哈工大鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理-1緒論課件

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理學(xué)時(shí)：64學(xué)分：3.5考核方法：筆試主講教師：張文元副教授哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院CollegeofCivilEngineering,HIT1、張耀春，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，高等教育出版社，2004，72、沈祖炎，鋼結(jié)構(gòu)基本原理，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，20003、鐘善桐，鋼結(jié)構(gòu)，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1988主要參考書：《材料力學(xué)》、《結(jié)構(gòu)力學(xué)》、《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)》先修課程：第一章緒論（3學(xué)時(shí)）第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料（7學(xué)時(shí)）第三章連接（14學(xué)時(shí)）第四章受彎構(gòu)件的計(jì)算原理（8學(xué)時(shí)）第五章梁的設(shè)計(jì)（4學(xué)時(shí)）第六章軸心受力構(gòu)件（14學(xué)時(shí)）第七章拉彎、壓彎構(gòu)件（6學(xué)時(shí)）第八章節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原理第九章單層廠房鋼結(jié)構(gòu)（8學(xué)時(shí)）第十章鋼結(jié)構(gòu)的塑性設(shè)計(jì)和抗震（課外自學(xué)）主要內(nèi)容：戰(zhàn)國(guó)時(shí)代（公元前475年）已有鐵制生產(chǎn)工具漢朝（公元65年）出現(xiàn)鍛鐵，建成世界最早的鐵鏈懸橋－蘭津橋清朝1705年，四川瀘定大渡河橋，跨長(zhǎng)100m，9根橋面鐵鏈和四根橋欄鐵鏈公元694年在洛陽(yáng)建成的“天樞”，高35m，直徑4m，頂有直徑為11.3m的“騰云承露盤”，底部有直徑約16.7m用來(lái)保持天樞穩(wěn)定的“鐵山”公元1061年（宋代）在湖北荊州玉泉寺建成的13層鐵塔，現(xiàn)存我國(guó)國(guó)內(nèi)古代的發(fā)展英國(guó)1840年以前，采用鑄鐵來(lái)建造拱橋。1840年后，鉚釘和鍛鐵技術(shù)發(fā)展，鑄鐵被鍛鐵取代，英國(guó)威爾士的布里塔尼亞橋，70-140-140-70m，箱型梁式橋，鍛鐵型板和角鐵經(jīng)鉚釘連接而成。1855年英國(guó)人發(fā)明貝氏轉(zhuǎn)爐煉鋼法，1865年法國(guó)人發(fā)明平爐煉鋼法1870年軋制出工字鋼，形成工業(yè)化大批量生產(chǎn)，強(qiáng)度高且韌性好的鋼材才開始在取代鍛鐵20世紀(jì)初焊接技術(shù)出現(xiàn)，1934年高強(qiáng)度螺栓出現(xiàn)，極大地促進(jìn)了鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。西歐、北美、前蘇聯(lián)和日本等國(guó)獲得了廣泛的應(yīng)用國(guó)外的發(fā)展解放前經(jīng)濟(jì)凋敝、工業(yè)落后，古代優(yōu)勢(shì)喪失殆盡1907年建成漢陽(yáng)鋼鐵廠，年產(chǎn)鋼只有0.85萬(wàn)噸。日本侵略期間，在東北建立鋼廠，1943年生鐵180萬(wàn)噸，鋼90萬(wàn)噸，大部分被日本用于戰(zhàn)爭(zhēng)新中國(guó)成立后，由于受到鋼產(chǎn)量的制約，很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)被限制使用，影響了鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。1978年后鋼產(chǎn)量逐年增加，1996年超過1億噸，鋼產(chǎn)量世界第一，2003年2.2億噸。政策也從“限制使用”改為積極合理地推廣應(yīng)用。近年來(lái)市場(chǎng)不斷完善，國(guó)內(nèi)外企涌現(xiàn)。頒布《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017和《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》GB50018我國(guó)近代的發(fā)展§1.2鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用鋼材強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)重量輕。

鋼與混凝土相比密度較大，但強(qiáng)度更高，其密度與強(qiáng)度的比值較小承受同樣荷載時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)要比其他結(jié)構(gòu)輕。當(dāng)跨度和荷載均相同時(shí)，鋼屋架的重量?jī)H為鋼筋混凝土屋架的1/3～1/4，冷彎薄壁型鋼屋架甚至接近1/10。為運(yùn)輸和吊裝提供了方便。鋼構(gòu)件常較柔細(xì)，穩(wěn)定問題比較突出。鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)鋼材耐熱但不耐火。

經(jīng)受100℃輻射熱時(shí)，性能變化不大。當(dāng)溫度超過250℃時(shí)，會(huì)出現(xiàn)蘭脆現(xiàn)象，當(dāng)溫度達(dá)600℃時(shí)，鋼材進(jìn)入熱塑性狀態(tài)，將喪失承載能力。有防火要求的建筑鋼結(jié)構(gòu)必須采用耐火材料加以保護(hù)。耐腐蝕性差。

必須對(duì)鋼結(jié)構(gòu)采取防護(hù)措施，維護(hù)費(fèi)用較高。在沒有侵蝕性介質(zhì)的一般廠房中，鋼構(gòu)件經(jīng)過徹底除銹并涂上合格的油漆后，銹蝕問題并不嚴(yán)重。對(duì)處于濕度大，有侵蝕性介質(zhì)環(huán)境中的結(jié)構(gòu)，可采用耐候鋼或不銹鋼提高其抗銹蝕性能。鋼結(jié)構(gòu)的低溫冷脆傾向。

厚鋼板焊接節(jié)點(diǎn)，應(yīng)力復(fù)雜，有低溫脆性破壞傾向。工業(yè)廠房有較大起重量吊車的廠房、吊車工作較繁重的廠房、有強(qiáng)烈輻射熱的車間。由鋼屋架和階形柱組成的門式剛架或排架，也可采用網(wǎng)架屋蓋。近年隨著壓型鋼板等輕型屋面的采用，輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房得到了迅速的發(fā)展。實(shí)腹式變截面門式剛架。

典型照片（圖片資源－重、輕）受動(dòng)力荷載影響的結(jié)構(gòu)鋼材具有良好韌性，有較大鍛錘或產(chǎn)生動(dòng)力設(shè)備的廠房往往使用鋼結(jié)構(gòu)。對(duì)于抗震能力要求高的結(jié)構(gòu)，采用鋼結(jié)構(gòu)也是比較適宜的。容器和其他構(gòu)筑物冶金、石油、化工企業(yè)大量采用鋼板容器，包括油罐、煤氣罐、高爐、熱風(fēng)爐等。此外還有皮帶通廊棧橋、管道支架、鍋爐支架、海洋平臺(tái)等。輕型鋼結(jié)構(gòu)冷彎薄壁型鋼屋架在一定條件下的用鋼量可比鋼筋混凝土屋架的用鋼量還少。輕鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式有實(shí)腹變截面門式剛架、冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)（包括金屬拱形波紋屋蓋）以及鋼管結(jié)構(gòu)等。鋼和混凝土的組合結(jié)構(gòu)鋼板件受壓失穩(wěn)，不能充分發(fā)揮它的高強(qiáng)，而混凝土則宜于受壓不適于受拉，將鋼材和混凝土并用，使兩種材料都充分發(fā)揮它的長(zhǎng)處。組合結(jié)構(gòu)在我國(guó)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于高層建筑(如深圳的賽格廣場(chǎng))、大跨橋梁、工業(yè)廠房和地鐵站臺(tái)柱等。主要構(gòu)件形式有鋼與混凝土組合梁和鋼管混凝土柱等?！?.3鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的功能要求(1)在正常施工和使用時(shí)，能承受可能出現(xiàn)的各種作用；(2)在正常使用時(shí)具有良好的工作性能；(3)在正常維護(hù)下具有足夠的耐久性；(4)在設(shè)計(jì)規(guī)定的偶然事件（如地震、火災(zāi)、爆炸、撞擊等）發(fā)生時(shí)及發(fā)生后，仍能保持必須的整體穩(wěn)定性。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)定時(shí)間內(nèi)和規(guī)定條件下，完成預(yù)定功能的概率。對(duì)結(jié)構(gòu)可靠度的要求與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期長(zhǎng)短有關(guān)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期長(zhǎng)，可靠度要求就高，反之則低。一般建筑物的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年。結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)極限狀態(tài)實(shí)質(zhì)上是結(jié)構(gòu)可靠與不可靠的界限我國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017規(guī)定，承重結(jié)構(gòu)應(yīng)按下列二類極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)：(1)承載能力極限狀態(tài)包括：構(gòu)件和連接的強(qiáng)度破壞、疲勞破壞和因過度變形而不適于繼續(xù)承載，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件喪失穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系和結(jié)構(gòu)傾覆。(2)正常使用極限狀態(tài)包括：影響結(jié)構(gòu)、構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件正常使用的外觀變形、振動(dòng)或局部損壞。前者可能導(dǎo)致人身傷亡和大量財(cái)產(chǎn)損失，故要求其出現(xiàn)的概率應(yīng)當(dāng)很低；而后者對(duì)生命的危害較小，故允許出現(xiàn)的概率可高些，但仍應(yīng)給予足夠的重視。結(jié)構(gòu)的失效概率與可靠指標(biāo)失效概率——Z=R-S<0的概率(圖中陰影部分，積分求得)

Z的概率密度曲線設(shè)R和S的概率統(tǒng)計(jì)值均服從正態(tài)分布，則功能函數(shù)也服從正態(tài)分布，它的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差為由圖中可以看出兩個(gè)具有相同平均值、不同標(biāo)準(zhǔn)差的功能函數(shù)z1和z2的失效概率是不同的，標(biāo)準(zhǔn)差越大，失效概率越大。如果定義：說明β與失效概率之間存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系：即β↓，Pf↑統(tǒng)一設(shè)計(jì)表達(dá)式

統(tǒng)一表達(dá)式荷載規(guī)范的承載力極限狀態(tài)表達(dá)式

可變荷載效應(yīng)控制的組合：(符號(hào)含義見教材)永久荷載效應(yīng)控制的組合：對(duì)于排架、框架結(jié)構(gòu)，可采用簡(jiǎn)化公式計(jì)算：可變荷載效應(yīng)控制的組合：永久荷載效應(yīng)