1_第1章节绪论

第1章 绪 论,1.1 钢结构的特点和应用 1.2 钢结构的类型和组成 1.3 钢结构的设计原理与方法 1.4 钢结构的设计指标 1.5 钢结构建筑的现状和发展,1.1 钢结构的特点和应用,1.1.1 钢结构的特点 钢结构与钢筋混凝土结构、砌体结构和木结构相比有以下特点： (1)钢材的材质均匀，质量稳定，可靠性好；实际受力情况与力学计算结果比较符合。 (2)钢材的强度高、塑性和韧性好，抗冲击和抗振动能力强；因而，钢结构自重轻，如普通钢屋架的重量仅为相同跨度和荷载的钢筋混凝土屋架重量的1/41/3。 (3)工业化程度高，便于运输、安装和拆迁，因而，具有加工精度高，制造周期短，生产效率高和建造速度快的特点。 (4)密封性强，耐热性较好，可用于建造压力容器和大直径输送管道。 (5)耐腐蚀性和耐火性差。,1.1 钢结构的特点和应用,(6)钢材在低温和其他特殊条件下，可能发生脆性断裂。 1.1.2 钢结构的应用范围 目前，钢结构常用于大跨、超高、过重、振动、密闭、高耸、空间和轻型的工程结构中，其应用范围大致如下。 (1)重型厂房结构。 (2)大跨度结构。 (3)高层和超高层建筑。 (4)高耸构筑物。 (5)容器、贮罐、管道。 (6)可拆装和搬迁的结构，如流动式展览馆、装配式活动房屋等多用螺栓和扣件连接的轻钢结构。,1.1 钢结构的特点和应用,(7)其他构筑物，如高炉、热风炉、锅炉骨架，大跨度铁路和公路桥梁、水工闸门、起重桅杆、运输通廊、管道支架和海洋采油平台等，一般多采用钢结构。,1.2 钢结构的类型和组成,1.2.1 常用钢结构的类型与组成 常用钢结构的类型与组成如下述： (1)梁式结构。 (2)桁架式结构。 (3)框架式结构。 (4)拱式结构。 (5)索式结构。 1.2.2 钢结构的构件与连接 钢结构的基本构件有：受弯构件，轴向受力构件，拉弯和压弯构件等。,1.3 钢结构的设计原理与方法,1.3.1 结构的功能要求 (1)安全性。 (2)适用性。 (3)耐久性。 1.3.2 结构功能的极限状态 显然，结构能够满足某种功能要求，并能良好地工作时，称为结构“可靠”或“有效”；反之，则称为“不可靠”或“失效”。 (1)承载能力极限状态。 (2)正常使用极限状态。 1.3.3 结构的功能函数 如图11a所示，结构的工作状态可用结构抗力R和作用效应S的关系式来描述。,1.3 钢结构的设计原理与方法,1.3.4 结构极限状态方程 结构处于极限状态时的功能函数表达式，Z=f(R,S)=0称为结构极限状态方程。 1.3.5 建筑结构的可靠度 1.结构设计问题的不确定性 结构功能函数表达式中，S和R均为随机变量，即具有不确定性；显然，Z=R-S也是随机变量。,图1-1 建筑结构设计原理 a)结构工作状态判别图 b)结构可靠概率与可靠指标的关系,1.3 钢结构的设计原理与方法,2.结构的可靠度 显然，结构的可靠性只能用概率来度量。,1.3 钢结构的设计原理与方法,1.3 钢结构的设计原理与方法,表1-1 结构构件承载能力极限状态设计时的值,表1-2 建筑结构安全等级,1.3.6 实用设计表达式 钢结构有两种设计方法：容许应力设计法和概率极限状态设计法。 1.容许应力设计法 容许应力设计法是一种传统的设计方法。,1.3 钢结构的设计原理与方法,2.概率极限状态设计法,1.3.7 钢结构设计的基本要求 钢结构设计要执行有关规范规定，应做到技术先进、经济合理、安全实用和确保质量，力求达到建筑与结构的完善统一。 (1)采用合理的结构体系。 (2)尽可能实现模数化、标准化和工厂化制造。 (3)采用优质钢材。 (4)采用先进可靠的连接方法。 (5)采用计算机辅助设计。,1.4 钢结构的设计指标,1.4.1 钢结构上的作用 结构上的作用，是指引起结构外加变形、裂缝和内力的原因。 1.荷载标准值 荷载标准值是指在结构的使用期间，在正常情况下出现的最大值，它是荷载的基本代表值通常要求具有95%的保证率。 (1)永久荷载标准值。,表1-3 常用材料和构件自重,1.4 钢结构的设计指标,表1-3 常用材料和构件自重,(2)可变荷载标准值。 (3)可变荷载准永久值。,1.4 钢结构的设计指标,表1-4 民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频遇值和永久值系数,1.4 钢结构的设计指标,表1-4 民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频遇值和永久值系数,2.第6项书库活荷载中，当书架高度大于2m时，,1.4 钢结构的设计指标,书库活荷载尚应按每米书架高度不小于2.5kN/m2确定。 3.第8项中的客车活荷载只适用于停放载人少于9人的客车；消防车活荷载是适用于满载总重为300kN的大型车辆；当不符合本表的要求时，应将车轮的局部荷载按结构效应的等效原则，换算等效均布荷载。 4.第11项楼梯活荷载，对预制楼梯踏步平板，尚应按1.5kN集中荷载验算。 5.本表各项荷载不包括隔墙自重和二次装修荷载。,表1-5 屋面均布活荷载,2.上人的屋面，当兼作其他用途时，应按相应楼面活荷载采用。,1.4 钢结构的设计指标,3.对于因屋面排水不畅、堵塞等引起的积水荷载，应采取构造措施加以防止；必要时，应按积水的可能深度确定屋面活荷载。 4.屋顶花园活荷载不包括花圃土石等材料自重。,表1-6 设计楼面梁、墙、柱及基础时，楼面活荷载标准值的折减系数,1.4 钢结构的设计指标,表1-7 活荷载按楼层数的折减系数, 当楼面梁的从属面积超过25m2时，采用括号内的系数。,(4)可变荷载组合值。,(5) 可变荷载频遇值。,1.4 钢结构的设计指标,2.荷载分项系数及荷载设计值 荷载标准值是指结构在正常使用情况下可能出现的最大荷载值，一般用于正常使用极限状态或长期效应组合设计时，在偶然情况下或在非常情况下，仍然有超过荷载标准值的可能。 (1)对永久荷载分项系数G，当其效应对结构不利时，若由可变荷载效应控制的组合，取1.2；对由永久荷载效应控制的组合，取1.35。 (2)对可变荷载的分项系数Q，民用建筑楼面均布活荷载，取Q=1.4，当活荷载值大于等于4kN·m-2时，取Q=1.3。 1.4.2 钢材强度标准值 材料强度标准值是结构设计时采用的材料强度的基本代表值，根据设计统一标准规定，取材料强度实测值总体中，具有95%以上的保证率为材料强度的标准值。,1.4 钢结构的设计指标,1.4.3 钢材强度设计值 1.材料的分项系数f 在承载能力极限状态设计中，为了充分考虑材料的离散性和施工中不可避免的偏差带来的不利影响，使实际的可靠指标值与规定的目标可靠指标在总体上误差最小，对全套分项系数经过优化找出最佳匹配取值，钢结构构件抗力分项系数，对Q235(3号钢)、Q345钢，取f=1.087；对于Q390钢、15MnVq钢，取f=1.111。 2.钢材强度设计值 材料的强度设计值f为强度标准值除以分项系数，强度设计值可以保证构件达到所要求的承载能力极限的可靠程度。,1.4 钢结构的设计指标,(1)构件和连接的钢材强度设计值 由于厚度大的钢材在轧制过程中压延的次数比薄钢材少，因此其晶粒不如薄钢材细密，力学性能有差别，所以钢材需按尺寸分类。,1.4 钢结构的设计指标,表1-8 钢材强度设计值(N/m),1.4 钢结构的设计指标,表1-8 钢材强度设计值(N/m),表1-9 钢铸件强度设计值(N/m),表1-10 混凝土强度设计值和弹性模量,1.4 钢结构的设计指标,(2)强度设计值的折减系数 上述钢材和连接强度设计值是在结构处于正常工作情况下求得的，对处于不利情况下的结构构件和连接，其强度设计值应予适当折减，即在计算下列情况时，将强度设计值应乘以相应折减系数。 1)单面连接的单角钢，按轴心受力计算强度和连接，取0.85。 2)施工条件较差的高空安装焊缝和铆钉连接取0.90。 3)沉头和半沉头铆钉连接取0.80。 1.4.4 钢结构变形的规定 (1)计算钢结构变形时，可不考虑螺栓孔或铆钉孔引起的截面削弱。 (2)受弯构件的挠度不应超过表1-11中所列的容许值。,1.4 钢结构的设计指标,表1-11 受弯构件的挠度容许值,1.4 钢结构的设计指标,表1-11 受弯构件的挠度容许值,1.4 钢结构的设计指标,2.vT为全部荷载标准值产生的挠度(如有起拱应减去拱度)的容许值； (3)多层框架结构在风荷载作用下的顶点水平位移与总高度之比值不宜大于1/500，层间相对位移与层高之比值不宜大于1/400，见表1-12a。 (4)在设有重级工作制桥式起重机的厂房中，跨间每侧桥式起重机梁或桥式起重机桁架的制动结构，由一台最大桥式起重机横向水平荷载所产生的挠度不宜超过制动结构跨度的1/2200。 (5)设有重级工作制桥式起重机的厂房柱和设有中、重级工作制桥式起重机的露天栈桥柱，在桥式起重机梁或桥式起重机桁架的顶面标高处，由一台最大桥式起重机水平荷载所产生的计算变形值，不应超过表1-12b所列的容许值。,1.4 钢结构的设计指标,表1-12a 框架结构水平位移容许值,2.对室内装修要求较高的民用建筑多层框架结构，层间相对位移宜适当减小。 3.对轻型框架结构的柱顶水平位移和层间位移均可适当放宽。,表1-12b 厂房柱水平位移(计算值)的容许值,2.计算厂房或露天栈桥柱的纵向位移时，可假定起重机的纵向水平制动力分配在温度区段内所有柱间支撑或纵向框架上。,1.4 钢结构的设计指标,3.在设有A8级起重机的厂房中，厂房柱的水平位移容许值宜减小10%。 4.在设有A6级起重机的厂房柱的纵向位移宜符合表中的要求。,1.5 钢结构建筑的现状和发展,1.5.1 钢结构的发展现状 1.钢结构的发展现状 我国古代在春秋时期已用人工制铁，冶炼技术已达到相当高的水平，比外国早1800多年。 2.钢结构建筑工程实例 (1)我国古代钢结构建筑 中国是最早用钢铁建造结构物的国家之一。 1)古代纪念性建筑：广州光孝寺西铁塔，建于963年，五代南汉，现存3层；广州光孝寺东铁塔，建于967年，五代南汉共7层，高6.35m；湖北当阳玉泉寺铁塔，建于1061年，宋代，13层，高17.9m，逐层浇注，榫槽连为整体。,1.5 钢结构建筑的现状和发展,2)铁链桥建筑：云南澜沧江霁虹桥，建于1465年1487年，明成化，总长113.4m，宽3.7m，底部承重铁链16根(现存14根)，栏杆铁链左右各1根；四川泸定大渡河泸定桥，建于1706年，清康熙45年，净跨100m，宽2.7m，共有铁链13根，每根重约1.6t。 (2) 现代钢桥建筑 武汉长江大桥，1957年；1993年建成的江西九江长江大桥，铁路公路两用双层桥，正桥全长1808.6m，用柔性拱加劲，钢材为15MnVNq；1968年建成的南京长江大桥，两用双层桥，正桥长1576m，钢梁共10孔，其中有9孔为3m×160m三跨连续桁架，采用16Mnq钢。 (3) 工业建筑 上海锅炉厂重型容器车间，主跨36m，厂房高度为40m，双层桥式起重机的上层为2台起重量为400/80t的起重机，1977年建成。,1.5 钢结构建筑的现状和发展,(4) 公共建筑 北京工人体育馆，1962年建成。,图1-2 北京工人体育馆,1.5 钢结构建筑的现状和发展,图1-3 空间网壳圆屋顶,1.5 钢结构建筑的现状和发展,图1-4 大庆电视塔,1.5 钢结构建筑的现状和发展,图1-5 北京环境气象塔,1.5 钢结构建筑的现状和发展,图1-6 平板网架屋盖,1.5 钢结构建筑的现状和发展,图1-7 钢支撑筒结构,1.5 钢结构建筑的现状和发展,图1-8 悬挂结构体系示意图,1.5 钢结构建筑的现状和发展,图1-9 美国芝加哥西尔斯大厦,1.5 钢结构建筑的现状和发展,图1-10 香港汇丰银行,1.5 钢结构建筑的现状和发展,图1-11 埃菲尔铁塔,1.5 钢结构建筑的现状和发展,图1-12 香港中国银行,1.5 钢结构建筑的现状和发展,图1-13 北京京广大厦,1.5 钢结构建筑的现状和发展,图1-14 纽约