鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：概述

第一章概述鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):第1章概述鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)的建造過程和內(nèi)在缺陷鋼結(jié)構(gòu)的組成原理鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展主要內(nèi)容：重點(diǎn)：鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用第一章概述1.1鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用材料的強(qiáng)度高，塑性和韌性好材質(zhì)均勻，和力學(xué)計(jì)算的假定比較符合鋼結(jié)構(gòu)制造簡便，施工周期短鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量輕鋼材耐腐蝕性差鋼材耐熱但不耐火1.1.1鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)鋼拉桿和壓桿性能比較第一章概述大跨度鋼結(jié)構(gòu)重型廠房鋼結(jié)構(gòu)受動力荷載影響的結(jié)構(gòu)可拆卸的結(jié)構(gòu)高聳結(jié)構(gòu)和高層建筑容器和其他構(gòu)筑物輕型鋼結(jié)構(gòu)1.1.2鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍高層鋼結(jié)構(gòu)建筑雜交結(jié)構(gòu)第一章概述二、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，鋼結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。目前鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍大致如下（圖1～8）第一章概述(1)大跨結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)跨度越大，自重在荷載中所占的比例就越大，減輕結(jié)構(gòu)的自重會帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益。鋼材強(qiáng)度高結(jié)構(gòu)重量輕的優(yōu)勢正好適合于大跨結(jié)構(gòu)，因此鋼結(jié)構(gòu)在大跨空間結(jié)構(gòu)和大跨橋梁結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。所采用的結(jié)構(gòu)形式有空間桁架、網(wǎng)架、網(wǎng)殼、懸索（包括斜拉體系）、張弦梁、實(shí)腹或格構(gòu)式拱架和框架等第一章概述(2)工業(yè)廠房

吊車起重量較大或者其工作較繁重的車間的主要承重骨架多采用鋼結(jié)構(gòu)。另外，有強(qiáng)烈輻射熱的車間，也經(jīng)常采用鋼結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)形式多為由鋼屋架和階形柱組成的門式剛架或排架，也有采用網(wǎng)架做屋蓋的結(jié)構(gòu)形式。

近年來，隨著壓型鋼板等輕型屋面材料的采用，輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房得到了迅速的發(fā)展。其結(jié)構(gòu)形式主要為實(shí)腹式變截面門式剛架。第一章概述(3)受震動荷載影響及地震作用的結(jié)構(gòu)

由于鋼材具有良好的韌性，設(shè)有較大鍛錘或產(chǎn)生動力作用的其他設(shè)備的廠房，即使屋架跨度不大，也往往由鋼制成。對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。第一章概述(4)多層和高層建筑

由于鋼結(jié)構(gòu)的綜合效益指標(biāo)優(yōu)良，近年來在多、高層民用建筑中也得到了廣泛的應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)形式主要有多層框架、框架－支撐結(jié)構(gòu)、框筒、懸掛、巨型框架等。

第一章概述(5)高聳結(jié)構(gòu)

高聳結(jié)構(gòu)包括塔架和桅桿結(jié)構(gòu)，如高壓輸電線路的塔架、廣播、通信和電視發(fā)射用的塔架和桅桿、火箭（衛(wèi)星）發(fā)射塔架等。第一章概述(6)可拆卸的結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)不僅重量輕，還可以用螺栓或其他便于拆裝的手段來連接，因此非常適用于需要搬遷的結(jié)構(gòu)，如建筑工地、油田和需野外作業(yè)的生產(chǎn)和生活用房的骨架等。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工用的模板和支架，以及建筑施工用的腳手架等也大量采用鋼材制作。第一章概述(7)容器和其他構(gòu)筑物

冶金、石油、化工企業(yè)中大量采用鋼板做成的容器結(jié)構(gòu)，包括油罐、煤氣罐、高爐、熱風(fēng)爐等。此外，經(jīng)常使用的還有皮帶通廊棧橋、管道支架、鍋爐支架等其他鋼構(gòu)筑物，海上采油平臺也大都采用鋼結(jié)構(gòu)。第一章概述(8)輕型鋼結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)重量輕不僅對大跨結(jié)構(gòu)有利，對屋面活荷載特別輕的小跨結(jié)構(gòu)也有優(yōu)越性。因?yàn)楫?dāng)屋面活荷載特別輕時(shí)，小跨結(jié)構(gòu)的自重也成為一個重要因素。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。第一章概述(9)鋼和混凝土的組合結(jié)構(gòu)

鋼構(gòu)件和板件受壓時(shí)必須滿足穩(wěn)定性要求，往往不能充分發(fā)揮它的強(qiáng)度高的作用，而混凝土則最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)揮它的長處，是一種很合理的結(jié)構(gòu)。近年來這種結(jié)構(gòu)在我國獲得了長足的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于高層建筑(如深圳的賽格廣場)、大跨橋梁、工業(yè)廠房和地鐵站臺柱等。主要構(gòu)件形式有鋼與混凝土組合梁和鋼管混凝土柱等。

第一章概述1.3鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展史簡介建國前公元前200多年秦始皇時(shí)代鐵造橋墩公元60年漢明帝時(shí)代鐵鏈懸橋（蘭津橋）山東濟(jì)寧寺和鎮(zhèn)江甘露寺的鐵塔1927年沈陽黃姑屯機(jī)車廠鋼結(jié)構(gòu)廠房1931年廣州中山紀(jì)念堂鋼結(jié)構(gòu)園屋頂1937年錢塘江大鐵橋建國后1957年武漢長江大橋1968年南京長江大橋首都體育館和上海體育館（大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)）上海電視塔（210m）北京環(huán)境氣象塔（325m）1958年上海大型濕式儲氣柜第一章概述1.3鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展80年代和90年代中國國貿(mào)中心（高155.2m）北京京城大廈（高182m）北京京廣中心大廈（高208m）北京上海的國貿(mào)中心大廈（139m）上海深圳發(fā)展中心大廈（高165m）深圳地王商業(yè)大廈（樓頂高325m,塔尖高384m）第一章概述世界高層建筑一覽第一章概述 南通體育館及會展中心的建筑方案是個很有個性的作品，充分展示了張力膜結(jié)構(gòu)所具有的“輕，飄”現(xiàn)代氣息的建筑效果。第一章概述1.2鋼結(jié)構(gòu)的建造過程和內(nèi)在缺陷工廠制造：驗(yàn)收、放樣、加工、裝配、矯正、除銹和涂漆工地安裝：擴(kuò)大拼裝、吊裝就位、臨時(shí)固定、最后固定1.2.1鋼結(jié)構(gòu)的建造過程1.2.2鋼結(jié)構(gòu)的初始缺陷幾何缺陷：初彎曲初傾斜桿件長度誤差材料缺陷：鋼材并非理想的勻質(zhì)體和各向同性體第一章概述1.3鋼結(jié)構(gòu)的組成原理平面體系加支撐如：穿式桁架橋、空間屋蓋結(jié)構(gòu)1.3.1跨越結(jié)構(gòu)穿式桁架橋空間屋蓋結(jié)構(gòu)第一章概述水平荷載可能居于主導(dǎo)地位。如：高層房屋結(jié)構(gòu)、塔架、桅桿1.3.2高聳結(jié)構(gòu)高層房屋結(jié)構(gòu)塔架結(jié)構(gòu)桅桿結(jié)構(gòu)第一章概述1.3鋼結(jié)構(gòu)的組成原理任何結(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。第一章概述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)空間框架第一章概述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)。

第一章概述1.4鋼結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)和

概率極限狀態(tài)法1.4.1鋼結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)

和其他結(jié)構(gòu)一樣，鋼結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)可分為兩大類：1.承載力極限狀態(tài)對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或出現(xiàn)不適于繼續(xù)承載的變形，包括傾覆、強(qiáng)度破壞、喪失穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)變?yōu)闄C(jī)動體系或出現(xiàn)過度的塑性變形。2.正常使用極限狀態(tài)對應(yīng)于結(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，包括出現(xiàn)影響正常使用（或外觀）的變形、振動和局部破壞等。第一章概述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)通過內(nèi)力分析來計(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。第一章概述構(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，但對結(jié)構(gòu)的行為影響不大，為計(jì)算簡便計(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。第一章概述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，簡稱概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。結(jié)構(gòu)功能函(R代表結(jié)構(gòu)的抗力，S代表荷載綜合效應(yīng))第一章概述結(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。第一章概述規(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，目前各個國家在確定目標(biāo)可靠指標(biāo)時(shí)都采用“校準(zhǔn)法”，通過對原有規(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。第一章概述《建筑結(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)見表1-3，一般的工業(yè)與民用建筑的安全等級屬于二級。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，但我國現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范對疲勞計(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。第一章概述1.4.4設(shè)計(jì)表達(dá)式《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB50068)規(guī)定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式，應(yīng)根據(jù)各種極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)要求，采用有關(guān)的荷載代表值、材料性能標(biāo)準(zhǔn)值、幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值以及各種分項(xiàng)系數(shù)等表達(dá)。1、簡單荷載分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)式：RK

——抗力標(biāo)準(zhǔn)值SGK——按標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的永久荷載（G）效應(yīng)值SQK——按標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的可變荷載（Q）效應(yīng)值

γ

——分項(xiàng)系數(shù)式中：

第一章概述●一般情況下荷載分項(xiàng)系數(shù)：

γ

G＝1.2；γ

Q＝1.4●永久荷載效應(yīng)與可變荷載效應(yīng)異號時(shí)：

γ

G＝1.0；γ

Q＝1.4●抗力分項(xiàng)系數(shù)：

Q235鋼：γ

R＝1.087；Q345、Q390；Q420鋼：γ

R＝1.111其中：鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f——鋼材強(qiáng)度除以抗力分項(xiàng)系數(shù)分項(xiàng)系數(shù)γ

以可靠指標(biāo)β為基礎(chǔ)用概率設(shè)計(jì)法求出第一章概述可變荷載效應(yīng)控制的組合：（1.5）

可變荷載效應(yīng)控制的組合：（1.6）

2、承載能力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)的基本組合第一章概述2、正常使用極限狀態(tài)荷載效應(yīng)的

標(biāo)準(zhǔn)組合（1.32）

vGK

——永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的變形值vQ1K——起控制作用的第一個可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的變形值vQiK——其他第i個可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的變形值[v]——結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的容許變形值式中：

第一章概述鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

設(shè)計(jì)方法：以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法

計(jì)算疲勞仍采用容許應(yīng)力幅法計(jì)算強(qiáng)度、穩(wěn)定、連接用荷載設(shè)計(jì)值計(jì)算疲勞、變形用荷載標(biāo)準(zhǔn)值對于直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)：在計(jì)算強(qiáng)度和穩(wěn)定時(shí)，動力荷載設(shè)計(jì)值應(yīng)乘動力系數(shù)在計(jì)算疲勞和變形時(shí)，動力荷載標(biāo)準(zhǔn)值不應(yīng)乘動力系數(shù)第一章概述1.5鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展發(fā)展方向逐步發(fā)展高強(qiáng)度低合金鋼材Q235、Q345、Q390、Q420和型鋼品種改進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法——采用考慮分布類型的二階矩概率法計(jì)算結(jié)構(gòu)的可靠度結(jié)構(gòu)的革新也是今后值得研究的課題結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮優(yōu)化理論和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)第一章概述1.5鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.發(fā)展低合金高強(qiáng)度鋼材和型鋼品種

利用高強(qiáng)度鋼材，可以用較少材料做成功效較高的結(jié)構(gòu)，對跨度和荷載大以及高聳的結(jié)構(gòu)極為有利。我國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范推薦的鋼材有Q235鋼、