第一章鋼結(jié)構(gòu)概述(2011.8.29)

1、山東理工大學(xué)山東理工大學(xué)建筑工程學(xué)院建筑工程學(xué)院 史史 萍萍 4.4.了解桿件和板件穩(wěn)定的基本理論，了解桿件和板件穩(wěn)定的基本理論，理解影響穩(wěn)定性理解影響穩(wěn)定性的主要因素及提高穩(wěn)定性的措施；的主要因素及提高穩(wěn)定性的措施；3.3.掌握鋼結(jié)構(gòu)用鋼的主要性能及其主要影響因素，并掌握鋼結(jié)構(gòu)用鋼的主要性能及其主要影響因素，并能正確地選擇鋼材；能正確地選擇鋼材；2.2.了解了解“鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)”的計(jì)算方法；的計(jì)算方法；1.1.了解鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展概況了解鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展概況, ,掌握鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)；掌握鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)；本課程的基本要求本課程的基本要求5. 5. 掌握各種連接（焊接、螺栓連接）和各類構(gòu)件掌握各種

2、連接（焊接、螺栓連接）和各類構(gòu)件( (梁、梁、柱柱) )的工作性能、破壞特征及其設(shè)計(jì)的基本方法。的工作性能、破壞特征及其設(shè)計(jì)的基本方法。6.6.理解構(gòu)件間的連接方法、力的傳遞方式和過程以及理解構(gòu)件間的連接方法、力的傳遞方式和過程以及構(gòu)造原則；構(gòu)造原則；教學(xué)參考書及規(guī)范教學(xué)參考書及規(guī)范:1.1.鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu) 魏明鐘魏明鐘 主編主編 武漢工業(yè)大學(xué)出版社武漢工業(yè)大學(xué)出版社2.2.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 （GB50017-2003)GB50017-2003)7.7.熟悉與土木工程相關(guān)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。熟悉與土木工程相關(guān)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。3.3.鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范

3、 （GB50205-2001)GB50205-2001)第一章第一章 鋼結(jié)構(gòu)概論鋼結(jié)構(gòu)概論大綱要求大綱要求1. 1. 掌握鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍掌握鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍；2 2了解鋼結(jié)構(gòu)按極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)方法；3 3了解鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)的發(fā)展趨勢(shì)。了解鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)的發(fā)展趨勢(shì)。 鳥巢所用鋼材名為鳥巢所用鋼材名為Q460EZ235Q460EZ235，這種鋼的強(qiáng)度是普通鋼材的兩倍，性能達(dá)，這種鋼的強(qiáng)度是普通鋼材的兩倍，性能達(dá)到最高級(jí)別，而這種鋼材完全由我國(guó)自主創(chuàng)新研究出來(lái)。到最高級(jí)別，而這種鋼材完全由我國(guó)自主創(chuàng)新研究出來(lái)。 Q460EZ235Q460EZ235是頂級(jí)建筑用鋼，是頂級(jí)建筑用

4、鋼，“460”460”指的是鋼材的強(qiáng)度，這表明這種鋼指的是鋼材的強(qiáng)度，這表明這種鋼的強(qiáng)度是普通鋼材的兩倍，的強(qiáng)度是普通鋼材的兩倍，“E”E”指的是負(fù)指的是負(fù)4040度的沖擊韌性指標(biāo)，這表明此鋼度的沖擊韌性指標(biāo)，這表明此鋼的韌性十足，而的韌性十足，而“Z235”Z235”則表明鳥巢鋼材的性能是最高級(jí)的。則表明鳥巢鋼材的性能是最高級(jí)的。 按照我國(guó)鋼材標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)度為按照我國(guó)鋼材標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)度為420420的鋼材可滿足普通建筑用鋼標(biāo)準(zhǔn)，而鳥巢的鋼材可滿足普通建筑用鋼標(biāo)準(zhǔn)，而鳥巢的用鋼總量極大，重量也超出想象，因此，的用鋼總量極大，重量也超出想象，因此，420420強(qiáng)度的鋼不能滿足鳥巢的需求，強(qiáng)度的鋼不能滿足

5、鳥巢的需求，因此，必須采用超出我國(guó)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的鋼材。因此，必須采用超出我國(guó)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的鋼材。1.1 1.1 鋼結(jié)構(gòu)的定義和特點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)的定義和特點(diǎn)1.1.輕質(zhì)高強(qiáng)輕質(zhì)高強(qiáng); ; 由于鋼材強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)需要的由于鋼材強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)需要的構(gòu)件截面小構(gòu)件截面小, ,結(jié)構(gòu)自重輕。結(jié)構(gòu)自重輕。 a=a=容重容重/ /強(qiáng)度強(qiáng)度, a, a越小，結(jié)構(gòu)相越小，結(jié)構(gòu)相對(duì)越輕。對(duì)越輕。 鋼材：鋼材：a=1.7a=1.73.73.71010-4/-4/m m； 木材：木材：a=5.4a=5.41010-4/-4/m m； 鋼砼：鋼砼：a= 18a= 181010-4/-4/m m；一、鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)一、鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)澳大利亞啤酒

6、中心澳大利亞啤酒中心拱結(jié)構(gòu) 2.2.鋼材的鋼材的塑性塑性好，好，韌度韌度高；高； 塑性塑性和和韌度韌度是概念上完全不同的兩個(gè)物理量。是概念上完全不同的兩個(gè)物理量。 塑性塑性承受靜力荷載時(shí)，材料吸收變形能的能力承受靜力荷載時(shí)，材料吸收變形能的能力。 塑性好，會(huì)使結(jié)構(gòu)一般情況下不會(huì)由于偶然超載而塑性好，會(huì)使結(jié)構(gòu)一般情況下不會(huì)由于偶然超載而 突然斷裂，給人以安全保證；突然斷裂，給人以安全保證； 韌度韌度承受動(dòng)力荷載時(shí)，材料吸收能量的多少。承受動(dòng)力荷載時(shí)，材料吸收能量的多少。 韌性好，說(shuō)明材料具有良好的動(dòng)力工作性能。韌性好，說(shuō)明材料具有良好的動(dòng)力工作性能。 3.3.材質(zhì)均勻、各向同性，接近理想的彈塑性

7、體，與力材質(zhì)均勻、各向同性，接近理想的彈塑性體，與力 學(xué)假定符合較好學(xué)假定符合較好; ; 鋼材屈服前看作彈性材料鋼材屈服前看作彈性材料, ,屈服以后看作塑性屈服以后看作塑性或彈塑性材料或彈塑性材料4 4. .制造簡(jiǎn)便，施工方便，具有良好的裝配性制造簡(jiǎn)便，施工方便，具有良好的裝配性; ; 國(guó)國(guó)家家大大劇劇院院屋屋架架安安裝裝鋼結(jié)構(gòu)住宅鋼結(jié)構(gòu)住宅5 5、密閉性好，不滲漏。密閉性好，不滲漏。6 6、鋼材耐腐蝕性差、鋼材耐腐蝕性差; ;7 7、鋼材耐熱性好，耐火性差鋼材耐熱性好，耐火性差; ; 當(dāng)結(jié)構(gòu)表面長(zhǎng)期受輻射熱達(dá)當(dāng)結(jié)構(gòu)表面長(zhǎng)期受輻射熱達(dá)150150以上或在短時(shí)間內(nèi)以上或在短時(shí)間內(nèi)可能受到火焰作用

8、時(shí)，須采用隔熱和防火措施?？赡苁艿交鹧孀饔脮r(shí)，須采用隔熱和防火措施。二、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍二、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍1.1.大跨度結(jié)構(gòu)大跨度結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)拱結(jié)構(gòu)橋梁天津體育場(chǎng)天津體育場(chǎng)千年穹頂千年穹頂西班牙迪加航空港上海會(huì)展中心單層廠房單層廠房多層工業(yè)廠房多層工業(yè)廠房2. 2. 工業(yè)廠房工業(yè)廠房金陵石化總廠金陵石化總廠3. 3. 承受動(dòng)力荷載及承受動(dòng)力荷載及 地震作用的結(jié)構(gòu)地震作用的結(jié)構(gòu)地王大廈地王大廈4.高層建筑與高聳結(jié)構(gòu)高層建筑與高聳結(jié)構(gòu)金金茂茂大大廈廈8888層層420420米米東京千年塔東京千年塔5 5. .道路、橋梁結(jié)構(gòu)道路、橋梁結(jié)構(gòu)6 6. .水利、水工結(jié)構(gòu)水利、水工結(jié)構(gòu)海上石油平臺(tái)海上石油

9、平臺(tái)(1).(1).波紋拱殼結(jié)構(gòu)波紋拱殼結(jié)構(gòu)7. 輕型鋼結(jié)構(gòu)輕型鋼結(jié)構(gòu)( (2 2) ) 門式剛架結(jié)構(gòu)門式剛架結(jié)構(gòu)（3 3）多層輕型房屋建筑）多層輕型房屋建筑活動(dòng)車庫(kù)活動(dòng)車庫(kù)8 8. .可拆卸、移動(dòng)房屋及可拆卸、移動(dòng)房屋及 移動(dòng)結(jié)構(gòu)移動(dòng)結(jié)構(gòu)9.9.構(gòu)筑物構(gòu)筑物10.10.建筑小品建筑小品結(jié)構(gòu)必須滿足的功能：1）承受正常施工和正常使用時(shí)可能出現(xiàn)的各種情況：荷載、溫度變化、基礎(chǔ)不均勻沉降、地震作用等； 2）正常使用情況下結(jié)構(gòu)具有良好的工作性能；3）正常維護(hù)下結(jié)構(gòu)具有足夠的耐久性；4）偶然事件發(fā)生時(shí)及發(fā)生后保持必需的整體穩(wěn)定性。三三 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法 3.1 概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法 極

10、限狀態(tài) 當(dāng)結(jié)構(gòu)或其組成部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求時(shí)，此特定狀態(tài)就稱為該功能的極限狀態(tài)。 結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)可以分為下列兩類： 承載能力極限狀態(tài) 對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或是出現(xiàn)不適于繼續(xù)承載的變形，包括傾覆、強(qiáng)度破壞、疲勞破壞、喪失穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系或出現(xiàn)過度的塑性變形。正常使用極限狀態(tài) 對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項(xiàng)規(guī)定限值，包括出現(xiàn)影響正常使用或影響外觀的變形，出現(xiàn)影響正常使用或耐久性能的局部損壞以及影響正常使用的振動(dòng)。 三三 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法3.1 概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)： Zg(R，S)R-S R結(jié)構(gòu)構(gòu)

11、件的抗力S 荷載效應(yīng)R 、S是隨機(jī)變量，其函數(shù)Z也是一個(gè)隨機(jī)變量。在實(shí)際工程中，可能出現(xiàn)下列三種情況：Z0 結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；Z0 結(jié)構(gòu)達(dá)到臨界狀態(tài)，即極限狀態(tài)；Z0 結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)。 3.1 概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)的可靠度：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)、規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率。“完成預(yù)定功能”就是對(duì)于規(guī)定的某種功能結(jié)構(gòu)不失效(Z0)。以 表示結(jié)構(gòu)的可靠度，則上述定義可表達(dá)為： 結(jié)構(gòu)的失效概率以 表示，則 由于事件(Z0)件(Z0)是對(duì)立的，所以結(jié)構(gòu)可靠度與結(jié)構(gòu)的失效概率符合下式：sp)0(Zpps)0(Zppffp1fspp3.2 設(shè)計(jì)表達(dá)式 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范除疲勞計(jì)算外，采用以概率理論為

12、基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，用分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算。以簡(jiǎn)單的荷載情況為例，分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)式： 抗力標(biāo)準(zhǔn)值(由材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和截面公稱尺寸計(jì)算而得)； 按標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的永久荷載(G)效應(yīng)值； 按標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的可變荷載(Q)效應(yīng)值； 分項(xiàng)系數(shù)。QKQGKGRKSSRKRGKSQKS3.2 設(shè)計(jì)表達(dá)式建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過計(jì)算和分析，規(guī)定出在一般情況下荷載分項(xiàng)系數(shù)： 1.2； 1.4 當(dāng)永久荷載效應(yīng)與可變荷載效應(yīng)異號(hào)時(shí)，這時(shí)永久荷載對(duì)設(shè)計(jì)有利(如屋蓋當(dāng)風(fēng)的作用而掀起時(shí))，應(yīng)?。?1.0； 1.4GGQQ3.2 設(shè)計(jì)表達(dá)式承載能力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)的基本組合按下列設(shè)計(jì)表達(dá)式中最不利值確定：可變荷載

13、效應(yīng)控制的組合： 永久荷載效應(yīng)控制的組合： 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，安全等級(jí)為一級(jí)或設(shè)計(jì)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；安全等級(jí)為二級(jí)或設(shè)計(jì)使用年限為50年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于1.0；安全等級(jí)為三級(jí)或設(shè)計(jì)使用年限為5年結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于0.9；fniQiKciQiKQQGKG2110fniQiKciQiGKG100 永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面或連接中產(chǎn)生的應(yīng)力； 起控制作用的第1個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面或連接中產(chǎn)生的應(yīng)力（該值使計(jì)算結(jié)果為最大）； 其他第i個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面或連接中產(chǎn)生的應(yīng)力； 永久荷載分項(xiàng)系數(shù)，當(dāng)永久荷載效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力不利時(shí)取1.2，但

14、對(duì)由永久荷載效應(yīng)控制的組合則取1.35。當(dāng)永久荷載效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力有利時(shí)取1.0；驗(yàn)算結(jié)構(gòu)傾覆、滑移或漂浮時(shí)取0.9； 、 第1個(gè)和其他第i個(gè)可變荷載分項(xiàng)系數(shù)，當(dāng)可變荷載效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力不利時(shí)取1.4(當(dāng)樓面活荷載大于4.0時(shí)，取1.3)；有利時(shí)，取為0。GKKQ1QiKG1QQi3.2 設(shè)計(jì)表達(dá)式對(duì)于一般排架、框架結(jié)構(gòu)，可采用簡(jiǎn)化式計(jì)算，由可變荷載效應(yīng)控制的組合： 由永久荷載效應(yīng)控制的組合，按下式進(jìn)行計(jì)算 簡(jiǎn)化式中采用的荷載組合值系數(shù)，一般情況下可采用0.9；當(dāng)只有1個(gè)可變荷載時(shí)，取為1.0。 fniQiKQiGKG10fniQiKciQiGKG103.2 設(shè)計(jì)表達(dá)式正常使用極限

15、狀態(tài)：采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合和準(zhǔn)永久組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，并使變形等不超過相應(yīng)的規(guī)定限值。 鋼結(jié)構(gòu)只考慮荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合、其設(shè)計(jì)式為： 永久荷載的標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值； 起控制作用的第1個(gè)可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值(該值使計(jì)算結(jié)果為最大)； 其他第i個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值； 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的容許變形值。 niQiKciKQGK21GKKQ1QiK 3.2 設(shè)計(jì)表達(dá)式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用應(yīng)力表達(dá)，采用鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。強(qiáng)度設(shè)計(jì)值( f )：鋼材的屈服點(diǎn)( )除以抗力分項(xiàng)系數(shù)，如Q235抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為 ；Q235的 1.087；Q345、Q390和Q420鋼的 1.

16、111。 yf087. 1/yff RR四 鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展 材料 先是鑄鐵、鍛鐵，后是鋼, 高強(qiáng)度鋼。 連接方式 在生鐵和熟鐵時(shí)代是銷釘連接，19世紀(jì)初采用鉚釘連接，20世紀(jì)初有了焊接連接，目前多采用高強(qiáng)度螺栓連接。 結(jié)構(gòu)形式 先是橋梁、塔，后是工業(yè)及民用房屋和水工結(jié)構(gòu)以及板結(jié)構(gòu)，如高爐、儲(chǔ)液庫(kù)、儲(chǔ)氣庫(kù)等。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 88規(guī)范與 74規(guī)范比較，除對(duì)一些問題進(jìn)行合理改進(jìn)外，還增加了新的內(nèi)容?，F(xiàn)行規(guī)范(GB500l 7) 在設(shè)計(jì)方法上有所改進(jìn)和提高。 (1)發(fā)展高強(qiáng)度低合金鋼材 除Q235、Q345、Q390鋼外，增加了Q420鋼，但后者應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)尚有待進(jìn)一步研究。鋼材品種也有所增加。 （2）改進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法 采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，主要表現(xiàn)在不是采用經(jīng)驗(yàn)的安全系數(shù)，而是根據(jù)各