鋼結(jié)構(gòu) 第一章

1、鋼結(jié)構(gòu)教程第一章 概述第二章 結(jié)構(gòu)鋼材及其性能第三章 鋼結(jié)構(gòu)的連接第四章 軸心受力構(gòu)件第五章 梁（受彎構(gòu)件）第六章 拉彎與壓彎構(gòu)件第七章 房屋結(jié)構(gòu)第一章 緒 論第一節(jié) 鋼結(jié)構(gòu)的特點與應(yīng)用第二節(jié) 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理與方法第三節(jié) 鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展第四節(jié) 鋼結(jié)構(gòu)課程的學(xué)習(xí)方法第一節(jié) 鋼結(jié)構(gòu)的特點及應(yīng)用一、鋼結(jié)構(gòu)的特點強度高、重量輕鋼與混凝土、木材相比，雖然質(zhì)量密度較大，但其屈服點較混凝土和木材要高得多，其質(zhì)量密度與屈服點的比值相對較低。在承載力相同的條件下，鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)相比，構(gòu)件較小，重量較輕，便于運輸和安裝。 質(zhì)地均勻，塑性和韌性好鋼材質(zhì)地均勻，各向同性，彈性模量大，有良好的塑性和韌性

2、，為理想的彈塑性體，完全符合目前所采用的計算方法和基本理論。 生產(chǎn)、安裝工業(yè)化程度高，施工周期短 鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)具備成批大件生產(chǎn)和高度準確性的特點，可以采用工廠制作、工地安裝的施工方法，所以其生產(chǎn)作業(yè)面多，可縮短施工周期，進而為降低造價、提高效益創(chuàng)造條件。 密閉性能好 由于焊接結(jié)構(gòu)可以做到完全密封，一些要求氣密性和水密性好的高壓容器、大型油庫、氣柜、管道等板殼結(jié)構(gòu)都采用鋼結(jié)構(gòu)。 抗震及抗動力荷載性能好 鋼結(jié)構(gòu)因自重輕、質(zhì)地均勻，具有較好的延性，因而抗震及抗動力荷載性能好。 具有一定的耐熱性 溫度在250以內(nèi)，鋼的性質(zhì)變化很小，溫度達到300以上，強度逐漸下降，達到450650時，強度降為零。因此，

3、鋼結(jié)構(gòu)可用于溫度不高于250的場合。在自身有特殊防火要求的建筑中，鋼結(jié)構(gòu)必須用耐火材料予以維護。當(dāng)防火設(shè)計不當(dāng)或者當(dāng)防火層處于破壞的狀況下，有可能將產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。 遠眺紐約曼哈頓世貿(mào)大樓 絕版紐約世貿(mào)中心雙子塔 撞擊下的世界貿(mào)易中心 美國東部時間2001年9月11日上午8時45分，一架起飛重量達160噸的波音767型飛機，直接撞擊紐約世界貿(mào)易中心北塔；18分鐘后，又一架起飛重量為100噸的波音757型飛機，幾乎攔腰撞擊世界貿(mào)易中心南塔。假設(shè)兩架飛機的起飛重量是滿負荷，再考慮兩種機型的速度是1000千米/小時，而且以恐怖分子執(zhí)意為之的心理，這個速度已是下限，那么，在這種條件下，世界貿(mào)易中心受

4、到的沖量究竟有多少呢？根據(jù)動量的計算公式P=mv，m是質(zhì)點的質(zhì)量，v是該質(zhì)點的質(zhì)心速度，質(zhì)點的動量是矢量，其方向和速度矢量的方向相同。實質(zhì)上，飛機撞擊世界貿(mào)易中心是屬于物體對障礙物碰撞的現(xiàn)象，我們先看看有關(guān)數(shù)據(jù)：一、北塔所承受767型飛機撞擊的動量m=1601000=160000（千克）v=（10001000）3600277.8米/秒P=mv=160000277.8=44448000千克米/秒二、南塔所承受757型飛機撞擊的動量m=1001000=100000（千克）v=（10001000）3600277.8米/秒P=mv=100000277.8=27780000千克米/秒 以上數(shù)據(jù)之巨，可見

5、飛機每一次撞擊的力量都是致命的，所以有物理學(xué)家說，這種撞擊與爆炸，可達1000噸烈性炸藥當(dāng)量，應(yīng)該是可信的。南北塔是筒中筒結(jié)構(gòu)，核心是47個電梯井（因分段設(shè)置，47個電梯井可容104部電梯），外圍是鋼柱排列，9層以下的承重外柱間距為3米，9層以上承重外柱間距為1.016米，標準層窗寬僅0.55米，如此密植的鋼鐵森林，于極高速撞擊之下，兩架飛機還是全都沒入其腹部，甚至撞擊南塔那架還穿透整座進深達63.5米的大廈，撞擊力量之巨，威力之大，實在令人悚然。 但是，事實上，世界貿(mào)易中心卻經(jīng)受住了這等力量的撞擊，因為撞擊造成的動量，并不是坍塌的決定因素。烈火中的世界貿(mào)易中心撞擊兩塔的波音767型或757型

6、飛機，如果機體直徑約計10米的話，也就是說，世界貿(mào)易中心北塔的80層左右，南塔的60層左右，在飛機的質(zhì)量與速度的撞擊下，應(yīng)該各有三層都處于被飛機躥通的狀態(tài)。而且767機型滿掛油料是45噸，757機型為30噸，這些油料霎時傾倒其中，可從具體數(shù)據(jù)看其慘烈之狀。世界貿(mào)易中心邊長=63.5米世界貿(mào)易中心每層的建筑面積=63.563.54032平方米如果除開間隔墻體所占面積，還有一般占摩天大廈建筑面積達1/51/4的電梯井的面積，也就是說，在3000平方米不到的面積里，澆灌了4530噸的高燃值的油料在燃燒（南塔有一部分溢出）。我們可以估量，以液態(tài)燃油的漫溢性質(zhì)，這數(shù)十噸燃油所產(chǎn)生的熱量，或可足以把受撞擊

7、層變成熔爐，兼有樓體里面許多例如紙張、塑料制品、各類管線氣體等易燃易爆物品，特別是外幕墻玻璃被擊破和電梯井被穿透后，電梯井便變作拔氣管，成了助燃工具。所以被撞擊后的世界貿(mào)易中心，遠遠看去，就像兩根碩大的煙囪。同時，高達1000的溫度，鋼結(jié)構(gòu)都易產(chǎn)生變形，更因上有重壓，所以最終招致崩落現(xiàn)象。而且，高溫之下，燃油有氣化的現(xiàn)象，急速膨脹的氣體，燃燒中必然夾雜著爆炸，這更是致命的。因此，火，火，火，才是世界貿(mào)易中心殞落的決定因素。大廈被撞擊后，那里面被飛機躥空的三層，其核心部位電梯井已失去作用（有部分油料會倒灌井內(nèi)，引起井道內(nèi)爆），里面幾乎成了鏤空狀態(tài)，在烈火燃燒下，剩下的兩側(cè)外圍承重的鋼柱軟化，以上

8、數(shù)十層至少有20000余噸的樓層的重力（以兩幢共用鋼19.2萬噸計，加上租賃方的什物就遠不止這個數(shù)了），在有10米高的空間盈余下，夾著9.8米/秒的加速度作自由落體墜落，重力之下，勢如破竹。在這里，燃燒的高溫致使被飛機沖力撞剩的鋼柱軟化，而被撞擊層以上樓層的重力在加速度作用下，以雷霆萬鈞之勢，造成了世界貿(mào)易中心遇襲后的必然結(jié)果坍塌。所以，世界貿(mào)易中心只能是坍塌，而不是倒塌。鋼結(jié)構(gòu)抗腐蝕性較差 鋼結(jié)構(gòu)的最大缺點是易于銹蝕。新建造的鋼結(jié)構(gòu)一般都需仔細除銹、鍍鋅或刷涂料。以后隔一定時間又要重新刷涂料，維護費用較高。目前國內(nèi)外正在發(fā)展不易銹蝕的耐候鋼，可大量節(jié)省維護費用，但還未能廣泛采用。 二、鋼結(jié)構(gòu)

9、的應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)通常用于高層、大跨度、體型復(fù)雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、高溫車間、密封性要求高、要求能活動或經(jīng)常裝拆的結(jié)構(gòu)。直觀的說：大廈、體育館、歌劇院、大橋、電視塔、倉棚、工廠、住宅和臨時建筑等。這是和鋼結(jié)構(gòu)自身的特點相一致的。鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用1、重型結(jié)構(gòu)及大跨度建筑結(jié)構(gòu)；2、多層、高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)；3、輕鋼結(jié)構(gòu)；4、塔桅等高聳結(jié)構(gòu)；5、鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)通常有框架、平面(木行)架、網(wǎng)架（殼）、索膜、輕鋼、塔桅等結(jié)構(gòu)型式。1、廠房鋼結(jié)構(gòu) 廠房鋼結(jié)構(gòu)一般指重型、大型車間的承重骨架。通常由檁條、天窗架、屋架、托架、柱、吊車梁、制動梁（桁架）、各種支撐及墻架等構(gòu)件組成。 2

10、、輕型鋼結(jié)構(gòu)輕型鋼結(jié)構(gòu)因具有用鋼量省、造價低、供貨迅速、安裝方便、外形美觀、內(nèi)部空曠等特點，在近年來得到迅速的發(fā)展，主要用于：單層或多層廠房、倉庫 ；多層住宅、辦公樓 （圖） 多層住宅、辦公樓柱距一般為69米，不超過8層，基礎(chǔ)受力小，有利于抗震；資源耗用少；工業(yè)化程度高；施工速度快；可裝拆；造價略高。 小別墅 （圖） 3、大跨度鋼結(jié)構(gòu)大跨度結(jié)構(gòu)主要有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等。（1）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)廣泛用作體育館、展覽館、俱樂部、影劇院、食堂、會議室、候車廳、飛機庫、車間等的屋蓋結(jié)構(gòu)。具有工業(yè)化程度高、自重輕、穩(wěn)定性好、外形美觀的特點。 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)構(gòu)成網(wǎng)架的基本單元有三角錐、三棱體、正方體、

11、截頭四角錐等，由這些基本單元可組合成平面形狀的三邊形、四邊形、六邊形、圓形或其他任何形體。 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一般而言，網(wǎng)架鋼結(jié)構(gòu)有下列三種節(jié)點形式： 焊接球節(jié)點 螺栓球節(jié)點 （圖） 鋼板節(jié)點 （2）懸索及索桁架結(jié)構(gòu)以一系列拉索為主要承重構(gòu)件，這些索按一定的規(guī)律組成各種不同的形式，懸掛于相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)上，使材料強度在受拉情況下得到充分發(fā)揮的結(jié)構(gòu)形式。節(jié)約鋼材（以浙江省體育館為例，僅17kg/m2）、外形美觀、設(shè)計施工較復(fù)雜，適合于大跨度屋頂。（3）網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一樣，網(wǎng)殼也是由許多桿件按一定規(guī)律布置，通過節(jié)點連接成空間桿系結(jié)構(gòu)，但網(wǎng)架的外形呈平板狀，而網(wǎng)殼的外形呈曲面狀。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的特點：外形美觀、通

12、透感好，建筑空間大、用材省，設(shè)計施工較復(fù)雜。 蘇州樂園宇宙大戰(zhàn)館球體屋面（穹頂）上海商務(wù)中心網(wǎng)狀網(wǎng)殼4.橋梁鋼結(jié)構(gòu)橋梁鋼結(jié)構(gòu)的主要形式有： （1）桁架式橋（如武漢、南京長江大橋）（連續(xù)小跨距） （2）箱形橋梁（如立交橋、鐵路橋），鋼板焊成（3）拱形橋梁，中、小跨度（圖） （4）斜拉橋（如上海南浦、楊浦大橋）“H”型鋼，大跨距、特大跨距（圖） （5）懸索橋（如江陰長江大橋）桁架梁1000米跨距 拱形橋梁斜拉橋5.高聳鋼結(jié)構(gòu)高聳鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式多為空間桁架，其特點是高跨比較大，以水平荷載作用為主，可應(yīng)用在以下幾個方面： （1）輸電塔（圖） （2）通訊及微波塔 （3）多功能廣播電視發(fā)射塔（圖） （4

13、）桅桿 （5）火炬塔、石油化工塔架 6.高層鋼結(jié)構(gòu)已建的高層鋼結(jié)構(gòu) （紐約世貿(mào)中心不幸在恐怖事件中倒塌，向死難的人民表示哀悼）高層鋼結(jié)構(gòu)（1）一般50層以上建筑均用鋼結(jié)構(gòu) （2）自重輕、抗震性能好，基礎(chǔ)處理方便 （3）柱用焊接方管（圓角）、H型鋼或組合柱 （4）梁用H型鋼，上下翼緣用對接焊，腹板用高強螺栓作抗剪連接，柱與梁翼緣對應(yīng)處有加強板 高層鋼結(jié)構(gòu)（5）樓板用壓型鋼板加鋼筋網(wǎng)加細石砼構(gòu)成組合板，板與梁連接用銷釘 （6）外墻用玻璃或鋁幕墻 （7）基礎(chǔ)用樁基加箱基，箱基作停車場 （8）防火要求非常嚴格 159m 高的啟東廣播電視塔位于江蘇啟東新落成的廣電廣場購物中心第二節(jié) 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理與方

14、法結(jié)構(gòu)設(shè)計首層規(guī)范建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準（GB50068）規(guī)定：結(jié)構(gòu)的可靠度應(yīng)采用以概率論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法分析確定。鋼結(jié)構(gòu)和其他建筑結(jié)構(gòu)一樣，遵循“統(tǒng)一標準”要求，采用的也是以概率論為基礎(chǔ)，用分項系數(shù)表達的極限狀態(tài)設(shè)計方法。結(jié) 構(gòu) 概 率 設(shè) 計 法對結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要考慮的多種非確定性因素，如荷載、材料性能等，運用概率論和數(shù)理統(tǒng)計的方法來尋找它們的規(guī)律性，從而進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，這就是結(jié)構(gòu)概率設(shè)計法。 荷載效應(yīng)S：取決于各種荷載（恒載、活載、風(fēng)、地震作用，溫度變化等）。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力或抗力R：取決于材料、構(gòu)件的幾何特性等。 結(jié) 構(gòu) 概 率 設(shè) 計 法設(shè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)方程：Z=R-S 當(dāng) Z0

15、 時，結(jié)構(gòu)可靠； 當(dāng) Z0 時，結(jié)構(gòu)失效； 當(dāng) Z=0 時，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承載能力處于極限狀態(tài)。 結(jié) 構(gòu) 概 率 設(shè) 計 法結(jié)構(gòu)可靠度：結(jié)構(gòu)在規(guī)定時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率。若以 表示結(jié)構(gòu)的可靠度，則：失效概率：結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)的概率，以 表示，則有： 結(jié)構(gòu)是否可靠就看結(jié)構(gòu)可靠度是否足夠大或其失效概率是否小到可以接受的程度。 對于一個結(jié)構(gòu)狀態(tài)方程，其平均值 與其標準差 的比值 ，稱為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的可靠度指標。 與 有確定的對應(yīng)關(guān)系， 增大， 減小，而對于結(jié)構(gòu)來說 容易確定得多。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的規(guī)定承重結(jié)構(gòu)設(shè)計均按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)來進行的。 計算結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的強度或穩(wěn)定性及

16、連接的強度時應(yīng)采用荷載的設(shè)計值；計算疲勞和變形時，采用荷載的標準值。 承載能力極限狀態(tài)承載能力極限狀態(tài)為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載能力或達到不適于繼續(xù)承載的變形的極限狀態(tài)。 強度、穩(wěn)定性設(shè)計采用的極限狀態(tài)設(shè)計表達式： 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)， -永久荷載設(shè)計值 在結(jié)構(gòu)構(gòu)件中或連接中產(chǎn)生的應(yīng)力， 標準值， 為分項系數(shù)，一般取1.2，當(dāng)永久荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利時取1.0； : 第i個可變荷載設(shè)計值在結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接中的應(yīng)力 : 荷載組合系數(shù)； 正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到正常使用（變形或耐久性能）的某項規(guī)定限值的極限狀態(tài)。其表示式為： 永久荷載標準值在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生的變形； 第一個可變荷載標

17、準值在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生的變形； 第i個可變荷載標準值在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生的變形； 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的容許變形值。梁以容許撓度表示。 第三節(jié) 鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展我國是最早應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)的國家，但是歷史的原因致使現(xiàn)代建筑鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及發(fā)展與發(fā)達國家相比，已有相當(dāng)大的差距，最大的差距在于建筑鋼結(jié)構(gòu)。97年新發(fā)布的中國建筑技術(shù)政策中強調(diào)要重點發(fā)展建筑鋼結(jié)構(gòu)，國家相關(guān)部門也多次發(fā)布文件，要求擴大鋼結(jié)構(gòu)住宅的市場占有率。96年我國鋼產(chǎn)量已開始超億噸，居世界首位，為鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展奠定物質(zhì)基礎(chǔ)，對鋼材的使用已由“節(jié)約使用”變?yōu)椤昂侠碛娩摗?、“加大建筑用鋼”。?dāng)今我國建筑業(yè)中發(fā)展最快的就是鋼結(jié)構(gòu)，最缺的人才也是鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)，發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)

18、以帶動其它相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，已成為建筑業(yè)發(fā)展的重要任務(wù)。1、高效鋼材 表面處理鋼材 指包括鍍層（鍍鋅、鍍鋁或鋁鋅合金）、涂層（有機涂料）、復(fù)合等表面處理鋼材。 防腐性能得以提高， 使用壽命延長25倍。 冷加工鋼材 指冷軋、冷拔和冷擠壓的鋼材。 由于產(chǎn)生冷加工硬化， 鋼材強度大為提高， 且表面光潔， 尺寸精確。1、高效鋼材 表面處理鋼材 指包括鍍層（鍍鋅、鍍鋁或鋁鋅合金）、涂層（有機涂料）、復(fù)合等表面處理鋼材。 防腐性能得以提高， 使用壽命延長25倍。 冷加工鋼材 指冷軋、冷拔和冷擠壓的鋼材。 由于產(chǎn)生冷加工硬化， 鋼材強度大為提高， 且表面光潔， 尺寸精確。2、新型結(jié)構(gòu) 輕型鋼結(jié)構(gòu) 輕型彩色鋼板制成墻體和屋面圍護結(jié)構(gòu)組成的新結(jié)構(gòu)形式。由厚4mm以上鋼板焊接或軋制的大斷面薄壁H型鋼墻梁和屋面檁條，圓鋼制成柔性支承系統(tǒng)和高強螺栓連接構(gòu)成的輕鋼結(jié)構(gòu)體系。2、新型結(jié)構(gòu) 輕型鋼結(jié)構(gòu)輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房 柱距6-9m，跨度可達