鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)第1章課件

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理1、概述

了解鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用。理解鋼結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)、概率極限狀態(tài)法的基本原理，掌握用分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算的方法。2、鋼結(jié)構(gòu)的材料

認(rèn)識(shí)鋼材的破壞形式、鋼材的主要性能和影響鋼材性能的因素。熟悉建筑鋼材的類別及鋼材的選用。3、構(gòu)件的截面承載能力—強(qiáng)度

了解各類構(gòu)件的應(yīng)用和截面形式。認(rèn)識(shí)各類構(gòu)件截面的受力狀態(tài)、應(yīng)力分布特點(diǎn)，理解和掌握各類構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算準(zhǔn)則和方法。4、單個(gè)構(gòu)件的承載力—穩(wěn)定性認(rèn)識(shí)各類構(gòu)件的整體失穩(wěn)形式及影響穩(wěn)定性的主要因素，理解和掌握各類構(gòu)件的整體穩(wěn)定計(jì)算方法。認(rèn)識(shí)構(gòu)件各組成板件的屈曲問(wèn)題，理解各類構(gòu)件的局部穩(wěn)定條件，并能正確進(jìn)行驗(yàn)算。了解板件的屈曲后強(qiáng)度的利用。本課程的基本要求5、整體結(jié)構(gòu)中的壓桿和壓彎構(gòu)件了解影響桿件屈曲的主要因素，能正確、合理地確定桁架桿件、框架柱的計(jì)算長(zhǎng)度。6、鋼結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)了解正常使用極限狀態(tài)的主要內(nèi)容。掌握各類構(gòu)件的剛度驗(yàn)算方法。7、鋼結(jié)構(gòu)的連接和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造了解鋼結(jié)構(gòu)的連接方法及特點(diǎn)。熟悉焊縫連接、螺栓連接的基本構(gòu)造要求，認(rèn)識(shí)焊縫連接、螺栓連接的工作性能，理解和掌握焊縫連接、螺栓連接在各種受力狀態(tài)下的強(qiáng)度計(jì)算條件。8、了解與土木工程相關(guān)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。本課程的基本要求課程考核平時(shí)成績(jī)：20%（到課率，作業(yè)）；考試成績(jī)：80%（閉卷考試）。課程體系圖示教學(xué)參考書(shū)及規(guī)范鋼結(jié)構(gòu)基本原理

萬(wàn)鳳鳴

北京理工大學(xué)出版社，2013鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理趙根田機(jī)械工業(yè)出版社，2012鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理劉智敏北京交通大學(xué)出版社，2012鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范

（GB50017-2003)建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（GB50068-2001)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009-2012)鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范

（GB50205-2001)1.1鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用1.2鋼結(jié)構(gòu)的建造過(guò)程和內(nèi)在缺陷1.3鋼結(jié)構(gòu)的組成原理1.4鋼結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)和概率極限狀態(tài)法1.5鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展

鋼材的塑性和韌性好

塑性和韌性是概念上完全不同的兩個(gè)物理量。

塑性——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)由于偶然超載而突然斷裂，給人以安全保證；

韌性——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。

5、鋼材耐熱性好，耐火性差

溫度≤200℃，強(qiáng)度變化很小。適應(yīng)該場(chǎng)所。溫度≥600℃，鋼材將喪失承載能力。6、鋼材耐腐蝕性差，維護(hù)費(fèi)用高。

在潮濕、腐蝕性介質(zhì)環(huán)境中，發(fā)生銹蝕，影響鋼結(jié)構(gòu)壽命。必須定期刷涂料等維護(hù)。7、鋼結(jié)構(gòu)在低溫條件下有冷脆傾向。

在低溫條件下，不僅可能發(fā)生脆性斷裂，而且容易發(fā)生厚板的層狀撕裂等。1.1.2鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍（1）大跨度空間結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)拱結(jié)構(gòu)橋梁天津體育場(chǎng)千年穹頂西班牙迪加航空港上海會(huì)展中心單層廠房多層工業(yè)廠房2.重型工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)金陵石化總廠東京千年塔4.高聳建筑(1).波紋拱殼結(jié)構(gòu)5.輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)（3）多層輕型房屋建筑5.輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)活動(dòng)車庫(kù)6.可拆卸、移動(dòng)房屋及移動(dòng)結(jié)構(gòu)8.鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)老山自行車館南通會(huì)展中心（11億）3.空間桁架網(wǎng)架上海浦東機(jī)場(chǎng)航站樓5.張拉集成結(jié)構(gòu)美國(guó)亞特蘭大喬治亞穹頂6.索膜結(jié)構(gòu)上海世博會(huì)--世博軸

索膜頂蓋1.1.2用于多層、高層及超高層建筑的主要結(jié)構(gòu)形式框架結(jié)構(gòu)、剛架---支撐結(jié)構(gòu)、框筒、筒中筒、束筒等1.1.3用于橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式實(shí)腹板梁式結(jié)構(gòu)桁架式結(jié)構(gòu)拱式結(jié)構(gòu)拱與梁桁架組合結(jié)構(gòu)斜拉結(jié)構(gòu)懸索結(jié)構(gòu)武漢長(zhǎng)江大橋九江長(zhǎng)江大橋武漢天興洲長(zhǎng)江大橋湖南矮寨特大橋1.1.4用于塔桅的主要結(jié)構(gòu)形式廣州電視塔1.2.1鋼結(jié)構(gòu)的建造過(guò)程1.工廠制造—驗(yàn)收、放樣、加工、裝配、矯正、除銹和涂漆2.工地安裝—擴(kuò)大拼裝、吊裝就位、臨時(shí)固定、最后固定1.2.2鋼結(jié)構(gòu)的初始缺陷1.幾何缺陷初彎曲初傾斜桿件長(zhǎng)度誤差2.材料缺陷鋼材并非理想的勻質(zhì)體和各向同性體1.3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的與內(nèi)容1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的（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。在偶然事件發(fā)生時(shí)和發(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)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、耐久性總稱為結(jié)構(gòu)的可靠性。

任何結(jié)構(gòu)都必須是幾何不變的空間整體，并且在各類作用的效應(yīng)之下保持穩(wěn)定性能，必要的承載能力和剛度。當(dāng)結(jié)構(gòu)的承重主體是桁架、剛架等平面體系時(shí)，需要設(shè)置一些輔助構(gòu)件如支撐、橫隔等把他們連成空間整體。除容器外，一般將結(jié)構(gòu)分為跨越結(jié)構(gòu)和高聳結(jié)構(gòu)，前者是跨越地面上一定空間的結(jié)構(gòu)，包括橋梁和單層房屋結(jié)構(gòu)；后者則是從地面向上發(fā)展的結(jié)構(gòu)，包括高層房屋、塔架和桅桿結(jié)構(gòu)。曾數(shù)不多的房屋則介于兩者之間。1.3.1跨越結(jié)構(gòu)1.平面體系加支撐如：穿式桁架橋單層廠房的屋蓋2.空間體系如：平板網(wǎng)架穹頂結(jié)構(gòu)懸索屋蓋結(jié)構(gòu)空間框架1.3.2高聳結(jié)構(gòu)

高聳結(jié)構(gòu)不同于跨越結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要特點(diǎn)是，水平荷載

（風(fēng)力、地震的水平作用）可能居于主導(dǎo)地位。1.高層房屋結(jié)構(gòu)---剛架（a）框架-支撐或剪力墻(b,c)重型支撐（d）2.塔架——本身就是一個(gè)空間桁架3.桅桿——用纖繩抵抗水平作用和保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。1.3.3其他結(jié)構(gòu)形式的組成上述可以看出：大部分鋼結(jié)構(gòu)為系桿結(jié)構(gòu)

（除容器、管道）；基本構(gòu)件可以概括為三大類：軸心受力構(gòu)件；受彎構(gòu)件；拉彎或壓彎構(gòu)件1.4.1鋼結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)（2）.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)定限值的極限狀態(tài)，包括：影響正常使用或外觀的變形、影響正常使用的振動(dòng)、影響正常使用的或耐久性的局部破壞等狀態(tài)。（1）.承載能力極限狀態(tài):

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載力或達(dá)到不適應(yīng)于繼續(xù)承載的變形的極限狀態(tài)，包括：傾覆、強(qiáng)度破壞、疲勞破壞、失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系等狀態(tài)。

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003)規(guī)定，極限狀態(tài)分為兩類：1.4.2結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)分析

設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)需要處理兩個(gè)方面的因素：一是結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的抗力；二是荷載施加于結(jié)構(gòu)的效應(yīng)。荷載效應(yīng)通過(guò)內(nèi)力分析來(lái)計(jì)算。結(jié)構(gòu)在荷載作用下必然有變形。當(dāng)變形和構(gòu)件的幾何尺寸相比微不足道時(shí)，內(nèi)力分析按結(jié)構(gòu)的原始位形進(jìn)行，即忽略變形的影響。這種做法稱為一階分析。

大跨度的鋼拱橋，拱肋的柔度就比較大，變形影響不再能被忽略?？紤]變形影響的內(nèi)力分析稱為二階分析，屬于幾何非線性分析。

構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的幾何缺陷，有些在確定構(gòu)件抗力時(shí)加以考慮，如壓桿的初始彎曲，有的則在內(nèi)力分析時(shí)予以考慮，如框架柱的初始傾斜。結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析還可以區(qū)分為彈性分析和非彈性分析。傳統(tǒng)的做法是把結(jié)構(gòu)看做彈性體來(lái)分析。如果結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在達(dá)到承載能力極限狀態(tài)之前不出現(xiàn)塑性，彈性分析正確反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)情況。如果結(jié)構(gòu)出現(xiàn)少量非彈性應(yīng)變，但對(duì)結(jié)構(gòu)的行為影響不大，為計(jì)算簡(jiǎn)便計(jì)，仍然可以用彈性分析。多次超靜定的結(jié)構(gòu)如多層剛架，在達(dá)到承載極限之前會(huì)在多處出現(xiàn)塑性變形，精確反映這類結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的計(jì)算應(yīng)充分考慮鋼材的塑性性能。結(jié)構(gòu)有各種荷載所產(chǎn)生的效應(yīng)（內(nèi)力和變形）結(jié)構(gòu)和連接有材料性能和幾何因素等所決定的抗力或規(guī)定限值。保證結(jié)構(gòu)的可靠性≤荷載大小、材料強(qiáng)度、截面尺寸、施工質(zhì)量的隨機(jī)性結(jié)構(gòu)不可能百分之百可靠，做出一定概率保證現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》---概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法1.4.3概率極限狀態(tài)法

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則是要做到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用和確保質(zhì)量。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要解決的根本問(wèn)題是在結(jié)構(gòu)的可靠和經(jīng)濟(jì)之間選擇一種最佳的平衡，使由最經(jīng)濟(jì)的途徑建成的結(jié)構(gòu)能以適當(dāng)?shù)目煽慷葷M足各種預(yù)定的功能要求。結(jié)構(gòu)的可靠性理論近年來(lái)得到了迅速的發(fā)展，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)擺脫傳統(tǒng)的定值設(shè)計(jì)方法，進(jìn)入以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，簡(jiǎn)稱概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。

結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)Z，結(jié)構(gòu)的抗力R、作用效應(yīng)S，Z＝g（R，S）＝R－S在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中，可能出現(xiàn)下列三種情況：

Z＞0結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；（1-1a）

Z＝R－SZ=0結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)；（1-1b）Z＜0結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)；（1-1c）

判斷結(jié)構(gòu)是否可靠，要看結(jié)構(gòu)是否達(dá)到極限狀態(tài)，為此，通常將下式：

Z＝g(R，S)＝R－S＝0

稱為極限狀態(tài)方程。

概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原理Ps＝P{Z≥0}

（1-2a）結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定功能的概率---失效概率，用Pf表示，則：Pf＝P{Z<0｝（1-2b）結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)、在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率---可靠度，用Ps表示，則：由于可靠度｛Z≥0｝與失效概率{Z＜0｝是兩個(gè)相反的概率，所以兩者的關(guān)系應(yīng)滿足:Ps＋Pf＝1

或

Ps＝1-Pf

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。及結(jié)構(gòu)不失效（Z≥0）若可靠概率記為Ps，失效概率記為Pf；則：Ps+Pf=1

結(jié)構(gòu)的可靠度通常受荷載、材料性能、幾何參數(shù)和計(jì)算公式精確性等因素的影響。這些具有隨機(jī)性的因素稱為“基本變量”。對(duì)于一般建筑結(jié)構(gòu)，可以歸并為荷載效應(yīng)(S)和結(jié)構(gòu)抗力（R），并設(shè)這二者服從正態(tài)分布，這樣Z=R-S也是正態(tài)分布。以代表平均值，以代表標(biāo)準(zhǔn)差，可進(jìn)行概率分析得：值越大，Pf就越小。f(z)μz圖1-17與β的對(duì)應(yīng)關(guān)系PfZ=R-SPf從圖中可以看出β與Pf間存在著一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,即:1).β減小時(shí)，陰影部分的面積增大，即失效概率Pf增大；

2).β增大時(shí)，陰影部分的面積減少，亦即失效概率Pf減小。說(shuō)明β可以作為衡量結(jié)構(gòu)可靠度的一個(gè)數(shù)量指標(biāo)。f(z)μz圖1-17Z的概率密度函數(shù)曲線PfZ=R-Sβ—可靠度指標(biāo)（1-5）失效→←可靠Ps

規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的值可以稱之為目標(biāo)可靠指標(biāo)。目標(biāo)可靠指標(biāo)的取值從理論上說(shuō)應(yīng)根據(jù)各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性、破壞性質(zhì)及失效后果，以優(yōu)化方法確定。但是，實(shí)際上這些因素還難以找到合理的定量分析方法。因此，目前各個(gè)國(guó)家在確定目標(biāo)可靠指標(biāo)時(shí)都采用“校準(zhǔn)法”，通過(guò)對(duì)原有規(guī)范作反演算，找出隱含在現(xiàn)有工程結(jié)構(gòu)中相應(yīng)的可靠指標(biāo)值，經(jīng)過(guò)綜合分析后確定設(shè)計(jì)規(guī)范中相應(yīng)的可靠指標(biāo)值。這種方法的實(shí)質(zhì)是從整體上繼承原有的可靠度水準(zhǔn)，是一種穩(wěn)妥可行的辦法?！督ㄖY(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定各類構(gòu)件按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)的可靠指標(biāo)見(jiàn)表1-3，一般的工業(yè)與民用建筑的安全等級(jí)屬于二級(jí)。鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度破壞和大多數(shù)失穩(wěn)破壞都具有延性破壞性質(zhì)，所以鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)的目標(biāo)可靠指標(biāo)一般為3.2。但是也有少數(shù)情況，主要是某些殼體結(jié)構(gòu)和圓管壓桿及一部分方管壓桿失穩(wěn)時(shí)具有脆性破壞特征。對(duì)這些構(gòu)件，可靠指標(biāo)按表1-3應(yīng)取3.7。疲勞破壞也具有脆性特征，但我國(guó)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)疲勞計(jì)算仍然采用容許應(yīng)力法。鋼結(jié)構(gòu)連接的承載能力極限狀態(tài)經(jīng)常是強(qiáng)度破壞而不是屈服，可靠指標(biāo)應(yīng)比構(gòu)件為高，一般推薦用4.5。破壞類型安全等級(jí)一級(jí)二級(jí)三級(jí)延性破壞3.73.22.7脆性破壞4.23.73.2目標(biāo)可靠指標(biāo)表1-21.4.4設(shè)計(jì)表達(dá)式式中

SGK和SQK——按規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值算得的永久荷載的效應(yīng)和可變荷載的效應(yīng)；G和Q——永久荷載和可變荷載的效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)；

R——構(gòu)件抗力分項(xiàng)系數(shù)；

0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，應(yīng)按下列規(guī)定采用：對(duì)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；對(duì)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；對(duì)于設(shè)計(jì)使用年限為25年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于0.95；對(duì)安全等級(jí)為三級(jí)或設(shè)計(jì)使用年限為5年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于0.9；1.發(fā)展低合金