河北工業(yè)大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)課件第一章概述.ppt

本章內(nèi)容：,1.1鋼結(jié)構(gòu)的特點和應(yīng)用范圍1.2鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法1.3鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展,由鋼板、熱軋型鋼、冷加工成型的薄壁型鋼以及鋼索制成的工程結(jié)構(gòu)稱之為鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)（steelstructure）有以下特點：,1.1鋼結(jié)構(gòu)的特點和應(yīng)用范圍,(1)鋼材強度高結(jié)構(gòu)重量輕（輕質(zhì)高強）由于鋼材強度高，結(jié)構(gòu)需要的構(gòu)件截面小,結(jié)構(gòu)自重輕，運輸和安裝方便。a=容重/屈服強度,a越小，結(jié)構(gòu)就越輕。鋼材：a=1.73.710-4/m；鋼砼：a=1810-4/m；木材：a=5.410-4/m。當(dāng)跨度和荷載相同時，普通鋼屋架的重量僅為鋼筋混凝土屋架重量的1314。若采用薄壁型鋼屋架則更輕。所以鋼結(jié)構(gòu)特別適用于跨度大、建筑物高、荷載重的結(jié)構(gòu)，也適用于要求裝拆和移動的結(jié)構(gòu)。,(2)材質(zhì)均勻有良好的塑性和韌性內(nèi)部微觀組織均勻，各向同性，具有良好的塑性(plasticity)和韌性(toughness)。這些物理力學(xué)性能，最符合目前所采用的計算方法（材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)）的基本假定。所以鋼結(jié)構(gòu)的實際受力情況與計算結(jié)果最吻合，精度可達5%左右。,(3)安裝方便施工周期短制作、安裝簡便，施工精度高，工期短，符合工業(yè)化要求。因此，鋼結(jié)構(gòu)可以降低造價，節(jié)省投資，提高經(jīng)濟效益和資金周轉(zhuǎn)率。,(4)密閉性好具有不滲漏性和可焊性(weldability)。常用于氣密性和,(5)鋼結(jié)構(gòu)耐熱但不耐火溫度300時，鋼材的屈服點和極限強度急劇下降；到達600左右時，強度接近于零。故當(dāng)結(jié)構(gòu)表面長期受輻射熱達150以上或在短時間內(nèi)可能受到火焰作用時，須采用隔熱和防火措施。,(6)鋼結(jié)構(gòu)易銹蝕維護費用大新建的鋼結(jié)構(gòu)必須先除銹，然后刷防銹涂料或鍍鋅，且每隔一段時間要重復(fù)一次，維護費用較大。若采用不易銹蝕的耐候鋼，則可節(jié)省大量勞動力和維護費用，但材料一次投資成本高，目前還較少采用。,水密性要求較高的高壓容器、大型油庫、煤氣柜、大型管道、船舶等板殼結(jié)構(gòu)。,應(yīng)用范圍：在房屋建筑中，以下情況宜采用鋼結(jié)構(gòu)：(1)重型廠房結(jié)構(gòu)：如冶煉廠的平爐車間、熱軋車間、混鐵爐車間；重型機械廠的鑄鋼車間、鍛壓車間、水壓機車間；造船廠的船體車間；飛機制造廠的裝配車間等。(2)大跨度房屋的屋蓋結(jié)構(gòu)：如飛機庫，體育館，展覽廳，影劇院，大型交易市場等屋蓋結(jié)構(gòu)。(3)高層及多層建筑：鋼結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)自重輕、構(gòu)件體積小、裝配化程度高，對高層結(jié)構(gòu)（high-risestructure）特別有利。此外，鋼結(jié)構(gòu)還適用于多層工業(yè)廠房（industrialplantbuilding），如煉油工業(yè)中的多層多跨框架等。,(4)輕型鋼結(jié)構(gòu)輕型鋼結(jié)構(gòu)（lightsteelstructure）是由冷彎薄壁型鋼、薄壁鋼管或小角鋼，圓鋼等組成的結(jié)構(gòu)。(5)其他結(jié)構(gòu)1）塔桅結(jié)構(gòu)2）板殼結(jié)構(gòu)3）橋梁結(jié)構(gòu)4）移動式結(jié)構(gòu),返回,1.2鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法1.2.1基本要求,1）保證結(jié)構(gòu)安全可靠。構(gòu)件在運輸、安裝和使用過程中具有足夠的強度、剛度、整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性。2）滿足建筑物的使用要求。建筑外形盡量簡潔、美觀。3）在設(shè)計中采用先進的設(shè)計理論，新型的結(jié)構(gòu)形式和連接方式。優(yōu)先選用高強度低合金鋼等優(yōu)質(zhì)鋼材，減輕結(jié)構(gòu)自重和節(jié)省鋼材。4）設(shè)計時盡量使結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單，制造、運輸、安裝方便，從而縮短施工周期，降低造價。5）采取有效措施，提高鋼結(jié)構(gòu)的防銹蝕能力和滿足鋼結(jié)構(gòu)的防火要求。,1.2.2設(shè)計方法及其發(fā)展（1）容許應(yīng)力設(shè)計法容許應(yīng)力設(shè)計法（allowablestressdesignmethod），即把鋼材可以使用的最大強度，除以一個安全系數(shù)，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計時容許達到的最大應(yīng)力容許應(yīng)力。表達式為：,式中：構(gòu)件的設(shè)計應(yīng)力；鋼材的容許應(yīng)力；Ni根據(jù)標準荷載求得的內(nèi)力組合值;S構(gòu)件的幾何特性;fy鋼材的屈服點;K安全系數(shù).,式中：K1荷載系數(shù);K2材料系數(shù);K3調(diào)整系數(shù)。其他符號同前。,（3）近似概率極限狀態(tài)設(shè)計法該方法簡化了基本變量隨時間變化的關(guān)系，同時，將一些復(fù)雜的關(guān)系進行了線性化。1989年實施的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（codefordesignofsteelstructure）（GBJI788）和現(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB500172003）均采用此法。,（2）半概率極限狀態(tài)設(shè)計法形式表示為：,（4）全概率極限狀態(tài)設(shè)計法即將影響結(jié)構(gòu)安全的各種因素分別采用隨機變量或隨機過程的概率模型來描述，對整個結(jié)構(gòu)體系進行精確的概率分析后，用求得的失效概率直接度量結(jié)構(gòu)的安全性。此法需大量的技術(shù)資料，目前尚不具備條件，世界各國都還尚未列入規(guī)范。隨著分析理論的發(fā)展和各種技術(shù)資料的豐富與積累，最終必將采用全概率設(shè)計法。半概率極限狀態(tài)設(shè)計法，近似概率極限狀態(tài)設(shè)計法和全概率極限狀態(tài)設(shè)計法也稱為概率極限狀態(tài)設(shè)計法的三個水準。,1.2.3概率極限狀態(tài)設(shè)計法(1)結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)：當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件超過某個特定的狀態(tài)，就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要求時，則此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)分為兩類：a.承載能力極限狀態(tài):包括：強度破壞、疲勞破壞、不適于繼續(xù)承載的變形、失穩(wěn)、傾覆、變?yōu)闄C動體系等狀態(tài)。b.正常使用極限狀態(tài):包括：影響正常使用或外觀的變形、影響正常使用的振動、影響正常使用或耐久性的局部破壞等狀態(tài)。,結(jié)構(gòu)的工作性能可用結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)來描述，設(shè)x1,x2,，xn為n個隨機變量，則:式中：Z結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)，也可用結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)S和抗力R來表達，即:式中：R和S為兩個基本的隨機變量，Z是R和S的函數(shù)，也是一個隨機變量。,在實際工程結(jié)構(gòu)中，可能出現(xiàn)下列三種情況：當(dāng)Z0時，結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；當(dāng)Z0時，結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)；當(dāng)Z0時，結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)。由此可見，結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)是結(jié)構(gòu)由可靠轉(zhuǎn)變?yōu)槭У呐R界狀態(tài)。判斷結(jié)構(gòu)是否可靠，要看結(jié)構(gòu)是否達到極限狀態(tài)，為此，通常將下式：稱為極限狀態(tài)方程。,(2)結(jié)構(gòu)的可靠度結(jié)構(gòu)的可靠性（reliability）包括結(jié)構(gòu)的安全性（safety）、適用性（usability）和耐久性（durability）。而結(jié)構(gòu)的可靠度則是結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量，即結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率。用ps表示結(jié)構(gòu)的可靠度（degreeofreliability），則有：當(dāng)結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)（Z0）時的概率，稱為失效概率（probabilityoffailure），用pf表示，即:,由于可靠度與失效概率是兩個相反的概率，兩者的關(guān)系應(yīng)滿足下式：所以，結(jié)構(gòu)可靠度的計算可以轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)失效率的計算。用概率的觀點來觀察結(jié)構(gòu)是否可靠，是指失效概率是否已經(jīng)達到可以接受的預(yù)定要求。在實際工程中絕對可靠的結(jié)構(gòu)（ps1），即失效概率為零（pf0）的結(jié)構(gòu)是沒有的。,已知功能函數(shù)設(shè)fR(R)和fS(S)分別是結(jié)構(gòu)的抗力R和荷載效應(yīng)S的概率密度函數(shù)，為R和S的聯(lián)合概率密度函數(shù)，R和S是相互獨立的隨機變量，則有:,其失效概率為:,由于影響結(jié)構(gòu)可靠度的因素很多，且極為復(fù)雜，求R和S的理論概率密度困難很大，所以目前無法從上述理論公式直接求出結(jié)構(gòu)的失效概率，這就是目前我們還不能采用全概率設(shè)計法的原因之一。,(3)可靠指標在功能函數(shù)中，R和S是兩個服從正態(tài)分布的隨機變量，可分別求出它們的平均值和標準差，則功能函數(shù)Z也服從正態(tài)分布，有：它的平均值和標準差分別為：可以求出：,功能函數(shù)ZR-S的正態(tài)分布圖,失效,可靠,從圖中可以看出，與失效概率pf之間存在著對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)值增大時，陰影面積減小，即失效概率pf減小；反之，當(dāng)變小時，pf增大。因此，可以作為衡量結(jié)構(gòu)可靠度的一個數(shù)量指標，稱為可靠指標（reliabilityindex）。,式中:為標準正態(tài)函數(shù)，只要知道可靠指標的數(shù)值，即可查標準正態(tài)函數(shù)表，求出失效概率。表1.為與pf的對應(yīng)值。,為了使結(jié)構(gòu)達到安全可靠與經(jīng)濟上的最佳平衡，必須選擇一個結(jié)構(gòu)的最優(yōu)失效概率或目標可靠指標，但這是一個非常復(fù)雜而困難的工作。目前，我國與其他很多國家一樣，采用“校準法”，就是以長期的工程實踐為基礎(chǔ)，通過對原有設(shè)計的反演分析，找出校準點，再經(jīng)過綜合分析后，確定設(shè)計采用的目標可靠指標。對鋼結(jié)構(gòu)各類主要構(gòu)件校準的結(jié)果，一般在3.163.62之間。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標準規(guī)定各類構(gòu)件的可靠指標見表1.2。用于一般工業(yè)與民用建筑物的鋼結(jié)構(gòu)，其構(gòu)件設(shè)計的目標可靠指標一般為3.2，鋼結(jié)構(gòu)連接的目標可靠指標比構(gòu)件略高，一般推薦為4.5。,設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)時，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生的后果（危及人的生命、造成經(jīng)濟損失、產(chǎn)生社會影響等）的嚴重性，采用不同的安全等級。一般工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)的安全等級可取為二級，民用建筑鋼結(jié)構(gòu)的安全等級可按現(xiàn)行民用建筑等級標準劃分。對于特殊建筑鋼結(jié)構(gòu)，其安全等級可根據(jù)具體情況另行確定。當(dāng)按抗震要求設(shè)計時，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級應(yīng)符合建筑抗震設(shè)計規(guī)范的規(guī)定。,1.2.4鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計表達式采用計算結(jié)構(gòu)的失效概率或可靠指標與所定的最優(yōu)失效概率或目標可靠指標相比較的設(shè)計方法較難掌握?，F(xiàn)規(guī)范采用分項系數(shù)來表達的方式進行設(shè)計計算。1）承載能力極限狀態(tài)按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時，應(yīng)考慮荷載效應(yīng)的基本組合，必要時尚應(yīng)考慮荷載效應(yīng)的偶然組合。基本組合時按下列設(shè)計表達式中最不利值計算。,由永久荷載效應(yīng)控制的組合：,對于一般排架及框架結(jié)構(gòu)，可采用下列簡化的設(shè)計表達式：,由可變荷載效應(yīng)控制的組合：,式中g(shù)0結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對安全等級為一級和設(shè)計使用年限為100年及以上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于1.1，對安全等級為二級和設(shè)計使用年限為50年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于1.0，對安全等級為三級和設(shè)計使用年限5年及以下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于0.9；gG永久荷載分項系數(shù)，一般情況下對式（1.15）、（1.17）取1.2；對式（1.16）取1.35；當(dāng)作用效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利時取1.0；對抗傾覆和滑移有利時可取0.9；gQi第一個和其它任意第個可變荷載的分項系數(shù),一般情況取1.4（第一個可變荷載取可變荷載中最大者）；當(dāng)樓面活荷載標準值4kN/m2時取1.3；,SGK按永久荷載標準值計算的荷載效應(yīng)值；SQ1k、SQik按第一個和其它任意第個可變荷載標準值計算的可變荷載效應(yīng)。ci第i個可變荷載的組合值系數(shù),按建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范的規(guī)定采用；簡化設(shè)計表達式中采用的荷載組合系數(shù)，一般情況取0.9，只有一個可變荷載時取1.0；R()結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力函數(shù)gR結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力分項系數(shù)，其值應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范對各類材料的規(guī)定；fk材料性能的標準值；,k幾何參數(shù)的標準值；當(dāng)幾何參數(shù)的變異性對結(jié)構(gòu)性能有明顯影響時，可另增減一個附加值考慮其不利影響。對于荷載效應(yīng)的偶然組合，應(yīng)按現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載規(guī)范確定。,在工程應(yīng)用中，考慮到鋼結(jié)構(gòu)主要為單一材料制成，而且設(shè)計人員習(xí)慣于用應(yīng)力形式表達和計算，故也可將計算公式（1.15）寫成應(yīng)力表達式:,式中f=fy/gR,稱為鋼材強度設(shè)計值。,2）正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)(serviceabilitylimitstates)為結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常使用的某項規(guī)定限值時的極限狀態(tài)。按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計時，除鋼與混凝土組合梁外，只考慮荷載短期效應(yīng)組合。,式中：C結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到正常使用要求的規(guī)定限值，如變形、裂縫、振幅等，按相關(guān)規(guī)范的規(guī)定采用。,返回,對于正常使用極限狀態(tài)，要求分別采用荷載的標準組合、頻遇組合和準永久組合，并使變形等不超過相應(yīng)的規(guī)定限值。對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計只考慮荷載的標準組合，其表達式為：,1.3鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展,鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，與鋼鐵產(chǎn)量和鋼鐵冶煉技術(shù)有著密切的關(guān)系。我國是最早用鋼鐵建造橋梁等承重結(jié)構(gòu)的少數(shù)幾個國家之一。,公元前二百多年（秦始皇時代）用鐵建造橋墩公元60年前后（漢明帝時代）鐵鏈懸橋,世界上最古老的鐵橋和我國古代的一些紀念性建筑,盤江橋,大渡河橋,玉泉寺鐵塔,鐵塔寺鐵塔,甘露寺鐵塔,18世紀歐洲工業(yè)革命以后，我國由于長期受封建主義社會制度的束縛，特別是1840年鴉片戰(zhàn)爭以后，鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展非常緩慢，與歐美各國差距拉大。但在這段時期，也建造了一些鋼結(jié)構(gòu)廠房、橋梁等工程。,1931年建成的廣州中山紀念堂屋頂鋼結(jié)構(gòu),1937年建成的杭州錢塘江大橋,1949年新中國成立以后，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論、學(xué)術(shù)水平、制造和安裝技術(shù)都有了很大的提高，建造了大量的鋼結(jié)構(gòu)廠房和民用建筑，其規(guī)模和技