钢结构设计原理 课件 第1章 绪论

钢结构设计原理

DesignPrincipleforConcreteStructures第1章钢结构概述公元前2000年左右，在美索不达米亚平原就出现了早期的炼铁术；公元1465年，用锻铁为环，相扣成链，建成了世界上最早的铁链悬桥——兰津桥；公元1705年（清康熙四十四年）建成的四川泸定大渡河桥；公元1061年（宋代）在湖北荆州玉泉寺建成的13层铁塔，目前依然存在；1846-1850年间在英国威尔士修建的布里塔尼亚桥（铆接锻铁结构）；20世纪初焊接技术的出现，以及1934年高强度螺栓连接的出现，极大地促进了钢结构的发展。第1章钢结构概述布里塔尼亚桥玉泉寺铁塔第1章钢结构概述1.中国钢产量第1章钢结构概述改革开放以来，尤其在党的十四大之后，我国钢铁工业实现了历史性跨越，1996年钢产量达到一亿零一百二十四万吨，首次突破一亿吨，居世界首位，使我国成为世界第一产钢大国，世人瞩目，举国振奋。这是我国综合国力空前强盛的鲜明标志，是中国人民艰苦奋斗、改革开放的丰硕成果，也是我国钢铁工业及国民经济发展进程中的一个新的重要里程碑。1.中国钢产量第1章钢结构概述第1章钢结构概述第1章钢结构概述第1章钢结构概述第1章钢结构概述第1章钢结构概述第1章钢结构概述第1章钢结构概述第1章钢结构概述第1章钢结构概述主要内容：钢结构的特点及应用钢结构的组成钢结构的设计方法、要求钢结构的发展方向学习重点：钢结构的特点钢结构的设计方法第1章钢结构概述1.1钢结构特点及工程应用汉长城遗址公元前202年—220年希腊雅典神庙公元前447-前432年法隆寺公元607年兰津桥公元1465-1487年第1章钢结构概述1.1钢结构特点及工程应用

钢结构是钢材制成的工程结构，通常由型钢和钢板等制成的梁、桁架、柱、板等构件组成，各部分之间用焊缝、螺栓或铆钉连接。工程结构木结构圬工结构钢结构混凝土结构第1章钢结构概述1.1钢结构特点及工程应用悉尼港大桥主跨502.9m1932年建成金门大桥主跨1280m1937年建成明石海峡大桥主跨1991m1998年建成俄罗斯岛大桥主跨1104m2012年建成第1章钢结构概述1.1钢结构特点及工程应用苏沪通长江大桥主跨1092m2020年建成南京大胜关长江大桥主跨552m2009年建成南京长江大桥主跨168m1968年建成杨泗港长江大桥主跨1700m2019年建成2钢结构发展一座大桥的跨度，折射70年发展跨度。碧波之上，港珠澳大桥飞架三地，气贯长虹。55公里的跨度，不仅是空间距离，更承载着一个国家飞越沧海的历史风云。2钢结构发展习近平强调，港珠澳大桥的建设创下多项世界之最，非常了不起，体现了一个国家逢山开路、遇水架桥的奋斗精神，体现了我国综合国力、自主创新能力，体现了勇创世界一流的民族志气。这是一座圆梦桥、同心桥、自信桥、复兴桥。大桥建成通车，进一步坚定了我们对中国特色社会主义的道路自信、理论自信、制度自信、文化自信，充分说明社会主义是干出来的，新时代也是干出来的！第1章钢结构概述1.1钢结构特点及工程应用巴黎埃菲尔铁塔高324m1889年建成纽约世贸大厦高415m1983年建成迪拜帆船酒店高321m1999年建成迪拜塔高828m2010年建成第1章钢结构概述1.1钢结构特点及工程应用国家体育场（鸟巢）2008年建成国家大剧院(巨蛋)

2007年建成中央电视台大楼2009年建成上海中心大厦高632m

2014年建成第1章钢结构概述1.1钢结构特点及工程应用城市地标城市地标北京鸟巢、中国尊纽约布鲁克林桥、帝国大厦上海卢浦大桥伦敦伦敦眼、千禧桥广州小蛮腰、丫髻沙大桥巴黎埃菲尔铁塔成都环球中心、新机场东京东京塔、晴天塔武汉武汉长江大桥、悉尼悉尼港大桥南京南京长江大桥旧金山金门大桥重庆朝天门长江大桥吉隆坡双子塔香港青马大桥、昂船洲大桥新加坡双螺旋桥、金沙酒店第1章钢结构概述轻质高强匀质可靠柔韧有余制造方便密不透风优点大跨结构高耸结构容器管道拆移结构轻型结构应用重型厂房1.1钢结构特点及工程应用第1章钢结构概述1.1钢结构特点及工程应用缺点易腐蚀造价高噪音高耐火差第1章钢结构概述钢结构特点：轻质——材料的质量密度与强度的比值小Q235钢C30混凝土Q235钢

密度：7850kg/m3强度：235N/mm2

C30混凝土

密度：2450kg/m3强度：14.3N/mm2

第1章钢结构概述钢结构特点：塑性和韧性是概念上完全不同的两个物理量塑性——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突然断裂，给人以安全保证韧性——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。

第1章钢结构概述工程应用：(1)大跨结构第1章钢结构概述第1章钢结构概述第1章钢结构概述第1章钢结构概述（2）高耸结构和高层建筑第1章钢结构概述第1章钢结构概述（3）重型厂房钢结构第1章钢结构概述（4）密闭容器及管道第1章钢结构概述（5）可拆卸、移动式结构第1章钢结构概述（6）轻型钢结构第1章钢结构概述1.2钢结构组成及制造1.2.1钢结构的组成原理平面体系加支撑如：穿式桁架桥、空间屋盖结构(1)跨越结构穿式桁架桥空间屋盖结构第1章钢结构概述水平荷载可能居于主导地位。如：高层房屋结构、塔架、桅杆。(2)高耸结构高层房屋结构塔架结构桅杆结构第1章钢结构概述1.2.2钢结构的制造过程工厂制造：验收、放样、加工、装配、矫正、除锈和涂漆；工地安装：扩大拼装、吊装就位、临时固定、最后固定；第1章钢结构概述1.2.3钢结构的初始缺陷几何缺陷：初弯曲初倾斜杆件长度误差材料缺陷：钢材并非理想的匀质体和各向同性体施工缺陷：焊接、栓接施工缺陷第1章钢结构概述1.3钢结构的设计方法、要求1.3.1钢结构的设计要求结构的功能安全性（Safety）

◎结构在预定的使用期间内（一般为50年），应能承受在正常施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载、外加变形（如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束变形等的作用；◎在偶然事件（如地震、爆炸）发生时和发生后，结构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。适用性（Serviceability

）结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。如不发生影响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振动（频率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。耐久性（Durability）结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。即在各种因素的影响下（疲劳、锈蚀），结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低，而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。第1章钢结构概述适用性耐久性安全性结构的可靠性结构设计就是实现可靠性与经济性的最佳平衡设计方法第1章钢结构概述1.3.2钢结构的设计方法基本设计方法：容许应力设计法极限状态设计法我国钢结构设计方法变化：1949-1957年，总安全系数的容许应力法；1957-1974年，3个系数的极限状态法；1974-1988年，极限状态为依据，单一系数的容许应力法；1988年以后，概率论为基础，一次二阶矩极限状态法；第1章钢结构概述极限状态LimitState结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠”的或“有效”的。反之，则结构为“不可靠”或“失效”。

承载力极限状态

UltimateLimitState

正常使用极限状态ServiceabilityLimitState结构整体或部分作为刚体失去平衡结构或构件达到最大承载力受动力荷载作用而产生疲劳破坏结构塑性变形过大而破坏结构形成几何可变体系构件由于压屈而丧失稳定过大的变形和侧移过大的裂缝过大的振动侵蚀性介质腐蚀等结构或结构的一部分达到最大承载能力或不适合继续承载的变形状态结构或结构的一部分达到正常使用或耐久性能的某项规定限值的状态第1章钢结构概述结构上的作用(Action)

（1）按随时间的变异可分为三类：永久作用可变作用偶然作用

结构上的作用可按下列性质分类：在设计基准期内其量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用。如结构自重、土压力、预应力、地基沉降等。在设计基准期内其量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。在设计基准期内不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用。如活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、温度变化等。如爆炸力、撞击力、罕遇的地震等。————————————结构上的作用是指施加在结构上的集中力或分布力，以及引起结构外加变形或约束变形的原因（地震、基础差异沉降、温度变化、混凝土收缩等）。第1章钢结构概述固定作用自由作用在结构上固定分布的作用。在结构上一定范围内可以任意分布的作用。如结构上固定位置的设备荷载等。如人群荷载、吊车荷载等。————————静态作用动态作用使结构产生的加速度可以忽略不计的作用。使结构产生的加速度不可忽略不计的作用。如结构自重、活荷载如地震作用、大型动力设备的作用、风荷载等。————————第1章钢结构概述结构抗力(resistance)

结构抗力是指整个结构或结构构件承受作用效应（即内力和变形）的能力。影响抗力的主要因素有：材料性能的不确定性几何参数的不确定性计算模式的不确定性强度、变形模量等——构件尺寸等——抗力计算所采用的基本假设和计算公式不够精确等——第1章钢结构概述结构功能的表达

S—作用效应

ActionEffect

结构上的作用是使结构产生内力、变形和裂缝的原因的总称，分为直接作用和间接作用，作用效应即为作用引起的构件内力。R—结构抗力

Resistant

结构抵抗作用效应的能力，如受弯承载力Mu、受剪承载力Vu、容许挠度[f]、容许裂缝宽度[w]。S<R

可靠S=R

极限状态S>R

失效第1章钢结构概述1.3.3概率极限状态设计法结构抗力R与作用效应S都是随机变量，因此功能函数Z=R-S也是随机变量Z>0结构可靠；Z=0结构处于极限状态；Z<0结构失效

f(Z)

Z=bsZmzPfZ

=R-S

sZPS=1-Pf可靠概率：失效概率：安全的概念是相对的，所谓“安全”只是失效概率相对较小而已，失效概率不可能为零，故不存在绝对安全的结构。应该通过设计把失效概率控制在某一个可以接受的限制以下就可以。失效概率越小，表示结构可靠性越大。当失效概率Pf小于某个值时，即可认为结构设计是可靠的，即Pf≤[Pf]

。该失效概率限值称为允许失效概率[Pf]。第1章钢结构概述

f(Z)

Z=bsZmzPfZ

=R-S

sZPS=1-Pf失效概率Pf来度量结构的可靠性具有明确的意义，但计算繁琐，可以利用可靠度指标β代替失效概率来度量结构的可靠性。失效概率Pf与可靠指标β有着一对应的关系β值愈大，失效概率Pf值就愈小；β值愈小，失效概率Pf值就愈大。

z——平均值；