钢结构上一章绪论.ppt

钢 结 构,主 讲：陈建锋,第1章 绪论,2,第1章 绪 论,1.1 本课程学习内容,1、绪论,2、钢结构的材料,3、钢结构的链接,4、轴心受力构件,5、受弯构件,6、拉弯、压弯构件,初识钢结构,1、什么是钢结构？,钢结构是钢材（钢板和型钢）经过设计、加工，形成各种基本构件，如拉杆（有时还包括钢索）、压杆、梁、柱及桁架等，然后将这些基本构件按一定的方式通过焊接和螺栓连接组成的工程结构形式。,五大结构形式：,钢筋混凝土结构 砌体结构 木结构 钢结构 组合结构,“银色弯弓”架浦江全钢结构卢浦大桥,1、什么是钢结构,国家体育场,国家游泳中心,央视新台址,上海环球金融中心,国家大剧院,南浦大桥夜景,广州新电视塔,上海东方明珠,深圳世界大学生运动会体育中心体育场整体大型模型试验研究,我们身边的钢结构,咸阳T3航站楼,东航咸阳机场155米跨机修库网架,世园会长安塔,施工中的名犬馆,钢结构亭子,广运门,校本部施工中的钢框架,施工中的立体车库,1.2钢结构的特点和应用范围,1、特点, 强度高，重量轻 塑性、韧性好 材质均匀，工作可靠性高 适于于机械化加工，工业化生产程度高，施工周期短 减少砂、石、灰用量，减轻对不可再生资源的破坏 环保、可回收再利用，建筑造型美观 密闭性能好,能制成不渗漏的密闭容器 耐热性能好，耐火性能差。 耐腐蚀性差 低温冷脆,钢和混凝土容重比：3.4 强度比：210136 所以重量轻 好处: (1)便于运输和安装 (2)可跨越更大的跨度,2、应用范围, 承受荷载大的结构（ 工业厂房 ）, 大跨度建筑物 体育馆、展览馆、影剧院、会议中心、机库, 高层建筑,世贸110层412米,深圳地王大厦高69层，总高度383.95米，实高324.8米,阿联酋迪拜塔160层828米,台北101层508米,上海环球金融中心101层492米,马来西亚双子塔88层452米,美国芝加哥希尔斯大厦110层443米,绿地紫峰89层381米,金茂大厦88层421米, 轻型钢结构,轻型钢结构是一个很模糊的概念，没有严格的定义。以下结构都可称为轻型钢结构：由冷弯薄壁型钢组成的结构；由热轧轻型型钢（工字钢、槽钢、 H型钢、L型钢、T型钢等）组成的结构；由焊接轻型型钢（工字钢、槽钢、 H型钢、L型钢、T型钢等）组成的结构；由圆管、方管、矩形管组成的结构；由薄钢板焊成的构件组成的结构；由以上各种构件组成的结构。,塔桅结构 电视塔、天线、发射架、海洋平台,可拆卸和搬迁的结构 流动展览馆、舞台、施工时的临时房屋、温室大棚等,挡水结构、容器、大直径管道 储油库、煤气库、高炉等各种容器, 大跨度桥梁, 钢与混凝土组合结构,1.3 钢结构的设计原理及方法,一、钢结构的设计方法,对传统设计方法的回顾 1、容许应力法(1954年) =fy/k 设计应力 容许应力 fy钢的屈服强度 k安全系数（k1） 2、多系数极限状态设计法（1957）,随着技术的进步，人们逐渐认识到引起结构破坏的原因：恒、活载、基础沉降、温度、地震等是随机的，决定结构抗破坏能力的材料性质也是随机的。传统设计方法把一个本来的随机事件用确定性方法来表达不够科学，有必要还其本来面目。蒙发出以概率理论作为结构设计方法的理论基础，提出了以概率论为基础的极限状态设计法。,二、概率极限状态法主要思路,借助于概率理论、对结构功能的极限状态进行设计。,出发点,承认外界对结构的作用效应和结构自身的抗力是一对随机现象。,方 法,三、两种极限状态,极限状态结构或结构中的某一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求时，此特定状态称为极限状态。,1、承载能力极限状态 在此状态下结构或构件付出了自己拥有的最大承载能力，如果外界作用稍有增加，结构或构件将发生破坏（强度、稳定、疲劳、倾覆、出现机动体系或过度的塑性变形等）即结构的安全性将得不到保证。(达到最大承载能力，不能继续承载的最大塑性变形),2、正常使用极限状态 在此状态下，结构在适用性或耐久性方面达到某种规定的限值（包括正常使用可以接受的变形、振动限值等）。 不发生过大变形、振动、裂缝。,极限状态方程 Z=g(x1,x2 xn)=0 （1.1） Z 结构的极限状态函数 xi是影响结构可靠性的物理量，包括材料抗力、几何参数以及各种作用产生的效应（内力），它们是相互独立的随机变量 。 g 表示某种函数关系。将其概括为两个综合随机变量（R、S）的如下关系： Z=R-S,R结构抗力,S外界对结构各种作用（荷载、温度）的综合 效应（简称作用效应）,四、极限状态的数学模型,由上可见，极限状态是从可靠状态到失效状态的一个临界状态。,可见，结构可靠度是结构可靠性的概率度量。因为在各种随机因素的作用下结构完成预定功能的能力不能事先确定，只能用概率来描述。所谓规定时间，按照建筑结构设计统一标准一般指设计基准期50年。,结构在规定的时间内和规定条件下，完成预定功能的概率称为结构可靠度，用Pr表示。,五、结构可靠度和失效概率,1、 结构可靠度,Pr=g(Z0)=g(R-S0) g 概率,2、可靠度指标,设极限状态函数Z=R-S中，R、S均是正态分布且相互独立的随机变量，,Z、R、S分别为Z、R、S的均值 Z、R、S分别为Z、R、S的标准（均方）差,-可靠度指标。,3、失效概率 结构不能完成预定功能的概率，用Pf表示，称失效概率。 Pf=g(Z0)=g(R-S0) 由概率理论 Pr + Pf = 1 （两者互补） Pr =1- Pf 于是，可靠度的确定转化为计算失效概率。结构设计是否可靠被表达为失效概率是否小到可以接受的程度。 绝对可靠的结构（失效概率为零）是不存在的。,用给定的值直接进行结构设计在目前是不现实的。一是比较麻烦（技术尚未达到实用水平，作用效应和抗力都是多因素），二是设计人员不习惯。 为了便于应用并符合人们长期以来的习惯，规范并不直接使用进行设计，而利用式 来完成。 就设计而言，问题被转化为计算效应S和抗力R。 对于不同极限状态，表达式的细节不同。,六、概率极限状态法的设计表达,1、承载能力极限状态 （1）效应 G永久荷载效应； Q1第一个可变荷载效应； Qi第i个可变荷载效应。 、 、 永久荷载及各可变荷载标准值，（查荷 载规范）； C荷载效应系数，单位荷载引起的内力， 由力学分析得。下标G 指永久荷载、 下 标Q1 、 Qi指各可变荷载；,破坏后果：很严重、严重、不严重,抗力分项系数。3号钢和16锰钢取1.087， 15锰钒钢取1.111。 材料强度标准值； 3号钢第一组 235MPa 16锰钢第一组 345MPa 15锰钒钢第一组 410MPa 焊缝指熔敷金属的强度标准值 材料和连接的设计强度。见附录一。 A构件或连接的几何因素，如截面面积或截面抵抗矩。,（2）抗力,荷载组合系数取,（1.9）,（1.10）,（3）设计表达式,对于可靠状态： R-S0， SR,于是有设计式,因引入了各种系数，设计式中SR变成SR。,对于一般排架和框架结构，可采用下列简化公式：（很难区谁是第一个可变荷载风、其它？）,习惯上，常将式（1-9）、（1-10）写成应力表达：,（1-11）,Gd永久荷载设计值Gd=GGk产生的应力 Q1d第一个可变荷载设计值Q1d=Q1Q1k产生的应力 Qid第i个可变荷载设计值Qid=QiQik产生的应力,(1-13),永久荷载标准值在结构或构件中产生的变形 第一个可变荷载标准值产生的变形 第i个可变荷载标准值产生的变形 容许变形,2、正常使用极限状态,实际设计时，式（1-13）中各项并不一定全取。例如，当只要求满足可变荷载引起的变形时，不取VGk项。,1.4 有关钢结构的规范、规程及标准,建筑个可靠度设计统一标准（GB50068） 建筑结构设计通用符号、计量单位和基本术语（GBJ83-85） 建筑结构制图标准（GBJ105-87）,建筑结构荷载规范（GB50009）,钢结构设计规范(GB50017) 冷弯薄壁型钢结构技术规范 (GB50018-2002) 网架结构设计与施工规程（JGJ7-91） 高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ99-98） 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS102:98）,1,2,3,钢结构工程施工质量验收规范 (GB50205) 钢结构工程质量检验评定标准(GB50221) 建筑钢结构焊接技术规程(JGJ81-91) 钢结构高强螺栓连接的设计施工及验收规程(JGJ82-91) 网架结构工程质量检验评定标准(JGJ78-91) 螺栓球节点网架(JGJ75.1-91) 焊接球节点网架(JGJ75.2-91),4,5,与上述设计和施工规范、规程配套的钢材、焊条、型钢、钢板、紧固件等标准,1.5 钢结构的发展,钢结构是由生铁结构逐步发展起来的，中国是最早用铁制造承重结构的国家。远在秦始皇时代（公元前二百多年），就有了用铁建造的桥墩。以后在深山峡谷上建造铁链悬桥、铁塔等，这些表明我国古代建筑和冶金技术方面的高度水平。 20世纪50年代后，钢结构的设计、制造、安装水平有了很大提高，建成了大量钢结构工程，有些在规模上和技术上已达到世界先进水平。如采用大跨度网架结构的首都体育馆、上海体育馆 、深圳体育馆，大跨度三角拱形式的西安秦始皇陵兵马俑陈列馆，悬索结构的北京工人体育馆、浙江体育馆，高耸结构中的200m高广州广播电视塔、210m高上海广播电视塔、325m高北京气象桅杆等，板壳结构中有效容积达54000m3的湿式储气柜等。,近期，随着钢结构设计理论、制造、安装等方面技术的迅猛发展，各地建成了大量的高层钢结构建筑、轻钢结构、高耸结构、市政设施等。如：位于上海浦东、420.5m高、88层、总建筑面积达28.7万m2的 金贸大厦 ； 总建筑面积达20万m2的上海浦东国际机场；主体建筑东西跨度288.4m、南北跨度274.7m、建筑高度70.6m、可容纳8万名观众的上海体育场；336m高、建于哈尔滨的黑龙江广播电视塔以及横跨黄浦江的南浦大桥、杨浦大桥、卢浦大桥等。,（一）钢结构的发展方向,1.设计方法和计算理论的改进 1）水工、桥梁钢结构应早日采用概率极限状态设计法。 2）(GB50017) 向采用更为先进合理的全概率极限状态设计法的方向努力。 3）设计由构件或某一截面的可靠度，向以整个结构体系可靠度全过程分析。 4)钢结构的计算理论，如稳定计算、塑性设计、优化设计、在动力荷载作用下的性能和抗灾（地震、风、火）新技术等，都需要进一步深入研究。,2. 高性能钢材的应用 高性能钢材主要是指高强度钢材和普通强度高性能钢材。高性能主要体现在钢材的耐气候性能(抗腐蚀性能)、焊接性能、低温韧性、抗脆断性能、高温蠕变、疲劳性能等方面。 1）高强度钢材 可以减小结构自重，对于跨度大、荷载大的结构和移动式结构极为有利。日本的大阪港大桥大量使用了780N/mm2级高强钢板。在水电站已使用由780N/mm2和950 N/mm2级高强度钢板焊成的高强度钢板焊成的压力管。我国目前可采用的高强度结构钢主要有Q420，对于承受较大动力荷载的焊接钢结构。研究强度更高的钢材及其合理使用将是重要的课题。,2）研制和应用高性能结构钢 （1）耐火钢 我国已生产耐火耐候钢并用于工程建设。 （2）耐大气腐蚀钢（耐候钢） 在腐蚀较强的环境条件下,具有较强工作性能的钢材。使用可不涂装，使钢结构寿命期内的总费用降到最低。钢桥中耐候钢应用率日本为5%7%,美国约45%。 （3）低屈强比耐震结构钢 钢材的屈强比越低，材料破断前产生稳定塑性变形的能力越高，吸震性能越好。,3. 结构形式的革新 新型结构如网架和网壳结构、轻型和超轻型钢结构、预应力结构、悬挂结构、钢混凝土组合结构、钢混凝土混合结构、高层和超高层结构（筒中筒、束筒、巨型结构）、索膜结构、索网结构和其它杂交结构。 4. 制造工业水平的提高 改进钢结构制造的工艺和进行设备更新，提高机械化和自动化水平。应促进一些结构形成系列化、标准化、产品化，实现工厂化批量生产，作为产品投放市场，降低造价。,（二）我国钢结构的应用前景,19852008年中国钢产量趋势图,. 高的钢产量为发展钢结构提供了物质基础。 我国96年起年产已突破1亿吨，03年首次突破2亿吨：2.223亿吨，增22.38。04年2.805亿吨，增26.1。05年3.494亿吨，增24.56% 。06年生产钢材4.67亿t, 按年增24.45%，约占世界总产量的1/3。中国当之无愧是全球第一产钢大国，同时也是产量增长第一大国。钢产量从1996年突破1亿吨，至今连续居世界第一位。,. 一系列的规范和规程（50余本）的颁发为钢结构发展奠定了技术基础。,. 高的建设速度要求，需要大量采用钢结构。 钢结构施工工期短。,. 用钢政策上，发生了由限制使用钢结构到合理使用钢结构进而到积极推广使用钢结构的转变。 建设部在1997年11月发布的中国建筑技术政策（1996年2010年）中具体地提出了发展钢结构的要求,美国商业周刊在2005年12月23日评选出的中国十大新建筑奇迹中六项钢结构建筑入选,北京国际机场,国家体育场,国家游泳中心,央视新台址,上海世界金融中心,国家大剧院,扩大钢材建筑市场：我国目前建筑用钢约占钢产量的2025%,其中钢结构用钢约占钢产量的5。,钢结构在：土木、电力、水利工程等领域有着广泛的应用前景,深圳世界大学生运动会体育中心体育场整体大型模型试验研究,江苏板桥火电厂脱硫系统石灰石粉仓 重载支承结构开发设计研究,江苏镇江丹阳重型厂房,火电厂脱硫塔加固,1.6 课程任务及学习方法,考核 出勤 20% 作业 20% 期末考试60%,预备知识 建筑力学,