鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理：第一章 緒論

1、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理Design Principles of Steel Structure教學(xué)計(jì)劃 緒論2學(xué)時(shí) 結(jié)構(gòu)鋼材6學(xué)時(shí) 連接14學(xué)時(shí) 軸心受壓構(gòu)件8學(xué)時(shí) 受彎構(gòu)件7學(xué)時(shí) 拉彎和壓彎構(gòu)件8學(xué)時(shí) 課程總結(jié)1學(xué)時(shí)4.了解桿件和板件穩(wěn)定的基本理論，理解影響穩(wěn)定性的主要因素及提高穩(wěn)定性的措施；3.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；2.理解“鋼結(jié)構(gòu)”的計(jì)算方法；1.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)；本課程的基本要求5. 掌握各種連接（焊接、螺栓連接）和各類構(gòu)件(梁、柱和屋架)的工作性能、破壞特征及其設(shè)計(jì)的基本方法。教學(xué)參考書及規(guī)范:1.鋼結(jié)構(gòu) 戴國(guó)欣 主編 武漢

2、理工業(yè)大學(xué)出版社2.鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范 （GB50205-2001)3.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 （GB50017-2003)4.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) （GB50017-2017)6.理解構(gòu)件間的連接方法、力的傳遞方式和過(guò)程以及構(gòu)造原則； 7.熟悉與土木工程相關(guān)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。1.1 鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與應(yīng)用1.2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本方法第一章 緒論(Chapter 1 Preface to Steel Structure)1.1 鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與應(yīng)用 一、什么是鋼結(jié)構(gòu)鋼材經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、制作和安裝而形成的工程結(jié)構(gòu)形式。定義由鋼板、熱軋型鋼或冷加工成型的薄壁型鋼以及 鋼索為主材建造的工程結(jié)構(gòu)，如房屋、橋梁等。鋼與鐵的區(qū)別

3、含碳量小于2的鐵碳合金稱作鋼，含碳量大于2時(shí)稱作鐵?？v向跨度為240m，頂部高55m，拱形骨架有12度的傾角，其截面為3.5m2。 香港大球場(chǎng) 公、鐵路兩用橋，鐵路橋全長(zhǎng)7675m，公路橋全長(zhǎng)4460m，正橋11孔，全長(zhǎng)1806m，主跨216m，采用連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)。 九江長(zhǎng)江大橋 二、鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 材質(zhì)均勻，可靠性高這表現(xiàn)在：鋼材在使用階段接近理想彈塑性體,這使得理論計(jì)算與實(shí)際情況相吻合; 鋼材具有良好的塑性和韌性，不會(huì)因偶然的超載而破壞，對(duì)動(dòng)力荷載適應(yīng)性強(qiáng)。 強(qiáng)度高，重量輕在結(jié)構(gòu)重量相同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的承載能力更大，因而可達(dá)到其他建筑材料難以達(dá)到的跨越能力。 塑性韌性、抗震性能好 便于機(jī)械化制造

4、，施工期短鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般可以在專業(yè)化工廠由專門機(jī)具加工，生產(chǎn)效率高，且不受氣候影響。 可回收，建筑造型美觀 耐火性和耐腐蝕性差鋼材在表面溫度不超過(guò)200時(shí)，其性能變化很小，因而適合于熱車間。溫度達(dá)到200300以后,強(qiáng)度和彈性模量顯著下降。可以采取的對(duì)策是：用混凝土或耐火磚將其包裹起來(lái)。三、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍（1）工業(yè)廠房鋼鐵、化工、機(jī)械、發(fā)電電 上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓屋架梁跨度83m，跨中高度超過(guò)11m，單榀屋架梁重55噸。 為了增加屋架結(jié)構(gòu)的剛度，同時(shí)為保證屋架梁在風(fēng)吸力作用下始終處于受拉狀態(tài)，下弦布置了一根預(yù)應(yīng)力鋼索，對(duì)下弦施加足夠的預(yù)應(yīng)力。（2）大跨度建筑物體育館、展覽館、影劇院、會(huì)議中

5、心、機(jī)庫(kù) （3）大跨度橋梁公路，鐵路，跨江，跨海海 （4）多層和高層建筑香港中國(guó)銀行大樓 于1990年落成，由著名建筑學(xué)家貝聿銘負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)。 高300多米，是結(jié)構(gòu)美和建筑美的統(tǒng)一。建筑即結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)即建筑。三角形的受力簡(jiǎn)潔明快，巨型立柱對(duì)角布置，使得抗傾覆力臂達(dá)到最大，而從底到頂不斷縮進(jìn)，使得結(jié)構(gòu)受力極為合理。頂端像針尖一樣直刺云霄。巴黎埃菲爾鐵塔 建于1886年,是為隨后1889萬(wàn)國(guó)博覽會(huì)而建,以建筑師埃菲爾的名字命名。塔高320m,建筑設(shè)計(jì)中最著名的是防范強(qiáng)風(fēng)吹襲的對(duì)稱鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),集實(shí)用與美感于一體。（5）塔桅結(jié)構(gòu)電視塔、天線、發(fā)射架、管道支架 東方明珠電視塔 東方明珠廣播電視塔座落在上海浦東

6、新區(qū)黃浦江畔，以其468米的高度成為亞洲第一高 塔。她于1994年11月完工，總重量達(dá)12萬(wàn)噸。 東方明珠塔由三根直徑為九米的擎天立柱、太空艙、上球體、下球體、五個(gè)小球、塔座和廣場(chǎng)組成。多功能廣播電視發(fā)射塔輸電塔火箭發(fā)射塔（6）容器和管道： 油罐、儲(chǔ)氣罐 （7）可拆卸、移動(dòng)的結(jié)構(gòu)舞臺(tái)、展棚、軍用設(shè)施、溫室、水閘門 （8）輕型結(jié)構(gòu)廠房、住宅、公共建筑 （9）在地震區(qū)抗震要求高的工程結(jié)構(gòu)（10）海洋平臺(tái)沿海采油平臺(tái)四、鋼結(jié)構(gòu)體系桿：受拉,受壓桁架、支撐、網(wǎng)架梁：受彎框架、樓層梁桁架：整體受彎、桿件受拉受壓屋架、支撐平面桁架空間桁架框架：梁受彎，柱受壓彎單層、多高層建筑拱：受壓為主，局部受彎桁架拱、

7、薄板拱 鋼拱橋空間（剛性）：整體受彎、局部受拉壓 網(wǎng)架、網(wǎng)殼、拱殼 總建筑面積近15萬(wàn)平方米，外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)半橢圓球形網(wǎng)殼，東西長(zhǎng)軸212.2m，南北短軸143.64m，總高度46.285m。設(shè)計(jì)為法國(guó)巴黎機(jī)場(chǎng)公司安德魯建筑師，整體結(jié)構(gòu)用鋼量達(dá)6750噸。 國(guó)家大劇院 張力(非線性）：整體受彎、局部桿件受拉為主 索、網(wǎng)、膜明石海峽大橋1998年建成通車，大橋主橋全長(zhǎng)3910m，主跨1990m，是目前世界上主跨最長(zhǎng)的懸索橋，鋼橋塔高297m，是世界上最高的橋塔。兩根主纜各由290根直徑1.222m的高強(qiáng)鋼索構(gòu)成，主纜的極限強(qiáng)度為1800MPa。五、我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景（1）我國(guó)鋼產(chǎn)量10億

8、多噸，質(zhì)量可靠；（2）擴(kuò)大鋼材建筑市場(chǎng)：目前僅5%；（3）擴(kuò)大應(yīng)用范圍：住宅、公共、商業(yè)；（4）開(kāi)發(fā)新材料：不銹鋼，耐候鋼，耐火鋼，高強(qiáng)鋼；（5）新體系、新理論：組合結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力，索膜；（6）建筑結(jié)構(gòu)一體化：新穎結(jié)構(gòu)形式表現(xiàn)建筑。六、鋼結(jié)構(gòu)基本內(nèi)容理論基礎(chǔ)+工程經(jīng)驗(yàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)分解成單個(gè)構(gòu)件，構(gòu)件間連接整體結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)力學(xué)為基礎(chǔ)單個(gè)構(gòu)件分析材料力學(xué)為基礎(chǔ)連接分析結(jié)合工程實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)(I)-鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理 鋼結(jié)構(gòu)的材料 鋼結(jié)構(gòu)的連接 軸心受力構(gòu)件（桿） 受彎構(gòu)件（梁）拉彎和壓彎構(gòu)件（柱）節(jié)點(diǎn)構(gòu)造鋼結(jié)構(gòu)(II)鋼結(jié)構(gòu)工程 單層廠房鋼結(jié)構(gòu)（輕鋼） 大跨房屋鋼結(jié)構(gòu) 多高層房屋鋼結(jié)構(gòu) 鋼結(jié)構(gòu)制作和安裝七、

9、預(yù)備知識(shí)高等數(shù)學(xué)，材料力學(xué)，結(jié)構(gòu)力學(xué)八、考核方式出勤 10%課堂討論和作業(yè) 10%期中考試10%期末考試70%1.2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本方法【鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求】鋼規(guī)(GB500172003):“為在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中貫徹執(zhí)行國(guó)家的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策,做到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全使用、確保質(zhì)量,特制定本規(guī)范”。即力求用最經(jīng)濟(jì)的方法,使所建結(jié)構(gòu)滿足基本功能要求：（1）安全性:結(jié)構(gòu)在正常施工和正常使用條件下，承受可能出現(xiàn)的各種作用的能力，以及在偶然事件（如地震、爆炸）發(fā)生時(shí)及發(fā)生后，仍保持必要的整體穩(wěn)定性的能力。（2）適用性:結(jié)構(gòu)在正常使用條件下,滿足預(yù)定使用要求的能力。（3）耐久性:結(jié)構(gòu)在正常維護(hù)條件下，隨時(shí)

10、間變化而仍能滿足預(yù)定功能要求的能力。結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、耐久性總稱結(jié)構(gòu)的可靠性。一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則1、目標(biāo)（1）承受各種作用，滿足功能要求；（2）技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)合理，安全適用，確保質(zhì)量。（1）使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力和變形, 作用效應(yīng)，外部因素；2、作用（S）（2）荷載：恒載(G)，活載(Q)，風(fēng)載(W)靜載，動(dòng)載，溫度, 沉降，地震，可變作用，永久作用。3、抗力（R）（1）結(jié)構(gòu)承受作用的能力，結(jié)構(gòu)特性；（2）與結(jié)構(gòu)形式、尺寸、材料性能有關(guān)。 為了便于應(yīng)用并符合人們長(zhǎng)期以來(lái)的習(xí)慣，規(guī)范并不直接使用進(jìn)行設(shè)計(jì)，而利用式: 來(lái)完成。就設(shè)計(jì)而言，問(wèn)題被轉(zhuǎn)化為計(jì)算效應(yīng)S和抗力R。4、功能（1）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)（一般

11、50年），（2）安全性(S0，或RS，安全狀態(tài)；Z0，或RS，失效狀態(tài)；Z=0，或R=S，極限狀態(tài)（2）承載能力極限狀態(tài)：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或出現(xiàn)不適于繼續(xù)承載的變形。 承載能力極限狀態(tài)包括： 整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡(如傾覆); 結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接在循環(huán)荷載作用下發(fā)生的疲勞破壞； 結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過(guò)材料強(qiáng)度而破壞； 結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因過(guò)度變形而不適于繼續(xù)承載； 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系； 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如壓屈等）。（3）正常使用極限狀態(tài)：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項(xiàng)規(guī)定值。 (Limit Status for Normally Used Steel Structu

12、re) 正常使用極限狀態(tài)包括： 影響正常使用或外觀的變形；影響正常使用或耐久性能的局部損壞（包括裂縫）；影響正常使用的振動(dòng)；影響正常使用的其它特定狀態(tài)?！咀ⅰ砍休d力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)相比，前者可能導(dǎo)致人身傷亡和大量的財(cái)產(chǎn)損失,而后者對(duì)生命的危害則較小,主要是引起人們的不適,故也應(yīng)該給予足夠的重視。 7、隨機(jī)變量作用、作用效應(yīng)和抗力隨機(jī)分布；標(biāo)準(zhǔn)值，設(shè)計(jì)值。8、可靠度指標(biāo)（b=3.2）可靠概率（Ps），失效概率（Pf），校準(zhǔn)法, 計(jì)算復(fù)雜。失效概率可靠指標(biāo)9、結(jié)構(gòu)安全等級(jí)結(jié)構(gòu)重要性分三級(jí)： 重要、一般、次要1、統(tǒng)計(jì)變量：標(biāo)準(zhǔn)值，設(shè)計(jì)值，分項(xiàng)系數(shù)；恒載SG=gGSGk；活載SQ=gQSQk

13、；抗力R=Rk/gR a. 采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法(疲勞問(wèn)題除外)，用分項(xiàng)系數(shù)的表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算； b. 結(jié)構(gòu)的可靠度用可靠度指標(biāo)來(lái)度量，并以分項(xiàng)系數(shù)的形式考慮。二、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表達(dá)式 ？ 1957年至1973年我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用半概率的分項(xiàng)系數(shù)法,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入三個(gè)分項(xiàng)系數(shù)，即: 荷載分項(xiàng)系數(shù)-考慮荷載的不定性; 材料分項(xiàng)系數(shù)-考慮材料的不均性; 工作條件系數(shù)-考慮結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的工作特點(diǎn)以及某些假定的計(jì)算簡(jiǎn)圖與實(shí)際情況不完全相符等因素。 2、荷載組合承載能力極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)最不利組合 3、一般表達(dá)式（承載能力極限狀態(tài)）：gG=1.2；gQ=1.4；gR=1.1y

14、ci為荷載組合系數(shù)； ak為結(jié)構(gòu)幾何特性； f為材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。go為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù), go=1.1(一級(jí))；go=1.0 (二級(jí))； go=0.9 (三級(jí))； 4、框架結(jié)構(gòu)：承載能力極限狀態(tài):正常使用極限狀態(tài):有風(fēng)載參與組合時(shí)荷載組合系數(shù)取0.85；w為限制值（變形、剛度）。三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范碳素結(jié)構(gòu)鋼(GB700-2006),低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼 (GB/T1591)：材料性能指標(biāo)；建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB50009-2010)：活載、風(fēng)載、 雪載標(biāo)準(zhǔn)值、材料自重(實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)值)；建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011-2010)：地震烈度、地 震作用標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算、抗震設(shè)計(jì)； 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB5001

15、7-2003)/鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GB50017-2003) ：熱軋和焊接結(jié)構(gòu)，材料強(qiáng)度、構(gòu)件設(shè)計(jì)、連接設(shè)計(jì)、構(gòu)造要求； 冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范(GB50018-2002):冷彎薄壁結(jié)構(gòu),材料強(qiáng)度、構(gòu)件設(shè)計(jì)、連接設(shè)計(jì)、構(gòu)造要求； 鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范(GB50205-2001)：制作、安裝工藝和質(zhì)量控制要求；正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用、 正常維護(hù)。四、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本過(guò)程1、結(jié)構(gòu)方案:結(jié)構(gòu)體系，材料，構(gòu)件布置；2、荷載計(jì)算:恒、活、風(fēng)、雪、吊車、地震等；3、荷載組合:恒+活、恒+活+風(fēng)、恒+活+地震等， 地震和風(fēng)作用的方向，吊車不同的位置；4、內(nèi)力分析:截面估算,結(jié)構(gòu)力學(xué),彈性分析,變形計(jì)算；5、構(gòu)件設(shè)計(jì):驗(yàn)算兩種極限狀態(tài)，優(yōu)化設(shè)計(jì)；6、構(gòu)造要求:考慮