第1章钢结构绪论

1、钢结构,原理与设计,主讲：许信,2020/10/3,2,第1章 绪 论,1.1 钢结构的发展 1.2 钢结构的特点及应用 1.3 钢结构的设计方法,2020/10/3,3,1.1 钢结构的发展,一、材料的发展 生铁（pig iron） 含碳量2%以上的铁碳合金。 铁的冶炼和铸造在我国发展最早，春秋时代用铁造农具 高炉生铁分为：,由铁矿石在高炉（炼铁炉）内冶炼而成。还含Si、Mn，少量的P、S,炼钢生铁,铸造生铁,特种生铁,天然合金生铁,铁合金,2020/10/3,4,熟铁（wrought iron）含碳量小于0.05% 由铁矿石用碳直接还原，或由生铁经过熔化并将杂质氧化而得到的产物，。也称锻铁

2、。 春秋时期或更早出现熟铁 不易使渣同铁完全分离，常含少量渣 具有较好的抗蚀性，高的延展性 铸铁（cast iron） 含碳2%以上的铸造铁碳合金的总称。由生铁、废钢、铁合金等以不同的比例配合，通过熔炼而成。还含Mn、Si，少量P、S。 铸铁分类：,白口铸铁,灰口铸铁,球墨铸铁,可锻铸铁,合金铸铁,2020/10/3,5,钢（steel） 含碳量0.025%2%的铁基合金的总称。 成分上分： 碳素钢（不含合金元素） 合金钢（含一种或一种以上合金元素） 用途上：结构钢，工具钢，特殊性能钢 炼钢炉分： 转炉钢 平炉钢 电炉钢,2020/10/3,6,二、钢材的大量生产 贝塞麦与炼钢法 贝塞麦（18

3、13-1898）： 英国冶金学家。1856年提出， 不需外热，单纯以空气吹入液态生铁，利用空气中的氧取出铁中的硅、碳等元素而成钢。 贝塞麦炼钢法：酸性底吹转炉炼钢法,用酸性炉衬。空气从炉底风眼吹入。生铁成分限制较严，需含有足够的硅以供应吹炼所需热能，硫和磷含量必须在限值以下。吹炼初期，硅和锰迅速氧化，接着碳大量氧化沸腾。一般吹炼时间15分钟。,首创大量 产钢的方法,2020/10/3,7,旧中国钢材生产 1890年张之洞在汉阳办铁厂，大冶办铁矿。开始官办，1896年派盛宣怀招商承办，改为官督商办。 1898年江西萍乡开煤矿。 1907年汉阳钢铁厂，年产量8500t。 1908年合并成立汉冶萍煤

4、铁厂矿公司，简称汉冶萍公司。 抗日战争时期，汉阳钢铁厂部分设备运往陪都重庆，成立大渡口钢铁厂,重钢,汉阳造,2020/10/3,8,新中国钢材生产 1958年全民炼钢，“超英赶美” 1996年钢产量1亿t，产量世界第一 2003年钢产量2.2亿t 2009年钢产量5.68亿吨 =日俄美印四国总和的2.2倍,首钢,宝钢,鞍钢,本钢,酒钢,马钢,武钢,重钢,攀钢,长钢,包钢,2012年超过10亿吨,2020/10/3,9,三、古代铁结构 铁桥 兰津桥（汉） 永平霁虹桥65年 蒲津渡桥（唐）725年 泸定桥（清）1706年,黄河铁牛,30吨/牛,2020/10/3,10,铁塔 济宁铁塔寺铁塔 北宋1

5、105年，初七层 明代增加2层 = 九层 甘露寺铁塔 寺建于256年东吴甘露元年 唐（825）年卫公李德裕建塔 宋重铸为铁塔九级,镇江北固山 现仅存地下三级,甘露寺刘皇叔招亲,2020/10/3,11,四、近代钢铁结构 房屋结构 芝加哥家庭保险公司大楼 1883年，11层。 铁柱钢梁 1927年沈阳皇姑屯机车厂 钢结构厂房 1931年广州中山纪念堂 钢结构圆屋顶 1931纽约帝国大厦,102层，381m,1950年加建顶部电视台，总高448m,2020/10/3,12,桥梁结构 金门大桥 金门大桥，建于1937年 主跨1280m 世界第一保持27年 钱塘江大桥 1937年建成 铁路公路两用桥,

6、茅以升主持建造,抗战期间曾炸毁一孔,战后修复，现在仍在为杭州人民服务。,2020/10/3,13,塔式结构 艾菲尔铁塔 为迎接在巴黎召开的世界博览会而于1889年建成的。 铁塔的设计者、杰出的建筑工程师居斯塔夫艾菲尔。,塔尖高320.7米，塔身为钢架镂空结构，重达9000吨，共用了1.8万余个金属部件，以100余万个铆钉铆成一体，全靠四条粗大的用水泥浇灌的塔墩支撑。,2020/10/3,14,五、现代钢结构 设计施工规范 GB50017-2003钢结构设计规范 GB50018-2002冷弯薄壁型钢结构技术规范 GB50205-2001钢结构工程施工质量验收规范 钢结构的应用 大跨度 超高层 多

7、领域,2020/10/3,15,1.2 钢结构的特点和应用,一、钢结构的特点 钢结构的优点 钢材的强度高，结构质量轻。 材质均匀，塑性、韧性好。 制作安装工业化程度高，施工周期短 焊接结构气密性和水密性好。 抗震性能好。 钢材可重复使用。,2020/10/3,16,钢结构的缺点 易腐蚀，维护费用高 耐火性能差 温度达到250 C 时，材质会发生较大变化；达到500 C时，强度下降，结构会瞬间崩溃，完全丧失承载能力。 耐火时间30min 低温变脆倾向,受环境因素影响,2020/10/3,17,二、钢结构的应用 大跨度房屋结构 体育场馆 影视剧院、礼堂 航站楼、飞机库,2020/10/3,18,北

8、京植物园展览温室（1999） 半椭球部分由双向空间桁架组成,长轴短轴高=45m36.6m15m，桁架最大高度2m 。,2020/10/3,19,单层钢结构 工业厂房 轻工业厂房 重工业厂房,2020/10/3,20,多、高层钢结构房屋 多层：29层房屋 高层：10层以上或高度大于28m 超高层：35层以上或高度大于100m,超高层钢构代表西尔斯大厦 钢结构束筒： 9 个 22.86m22.86m 的钢框筒 美国Chicago 1974年建成 442m高，110层,2020/10/3,21,风采依旧,2020/10/3,22,超高层钢构代表台北101大楼 钢结构巨型框架核心筒： 造价580亿新台

9、币 高度508m 1998年动工，2005年建成 101层,2020/10/3,23,高耸钢结构 电视塔 火箭发射塔 输电线塔,广州电视塔,上海东方明珠,2020/10/3,24,板壳钢结构 轮船、航母 油库、管道 水工船闸,2020/10/3,25,桥梁钢结构 钢桁梁桥 钢桁拱桥 斜拉桥 悬索桥,2020/10/3,26,施工钢结构 基坑钢支撑 脚手架、支架 海上石油平台 劲性骨架,2020/10/3,27,移动钢结构 活动板房 塔吊 龙门吊 大型浮吊,2020/10/3,28,娱乐钢结构 过山车 摩天轮,2020/10/3,29,1.3 钢结构的设计方法,理论指导,容许应力法,极限状态设计

10、法,先秦考工记,民间鲁班经,凭经验,北宋营造法式,前清工部工程做法则例,一、结构设计方法的发展,2020/10/3,30,容许应力法 方法源头：材料力学 1826年，法国人纳维提出 方法本质：定值法,极限应力,安全系数,容许应力法的缺陷 不能从定量上确定结构的可靠度 不能使各类结构安全度达到同一水准 误导人们思维 易使人将安全系数与安全度等同 错误地认为安全系数大结构的安全度就高,2020/10/3,31,半概率极限状态设计法 方法的含义 用概率统计的方法，考虑材料强度的变异、考虑荷载的变异 分项安全系数由工程经验确定,材料强度变异,荷载变异,2020/10/3,32,荷载安全系数,材料安全系

11、数,调整系数,结构安全系数,材料强度标准值,设计表达式 公式形式采用容许应力法的公式形式 安全系数由多系数分析决定,1974年开始应用，廿世纪八十年代末期淘汰,2020/10/3,33,近似概率极限状态设计法 设计参数确定 材料强度按概论统计理论确定 荷载按概率统计理论确定 分项安全系数按概率方法确定 优点 （1）有明确的极限状态 （2）可给出结构构件的可靠度（可靠概率） 不足：忽略了基本变量随时间的变化 复杂关系线性化处理,近似之所在,现在采用的设计方法,2020/10/3,34,整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。,承载能

12、力极限状态,功能：安全性,正常使用极限状态,功能：适用性 耐久性,二、极限状态设计法,2020/10/3,35,结构构件抗力设计值,荷载效应组合的设计值,结构重要性系数：,对安全等级为一级或设计使用年限为100及以上的结构构件，不应小于1.1；,安全等级二级或使用年限为50年，不应小于1.0；,对安全等级为三级或设计使用年限为5年及以下的结构构件，不应小于0.9。,承载力极限状态设计,2020/10/3,36,荷载效应基本组合设计值 荷载设计值 = 分项系数 荷载代表值 效应设计值 = 荷载设计值产生的效应 = 分项系数荷载代表值产生的效应 （1）由可变荷载效应控制的组合 工程简称1.2 组合

13、,（2）由永久荷载效应控制的组合(只考虑竖向荷载) 工程简称1.35组合,2020/10/3,37,各个系数： 0 结构重要性系数： 1.1、1.0、0.9 G 永久荷载分项系数：不利 1.2、1.35 有利 1.0，抗倾0.9 Q 可变荷载分项系数：一般 1.4 工业楼面活荷载标准值4 kN/m2取1.3 对于一般排架和框架，可变效应控制的组合，可不区分第一个和第 i 个可变荷载，简化计算：,2020/10/3,38,正常使用极限状态 实用表达式（公式）： v v 正常使用规定的挠度限值 |_ 荷载效应（挠度）的设计值 荷载效应采用标准组合,用荷载效应标准组合计算钢结构构件的挠度,见P.23

14、9 附表2.1,2020/10/3,39,三、钢结构的疲劳计算 疲劳现象 金属构件承受交变应力，经过较长时间或较长应力循环次数后所发生的突然失效，称为疲劳失效（fatigue failure）。 疲劳失效简称疲劳（fatigue）。 疲劳失效的特点 低应力（名义应力）破坏 经历多次应力循环才破坏 脆性断裂 对表面及缺陷敏感,疲劳断口：,光滑区+粗糙区,2020/10/3,40,疲劳分类 常幅疲劳：交变应力幅为常数 变幅疲劳：交变应力幅随时间变化 需要进行疲劳验算的构件 直接承受动力荷载作用的构件（如吊车梁） 且应力变化的循环次数 5万次,2020/10/3,41,容许应力幅,应力幅寿命曲线,双

15、对数坐标下为直线：平均值关系,取平均值减2倍标准差，保证率97.73%,2020/10/3,42,取此时的应力幅为容许应力幅，并将疲劳寿命N改为n，则有,构件和连接类别见：P.254-256附录7,2020/10/3,43,例1.1 取循环次数n=2106次，试确定构件和连接类别分别为1类和2类时的容许应力幅。 解,构件和连接类别为1类,构件和连接类别为2类,2020/10/3,44,常幅疲劳计算,对于结构构件的焊接部位,对于结构构件的非焊接部位，如高强度螺栓连接和带孔构件，取折算应力幅,2020/10/3,45,变幅疲劳计算 迈因纳准则,从已知变幅交变应力的应力幅水平1、2、i、及其对应的循

16、环次数n1、n2、ni、。假设1、2、i、为常幅时，相对应的疲劳寿命是N1、N2、Ni、，则在i作用下，一次循环所引起的损伤为1/ Ni，ni次循环所引起的损伤为ni /Ni。按累积损伤观点，总的损伤应累加计算,迈因纳（Miner）认为总损伤达到1时构件疲劳失效,2020/10/3,46,变幅疲劳的等效应力,变幅疲劳任意一级应力水平,设另一常幅疲，应力幅e，应力循环ni次也发生疲劳破坏,变幅疲劳强度条件,2020/10/3,47,吊车梁的欠载效应系数,设为计算应力谱中的最大应力幅，等效应力幅按下式计算,则f称为变幅疲劳的欠载效应系数,规范以2106循环为基准，实测欠载系数,重级工作制硬钩吊车f=1.0,重级工作制软钩吊车f=0.8,中级工作制吊车f=0.5,2020/10/3,48,吊车梁的疲劳强度条件为,吊车工作制,2020/10/3,49,例1.2 吊车梁上危险点的最大正应力max=215MPa，最小正应力min=110MPa。梁为焊接工字钢，构件和连接类别为2，硬钩吊车重级工作制，试验算梁的疲劳强度。 解,吊车梁的疲劳强度符合要求！,The End,2020/10/3,50,鲁班与鲁班经,鲁班 古代建筑工匠。公