第1章鋼結(jié)構(gòu)緒論

鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計主講：許信2023/2/32第1章緒論1.1鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.2鋼結(jié)構(gòu)的特點及應(yīng)用1.3鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法2023/2/331.1鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展一、材料的發(fā)展生鐵（pigiron）含碳量2%以上的鐵碳合金。鐵的冶煉和鑄造在我國發(fā)展最早，春秋時代用鐵造農(nóng)具高爐生鐵分為：由鐵礦石在高爐（煉鐵爐）內(nèi)冶煉而成。還含Si、Mn，少量的P、S煉鋼生鐵鑄造生鐵特種生鐵天然合金生鐵鐵合金2023/2/34熟鐵（wroughtiron）—含碳量小于0.05%由鐵礦石用碳直接還原，或由生鐵經(jīng)過熔化并將雜質(zhì)氧化而得到的產(chǎn)物，。也稱鍛鐵。春秋時期或更早出現(xiàn)熟鐵不易使渣同鐵完全分離，常含少量渣具有較好的抗蝕性，高的延展性鑄鐵（castiron）含碳2%以上的鑄造鐵碳合金的總稱。由生鐵、廢鋼、鐵合金等以不同的比例配合，通過熔煉而成。還含Mn、Si，少量P、S。鑄鐵分類：白口鑄鐵灰口鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵合金鑄鐵2023/2/35鋼（steel）含碳量0.025%~2%的鐵基合金的總稱。成分上分：

碳素鋼（不含合金元素）

合金鋼（含一種或一種以上合金元素）用途上：結(jié)構(gòu)鋼，工具鋼，特殊性能鋼煉鋼爐分：轉(zhuǎn)爐鋼平爐鋼電爐鋼2023/2/36二、鋼材的大量生產(chǎn)貝塞麥與煉鋼法貝塞麥（1813-1898）：英國冶金學(xué)家。1856年提出，不需外熱，單純以空氣吹入液態(tài)生鐵，利用空氣中的氧取出鐵中的硅、碳等元素而成鋼。貝塞麥煉鋼法：酸性底吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法

用酸性爐襯?？諝鈴臓t底風(fēng)眼吹入。生鐵成分限制較嚴(yán)，需含有足夠的硅以供應(yīng)吹煉所需熱能，硫和磷含量必須在限值以下。吹煉初期，硅和錳迅速氧化，接著碳大量氧化沸騰。一般吹煉時間15分鐘。首創(chuàng)大量產(chǎn)鋼的方法2023/2/37舊中國鋼材生產(chǎn)1890年張之洞在漢陽辦鐵廠，大冶辦鐵礦。開始官辦，1896年派盛宣懷招商承辦，改為官督商辦。1898年江西萍鄉(xiāng)開煤礦。1907年漢陽鋼鐵廠，年產(chǎn)量8500t。1908年合并成立漢冶萍煤鐵廠礦公司，簡稱漢冶萍公司。抗日戰(zhàn)爭時期，漢陽鋼鐵廠部分設(shè)備運往陪都重慶，成立大渡口鋼鐵廠重鋼漢陽造2023/2/38新中國鋼材生產(chǎn)1958年全民煉鋼，“超英趕美”1996年鋼產(chǎn)量>1億t，產(chǎn)量世界第一2003年鋼產(chǎn)量2.2億t2009年鋼產(chǎn)量5.68億噸=日俄美印四國總和的2.2倍首鋼寶鋼鞍鋼本鋼酒鋼馬鋼武鋼重鋼攀鋼長鋼包鋼2012年超過10億噸2023/2/39三、古代鐵結(jié)構(gòu)鐵橋蘭津橋（漢）[永平霽虹橋]—65年蒲津渡橋（唐）—725年瀘定橋（清）—1706年黃河鐵牛30噸/牛2023/2/310鐵塔濟寧鐵塔寺鐵塔

北宋1105年，初七層明代增加2層=九層甘露寺鐵塔寺建于256年東吳甘露元年唐（825）年衛(wèi)公李德裕建塔宋重鑄為鐵塔九級鎮(zhèn)江北固山現(xiàn)僅存地下三級甘露寺劉皇叔招親2023/2/311四、近代鋼鐵結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)芝加哥家庭保險公司大樓

1883年，11層。鐵柱鋼梁1927年沈陽皇姑屯機車廠鋼結(jié)構(gòu)廠房1931年廣州中山紀(jì)念堂鋼結(jié)構(gòu)圓屋頂1931紐約帝國大廈102層，381m1950年加建頂部電視臺，總高448m2023/2/312橋梁結(jié)構(gòu)金門大橋

金門大橋，建于1937年主跨1280m

世界第一保持27年錢塘江大橋

1937年建成鐵路公路兩用橋茅以升主持建造抗戰(zhàn)期間曾炸毀一孔戰(zhàn)后修復(fù)，現(xiàn)在仍在為杭州人民服務(wù)。2023/2/313塔式結(jié)構(gòu)艾菲爾鐵塔為迎接在巴黎召開的世界博覽會而于1889年建成的。鐵塔的設(shè)計者、杰出的建筑工程師居斯塔夫·艾菲爾。

塔尖高320.7米，塔身為鋼架鏤空結(jié)構(gòu)，重達9000噸，共用了1.8萬余個金屬部件，以100余萬個鉚釘鉚成一體，全靠四條粗大的用水泥澆灌的塔墩支撐。2023/2/314五、現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計施工規(guī)范GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50018-2002《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》GB50205-2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用大跨度超高層多領(lǐng)域2023/2/3151.2鋼結(jié)構(gòu)的特點和應(yīng)用一、鋼結(jié)構(gòu)的特點鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點鋼材的強度高，結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕。材質(zhì)均勻，塑性、韌性好。制作安裝工業(yè)化程度高，施工周期短焊接結(jié)構(gòu)氣密性和水密性好?？拐鹦阅芎谩ｄ摬目芍貜?fù)使用。2023/2/316鋼結(jié)構(gòu)的缺點易腐蝕，維護費用高耐火性能差

溫度達到250C

時，材質(zhì)會發(fā)生較大變化；達到500C時，強度下降，結(jié)構(gòu)會瞬間崩潰，完全喪失承載能力。

耐火時間30min低溫變脆傾向受環(huán)境因素影響2023/2/317二、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用大跨度房屋結(jié)構(gòu)體育場館影視劇院、禮堂航站樓、飛機庫2023/2/318

北京植物園展覽溫室（1999）

半橢球部分由雙向空間桁架組成,長軸×短軸×高=45m×36.6m×15m，桁架最大高度2m。2023/2/319單層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房輕工業(yè)廠房重工業(yè)廠房2023/2/320多、高層鋼結(jié)構(gòu)房屋多層：2~9層房屋高層：10層以上或高度大于28m超高層：35層以上或高度大于100m超高層鋼構(gòu)代表——西爾斯大廈鋼結(jié)構(gòu)束筒：

9個22.86m×22.86m的鋼框筒美國Chicago1974年建成442m高，110層2023/2/321風(fēng)采依舊2023/2/322超高層鋼構(gòu)代表——臺北101大樓鋼結(jié)構(gòu)巨型框架——核心筒：造價580億新臺幣高度508m1998年動工，2005年建成101層2023/2/323高聳鋼結(jié)構(gòu)電視塔火箭發(fā)射塔輸電線塔廣州電視塔上海東方明珠2023/2/324板殼鋼結(jié)構(gòu)輪船、航母油庫、管道水工船閘2023/2/325橋梁鋼結(jié)構(gòu)鋼桁梁橋鋼桁拱橋斜拉橋懸索橋2023/2/326施工鋼結(jié)構(gòu)基坑鋼支撐腳手架、支架海上石油平臺勁性骨架2023/2/327移動鋼結(jié)構(gòu)活動板房塔吊龍門吊大型浮吊2023/2/328娛樂鋼結(jié)構(gòu)過山車摩天輪2023/2/3291.3鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法結(jié)構(gòu)設(shè)計理論指導(dǎo)容許應(yīng)力法極限狀態(tài)設(shè)計法先秦《考工記》民間《魯班經(jīng)》憑經(jīng)驗北宋《營造法式》前清《工部工程做法則例》一、結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的發(fā)展2023/2/330容許應(yīng)力法方法源頭：《材料力學(xué)》1826年，法國人納維提出方法本質(zhì)：定值法極限應(yīng)力安全系數(shù)容許應(yīng)力法的缺陷

不能從定量上確定結(jié)構(gòu)的可靠度不能使各類結(jié)構(gòu)安全度達到同一水準(zhǔn)誤導(dǎo)人們思維易使人將安全系數(shù)與安全度等同錯誤地認(rèn)為安全系數(shù)大結(jié)構(gòu)的安全度就高2023/2/331半概率極限狀態(tài)設(shè)計法方法的含義

用概率統(tǒng)計的方法，考慮材料強度的變異、考慮荷載的變異分項安全系數(shù)由工程經(jīng)驗確定材料強度變異荷載變異2023/2/332荷載安全系數(shù)材料安全系數(shù)調(diào)整系數(shù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)材料強度標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計表達式公式形式采用容許應(yīng)力法的公式形式安全系數(shù)由多系數(shù)分析決定1974年開始應(yīng)用，廿世紀(jì)八十年代末期淘汰2023/2/333近似概率極限狀態(tài)設(shè)計法設(shè)計參數(shù)確定材料強度按概論統(tǒng)計理論確定荷載按概率統(tǒng)計理論確定分項安全系數(shù)按概率方法確定優(yōu)點（1）有明確的極限狀態(tài)（2）可給出結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度（可靠概率）不足：忽略了基本變量隨時間的變化

復(fù)雜關(guān)系線性化處理近似之所在現(xiàn)在采用的設(shè)計方法2023/2/334極限狀態(tài)整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)功能：安全性正常使用極限狀態(tài)功能：適用性耐久性二、極限狀態(tài)設(shè)計法2023/2/335結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力設(shè)計值荷載效應(yīng)組合的設(shè)計值結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：對安全等級為一級或設(shè)計使用年限為100及以上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于1.1；安全等級二級或使用年限為50年，不應(yīng)小于1.0；對安全等級為三級或設(shè)計使用年限為5年及以下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于0.9。承載力極限狀態(tài)設(shè)計2023/2/336荷載效應(yīng)基本組合設(shè)計值荷載設(shè)計值=分項系數(shù)荷載代表值效應(yīng)設(shè)計值=荷載設(shè)計值產(chǎn)生的效應(yīng)

=分項系數(shù)荷載代表值產(chǎn)生的效應(yīng)（1）由可變荷載效應(yīng)控制的組合

工程簡稱1.2組合（2）由永久荷載效應(yīng)控制的組合(只考慮豎向荷載)

工程簡稱1.35組合2023/2/337各個系數(shù)：

0

—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：1.1、1.0、0.9G

—永久荷載分項系數(shù)：不利1.2、1.35

有利1.0，抗傾0.9Q

—可變荷載分項系數(shù)：一般1.4

工業(yè)樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值>4kN/m2取1.3

對于一般排架和框架，可變效應(yīng)控制的組合，可不區(qū)分第一個和第i

個可變荷載，簡化計算：2023/2/338正常使用極限狀態(tài)實用表達式（公式）：

v

[

v]—正常使用規(guī)定的撓度限值

|_荷載效應(yīng)（撓度）的設(shè)計值荷載效應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)組合用荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計算鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的撓度見P.239附表2.12023/2/339三、鋼結(jié)構(gòu)的疲勞計算疲勞現(xiàn)象金屬構(gòu)件承受交變應(yīng)力，經(jīng)過較長時間或較長應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后所發(fā)生的突然失效，稱為疲勞失效（fatiguefailure）。疲勞失效簡稱疲勞（fatigue）。疲勞失效的特點低應(yīng)力（名義應(yīng)力）破壞經(jīng)歷多次應(yīng)力循環(huán)才破壞脆性斷裂對表面及缺陷敏感疲勞斷口：光滑區(qū)+粗糙區(qū)2023/2/340疲勞分類常幅疲勞：交變應(yīng)力幅為常數(shù)變幅疲勞：交變應(yīng)力幅隨時間變化需要進行疲勞驗算的構(gòu)件直接承受動力荷載作用的構(gòu)件（如吊車梁）且應(yīng)力變化的循環(huán)次數(shù)5萬次常幅疲勞變幅疲勞2023/2/341容許應(yīng)力幅應(yīng)力幅—壽命曲線雙對數(shù)坐標(biāo)下為直線：平均值關(guān)系取平均值減2倍標(biāo)準(zhǔn)差，保證率97.73%2023/2/342取此時的應(yīng)力幅為容許應(yīng)力幅[]，并將疲勞壽命N改為n，則有構(gòu)件和連接類別12345678C(×1012)19408613.262.181.470.960.650.4144333333構(gòu)件和連接類別見：P.254-256附錄72023/2/343例1.1

取循環(huán)次數(shù)n=2106次，試確定構(gòu)件和連接類別分別為1類和2類時的容許應(yīng)力幅。解構(gòu)件和連接類別為1類構(gòu)件和連接類別為2類2023/2/344常幅疲勞計算對于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的焊接部位對于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的非焊接部位，如高強度螺栓連接和帶孔構(gòu)件，取折算應(yīng)力幅2023/2/345變幅疲勞計算邁因納準(zhǔn)則從已知變幅交變應(yīng)力的應(yīng)力幅水平1、2、…、i、…及其對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)n1、n2、…、ni、…。假設(shè)1、2、…、i、…為常幅時，相對應(yīng)的疲勞壽命是N1、N2、…、Ni、…，則在i作用下，一次循環(huán)所引起的損傷為1/Ni，ni次循環(huán)所引起的損傷為ni/Ni。按累積損傷觀點，總的損傷應(yīng)累加計算邁因納（Miner）認(rèn)為總損傷達到1時構(gòu)件疲勞失效2023/2/346變幅疲勞的等效應(yīng)力變幅疲勞任意一級應(yīng)力水平設(shè)另一常幅疲，應(yīng)力幅e，應(yīng)力循環(huán)ni次也發(fā)生疲勞破壞變幅疲勞強度條件2023/2/347吊車梁的欠載效應(yīng)系數(shù)設(shè)為計算應(yīng)力譜中的最大應(yīng)力幅，等效應(yīng)力幅按下式計算則f稱為變幅疲勞的欠載效應(yīng)系數(shù)規(guī)范以2106循環(huán)為基準(zhǔn)，實測欠載系數(shù)重級工作制硬鉤吊車f=1.0重級工作制軟鉤吊車f=0.8中級工作制吊車f=0.52023/2/348吊車梁的疲勞強度條件為吊車工作制