钢结构第一章绪论

钢结构课程的主要内容：钢材材质、稳定和构造（包括连接）问题 钢材材质和使用 钢材性能虽然比较稳定，但化学成分、冶金缺陷和加工制作工作环境会对钢材性能产生影响。应合理使用。 稳定问题 由于钢材高强，构件的截面面积一般较小，必然产生稳定问题。既要考虑其整体稳定性，又要考虑其局部稳定性。影响稳定性的因素也比较多，理论也比较复杂。所以，稳定是钢结构设计中的突出问题。 构造（包括连接）问题 构造问题指构件截面的组成和连接方法，以及构件与构件的节点形式。 课程安排：两门课共64课时 一周课程设计 成绩平定：考试70，平时30上课、作业和课堂问答。, 本章学习目标 通过本章的学习，要求学生对钢结构的特点和设计方法有所了解；了解该课程的基本框架。 本章教学内容 本章的主要知识点是钢结构的特点，钢结构设计方法以及钢结构应用和发展。 教学要求 了解钢结构的发展概况及其在我国现代化建设中的作用和地位；掌握钢结构的特点及其合理应用范围；了解结构按极限状态的设计方法；了解钢结构设计中的主要问题及发展方向。,钢结构 第一章 绪论, 本章重点 本章节有两个重点 第一: 钢结构的特点。钢结构既有强度高，塑、韧性好等优点，也存在易腐蚀、耐火性能差等缺点。必须在设计中合理使用钢材，注意提高钢材的耐久性。 第二: 钢结构的设计方法，这是一个影响钢结构设计安全与经济的全局问题。设计方法确定后，材料的强度设计值，荷载的取值及其有关分项系数等才能确定。 本章难点 钢结构的设计方法。,第一章 绪论 1、钢结构发展简史、 2、钢结构的特点及应用 3、钢结构设计方法 4、钢结构的发展方向 §1-1 钢结构发展简史 钢是铁碳合金，人类采用钢结构的历史和炼铁、炼钢技术的发展是密不可分的。早在公元前2000年左右，在人类古代文明的发祥地之一的美索不达米亚平原（位于现代伊拉克境内的幼发拉底河和底格里斯河之间）就出现了早期的炼铁术。我国也是较早发明炼铁技术的国家之一，在河南辉县等地出土的大批战国时代（公元前475前221年）的铁制生产工具说明，早在战国时期，我国的炼铁技术已很盛行了。公元65年（汉明帝时代），已成功地用锻铁为环，相扣成链，建成了世界上最早的铁链悬桥兰津桥。,此后，为了便利交通，跨越深谷，曾陆续建造了数十座铁链桥。其中跨度最大的为1705年（清康熙四十四年）建成的四川泸定大渡河桥，桥宽2.8m，跨长100m，由9根桥面铁链和4根桥栏铁链构成，两端系于直径20cm、长4m的生铁铸成的锚桩上。该桥比美洲1801年才建造的跨长23m的铁索桥早近百年，比号称世界最早的英格兰30m跨铸铁拱桥也早74年。,泸定铁索桥,除铁链悬桥外，我国古代还建有许多铁建筑物，如公元694年（周武氏十一年）在洛阳建成的“天枢”，高35m，直径4m，顶有直径为11.3m的“腾云承露盘”，底部有直径约16.7m用来保持天枢稳定的“铁山”，相当符合力学原理。又如公元1061年（宋代）在湖北荆州玉泉寺建成的13层铁塔，目前依然存在。所有这些都表明，我们中华民族对铁结构的应用，曾经居于世界领先地位。,湖北荆州玉泉寺建成的13层铁塔,欧美等国家中最早将铁做为建筑材料的当属英国，但直到1840年以前，还只采用铸铁来建造拱桥。1840年以后，随着铆钉连接和锻铁技术的发展，铸铁结构逐渐被锻铁结构取代，1846-1850年间在英国威尔士修建的布里塔尼亚桥是这方面的典型代表。该桥共有4跨，跨长分别为70-140-140-70m，每跨均为箱型梁式桥，由锻铁型板和角铁经铆钉连接而成。,随着1855年英国人发明贝氏转炉炼钢法和1865年法国人发明平炉炼钢法，以及1870年成功轧制出工字钢之后，形成了工业化大批量生产钢材的能力，强度高且韧性好的钢材才开始在建筑领域逐渐取代锻铁材料，自1890年以后成为金属结构的主要材料。20世纪初焊接技术的出现，以及1934年高强度螺栓连接的出现，极大地促进了钢结构的发展。除西欧、北美之外，钢结构在前苏联和日本等国家也获得了广泛的应用，逐渐发展成为全世界所接受的重要结构体系。,由于我国长期处于封建主义统治之下，束缚了生产力的发展，1840年鸦片战争以后，更沦为半封建半殖民地国家，经济凋敝，工业落后，古代在铁结构方面的技术优势早已丧失殆尽。我国在1907年才建成了汉阳钢铁厂，年产钢只有0.85万吨。1943年是我国历史上钢铁产量最高的一年，生产生铁180万吨，钢90万吨，绝大部分是在东北生产的。这些钢铁很少用于建设，大部分被日本帝国主义用于反动的侵略战争。新中国成立后，随着经济建设的发展，钢结构曾起过重要作用，如第一个五年计划期间，建设了一大批钢结构厂房、桥梁。但由于受到钢产量的制约，在其后的很长一段时间内，钢结构被限制使用在其他结构不能代替的重大工程项目中，在一定程度上，影响了钢结构的发展。,自1978年我国实行改革开放政策以来，经济建设获得了飞速的发展，钢产量逐年增加。自1996年超过1亿吨以来，一直位列世界钢产量的首位，2003年更达到创纪录的2.2亿吨，逐步改变着钢材供不应求的局面。我国的钢结构技术政策，也从“限制使用”改为积极合理地推广应用。近年来，随着市场经济的不断完善，钢结构制作和安装企业像雨后春笋般在全国各地涌现，外国著名钢结构厂商也纷纷打入中国市场。在多年工程实践和科学研究的基础之上，我国新的钢结构设计规范GB50017-2003和冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50018也已发布实施。所有这些，为钢结构在我国的快速发展创造了条件。,§1-2 钢结构的特点及应用,1-2-1钢结构的特点钢结构是由钢板、钢管、热轧型钢和冷加工成型的薄壁型钢制造而成的结构。优点： （1）材料强度高，钢材质量轻（相对）a=容重/强度, a越小，结构相对越轻钢材：a=1.73.7×10-4/m； 木材：a=5.4×10-4/m； 钢砼：a= 18×10-4/m；由于钢材强度高，结构需要的构件截面小,结构自重轻。能跨越大跨径。同跨径下钢屋架的重量只有钢筋混凝土屋架的1/41/3。可以简化基础。,（2）塑、韧性好钢材的塑性好，承受静力荷载时，材料吸收变形能的能力强。钢结构在一般条件下不会因超载等而突然断裂。破坏前一般都会产生显著的变形、易于被发现，可及时采取补救措施，避免重大事故发生。钢材的韧性好，钢结构对动力荷载的适应性强，具有良好的吸能能力，抗震性能优越。 （3）材质均匀钢材内部组织较接近于匀质和各向同性体，实际受力和根据力学情况计算的结果相吻合。,4）制作简便，工期短 施工周期短，钢结构一般在专业工厂制作，易实现机械化，生产效率和产品精度高，质量易于保证，是工程结构中工业化程度最高的一种结构。构件制造完成后，运至施工现场拼装成结构 。,自动钢板切割,埋弧自动焊,工厂钢构制作,作业面多 现场基础施工,（5）可焊性、密封性好钢材在焊前和焊后，都能保持焊接部分不开裂的完整性的性质。钢材容易焊接，钢材的这种性能为制造复杂结构、高压容器及管道创造了条件。,缺点： （1）耐腐蚀性差-在潮湿和有腐蚀性介质的环境中，纲结构容易锈蚀，要选用耐大气腐蚀的耐侯钢材，注意油漆防护，增加了维护费用。,普通防腐蚀方法（35年）除锈、底漆、面漆操作方便，防腐有效年限短 热浸锌（25年）酸洗、清洗、干燥、热浸锌、后处理质量稳定、工业化程度高，但构件尺寸受锌槽尺寸控制热喷铝复合涂层（25年）喷砂 、喷锌（铝）、喷铝、喷复合涂层不受体型大小限制、无热影响，构件形状复杂时操作困难,2）耐热不耐高温-当钢材受热温度在200以内时。其主要性能变化很小，具有较好的耐热性能。但是，当温度在600以上时，其承载力几乎完全丧失。必须有隔热或采用防火涂料等防护措施,提高钢结构耐火性的措施,外包层 在钢结构外表添加外包层，可以现浇成型，可以采用喷涂法。,充水(水套) 空心型钢结构内充水是抵御火灾最有效的防护措施。,（3）低温脆断 -要高度重视 （4）变形控制难（不利安装）,1-2-2钢结构的应用随着我国国民经济的不断发展和科学技术的进步，钢结构在我国的应用范围也在不断扩大。目前钢结构应用范围大致如下： （1）大跨钢结构大跨度钢屋架 网架、网壳结构 、悬索结构、拱架结构、桥梁结构结构跨度越大，自重在荷载中所占的比例就越大，减轻结构的自重会带来明显的经济效益。 钢材强度高结构重量轻的优势正好适合于大跨结构，因此钢结构在大跨空间结构和大跨桥梁结构 中得到了广泛的应用。,网架结构,拱结构,桥梁,道路、桥梁结构,重庆朝天门大桥位于长江与嘉陵江交会处，距离朝天门还有1.7公里的溉澜溪青草坪。,朝天门大桥长1741米，主桥为190米+552米+190米，三跨连续中承式钢桁系杆拱桥。大桥为双层公轨两用桥， 大桥桥腹预留两个汽车道，轨道交通“六线一环”中的“一环”通过桥腹过江。采用上层“汽车道+人行道”、下层“汽车道+轨道线”的“双层通行”模式。,千年穹顶,国家大剧院屋架安装,位于北京人民大会堂西侧，西长安街以南，总占地面积近12公顷，总建筑面积近15万平方米，总投资26.88亿元，目前已进行过网壳部分设计与施工验收审查会议。该工程外部围护结构为钢结构网壳，是半椭圆球形，东西长轴212.2m，南北短轴143.64m，总高度46.285。内设歌剧院（2416席）、音乐厅（2017席）及戏剧院（1040席）及公共大厅等。屋面采用钛金属板，整个网壳外环绕人工湖（35500m2）,各种通道及入口均设在水下 。设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，北京市建筑设计研究院参与主体设计 ，整体结构用钢量达6750t，195kg/m,国家大剧院,国家体育场建筑体形上像鸟巢。可容纳8万人。平面为椭圆形,长轴340m短轴292m。首次采用Q460E高强度结构钢，截面为加肋薄壁箱形 ，总用钢量达16万吨 。,“绿色奥运”、“科技奥运”、“人文奥运” 建筑底面面积为80,000m2，屋顶面积76,719m2，地上层数6层，最高点高度53.00m，可容纳观众数60,000。 屋顶结构采用钢桁架悬挑结构 。屋面桁架落地，形似露珠 天津奥林匹克体育场俯瞰效果图,（2）重型厂房结构 西安变压器厂（400t吊车）,鞍钢1700连铸主厂房工程,鞍钢大连镀锌线主厂房工程,金陵石化总厂,(3）高层建筑 80年代我国建造的11栋高层钢结构基本上都是国外设计、施工承建。,由日本森大厦株式会社的全额子公司森海外株式会社及日本具有代表性的银行、保险公司、商社等36家企业，偕同政府系统机构日本海外经济协力基金(OECF)联合投资的上海环球金融中心，总投资逾750亿日元。位于陆家嘴金融贸易区，建筑总面积335,420平方米，地下3层，地上94层。建成后的高度达460米 。总用钢量26000t，钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱。 上海环球金融中心,上海环球金融中心,金茂大厦是由中国上海对外贸易中心股份有限公司独家投资5.6亿美元建设的一座88层的超高层大厦，建筑高度420.5米，建筑面积28.9万平方米，于1998年8月28日竣工。 总用钢量14000t，钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱。设计者为美国S.O.M事务所。,上海金茂大厦,帝王大厦,北京财富中心,央视新台址建设工程位于北京朝阳区东三环中路、北京商务中心区的核心地段，占地面积18.7万平方米，总建筑面积55万平方米,最高建筑约234米，工程建安总投资约50亿元人民币。该方案由世界著名建筑设计大师雷姆·库哈斯和奥勒·舍仁担任主建筑师，荷兰大都会建筑事务所负责设计，并与奥雅纳工程顾问公司合作完成，国内的合作设计单位为上海华东建筑设计研究院； 2003年10月开工建设，2008年正式运行 。,大连远洋大厦由大连远洋运输公司、中远房地产开发公司与美国ESPIRIT公司联合投资14.8亿人民币开发的集五星级酒店和甲级写字楼为一体的智能大厦。 总建筑面积14.8万平方米。其中：A座为五星级酒店，地上51层，总高200.8m。钢筋混凝土核心筒，外框钢框架。设计、加工、安装全部国产化。,