《钢结构设计原理》课件第一章-港航

1钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure钢结构是土木工程专业的主要专业课之一，为必修考试科目,也是我国注册结构师考试科目。钢结构是当前我国重点推广和发展的结构形式。钢结构是采用钢材制作而成的结构，是建筑、桥梁、水利工程的主要结构形式之一。本课程的主要内容包括材料、连接、基本构件三大部分。不同结构形式都是由基本构件联结而成，基本构件的核心问题是强度和稳定问题。本课程为2学分,计划授课32学时。基本要求课程概况课程成绩:70%考试+30%（平时成绩＋课堂出勤）平时成绩包括作业、课堂提问等。不迟到、不旷课。旷课达6次及以上者，增加面试。鼓励开展研究工作，自己撰写专题研究论文，获得加分，有价值论文指导之后向有关刊物推荐。建议基本要求学习时应重点搞清基本概念，掌握设计原理，熟悉构造要求，多作习题与思考题，避免眼高手低。教材《钢结构》（第三版），为高等学校十一五国家级规划教材，为江苏省精品教材。欢迎同学们对教材的不足之处提出宝贵意见，以便进一步改进。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。多注意身边的钢结构建筑，建议写一些小论文。联系方式建议专业认识

ffwei@如有疑问或对教学有意见，可发邮件办公室：科学馆主楼416希望通过两个月的努力，让大家对钢结构有一个基本的认识！联系方式工程事故大家谈谈见过的最有特色的钢结构专业认识工程事故工程事故工程事故工程事故南京一加油站被雪压倒塌4人死亡16人受伤工程事故工程事故德国南部大雪造成体育馆倒塌，9死36伤工程事故工程事故西班牙一座体育馆被强风吹塌致4死15伤工程事故工程事故美国明尼苏达维京人队体育场的圆型屋顶被积雪压塌工程事故工程事故2004年5月法国巴黎戴高乐机场刚建成的2E候机厅发生屋顶坍塌工程事故工程事故2007年1月雨雪、大风及材料老化导致将用于举办2010年冬奥会开幕式和闭幕式的温哥华体育场穹顶坍塌工程事故工程事故2009年6月，竣工刚满一年，耗资2亿7000万令吉的马来西亚苏丹米占再纳阿比丁体育馆顶盖坍塌钢结构定义工程事故俄罗斯莫斯科水上乐园屋顶倒塌致28死95伤，原因在室内外温差高达51摄氏度情况下，施工焊接时残留的冷凝剂使钢结构迅速疲劳，无法承重而断裂钢结构是土木工程的主要结构形式之一。钢结构与钢筋混凝土结构、砌体结构等都属于按材料划分的工程结构的不同分支。定义：由钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢以及钢索为主材建造的工程结构，称为钢结构。钢结构的定义钢结构定义以结构钢（StructureSteel）为主要承重体系的工程结构；本课程中特指建筑、桥梁及各类构筑物中的主要承重体系；工程结构中子结构或局部构件也可采用钢结构；构件：承重体系中有着独立的力学功能的基本单元，可以是杆件、板件、索等单元，或这些单元组合。钢结构的特点钢结构定义1）可靠性高3）塑性、韧性好4）制造简便，施工工期短

5）密封性能好6）可重复使用7）耐热性较好，耐火性差8）耐腐蚀性差9）低温冷脆倾向可靠性高2）强度高、重量轻钢结构特点钢材在钢厂生产时，整个过程可严格控制，质量比较稳定；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；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；钢结构通常是在工厂制作，现场安装，加工制作和安装可严格控制，施工质量有保证；所以说钢结构的可靠性高。强度高、重量轻优点—可靠性高钢材与其它材料相比，它的强度比混凝土要高得多，在同样的受力条件下，钢结构材料少，自重轻，便于运输和安装，基础费用低。塑性、韧性好优点—强度高、重量轻制造简便，施工工期短钢材的塑性好，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，抗震性能优越。优点—塑性、韧性好制造简便，施工工期短优点—制作简便、施工工期短密封性能好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；钢结构由于良好的加工性能和焊接性能，易于加固、改建和拆迁；南京三桥实际建设工期2年零2个月，比核准工期4年提前了22个月。优点—制作简便、施工工期短耐热性较好，耐火性差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。可多次拆装，重复使用，回收率达70%左右重复使用性好，可在临时性工程中反复使用20～30次密封性能好可重复使用优点-密封性好、可重复使用防火保护施工图当普通钢材温度在200℃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℃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250℃左右时，钢材的塑性和韧性降低，破坏时常呈脆性断裂。裸露钢结构的耐火极限一般为15~20分钟；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℃时，需加以隔热防护；当有防火要求时，要采取防火措施：防火涂料喷涂保护、防火板包覆保护、其它防火材料包覆保护。优缺点-耐热性好，耐火性差火灾破坏图片防火措施某38米钢塔过火后的脚手架耐腐蚀性差火灾破坏事故耐腐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；南京长江三桥（设计寿命100年）选用氟碳涂料，可保持钢塔50年不生锈。低温冷脆倾向在负温度区，钢材的塑性和韧性随着温度降低而变差。钢结构的发展概况缺点-耐腐蚀性差、低温冷脆倾向古代中外建筑钢结构用量比较18世纪欧洲工业革命后钢结构在欧洲各国的应用逐渐增多，而我国钢结构的发展非常缓慢。新中国成立后改革开放以来1996年我国的钢产量超过一亿吨，一直位于世界钢产量的首位，每年以15%~20%的水平递增，2009年钢产量直逼6亿吨；公元前200多年，秦始皇时代用铁建造了桥墩。由于受到钢产量的制约，钢结构仅在重型厂房、大跨度公共建筑、铁路桥梁以及塔桅结构中采用。国内钢结构发展概况钢结构的应用2010年就达到6%中外建筑钢结构应用比较1）活动式结构2）可拆卸或移动结构3）大跨度钢结构4）高层建筑5）工业建筑6）轻型结构7）高耸结构8）容器和大直径管道9）抗震要求高的建筑10）急需早日交付使用的工程11）特种结构钢结构应用活动式结构三峡梯级船闸水工钢闸门、升船机等，发挥钢结构重量轻的特点，降低启闭设备造价和运转能耗。三峡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。三峡升船机承船箱长120m，宽18m，水深3.5m，提升重量可达1.18万吨，提升高度113m。30分钟过坝，三峡完工的标志。活动式结构三峡梯级船闸三峡梯级船闸秦淮河钢闸门三峡梯级船闸秦淮河钢闸门秦淮河钢闸门舌状钢闸门秦淮河钢闸门舌状钢闸门舌状钢闸门谏壁船闸三角门舌状钢闸门谏壁船闸三角门谏壁船闸三角门施桥船闸横拉门谏壁船闸三角门泗阳船闸人字门施桥船闸横拉门三峡升船机泗阳船闸人字门三峡升船机升船机主要由上闸首、升船机主体和下闸首组成。升船机最大提升高度113m，承船厢带水总重11800t，承船厢有效尺寸120183.5m(长宽槛上最小水深)，最大过船吨位3000吨级客货轮，单向年通过能力350万t，三峡升船机于2015年建成。三峡升船机三峡升船机最新施工图三峡升船机可拆卸或移动的结构施工用建筑、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。可拆卸或移动结构大跨度钢结构网架结构介绍

（a）新型结构体系的研究，组合网架、杂交体系（索与网架杂交等）；（b）大跨度结构稳定性研究；（c）大跨度结构抗震性能与设计研究；（d）大跨度结构抗风性能与设计研究；（e）超大跨度空间结构设计与施工研究；（f）新材料：铝合金网架、碳纤维索超大跨度结构研究。大跨度钢结构网架结构介绍网架结构是由许多杆件按一定规律布置，通过节点连接成空间杆系结构，其外形成平板状。基本单元有三角锥、三棱体、正方体、四角锥等。

大跨度钢结构-网架结构钢管相贯节点

网架钢结构有下列三种节点形式：

螺栓球节点 焊接球节点 螺栓球节点 钢板节点大跨度钢结构-节点形式其它节点形式： 钢管相贯节点

铸钢节点钢板节点钢管相贯节点铸钢节点大跨度钢结构-节点形式铸钢节点网壳大跨度钢结构-节点形式国家大剧院网壳网壳结构同网架结构一样，网壳也是由许多杆件按一定规律布置，通过节点连接成空间杆系结构，但网架的外形呈平板状，而网壳的外形呈曲面状。一般为单层或双层，按其外形为单曲面或双曲面而构成网状穹顶、网状筒壳以及双曲抛物面网壳等多种形式。网壳结构的特点：外形美观、通透感好，建筑空间大、用材省，设计施工较复杂。大跨度钢结构-网壳结构杂交结构-鸟巢

总建筑面积近15万平方米，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46.285m。设计师为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，整体结构用钢量达6750吨。网壳结构-国家大剧院鸟巢主结构中国国家体育场灰色钢网覆盖透明膜材料，马鞍型长轴为332.3m,短轴为296.4m，开洞长186.7m,宽127.5m。由门式钢桁架旋转形成鸟巢，杆件为加肋薄壁箱形截面。可容纳10万人。杂交结构-鸟巢南京奥体中心主体育场中国国家体育场大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上，主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置，有22榀主桁架直通或接近直通，少量主桁架在内环附近截断。交叉布置的主桁架（1500mm×1500mm×100mm的空心方钢管）与屋面及立面的次结构（1500mm×1500mm×8mm的空心方钢管）一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。杂交结构-鸟巢南北立面图屋盖为直径285.6m的圆，建筑面积13.6万m2，6万个座位。结构采用钢拱（钢管桁架，钢管直径1m）、钢箱梁（宽0.5m，高1.1~2.1m）、支撑杆件组合结构。钢拱跨度360.6m，45度斜放，形似飘动的皇冠。杂交结构-南京奥体中心主体育场东西立面图南北立面图杂交结构-南京奥体中心主体育场东西立面图1/20试验模型杂交结构-南京奥体中心主体育场1/20缩尺模型试验深圳大运会体育中心体育场杂交结构-南京奥体中心主体育场2011年使用，300x286x50m，屋盖悬挑45-73m,屋面高差13m。深圳大运会体育场模型试验杂交结构-深圳大运会体育中心体育场1/10深圳大运会体育中心体育场模型试验预应力钢结构杂交结构-深圳大运会体育中心体育场斜拉索在钢结构建筑物中的应用上海浦东机场预应力钢结构英国伦敦的世纪展览馆设计体现了“人、建筑、环境”和谐共存的主题，大面积醉人的绿地和碧波荡漾的环境水池，衬托着轻巧透亮得航站楼就像一只展翅翱翔的海鸥，寓意着上海的腾飞。国内最早使用的张弦梁结构，经济性非常好。张弦梁-上海浦东机场英国伦敦的“世纪展览馆”，也叫千年穹顶，是当今世界跨度最大的屋盖，穹顶酷像飞碟，直径365m钢骨架膜结构圆形建筑。开合结构--南通体育场膜结构-千年穹顶采用开合屋盖结构，其固定部分为两个主拱，最大跨度278m，矢高55m。活动屋盖及部分固定屋盖采用薄膜，其余固定屋盖采用带隔热层的压型钢板。活动屋盖为周边加强的曲面网壳，支撑在行走台车上，在拱肋上铺设轨道。固定屋盖底部设开闭牵引机构，由钢丝绳牵引台车在轨道上行走完成屋盖开闭。活动屋盖开闭一次需20～30min。桁架形式开合结构-南通体育场平面桁架空间桁架桁架九江长江大桥大跨度桥梁结构-桁架结构公铁两用桥，铁路桥全长7675m，公路桥全长4460m，正桥11孔，全长1806m，主跨216m，采用连续钢桁梁结构。芜湖长江大桥九江长江大桥拱结构公铁两用桥，铁路桥全长10521m，公路桥全长5681m，正桥钢梁长2193.7m，大桥采用了连续钢桁梁结构，考虑到主跨达到了312m，在桥上的低塔和钢桁梁之间设置了斜拉索参与受力，因此，芜湖长江大桥也叫做连续钢桁梁斜拉桥。芜湖长江大桥上海卢浦大桥大跨度桥梁结构-拱桥重庆菜园坝长江大桥2003年建成通车，采用全钢结构，是世界上跨度最大的中承式钢结构拱桥。施工过程中采用全钢结构焊接，使桥身显得简洁、轻盈、流畅，就像一道彩虹横跨于黄浦江上。上海卢浦大桥索桥公路和轨道交通两用钢箱提篮拱大桥。主桥长1866m，主跨420m，钢箱拱跨度420m。两层设计，上层双向6车道；下层轻轨3号线通道。重庆菜园坝长江大桥

江阴长江大桥以一系列拉索为主要承重构件，这些索按一定的规律组成各种不同的形式，悬挂于相应的支撑结构上，使材料强度在受拉情况下得到充分发挥的结构形式。索桁架、斜拉索、悬索大跨度桥梁结构-索结构润扬大桥江阴长江大桥主跨1385米，主塔高193米，主缆直径86.6厘米、长2200米。

江阴长江大桥由斜拉和悬索两种桥型组合而成的桥梁，南汊桥为跨径1490m的钢箱梁悬索桥，索塔高215.58m。南京长江三桥润扬大桥苏通大桥国内第一座钢塔（高215米）斜拉桥，也是世界上第一座弧线形斜拉桥。跨江大桥长4744米,主桥跨径648m。南京长江三桥日本明石海峡大桥斜拉索大桥，主跨长度达1088m，高出原本第一的日本多多罗斜拉索大桥近200m。最深基础：钢护筒深120m，桩基础横截面如“足球场”。最高桥塔：300多米。最长拉索：577m。苏通大桥高层建筑日本神户市与淡路岛之间跨越明石海峡的一座特大跨径的悬索桥，大桥主桥全长3910m，主跨1990m，是目前世界上主跨最长的悬索桥，钢桥塔高297m，也是世界上最高的桥塔。两根主缆各由290根高强钢索构成，直径为1.222m，主缆的极限强度为1800MPa。明石海峡大桥钢结构高层建筑设计内容

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，世界第一高楼将会越长越高。高层建筑“世界第一高楼”：国际末流成中国潮流？

（1）耐火和抗火设计；（2）抗震性能与抗震设计，减震、耗能、振动控制；（3）塑性性能与塑性设计，非线性性能研究与设计；（4）新型结构体系研究，巨型结构、杂交结构、考虑围护结构与承重结构共同工作；（5）新型材料（压电材料、记忆合金）的使用。钢结构高层建筑施工图高层建筑钢结构高层建筑纯钢结构施工图钢-混凝土高层建筑纯钢结构超高层台北101纯钢高层建筑世界第一高楼楼高101层，总高度508米，被誉为世界第一高楼，26层以上以8层为一单元，主要由巨柱、核心系统及外伸桁架梁组成。有世界最大且最重的“风阻尼器”，直径5.5m，重670吨的阻尼器台北101上海金茂大厦世界第一高楼，耗资3000亿美元，大楼高度为828米，耗材大约33万立方米混凝土和大约3.14万吨钢材。楼高160层，49层为办公场所。迪拜塔表面由大约2.8万块外层板组成，所用玻璃足以覆盖14座标准规格足球场。楼内设57部电梯，包括最高时速64公里的世界最快电梯。迪拜塔上海环球金融中心位于上海浦东新区，陆家嘴金融贸易中心，采用钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱结构。建筑面积28.9万m2，地下3层，地上88层，建筑高度420.5m，总用钢量18000吨。设计者为美国SOM事务所。上海金茂大厦两者相对高度位于陆家嘴金融贸易区，毗邻金贸大厦，是以日本森大厦株式会社为中心，联合日本、美国等40多家企业投资兴建的项目。工程占地面积为3万m2，总建筑面积达38.16万m2。该工程地上101层，地下3层，建筑主体高度达492m，总用钢量26000吨，采用钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱结构。上海环球金融中心江苏第一高楼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紫峰大厦地下4层、地上到灯塔是381米、89层，而从灯塔底部到塔尖则有69米，总高度为450m，72层设可环视的观光厅，设计者还是美国SOM事务所。央视新台江苏第一高楼—紫峰大厦深圳地王大厦位于北京朝阳区东三环中路、北京商务中心区的核心地段，占地面积18.7万平方米，总建筑面积55万m2,230m高。央视新台址建设工程总投资约50亿元人民币，2008年正式运行。央视新台美国纽约世贸大厦2009年11月以前深圳第一高层建筑，高383.95m，共81层，于1996年完工，其建筑形体的设计灵感来源于中世纪西方的教堂和中国古代文化中通、透、瘦的精髓，它的宽高比例为1：9，创造了世界超高层建筑最扁最瘦的记录。地王大厦钢结构总量达2.45万吨。深圳地王大厦撞击图片110层，高417m，100万m2。办公人员5万，每日来访和观光8万，施工期间无工人死亡。01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，94～99层直接受损，22:28倒塌；21:03一767飞机（起飞重量达156t，载油51t)撞击南大楼，78～84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（1m），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）。美国纽约世贸大厦重建方案撞！烧！塌！播放动画美国纽约世贸大厦工业建筑利贝斯金德设计为高度541m的螺旋高塔和顶端呈斜角状的塔楼群，核心建筑是两座高达541米的大楼（1776英尺象征1776年美国独立的精神永远不死）。建筑群包括斜顶状塔楼、玻璃帷幕的“世界花园”和用以连接周边建筑的弧形空中走廊等。美国纽约世贸大厦重建设计方案一般工业建筑图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。西安变压器电炉厂的总装车间，L=36m，高30余米，Q=(400+50+1)t。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。多层钢框架的装配动画工业建筑钢架与排架结构单层工业厂房门式钢架横梁与柱子钢接；门式排架横梁与柱子铰接。钢架结构与排架结构都是由基础、柱子和屋架梁组成。单层工业厂房马钢平改转厂房钢结构加工厂房占地面积1.98万平米，钢结构总重量1.79万吨。马钢平改转工程酒泉卫星发射中心火箭垂直总装测试厂房钢结构加工厂房轻型结构集火箭、宇宙飞船总装和测试一体，这个庞然大物高达100m，是亚洲最高的单层建筑，厂房内部必须留有81米多高、26米多宽、38米多进深的超高层大跨度无隔断空间。垂直总装测试厂房是发射场的核心建筑，由于其建筑技术难度高，目前世界上只有少数发达国家能够建造。钢结构工程施工技术获国家科技进步一等奖。酒泉卫星发射中心火箭垂直总装测试厂房游泳中心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，常采用冷成型薄壁型钢制成。国内跨度最大的轻钢结构是大连某粮食仓库，跨度L=72m，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。轻型结构家具市场游泳中心-金属拱形波纹屋盖高耸结构安徽中州家具市场-金属拱形波纹屋盖广州新电视塔

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，目前世界第二。

世界第一高塔——广州新电视塔，高450米，若加上160米的天线，共610米高。高耸结构高450米，若加上160米的天线，则将超越目前世界第一高的加拿大国家塔(553米)，成为世界第一高。设计方案由英国一家公司负责完成，被市民美称为“纤纤细腰”。广州新电视塔广州新电视塔—海心塔东方明珠是一座以观光旅游为主，具有广播电视发射、文化娱乐和城市窗口功能的大型城市基础设施，为2010年在广州召开的第十六届亚洲运动会提供转播服务。“如何令这根细细的筷子摆得稳”，焊接量大、高空作业、三维精度控制成为世界级施工技术三大难题。为此，建设部门列出30多个科研专题，可抗8级地震和百年一遇的大风，首次在电梯内装防耳压装置。广州新电视塔—海心塔埃菲尔铁塔东方明珠广播电视塔座落在上海浦东新区黄浦江畔，2009年以前以其468米的高度成为亚洲第一高塔。她于1994年11月完工，总重量达12万吨。东方明珠塔由三根直径为九米的擎天立柱、太空舱、上球体、下球体、五个小球、塔座和广场组成。东方明珠电视塔黑龙江广播电视塔建于1886年，1889年为纪念法国大革命100周年而建造，。塔高320m，建筑设计中最著名的是防范强风吹袭的对称钢结构设计，集实用与美感于一体。在700多个应征纪念方案中，300m高的埃菲尔铁塔方案脱颖而出，在这之前世界最高的建筑物是美国169m高的华盛顿纪念碑。当时近代钢铁工业刚刚兴起，几乎所有的建筑物都是石材或木材建造，铁塔设计图纸达1700张，塔重7000吨，由约18000个部件组成，铁塔施工历时21个月，即使在建筑机械十分发达的今天这也堪称高速了，更何况是120年前。巴黎埃菲尔铁塔高336m，为正八边形抛物线型钢管塔。塔楼标高从181m到214m，8层

。井道为封闭式圆筒形，直径8.5m，内设三台电梯、两座消防楼梯、四个设备管道井。塔座共五层，地下一层，地上四层，为球冠形钢砼结构。其内部有直径40m、高27m的圆形共享大厅十分壮观。黑龙江广播电视塔容器和大直径管道油罐如贮液（气）罐、输油（气、原料）管道、水工压力管道等。三峡机组的压力钢管内径达12.4m，板厚60mm。容器或大直径管道天然气罐兴建中的油罐使用中的油罐油罐抗震要求高的建筑陕西铜川天然气公司1000立方米天然气球罐天然气球罐9）抗震要求高的建筑

中华世纪坛可发挥钢结构动力性能好的优点。10）急需早日交付使用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。11）特种结构钢烟囱（上海宝钢烧结厂钢烟囱高达200多米）、钢水塔、风力发电塔、火箭发射塔等。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4~24小时。其它结构火箭发射塔中华世纪坛高压电线塔火箭发射塔风力发电塔高压电线塔雷锋塔风力发电塔钢艺术结构塔总高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。重建的雷峰塔日本水户艺术馆钢艺术结构（汉城大学校门）钢艺术结构水烟壶日本水户艺术馆日本水户艺术馆钢构件的主要受力形式将成为英国历史上最大的公共艺术品。它的高度将达到115米，超过纽约的自由女神像。造价接近2000万英镑，将建在奥林匹克体育场附近，迎接2012年伦敦奥运会的到来。水烟壶钢结构设计方法轴心受拉构件轴心受压构件受弯构件拉弯构件压弯构件索拱拉杆压杆梁偏心拉杆偏心压杆本课程介绍对象钢构件的主要受力形式1）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。概率极限状态设计法钢结构设计的目的结构可靠度

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。

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

功能函数

Z=R-S=0，结构处于极限状态<0，结构处于失效状态钢结构设计方法—概率极限状态设计法失效概率与可靠指标之间的对应关系失效概率（1-2）可靠指标（1-4）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

)

。Pr=P(z≥0)=1-Pf可靠度（1-3）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结构可靠度结构的极限状态b3.74.2Pf5×10-33.5×10-36.9×10-41.1×10-41.3×10-5失效概率和可靠指标的关系正常使用极限状态1）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，包括以下几个方面：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；结构转变为机动体系；结构或构件丧失稳定（如压屈等）。结构极限状态实用设计表达式2）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：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）；影响正常使用的振动；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，所以也应该给予足够的重视。结构极限状态承载能力极限状态表达式

GB50017-2003《钢结构设计规范》规定结构构件的极限状态设计表达式，应根据各种极限状态的设计要求，采用有关的荷载代表值、材料性能标准值、几何参数标准值以及各种分项系数等表达。为了便于应用并符合人们长期以来的习惯，规范并不直接使用进行设计，而利用式: 来完成。就设计而言，问题被转化为计算作用效应S和抗力R。实用设计表达式分项系数

在荷载效应的基本组合条件下，式（1-1）可转化为等效的以基本变量标准值、分项系数和组合系数，并以应力形式表达的极限状态公式。

可变荷载起控制作用时：永久荷载起控制作用时：

对于一般排架和框架结构：（1-8）（1-9）（1-10）‘现行水工、桥梁钢结构专门规范的设计方法（1-13）两者取大值承载能力极限状态分项系数表达式安全等级为一级或设计使用年限为100年以上者，不应小于1.1；安全等级为二级或设计使用年限为50年，不应小于1.0；设计使用年限为25年，可取0.95；安全等级为三级或设计使用年限为5年，不应小于0.9；分项系数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结构重要性系数符号解释2）可变荷载的分项系数（gQ）

—般情况下应取1.4；--对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载分项系数应取1.3。1）永久荷载分项系数（gG）当其效应对结构不利时

--对可变荷载效应控制的组合，应取1.2;--对永久荷载效应控制的组合，应取1.35;当其效应对结构有利时

--般情况下应取1.0；--对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。荷载分项系数偶然组合f

或fd

——钢材或连接材料强度设计值。fk——钢材或连接材料强度标准值。R——钢材或连接材料抗力分项系数，对于Q235钢R

=1.087;Q345、Q390、Q420钢R=1.111。各类钢材和连接的强度设计值见表1-3，表1-4，表1-5，表1-6。K——凭经验判定的安全系数。y——当只有一个可变荷载时，取1.0，其它情况取0.9。yci——第i个可变荷载的组合系数，取值见荷载规范。材料抗力分项系数在荷载效应的偶然组合下，宜按下列原则确定：偶然作用的代表值不乘以分项系数；与偶然作用同时出现的可变荷载，应根据观测资料和工程经验采用适当的代表值；具体的设计表达式和各种系数，应符合专门规范的规定。‘正常使用极限状态表达式承载能力极限状态分项系数表达式钢结构设计施工的基本框架对于正常使用极限状态，要求分别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。wGk--永久荷载标准值在结构或构件中产生的变形值；wQ1k—起控制作用的第1个可变荷载的标准值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）；(1-11)

wQik--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。[w]--结构或结构构件的容许变形值。(P126，表5-3)

正常使用极限状态分项系数表达式钢结构设计施工的基本框架对于直接承受动力荷载的结构，在计算强度和稳定性时，动力荷载设计值应乘以动力系数；在计算疲劳和变形时，动力荷载标准值不应乘动力系数。对于上述《钢结构设计规范》（GB50017-2003）中采用的方法，不仅适用于房屋和一般构筑物钢结构的设计，而且适用于水工建筑物的水上部分钢结构的设计。承受动力荷载钢结构设计施工的基本框架目前对于水工钢结构（钢闸门、压力钢管、启闭机、拦污栅等）而言，由于所涉及的荷载效应和结构抗力的影响因素比较复杂，统计资料不足，还不具备采用分项系数表达的概率极限状态设计法的条件，因此，水工钢结构的各专门设计规范（《水利水电工程钢闸门设计规范》《水电站压力钢管设计规范》《水利水电工程启闭机设计规范》等）采用多系数分析的容许应力设计法。s—按荷载的标准值与构件截面公称尺寸（设计尺寸）所计算的应力；fk—材料的标准强度，取钢材的屈服强度标准值；K—凭经验判定的安全系数；[s]—容许应力，见表1-7~表1-10。

(1-13)水工钢结构的设计方法钢结构高速发展的条件钢结构设计、施工的基本框架1）高的钢产量为发展钢结构提供了物质基础

是全球第一产钢大国。2）一系列的规范和规程（50余本）的颁发为我国的钢结构发展提供了必要的技术基础。钢结构快速发展的条件3）高的建设速度要求，钢结构施工工期短。4）追求低强度劳动和好的工作环境，钢结构工厂化生产，易于产业化，机械化程度高。5）钢结构是可持续发展的结构钢结构工厂制作,现场组装，对周围环境污染小。钢结构容易拆除，钢材可回收再生，符合可持续发展的要求。

积极合理地扩大在工程中的应用是必然趋势。设计方法和计算理论的改进高性能钢材的应用1）水工、桥梁钢结构应早日采用概率极限状态设计法。2）(GB50017)向采用更为先进