鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理-第1章

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理-第1章第一頁(yè)，共76頁(yè)。鋼結(jié)構(gòu)的定義

由梁、板、柱、桁架等鋼構(gòu)件通過(guò)焊縫、螺栓等連接組制成的工程結(jié)構(gòu)。

采用鋼板、型鋼通過(guò)連接而成的結(jié)構(gòu)（趙順波，2013）你所了解的鋼結(jié)構(gòu)都有哪些呢？

鋼結(jié)構(gòu)是土木工程的主要結(jié)構(gòu)形式之一。鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)等都屬于按材料劃分的工程結(jié)構(gòu)的不同分支。第二頁(yè)，共76頁(yè)。鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1、輕質(zhì)高強(qiáng)2、塑性和韌性好3、工業(yè)化程度高、施工周期短4、耐熱性較好，耐火性差5、耐腐蝕性差6、低溫冷脆傾向第三頁(yè)，共76頁(yè)。鋼與混凝土對(duì)比Q235C30第四頁(yè)，共76頁(yè)。輕質(zhì)高強(qiáng)

Q235鋼

密度：7850kg/m3強(qiáng)度：215N/mm2

C30混凝土

密度：2450kg/m3強(qiáng)度：14.3N/mm2

第五頁(yè)，共76頁(yè)。同跨度同荷載條件下：鋼屋架重量為鋼筋混凝土屋架的1/4~1/3，冷彎薄壁型屋架接近1/10

鋼結(jié)構(gòu)建筑自重約為同高度混凝土結(jié)構(gòu)建筑的1/2~3/5，柱面積較混凝土結(jié)構(gòu)柱減少一半左右。

第六頁(yè)，共76頁(yè)。鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1、輕質(zhì)高強(qiáng)2、塑性和韌性好3、工業(yè)化程度高、施工周期短4、耐熱性較好，耐火性差5、耐腐蝕性差6、低溫冷脆傾向第七頁(yè)，共76頁(yè)。

汶川地震中都江堰市華夏廣場(chǎng)小區(qū)，底部?jī)蓪诱w倒塌第八頁(yè)，共76頁(yè)。

汶川地震中絕大部分鋼結(jié)構(gòu)建筑安然無(wú)恙第九頁(yè)，共76頁(yè)。第一章緒論汶川地震震害反思鋼結(jié)構(gòu)房屋具有良好的延性和較強(qiáng)的整體性，具有卓越的抗震性能，在地震中很少發(fā)生整體破壞或倒塌現(xiàn)象。

混凝土結(jié)構(gòu)

砌體結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)2、塑性和韌性好第十頁(yè)，共76頁(yè)。材質(zhì)均勻，且塑性韌性好

鋼材內(nèi)部組織比較接近于勻質(zhì)和各向同性體，而且在一定的應(yīng)力幅度內(nèi)幾乎是完全彈性的。因此，鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況和工程力學(xué)計(jì)算結(jié)果比較符合，計(jì)算結(jié)果比較可靠，安全可靠度高。鋼材在冶煉和軋制過(guò)程中質(zhì)量可以嚴(yán)格控制，材質(zhì)波動(dòng)的范圍小。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，適宜在動(dòng)力荷載下工作。適用于建造重要結(jié)構(gòu)、對(duì)抗震要求較高的結(jié)構(gòu)。第十一頁(yè)，共76頁(yè)。鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1、輕質(zhì)高強(qiáng)2、塑性和韌性好3、工業(yè)化程度高、施工周期短4、耐熱性較好，耐火性差5、耐腐蝕性差6、低溫冷脆傾向第十二頁(yè)，共76頁(yè)。制造簡(jiǎn)單，工廠化生產(chǎn)，工業(yè)化程度高，施工速度快，施工周期短，適宜建造加固、改建、可拆卸結(jié)構(gòu)。第十三頁(yè)，共76頁(yè)。舉例說(shuō)明：日本裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅50天施工過(guò)程第一日堪察現(xiàn)場(chǎng)第十四頁(yè)，共76頁(yè)。第二日維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，拆除舊房第十五頁(yè)，共76頁(yè)。第十日基礎(chǔ)完成第十六頁(yè)，共76頁(yè)。第二十日房屋單元安裝完畢第十七頁(yè)，共76頁(yè)。第二十五日門窗安裝完畢，內(nèi)墻安裝完畢、石膏板安裝完畢天棚、地面開始制作第十八頁(yè)，共76頁(yè)。第三十日室內(nèi)外裝修基本完畢第十九頁(yè)，共76頁(yè)。第三十五日電器、潔具、上下水管道安裝調(diào)試完畢第二十頁(yè)，共76頁(yè)。第四十三日班組自行檢查調(diào)整第二十一頁(yè)，共76頁(yè)。第四十八日公司檢查第二十二頁(yè)，共76頁(yè)。第四十九、五十日使用說(shuō)明介紹第二十三頁(yè)，共76頁(yè)。完工后的室內(nèi)第二十四頁(yè)，共76頁(yè)。完工后的外觀第二十五頁(yè)，共76頁(yè)。第二十六頁(yè)，共76頁(yè)。鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1、輕質(zhì)高強(qiáng)2、塑性和韌性好3、工業(yè)化程度高、施工周期短4、耐熱性較好，耐火性差5、耐腐蝕性差6、低溫冷脆傾向第二十七頁(yè)，共76頁(yè)。鋼結(jié)構(gòu)需重視防火問(wèn)題！第二十八頁(yè)，共76頁(yè)。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需重視防火問(wèn)題！第二十九頁(yè)，共76頁(yè)。100℃以內(nèi)，強(qiáng)度無(wú)影響；150℃以上，必須進(jìn)行遮擋處理；600℃左右，鋼材進(jìn)入塑性，無(wú)承載能力。溫度在200℃以內(nèi)時(shí)，鋼材主要力學(xué)性能降低不多。溫度超過(guò)250℃后，不僅強(qiáng)度逐步降低，還會(huì)發(fā)生蘭脆和徐變現(xiàn)象。溫度達(dá)600℃時(shí)，鋼材進(jìn)入塑性狀態(tài)不能繼續(xù)承載。裸鋼的耐火極限通常只有15～30分鐘。根據(jù)我國(guó)有關(guān)建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，建筑的主要承重構(gòu)件，如柱、梁、墻、樓板的耐火極限的要求，分別為0.5～3.0小時(shí)。我們國(guó)家已經(jīng)明文規(guī)定必須在鋼結(jié)構(gòu)上采取防火措施，而且要達(dá)到相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)才能通過(guò)驗(yàn)收。措施：防火涂料、防火漆、外包混凝土第三十頁(yè)，共76頁(yè)。鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1、輕質(zhì)高強(qiáng)2、塑性和韌性好3、工業(yè)化程度高、施工周期短4、耐熱性較好，耐火性差5、耐腐蝕性差6、低溫冷脆傾向第三十一頁(yè)，共76頁(yè)。干煤棚因銹蝕倒塌因銹蝕引起鋼結(jié)構(gòu)的事故第三十二頁(yè)，共76頁(yè)。節(jié)點(diǎn)銹蝕情況第三十三頁(yè)，共76頁(yè)。

鋼材耐腐蝕的性能比較差，必須對(duì)結(jié)構(gòu)注意防護(hù)。尤其是暴露在大氣中的結(jié)構(gòu)如橋梁，更應(yīng)特別注意。這使維護(hù)費(fèi)用比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高。不過(guò)在沒有侵蝕性介質(zhì)的一般廠房中，構(gòu)件經(jīng)過(guò)徹底除銹并涂上合格的油漆，銹蝕問(wèn)題并不嚴(yán)重。

近年來(lái)出現(xiàn)的耐候鋼具有較好的抗銹性能，已經(jīng)逐步推廣應(yīng)用。

容易腐蝕，處于較強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)內(nèi)的建筑物不宜采用鋼結(jié)構(gòu)。第三十四頁(yè)，共76頁(yè)。鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1、輕質(zhì)高強(qiáng)2、塑性和韌性好3、工業(yè)化程度高、施工周期短4、耐熱性較好，耐火性差5、耐腐蝕性差6、低溫冷脆傾向第三十五頁(yè)，共76頁(yè)。在低溫和其他條件下，可能發(fā)生脆性斷裂。

第三十六頁(yè)，共76頁(yè)。鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及發(fā)展簡(jiǎn)況第三十七頁(yè)，共76頁(yè)。80年代我國(guó)建造的11棟高層鋼結(jié)構(gòu)基本上都是國(guó)外設(shè)計(jì)、施工承建。目前我國(guó)已建和在建的高度超過(guò)100m的鋼結(jié)構(gòu)超200座，未來(lái)平均5d封頂1座。高層建筑第三十八頁(yè)，共76頁(yè)。高達(dá)492米的上海環(huán)球金融中心

2008年8月28日

落成啟用

第三十九頁(yè)，共76頁(yè)。上海環(huán)球金融中心

由日本森大廈株式會(huì)社的全額子公司森海外株式會(huì)社及日本具有代表性的銀行、保險(xiǎn)公司、商社等36家企業(yè)，偕同政府系統(tǒng)機(jī)構(gòu)日本海外經(jīng)濟(jì)協(xié)力基金(OECF)聯(lián)合投資的上海環(huán)球金融中心，總投資逾750億日元。位于陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)，建筑總面積335,420平方米，地下3層，地上94層。建成后的高度達(dá)460米。總用鋼量26000t，鋼筋混凝土核心筒，外框鋼骨混凝土及鋼柱。第四十頁(yè)，共76頁(yè)。

金茂大廈是由中國(guó)上海對(duì)外貿(mào)易中心股份有限公司獨(dú)家投資5.6億美元建設(shè)的一座88層的超高層大廈，建筑高度420.5米，建筑面積28.9萬(wàn)平方米，于1998年8月28日竣工?？傆娩摿?4000t，鋼筋混凝土核心筒，外框鋼骨混凝土及鋼柱。設(shè)計(jì)者為美國(guó)S.O.M事務(wù)所。上海金茂大廈

第四十一頁(yè)，共76頁(yè)。第四十二頁(yè)，共76頁(yè)。第四十三頁(yè)，共76頁(yè)。央視新臺(tái)址

央視新臺(tái)址建設(shè)工程位于北京朝陽(yáng)區(qū)東三環(huán)中路、北京商務(wù)中心區(qū)的核心地段，占地面積18.7萬(wàn)平方米，總建筑面積55萬(wàn)平方米,230m高。央視新臺(tái)址建設(shè)工程總投資約50億元人民幣，2003年10月開工建設(shè)，2008年正式運(yùn)行。第四十四頁(yè)，共76頁(yè)。

大連遠(yuǎn)洋大廈由大連遠(yuǎn)洋運(yùn)輸公司、中遠(yuǎn)房地產(chǎn)開發(fā)公司與美國(guó)ESPIRIT公司聯(lián)合投資14.8億人民幣開發(fā)的集五星級(jí)酒店和甲級(jí)寫字樓為一體的智能大廈。總建筑面積14.8萬(wàn)平方米。其中：A座為五星級(jí)酒店，地上51層，總高200.8m。鋼筋混凝土核心筒，外框鋼框架。設(shè)計(jì)、加工、安裝全部國(guó)產(chǎn)化。大連遠(yuǎn)洋大廈

第四十五頁(yè)，共76頁(yè)。臺(tái)北101長(zhǎng)寬各150m，總面積30277m2塔高508m，世界第一高，26層以上以8層為一單元。主要由巨柱、核心系統(tǒng)及外伸桁架梁。巨柱自地下5層至地上90層，最大尺寸為2.4mx3m。直徑5.5m，重670t的阻尼器

第四十六頁(yè)，共76頁(yè)。輕型鋼結(jié)構(gòu)門式剛架輕鋼住宅用于中、小型房屋、小型倉(cāng)庫(kù)等。第四十七頁(yè)，共76頁(yè)。第四十八頁(yè)，共76頁(yè)。第四十九頁(yè)，共76頁(yè)。大跨度空間結(jié)構(gòu)第五十頁(yè)，共76頁(yè)。

國(guó)家體育場(chǎng)建筑體形上像鳥巢?？扇菁{8萬(wàn)人。平面為橢圓形,長(zhǎng)軸340m短軸292m。屋蓋中間有一個(gè)146m×76m的開口，這部分將設(shè)計(jì)成開合屋蓋。采用加肋薄壁箱形截面，總用鋼量達(dá)16萬(wàn)t。用于足球和田徑比賽國(guó)家體育場(chǎng)第五十一頁(yè)，共76頁(yè)。第五十二頁(yè)，共76頁(yè)。

建筑底面面積為80,000m2，屋頂面積76,719m2，地上層數(shù)6層，最高點(diǎn)高度53.00m，可容納觀眾數(shù)60,000。屋頂結(jié)構(gòu)采用鋼桁架懸挑結(jié)構(gòu)。屋面桁架落地，形似露珠。天津奧林匹克體育場(chǎng)俯瞰效果圖

第五十三頁(yè)，共76頁(yè)。國(guó)家大劇院（網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)）

該工程外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼（特點(diǎn)是重量輕、覆蓋面積大。

），是半橢圓球形，東西長(zhǎng)軸212.2m，南北短軸143.64m，總高度46.285。屋面采用鈦金屬板，整個(gè)網(wǎng)殼外環(huán)繞人工湖（35500m2）,各種通道及入口均設(shè)在水下。設(shè)計(jì)為法國(guó)巴黎機(jī)場(chǎng)公司安德魯建筑師，北京市建筑設(shè)計(jì)研究院參與主體設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)用鋼量達(dá)6750t，195kg/m。第五十四頁(yè)，共76頁(yè)。橋梁結(jié)構(gòu)第五十五頁(yè)，共76頁(yè)。

活動(dòng)橋第五十六頁(yè)，共76頁(yè)。第五十七頁(yè)，共76頁(yè)。橋梁結(jié)構(gòu)懸索結(jié)構(gòu)第五十八頁(yè)，共76頁(yè)。第五十九頁(yè)，共76頁(yè)。日本明石海峽大橋，主跨長(zhǎng)1991m。

潤(rùn)揚(yáng)大橋，主跨1480m。蘇通大

橋(主跨1088米)日本多多羅大

橋（主跨890米)懸索橋斜拉橋第六十頁(yè)，共76頁(yè)。盧浦大橋，主跨550米悉尼港橋，主跨503米拱橋第六十一頁(yè)，共76頁(yè)。1957年武漢長(zhǎng)江大橋3×128m連續(xù)國(guó)產(chǎn)A3鋼240MPa1969年南京長(zhǎng)江大橋3×160m連續(xù)16MNq340MPa1993年九江長(zhǎng)江大橋180+216+18015MnVNq420MPa2000年蕪湖長(zhǎng)江大橋180+312+18014MnNbq420MPa

跨度最大、規(guī)模最大的公鐵兩用橋。鋼桁梁體系：第六十二頁(yè)，共76頁(yè)。壓力管道及容器儲(chǔ)油庫(kù)、煤氣庫(kù)、高爐等各種容器第六十三頁(yè)，共76頁(yè)。大連西太平洋石化有限公司1500立方米CF-62鋼球罐陜西銅川天然氣公司1000立方米天然氣球罐第六十四頁(yè)，共76頁(yè)。特種鋼結(jié)構(gòu)第六十五頁(yè)，共76頁(yè)。電視塔、微波塔、通訊塔等

東方明珠廣播電視塔座落在上海浦東新區(qū)黃浦江畔，以其468米的高度成為亞洲第一高塔。她于1991年3月開始建造，1994年11月完工，總重量達(dá)12萬(wàn)噸，總投資8.3億元人民幣。東方明珠塔由三根直徑為九米的擎天立柱、太空艙、上球體、下球體、五個(gè)小球、塔座和廣場(chǎng)組成。東方明珠電視塔第六十六頁(yè)，共76頁(yè)。

架橋機(jī)第六十七頁(yè)，共76頁(yè)。第六十八頁(yè)，共76頁(yè)。

掛籃第六十九頁(yè)，共76頁(yè)。鋼材高強(qiáng)螺栓連接與焊接技術(shù)高強(qiáng)螺栓通過(guò)摩擦力來(lái)傳遞應(yīng)力,由螺栓、螺母和墊圈3部分組成。高強(qiáng)螺栓連接具有施工簡(jiǎn)便、拆除靈活、承載力高、抗疲勞性能和自鎖性好、安全性高等優(yōu)點(diǎn),工程中已取代了鉚接和部分焊接,成為鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝中的主要連接手段。在車間內(nèi)制作的鋼構(gòu)件,厚板應(yīng)采用自動(dòng)多絲埋弧焊、箱型柱隔板應(yīng)采用熔嘴電渣焊等技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)安裝施工中應(yīng)采用半自動(dòng)焊技術(shù)和氣體保護(hù)焊藥芯焊絲及自保護(hù)藥芯焊絲技術(shù)。第七十頁(yè)，共76頁(yè)。鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)技術(shù)鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)包括防火、防腐、防銹,一般在防火涂料處理后無(wú)需再做防銹處理,但在有腐蝕氣體的建筑中尚需做防腐處理。國(guó)內(nèi)防火涂料種類較多,如TN系列、MC—10等,其中MC—10防火涂料具有防火、防腐功能。防腐防銹涂料有醇酸磁漆、氯化橡膠漆、氯橡膠涂料及氯磺化涂料等。在施工中應(yīng)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)形式、耐火等級(jí)要求及環(huán)境要求選用合適的涂料及涂層厚度。隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)日新月異,一些新型結(jié)構(gòu)體系如住宅鋼結(jié)構(gòu)體系、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系、張弦頂結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)等處于研究開發(fā)和推廣應(yīng)用階段;一些新型高效材料如軋制H型鋼、冷彎型鋼、壓型鋼板、耐火鋼、不銹鋼正在積極推廣。第七十一頁(yè)，共76頁(yè)。鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法1.結(jié)構(gòu)的功能要求可靠性指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期限內(nèi)，在規(guī)定的條件下（正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用和維護(hù)），完成預(yù)定結(jié)構(gòu)功能的能力。建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足的功能要求可概括為：（1）安全性建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受正常施工和正常使用時(shí)可能出現(xiàn)的各種荷載和變形。（2）適用性結(jié)構(gòu)在正常使用過(guò)程中應(yīng)具有良好的工作性。例如，不產(chǎn)生影響使用的過(guò)大變形或振幅，不發(fā)生足以讓使用者不安的過(guò)寬的裂縫等；（3）耐久性結(jié)構(gòu)在正常維護(hù)條件下應(yīng)有足夠的耐久性，完好使用到設(shè)計(jì)規(guī)定的年限（即設(shè)計(jì)使用年限例如一般建筑結(jié)構(gòu)可以規(guī)定為50年）。例如混凝土不發(fā)生嚴(yán)重風(fēng)化、腐蝕、脫落，鋼筋不發(fā)生銹蝕等。（4）在設(shè)計(jì)規(guī)定的偶然事件(如地震、爆炸)發(fā)生時(shí)及發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性所謂整體穩(wěn)定性，系指在偶然事件發(fā)生時(shí)及發(fā)生后，建筑結(jié)構(gòu)僅產(chǎn)生局部的損壞而不致發(fā)生連續(xù)倒塌。第七十二頁(yè)，共76頁(yè)。概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法2.結(jié)構(gòu)的可靠度結(jié)構(gòu)的可靠度是：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成