鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理-1緒論學(xué)習(xí)培訓(xùn)模板課件

1、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理1、張耀春，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，高等教育出版社，20012、沈祖炎，鋼結(jié)構(gòu)基本原理，中國建筑工業(yè)出版社，20003、鐘善桐，鋼結(jié)構(gòu)，中國建筑工業(yè)出版社，1988主要參考書：材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)先修課程：課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)軸心構(gòu)件 受彎構(gòu)件 偏心構(gòu)件材料發(fā)展構(gòu)件廠房高層建筑橋梁結(jié)構(gòu) 大跨度建筑塔桅結(jié)構(gòu)焊接鉚接螺栓焊接鉚接螺栓計算設(shè)計原理橋梁第一章 緒論第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料第三章 連接第四章 受彎構(gòu)件第五章 軸心受力構(gòu)件第六章 拉彎、壓彎構(gòu)件第七章 公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計特點 總復(fù)習(xí)主要內(nèi)容：第1章 緒 論1.1 鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展簡史及鋼結(jié)構(gòu)的地位早在公元前2000年左右，美索不達(dá)米亞平原（兩河流域）就

2、出現(xiàn)了早期的煉鐵術(shù)我國也較早（戰(zhàn)國，公元前400年左右）最早出現(xiàn)時間鋼(steel)是鐵碳合金 全國重點保護(hù)文物瀘定鐵索橋，建于17051706年，橋身共由13根鐵鏈組成；每根（鐵鏈）由862977節(jié)鐵環(huán)相扣，每根鐵鏈重13001800kg。 我國古代發(fā)展 公元1061年（宋代）在湖北荊州玉泉寺建成的13層鐵塔，目前依然存在。 鐵塔高17.9米，八角十三級，重53.3噸，為我國現(xiàn)存最高、最重、最大的鐵塔。已有900多年的歷史。我國古代金屬結(jié)構(gòu)建筑在世界上處于領(lǐng)先地位。荊州玉泉寺鐵塔、鎮(zhèn)江甘露寺鐵塔等等。 甘露寺鐵塔位于天王殿東北，實際上是唐寶歷元年(八二五年)衛(wèi)公李德裕建，故又稱衛(wèi)公塔。宋代重

3、鑄為鐵塔，原塔為七級。十九世紀(jì)末又因大風(fēng)疾雷，傾倒四層。甘露寺鐵塔建國前我國現(xiàn)代 19271937年是我國土木工程及金屬結(jié)構(gòu)建設(shè)的黃金時代，代表作品有：沈陽皇姑屯機車廠鋼結(jié)構(gòu)廠房（1927）廣州中山紀(jì)念堂圓屋頂（19281931）錢塘江大橋（1937） 廣州中山紀(jì)念堂是為了紀(jì)念孫中山先生建造的，于1931年10月竣工。廳內(nèi)容積為33300立方米，容量為5000人。建國后，廣州市的標(biāo)志性建筑，為國家一級文物。 茅以升、一批留學(xué)生自行設(shè)計和監(jiān)造丹麥康益洋行：下部結(jié)構(gòu)和沉箱基礎(chǔ)工程，英商道門朗公司：上部結(jié)構(gòu)鋼梁杭州錢塘江大橋建國后第一個五年計劃：以工業(yè)廠房（156個大型項目）、交通工程為主。第一重型

4、機械廠第一汽車制造廠人民大會堂第二第四個五年計劃：以公共建筑為主。鋼屋架跨度61米高度7米以工業(yè)廠房、公共建筑、交通工程為主（寶鋼、體育館和橋梁）寶鋼廠區(qū)蕪湖長江大橋九江長江大橋鋼材15MnVN中國鋼產(chǎn)量的增長速度最快BRIC2012年：7.1億噸中國建筑鋼結(jié)構(gòu)及用鋼消費現(xiàn)狀中國鋼材消費特點：建筑用鋼比例高。2005年中國建筑用鋼消費1.73億噸，占鋼材消費50.5%。2010年建造用鋼3.6億噸，占鋼材消費的55%。中國建筑用鋼中：城鎮(zhèn)房屋用鋼占建筑用鋼76%。其中城鎮(zhèn)住宅2005年消費6090萬噸，占建筑用鋼35%。建筑用鋼房屋建筑土木工程城鎮(zhèn)住宅農(nóng)村房屋城鎮(zhèn)非住宅房屋1.2 鋼結(jié)構(gòu)的特點

5、及應(yīng)用鋼材強度高，結(jié)構(gòu)重量輕 與混凝土相比，密度大，但強度高 當(dāng)跨度和荷載均相同時，鋼屋架的重量僅為鋼筋混凝土屋架的1/31/4，冷彎薄壁型鋼屋架甚至接近1/10 為運輸和吊裝提供了方便鋼結(jié)構(gòu)的特點鋼構(gòu)件常較柔細(xì)，穩(wěn)定問題比較突出材質(zhì)均勻，且塑性韌性好 晶格均勻，各向同性，良好延性 符合工程力學(xué)理性彈塑性假定，計算簡單、結(jié)果可靠 重量輕和韌性好，抗震性能也好于其他結(jié)構(gòu)良好的加工性能和焊接性能 便于廠家批量生產(chǎn)，精度較高，成品現(xiàn)場安裝，既可保證質(zhì)量，又可縮短工期密封性好 可用來制作壓力容器、管道，甚至載人太空結(jié)構(gòu)。鋼材的可重復(fù)使用性鋼材耐熱但不耐火 100左右，性能變化不大 250左右，會出現(xiàn)蘭

6、脆現(xiàn)象 600時進(jìn)入熱塑性狀態(tài)，將喪失承載能力 有防火要求時：防火涂料、耐火材料、循環(huán)水套等耐腐蝕性差 一般廠房鋼構(gòu)件經(jīng)過除銹、涂防腐油漆后，不會銹蝕 特殊環(huán)境中，可采用耐候鋼或不銹鋼鋼結(jié)構(gòu)的低溫冷脆傾向 厚鋼板焊接節(jié)點，應(yīng)力復(fù)雜，有低溫脆性破壞傾向 可采用耐候鋼鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用大跨結(jié)構(gòu) 跨度越大，自重在荷載中所占的比例越大，減輕自重是首要問題 鋼材強度高、重量輕的優(yōu)勢正好適合于大跨結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)形式有空間桁架、網(wǎng)架、網(wǎng)殼、懸索、張弦梁、實腹或格構(gòu)式拱架和框架等。國家大劇院東西跨度212米，南北跨度144米，鋼殼體總重6750噸，由148榀鋼屋架及頂環(huán)梁、中環(huán)梁組成江西亞東水泥有限公司瑞昌制造廠石灰石

7、倉棚螺栓球網(wǎng)架、78.5m跨度哈爾濱國際會展中心（128m跨）及體育場北京金盞汽車修配廠直接焊接方管格構(gòu)式剛架結(jié)構(gòu)悉尼國際水上運動中心內(nèi)部圖奧運工程鋼結(jié)構(gòu)總量統(tǒng)計表新建場館12-9萬噸改擴建場館11-1萬噸臨建場館8-0.5萬噸相關(guān)設(shè)施5-0.2萬噸主要相關(guān)配套鋼結(jié)構(gòu)工程9-25萬噸京外主要場館工程4-2.7萬噸 鋼結(jié)構(gòu)在奧運工程中的應(yīng)用奧運鋼結(jié)構(gòu)工程特點結(jié)構(gòu)類型多樣，涵蓋了多種現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)體系建筑造型新穎，加大結(jié)構(gòu)設(shè)計施工難度鋼結(jié)構(gòu)跨度大，安裝技術(shù)含量高 預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)體系、膜結(jié)構(gòu)等新體系應(yīng)用，填補國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)空白節(jié)能環(huán)保技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)圍護(hù)體系中廣泛應(yīng)用，推廣示范作用顯著 武鋼承擔(dān)數(shù)量最大(08辦

8、提供),舞鋼供應(yīng)的鋼板強度級別和厚度最高國家體育場彎扭構(gòu)件的加工制作鳥巢的彎扭構(gòu)件空中多點對接要求精準(zhǔn)國家游泳中心中國國家游泳中心采用了一種新的桿件布置方式。根據(jù)Kelvin的“泡沫理論”構(gòu)成。即將水在泡沫狀態(tài)下的微觀分子結(jié)構(gòu)放大到建筑結(jié)構(gòu)尺度，從幾何上可以歸結(jié)為6個十四面體（12個五邊形面+2個六邊形面）結(jié)合了2個十二面體（12個五邊形面）的多次重復(fù)。將這些多面體內(nèi)部抽空就形成了空間網(wǎng)格，然后按照建筑需要切割出平板網(wǎng)架。這種網(wǎng)格是世界上第一次應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)。每個節(jié)點四根桿件，只有三種節(jié)點、四種桿件長度。必須保證節(jié)點剛接，桿件承受彎矩。 多面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu) 中國國家游泳中心研制了剛接焊接球節(jié)點。增

9、加加強板使塑性鉸外移。計算公式進(jìn)入網(wǎng)格規(guī)程網(wǎng)格結(jié)構(gòu)節(jié)點創(chuàng)新老山自行車館采用四個鑄件組成的鑄鋼球鉸支座，12.5t。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)節(jié)點創(chuàng)新 國家體育館盡管用立體桁架作為上弦有效地提高了平面外的穩(wěn)定性。整體屋蓋還是單向受力為主。國家體育館南北長 144.5米，東西寬114 米，嘗試了張弦立體桁架的空間結(jié)構(gòu)形式雙向張弦立體桁架。如何保證雙向索同時張拉到位并發(fā)揮作用?雙向張弦立體桁架國家體育館 93m跨的北京工業(yè)大學(xué)體育館 （奧運羽毛球、藝術(shù)體操）采用索承網(wǎng)殼。 比賽館熱身館工業(yè)廠房 重型廠房：大起重量、繁忙吊車的廠房 鋼屋架和階形柱組成的門式剛架或排架 輕型廠房：輕型設(shè)備、輕型維護(hù)結(jié)構(gòu) 實腹式變截面門式剛

10、架受動力荷載影響的結(jié)構(gòu) 發(fā)揮鋼材的良好韌性 有較大鍛錘或動力設(shè)備的廠房、對抗震要求高的結(jié)構(gòu)多層和高層建筑 利用鋼結(jié)構(gòu)具有較高的強度、塑性耗能能力、韌性等優(yōu)點 結(jié)構(gòu)形式有多層框架、框架支撐結(jié)構(gòu)、框筒、懸掛、巨型框架等 1931年紐約建成381m(102層)的帝國大廈，鋼框架結(jié)構(gòu)，206Kg/m2, 雄踞世界第一高40多年。Empire state building 芝加哥Sears大廈，109層443米，用鋼量161Kg/m2，1974年建成。Sears Tower 成束筒體系。Sears紐約世界貿(mào)易中心雙塔樓，110層412米，用鋼量186Kg/m2，1973年建成，2001年9月11日被撞倒

11、塌?？蛲步Y(jié)構(gòu)體系。近年新建的高層鋼結(jié)構(gòu)建筑上海環(huán)球金融中心主樓建筑面積：25.3萬m2?？傆娩摿浚?5000t。建筑規(guī)模：主體建筑物高492米, 地上101層，地下3層。結(jié)構(gòu)形式為同時采用三種體系： a、巨型柱、巨型斜撐和 帶狀桁架組成的巨型結(jié)構(gòu)； b、鋼筋混凝土的核心筒； c、構(gòu)成核心筒和巨型柱之間 相互作用的伸臂桁架。上海世貿(mào)廣場建筑面積：17萬m2?？傆娩摿浚?500t。建筑規(guī)模： 主體建筑物高246米,桅桿 頂333米；地上60層，地 下3層。結(jié)構(gòu)形式： 框筒結(jié)構(gòu)（混凝土筒體 鋼結(jié)構(gòu)外框架）。施工單位： 滬寧鋼機（參加）中國國際貿(mào)易中心3期建筑規(guī)模： 地上74層，地下三層，總高330m

12、， 總建筑面積192000m2； 標(biāo)準(zhǔn)層尺寸：53.353.3。結(jié)構(gòu)類型： SRC柱鋼梁組成外框筒； SRC柱鋼梁支撐組成內(nèi)筒； 內(nèi)筒56為鋼板剪力墻； 在2830層和5557層處設(shè)有兩道伸臂 桁架連接內(nèi)外筒。柱距： 底部11.2m，中部4.2m(辦公層)，上部 5.6m (賓館層) 。鋼材： 大部分鋼柱Q390Z25，梁Q345； 總重為42000t.周邊框架三維示意圖 核心筒三維示意圖 立面圖北京電視中心建筑面積：18.9萬m2?？傆娩摿浚?5000t。建筑規(guī)模： 主體建筑物高236.4 米,最高層數(shù)41層。平面尺寸：67m61m。 結(jié)構(gòu)形式： 地下部分鋼骨砼結(jié) 構(gòu)、地上部分巨型 框架結(jié)構(gòu)

13、體系。整 體結(jié)構(gòu)在建筑物的 四角上布置四個“L 型”巨型柱，巨型 柱之間用鋼梁與巨 型鋼桁架相連。中央電視臺新臺址建設(shè)規(guī)模： 總建筑面積約55萬平方米，主樓建筑面積約38萬平方米。用鋼10萬噸?？偼顿Y預(yù)算：50億元人民幣。存在問題： 1.建筑物出現(xiàn)3維結(jié)構(gòu)體不穩(wěn) 定問題和整體抗震問題 ； 2.結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)重力抗傾覆問題； 3.45M懸挑豎向抗震問題； 4.抗風(fēng)力亂流問題 ； 5.抗擊恐怖活動的結(jié)構(gòu)安全度 問題； 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、火箭發(fā)射塔架等可拆卸的結(jié)構(gòu) 應(yīng)用于建筑、鐵路、公路、水利、石油、商業(yè)、旅游和軍事等領(lǐng)域的辦公室、指揮

14、部、宿舍、會議室、倉庫、商店、樓頂加層及各種臨時用房等。容器和其他構(gòu)筑物 化工類鋼板容器，如油罐、氣罐、高爐、熱風(fēng)爐等 還有通廊棧橋、管道支架、鍋爐支架、海洋平臺等輕型鋼結(jié)構(gòu) 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 如變截面門式剛架、冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)、金屬拱形波紋屋蓋結(jié)構(gòu)、鋼管結(jié)構(gòu)等大跨度橋梁桁架橋、拱橋、懸索橋、斜拉橋 鋼和混凝土的組合結(jié)構(gòu) 鋼板件受壓失穩(wěn)，不能充分發(fā)揮它的高強，而混凝土則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 組合結(jié)構(gòu)在我國獲得了長足的發(fā)展，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

15、構(gòu)件形式有組合梁、組合柱、組合樓板等1.3 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法容許應(yīng)力設(shè)計方法概率極限狀態(tài)設(shè)計方法容許應(yīng)力設(shè)計方法 由標(biāo)準(zhǔn)荷載按一階彈性分析求得得結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的最大應(yīng)力；規(guī)范規(guī)定的材料的容許應(yīng)力；大于1的安全系數(shù)，憑工程經(jīng)驗取值。如中國的TJ 17-3-74鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范取1.41.式中：材料的標(biāo)準(zhǔn)強度。對塑性材料取屈服點，對脆性材料取抗拉強度； 以結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算應(yīng)力 不大于規(guī)范所給定的材料容許應(yīng)力 的原則來進(jìn)行設(shè)計的方法。簡單，相當(dāng)可靠，已使用多年。目前疲勞計算和鋼橋、儲液罐及壓力容器等的設(shè)計均使用該方法。優(yōu)點: 僅以某點的應(yīng)力考慮可靠性，忽略了塑性發(fā)展；不考慮荷載作用比例的變化和反號作用；無可靠度

16、概念，可能帶來不安全或浪費。缺點:結(jié)構(gòu)的可靠度 結(jié)構(gòu)在規(guī)定時間內(nèi)和規(guī)定條件下，完成預(yù)定功能的概率 顯然可靠度與結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準(zhǔn)期長短有關(guān)，設(shè)計基準(zhǔn)期長，可靠度要求就高，反之則低。 一般建筑物的設(shè)計基準(zhǔn)期為50年。 概率極限狀態(tài)設(shè)計方法荷載規(guī)范的承載力極限狀態(tài)表達(dá)式 可變荷載效應(yīng)控制的組合：永久荷載效應(yīng)控制的組合：對于排架、框架結(jié)構(gòu)，可采用簡化公式計算： 可變荷載效應(yīng)控制的組合： 永久荷載效應(yīng)控制的組合，公式與上同。注意： f為鋼材或連接的強度設(shè)計值，對鋼材為屈服點fy除以抗力分項系數(shù)的商。 如Q235鋼抗拉強度設(shè)計值為 fy/R=fy/1.087=235/1.087 =215N/mm2；對于端面承壓和連接則為極限強度fu