鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)課件第一章概述

1、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)（steel structure）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

2、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 3

3、00 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

4、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-rise structure）特別有利。此外，鋼結(jié)構(gòu)還適用于多層工業(yè)廠房（industrial plant building），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)（light steel structure）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

5、 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（allowable stress design method），即把鋼材可以使用的最大強度，除以一個安

6、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(biāo)準(zhǔn)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（code for design of steel structure）（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

7、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(zhǔn)。 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):

8、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)。

9、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（degree of reliability），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（probability of failure），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

10、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)（ ps 1），即失效概率為零（ pf 0）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(biāo) 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

11、，可分別求出它們的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，則功能函數(shù)Z也服從正態(tài)分布，有：它的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為：可以求出：功能函數(shù)ZR-S的正態(tài)分布圖 f(z)Pf面積zZ=R-S 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(biāo) ，稱為可靠指標(biāo)（reliability index）。式中: 為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)函數(shù)，只要知道可靠指標(biāo)的數(shù)值，即可查標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)可靠指標(biāo)，但這是一個非

12、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(zhǔn)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(zhǔn)點，再經(jīng)過綜合分析后，確定設(shè)計采用的目標(biāo)可靠指標(biāo)。對鋼結(jié)構(gòu)各類主要構(gòu)件校準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定各類構(gòu)件的可靠指標(biāo)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(biāo)可靠指標(biāo)一般為3.2，鋼結(jié)構(gòu)連接的目標(biāo)可靠指標(biāo)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

13、級可按現(xiàn)行民用建筑等級標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)與所定的最優(yōu)失效概率或目標(biāo)可靠指標(biāo)相比較的設(shè)計方法較難掌握。現(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)

14、，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(biāo)準(zhǔn)值4kN/m2時取1.3； SGK按永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算的荷載效應(yīng)值；SQ1k、SQik按第一個和其它任意第

15、個可變荷載標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)值； k幾何參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)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=

16、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)(serviceability limit states)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(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合和準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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