的低合金结构钢列入设计规范。研究强度更高的钢材及其强度的低合金结构钢列入设计规范。研究强度更高的钢材及其合理使用将是重要的课题。合理使用将是重要的课题。 生产和推广应用经济断面钢材生产和推广应用经济断面钢材: :如轧制如轧制H H型钢、型钢、T T型钢、冷弯薄壁型钢、冷弯薄壁型钢、彩色涂层压型钢板等。型钢、彩色涂层压型钢板等。 研制和应用高功能结构钢：研制和应用高功能结构钢：（1）耐火钢：我国已生产出了耐火耐火钢：我国已生产出了耐火耐候钢，并用于工程建设。（耐候钢，并用于工程建设。（2）耐大气腐蚀钢（耐候钢）：研）耐大气腐蚀钢（耐候钢）：研究生产新的高性能耐候钢和耐火耐候钢及涂料仍然是今后研究究生产新的高性能耐候钢和耐火耐候钢及涂料仍然是今后研究的重点。（的重点。