钢结构设计原理

1、1,1、钢结构的定义 2、钢结构的特点 3、我国钢结构的发展概况 4、钢结构的主要结构形式 5、钢结构的设计方法 6、钢结构的新发展 7、补充内容,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,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。,1、什么是钢结构？,定义：由钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢 以及钢

2、索为主材建造的工程结构， 如房屋、桥梁等，称为钢结构。,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,1、强度高、重量轻,2、钢结构的特点,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,2、材质均匀，塑性、韧性好,3、良好的加工性能和焊接性能,4、密封性能好,5、可重复性使用性,6、耐热性较好，耐火性差,7、耐腐蚀性差,8、低温冷脆倾向,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Struct

3、ure,3、我国钢结构的发展概况,古代,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,公元前200多年，秦始皇时代用铁建造了桥墩,公元60年，汉明帝时代建造了铁链悬桥,山东济宁寺铁塔 江苏镇江甘露寺铁塔,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,18世纪欧洲工业革命后,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,3、我国钢结构的发展概况,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。,1927年建成的沈阳黄姑屯机车厂钢结构厂房。 1931年建成

4、的广州中心纪念堂圆屋顶。 1937年建成的杭州钱塘江大桥等。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,新中国成立后,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,3、我国钢结构的发展概况,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。,几个大型的钢铁企业生产车间都采用钢结构。,1962年建成的北京工人体育馆采用圆形双层辐射式悬索结构，直径为94米。 1975年建成的上海体育馆，采用三向网架，跨度达110米。,武汉和南京长江大桥都采用了公、铁两用的双层钢桁架桥。,

5、广州上海等地都建造了高度超过200米的多边形空间桁架钢质电视塔。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,改革开放以来,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,3、我国钢结构的发展概况,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 2003年达到创记录的2.2亿吨,钢结构政策从限制使用改为积极合理的推广应用,钢结构在现代应用的领域更加多元化，包括大跨结构、工业厂房、受动力荷载影响的结构、多层和高层建筑、高耸结构、可拆卸结构、容器构筑物以及钢和混凝土的组合结构,钢结构设计原理 Des

6、ign Principles of Steel Structure,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。,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,构成网架的基本单元有三角锥、三棱体、正方体、截头四角锥等。 一般而言，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,平板网架,钢结构设计原理

7、 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,加拿大蒙特利尔世界博览会美国馆，直径为76M， 高60M。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,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、

8、用材省，设计施工较复杂。,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,苏州乐园宇宙大战馆球体屋面（穹顶）,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,上海商务中心（网状网壳）,钢结构设计原理 Design Principles of St

9、eel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,国家大剧院,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。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,纵向跨度为240m，顶部高55m，拱形骨架有12度的倾角，其截面为3.5m2。,香港

10、大球场,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,国家体育场建筑体形上像鸟巢，建筑面积25.8m2。可容纳10万人。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16万吨。,国家体育馆,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,天津奥林

11、匹克体育场,体育场总建筑面积15.8万m2，屋顶结构采用钢桁架悬条结构，屋面桁架落地，形似露珠，与城市环境中的“绿”与“水”相呼应。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,公、铁路两用桥，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。,九江长江大桥,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to

12、Steel Structure,平面桁架,空间桁架,桁架,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,该桥是一座公铁两用桥，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,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Cha

13、pter 1 Preface to Steel Structure,武汉军山长江大桥,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,斜拉桥,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,斜拉索在钢结构建筑物中的应用,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapt

14、er 1 Preface to Steel Structure,明石海峡大桥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。 1998年建成通车，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。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,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，

15、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。,索索桁架、斜拉索、悬索,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,2003年建成通车，采用全钢结构，是世界上跨度最大的钢结构拱桥。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,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel

16、Structure,拱结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,钢拱桥,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,拱形桥梁,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,多层工业厂房,

17、工业厂房,多层工业厂房,单层工业厂房,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,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。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章

18、 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,台北101楼高101层，总高度508米，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。,有世界最大且最重的“风阻尼器”，直径5.5m，重670吨的阻尼器,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Ste

19、el Structure,上海金茂大厦,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S.O.M事务所。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,上海环球金融中心,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38.1

20、6万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，目前正在施工中，预期2008年竣工。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,上海环球金融中心和金贸大厦的相对位置和相对高度,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,深圳地王大厦,深圳第

21、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。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,于1990年落成，由著名建筑学家贝聿铭负责设计。大楼高300多米，形状下面大上面小，顶端像针尖一样直刺云霄。,香港中国银行大楼,钢结构设计原理 Design Principles of Ste

22、el Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,施工钢模,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,钢结构高层建筑,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,纯钢结构超高层,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Struct

23、ure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,东方明珠电视塔,东方明珠广播电视塔座落在上海浦东新区黄浦江畔，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。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,巴黎埃菲尔铁塔,建于1886年，是为随后1889万国博览会而建，以建筑师埃菲尔的名字命

24、名。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。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,多功能广播电视发射塔,输电塔,火箭发射塔,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,中国南极长城站综合仓库,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structu

25、re,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,兴建中的油罐,使用中的油罐,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,沿海采油平台,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,焊接管节点,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,

26、第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,柏林国家美术馆新馆,德国 柏林 1968 建筑师：密斯（德）密斯于60年代应邀为当时的西柏林设计国家美术馆，1968年美术馆落成时密斯已去世。新美术馆平面为方形，一层在地上，一层在地下。地面上的展厅面积为54m54m，四面都是大玻璃墙。结构的平屋顶每边长64.8m，由外围8根钢柱支承，高8.4m。这座建筑是密斯纯净风格的绝唱，被称为钢与玻璃的现代“帕提农神庙”。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface t

27、o Steel Structure,钢艺术结构,（汉城大学校门）,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,日本水户艺术馆,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,概率极限状态设计法,（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：,1. 结构的极限状态,5、钢结构的设计方

28、法,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）。,结构内力分析法,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,（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

29、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。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,2. 概率极限状态设计原理,一次二阶矩的近似概率方法,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structu

30、re,失效概率和可靠指标的对应关系,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,3. 设计表达式,GB50068-2001建筑结构可靠度设计统一标准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，问题被转化为计算效应S和抗力R。,钢结构设计原理 Design Princip

31、les of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,在荷载效应的基本组合条件下，式（1.3.11）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：,1）承载能力极限状态分项系数表达式,对于一般排架和框架结构：,（1.3.14）,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,（2）可变荷载的分项系数

32、 （gQ） -一般情况下应取1.4； -对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的 活荷载标准值应取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 -一般情况下应取1.0； -对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,fd 或f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

33、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 。,钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。 （P3813页，附录1）,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,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。,Gk -永久荷载标准值在结构或构件中产生的变形值； Q1k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）；,(1.3.15),2）正常使用极限状态,Qik-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。 -结构或结构构件的容许变形值。(P384-5页，附录2),钢结构设计原理 Design