鋼結(jié)構(gòu)設計原理-第1章

鋼結(jié)構(gòu)設計原理

第1章緒論李曉克教授Mobileel:037169127587QQ：39251099Email：39251099@Address:No.36BeihuanRd,Zhengzhou,China華北水利水電大學土木與交通學院2015.03鋼結(jié)構(gòu)的定義

由梁、板、柱、桁架等鋼構(gòu)件通過焊縫、螺栓等連接組制成的工程結(jié)構(gòu)。

采用鋼板、型鋼通過連接而成的結(jié)構(gòu)（趙順波，2013）你所了解的鋼結(jié)構(gòu)都有哪些呢？

鋼結(jié)構(gòu)是土木工程的主要結(jié)構(gòu)形式之一。鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)等都屬于按材料劃分的工程結(jié)構(gòu)的不同分支。鋼結(jié)構(gòu)的特點1、輕質(zhì)高強2、塑性和韌性好3、工業(yè)化程度高、施工周期短4、耐熱性較好，耐火性差5、耐腐蝕性差6、低溫冷脆傾向鋼與混凝土對比Q235C30輕質(zhì)高強

Q235鋼

密度：7850kg/m3強度：215N/mm2

C30混凝土

密度：2450kg/m3強度：14.3N/mm2

同跨度同荷載條件下：鋼屋架重量為鋼筋混凝土屋架的1/4~1/3，冷彎薄壁型屋架接近1/10

鋼結(jié)構(gòu)建筑自重約為同高度混凝土結(jié)構(gòu)建筑的1/2~3/5，柱面積較混凝土結(jié)構(gòu)柱減少一半左右。

鋼結(jié)構(gòu)的特點1、輕質(zhì)高強2、塑性和韌性好3、工業(yè)化程度高、施工周期短4、耐熱性較好，耐火性差5、耐腐蝕性差6、低溫冷脆傾向

汶川地震中都江堰市華夏廣場小區(qū)，底部兩層整體倒塌

汶川地震中絕大部分鋼結(jié)構(gòu)建筑安然無恙第一章緒論汶川地震震害反思鋼結(jié)構(gòu)房屋具有良好的延性和較強的整體性，具有卓越的抗震性能，在地震中很少發(fā)生整體破壞或倒塌現(xiàn)象。

混凝土結(jié)構(gòu)

砌體結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)2、塑性和韌性好材質(zhì)均勻，且塑性韌性好

鋼材內(nèi)部組織比較接近于勻質(zhì)和各向同性體，而且在一定的應力幅度內(nèi)幾乎是完全彈性的。因此，鋼結(jié)構(gòu)的實際受力情況和工程力學計算結(jié)果比較符合，計算結(jié)果比較可靠，安全可靠度高。鋼材在冶煉和軋制過程中質(zhì)量可以嚴格控制，材質(zhì)波動的范圍小。塑性和韌性是概念上完全不同的兩個物理量塑性——承受靜力荷載時，材料吸收變形能的能力。塑性好，會使結(jié)構(gòu)一般情況下不會由于偶然超載而突然斷裂，給人以安全保證。韌性——承受動力荷載時，材料吸收能量的多少。韌性好，說明材料具有良好的動力工作性能，適宜在動力荷載下工作。適用于建造重要結(jié)構(gòu)、對抗震要求較高的結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)的特點1、輕質(zhì)高強2、塑性和韌性好3、工業(yè)化程度高、施工周期短4、耐熱性較好，耐火性差5、耐腐蝕性差6、低溫冷脆傾向制造簡單，工廠化生產(chǎn)，工業(yè)化程度高，施工速度快，施工周期短，適宜建造加固、改建、可拆卸結(jié)構(gòu)。舉例說明：日本裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅50天施工過程第一日堪察現(xiàn)場第二日維護現(xiàn)場，拆除舊房第十日基礎完成第二十日房屋單元安裝完畢第二十五日門窗安裝完畢，內(nèi)墻安裝完畢、石膏板安裝完畢天棚、地面開始制作第三十日室內(nèi)外裝修基本完畢第三十五日電器、潔具、上下水管道安裝調(diào)試完畢第四十三日班組自行檢查調(diào)整第四十八日公司檢查第四十九、五十日使用說明介紹完工后的室內(nèi)完工后的外觀鋼結(jié)構(gòu)的特點1、輕質(zhì)高強2、塑性和韌性好3、工業(yè)化程度高、施工周期短4、耐熱性較好，耐火性差5、耐腐蝕性差6、低溫冷脆傾向鋼結(jié)構(gòu)需重視防火問題！

鋼結(jié)構(gòu)設計需重視防火問題！100℃以內(nèi)，強度無影響；150℃以上，必須進行遮擋處理；600℃左右，鋼材進入塑性，無承載能力。溫度在200℃以內(nèi)時，鋼材主要力學性能降低不多。溫度超過250℃后，不僅強度逐步降低，還會發(fā)生蘭脆和徐變現(xiàn)象。溫度達600℃時，鋼材進入塑性狀態(tài)不能繼續(xù)承載。裸鋼的耐火極限通常只有15～30分鐘。根據(jù)我國有關建筑防火設計規(guī)范的要求，建筑的主要承重構(gòu)件，如柱、梁、墻、樓板的耐火極限的要求，分別為0.5～3.0小時。我們國家已經(jīng)明文規(guī)定必須在鋼結(jié)構(gòu)上采取防火措施，而且要達到相應的國家標準才能通過驗收。措施：防火涂料、防火漆、外包混凝土鋼結(jié)構(gòu)的特點1、輕質(zhì)高強2、塑性和韌性好3、工業(yè)化程度高、施工周期短4、耐熱性較好，耐火性差5、耐腐蝕性差6、低溫冷脆傾向干煤棚因銹蝕倒塌因銹蝕引起鋼結(jié)構(gòu)的事故節(jié)點銹蝕情況

鋼材耐腐蝕的性能比較差，必須對結(jié)構(gòu)注意防護。尤其是暴露在大氣中的結(jié)構(gòu)如橋梁，更應特別注意。這使維護費用比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高。不過在沒有侵蝕性介質(zhì)的一般廠房中，構(gòu)件經(jīng)過徹底除銹并涂上合格的油漆，銹蝕問題并不嚴重。

近年來出現(xiàn)的耐候鋼具有較好的抗銹性能，已經(jīng)逐步推廣應用。

容易腐蝕，處于較強腐蝕性介質(zhì)內(nèi)的建筑物不宜采用鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)的特點1、輕質(zhì)高強2、塑性和韌性好3、工業(yè)化程度高、施工周期短4、耐熱性較好，耐火性差5、耐腐蝕性差6、低溫冷脆傾向在低溫和其他條件下，可能發(fā)生脆性斷裂。

鋼結(jié)構(gòu)的應用及發(fā)展簡況應用領域及結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展高層及超高層鋼結(jié)構(gòu)輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅大跨度空間結(jié)構(gòu)橋梁鋼結(jié)構(gòu)壓力管道及容器特種鋼結(jié)構(gòu)材料和焊接與防護技術方面的發(fā)展鋼材焊接技術防腐涂料防火涂料設計計算理論方面的發(fā)展80年代我國建造的11棟高層鋼結(jié)構(gòu)基本上都是國外設計、施工承建。目前我國已建和在建的高度超過100m的鋼結(jié)構(gòu)超200座，未來平均5d封頂1座。高層建筑高達492米的上海環(huán)球金融中心

2008年8月28日

落成啟用

上海環(huán)球金融中心

由日本森大廈株式會社的全額子公司森海外株式會社及日本具有代表性的銀行、保險公司、商社等36家企業(yè)，偕同政府系統(tǒng)機構(gòu)日本海外經(jīng)濟協(xié)力基金(OECF)聯(lián)合投資的上海環(huán)球金融中心，總投資逾750億日元。位于陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)，建筑總面積335,420平方米，地下3層，地上94層。建成后的高度達460米?？傆娩摿?6000t，鋼筋混凝土核心筒，外框鋼骨混凝土及鋼柱。

金茂大廈是由中國上海對外貿(mào)易中心股份有限公司獨家投資5.6億美元建設的一座88層的超高層大廈，建筑高度420.5米，建筑面積28.9萬平方米，于1998年8月28日竣工?？傆娩摿?4000t，鋼筋混凝土核心筒，外框鋼骨混凝土及鋼柱。設計者為美國S.O.M事務所。上海金茂大廈

央視新臺址

央視新臺址建設工程位于北京朝陽區(qū)東三環(huán)中路、北京商務中心區(qū)的核心地段，占地面積18.7萬平方米，總建筑面積55萬平方米,230m高。央視新臺址建設工程總投資約50億元人民幣，2003年10月開工建設，2008年正式運行。

大連遠洋大廈由大連遠洋運輸公司、中遠房地產(chǎn)開發(fā)公司與美國ESPIRIT公司聯(lián)合投資14.8億人民幣開發(fā)的集五星級酒店和甲級寫字樓為一體的智能大廈。總建筑面積14.8萬平方米。其中：A座為五星級酒店，地上51層，總高200.8m。鋼筋混凝土核心筒，外框鋼框架。設計、加工、安裝全部國產(chǎn)化。大連遠洋大廈

臺北101長寬各150m，總面積30277m2塔高508m，世界第一高，26層以上以8層為一單元。主要由巨柱、核心系統(tǒng)及外伸桁架梁。巨柱自地下5層至地上90層，最大尺寸為2.4mx3m。直徑5.5m，重670t的阻尼器

輕型鋼結(jié)構(gòu)門式剛架輕鋼住宅用于中、小型房屋、小型倉庫等。大跨度空間結(jié)構(gòu)

國家體育場建筑體形上像鳥巢?？扇菁{8萬人。平面為橢圓形,長軸340m短軸292m。屋蓋中間有一個146m×76m的開口，這部分將設計成開合屋蓋。采用加肋薄壁箱形截面，總用鋼量達16萬t。用于足球和田徑比賽國家體育場

建筑底面面積為80,000m2，屋頂面積76,719m2，地上層數(shù)6層，最高點高度53.00m，可容納觀眾數(shù)60,000。屋頂結(jié)構(gòu)采用鋼桁架懸挑結(jié)構(gòu)。屋面桁架落地，形似露珠。天津奧林匹克體育場俯瞰效果圖

國家大劇院（網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)）

該工程外部圍護結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼（特點是重量輕、覆蓋面積大。

），是半橢圓球形，東西長軸212.2m，南北短軸143.64m，總高度46.285。屋面采用鈦金屬板，整個網(wǎng)殼外環(huán)繞人工湖（35500m2）,各種通道及入口均設在水下。設計為法國巴黎機場公司安德魯建筑師，北京市建筑設計研究院參與主體設計，整體結(jié)構(gòu)用鋼量達6750t，195kg/m。橋梁結(jié)構(gòu)

活動橋橋梁結(jié)構(gòu)懸索結(jié)構(gòu)日本明石海峽大橋，主跨長1991m。

潤揚大橋，主跨1480m。蘇通大

橋(主跨1088米)日本多多羅大

橋（主跨890米)懸索橋斜拉橋盧浦大橋，主跨550米悉尼港橋，主跨503米拱橋1957年武漢長江大橋3×128m連續(xù)國產(chǎn)A3鋼240MPa1969年南京長江大橋3×160m連續(xù)16MNq340MPa1993年九江長江大橋180+216+18015MnVNq420MPa2000年蕪湖長江大橋180+312+18014MnNbq420MPa

跨度最大、規(guī)模最大的公鐵兩用橋。鋼桁梁體系：壓力管道及容器儲油庫、煤氣庫、高爐等各種容器大連西太平洋石化有限公司1500立方米CF-62鋼球罐陜西銅川天然氣公司1000立方米天然氣球罐特種鋼結(jié)構(gòu)電視塔、微波塔、通訊塔等

東方明珠廣播電視塔座落在上海浦東新區(qū)黃浦江畔，以其468米的高度成為亞洲第一高塔。她于1991年3月開始建造，1994年11月完工，總重量達12萬噸，總投資8.3億元人民幣。東方明珠塔由三根直徑為九米的擎天立柱、太空艙、上球體、下球體、五個小球、塔座和廣場組成。東方明珠電視塔

架橋機

掛籃鋼材高強螺栓連接與焊接技術高強螺栓通過摩擦力來傳遞應力,由螺栓、螺母和墊圈3部分組成。高強螺栓連接具有施工簡便、拆除靈活、承載力高、抗疲勞性能和自鎖性好、安全性高等優(yōu)點,工程中已取代了鉚接和部分焊接,成為鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝中的主要連接手段。在車間內(nèi)制作的鋼構(gòu)件,厚板應采用自動多絲埋弧焊、箱型柱隔板應采用熔嘴電渣焊等技術?，F(xiàn)場安裝施工中應采用半自動焊技術和氣體保護焊藥芯焊絲及自保護藥芯焊絲技術。鋼結(jié)構(gòu)防護技術鋼結(jié)構(gòu)防護包括防火、防腐、防銹,一般在防火涂料處理后無需再做防銹處理,但在有腐蝕氣體的建筑中尚需做防腐處理。國內(nèi)防火涂料種類較多,如TN系列、MC—10等,其中MC—10防火涂料具有防火、防腐功能。防腐防銹涂料有醇酸磁漆、氯化橡膠漆、氯橡膠涂料及氯磺化涂料等。在施工中應根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)形式、耐火等級要求及環(huán)境要求選用合適的涂料及涂層厚度。隨著經(jīng)濟和科學技術的迅猛發(fā)展,鋼結(jié)構(gòu)技術日新月異,一些新型結(jié)構(gòu)體系如住宅鋼結(jié)構(gòu)體系、預應力結(jié)構(gòu)體系、張弦頂結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)等處于研究開發(fā)和推廣應用階段;一些新型高效材料如軋制H型鋼、冷彎型鋼、壓型鋼板、耐火鋼、不銹鋼正在積極推廣。鋼結(jié)構(gòu)的設計方法概率極限狀態(tài)設計法1.結(jié)構(gòu)的功能要求可靠性指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期限內(nèi)，在規(guī)定的條件下（正常設計、正常施工、正常使用和維護），完成預定結(jié)構(gòu)功能的能力。建筑結(jié)構(gòu)應該滿足的功能要求可概括為：（1）安全性建筑結(jié)構(gòu)應能承受正常施工和正常使用時可能出現(xiàn)的各種荷載和變形。（2）適用性結(jié)構(gòu)在正常使用過程中應具有良好的工作性。例如，不產(chǎn)生影響使用的過大變形或振幅，不發(fā)生足以讓使用者不安的過寬的裂縫等；（3）耐久性結(jié)構(gòu)在正常維護條件下應有足夠的耐久性，完好使用到設計規(guī)定的年限（即設計使用年限例如一般建筑結(jié)構(gòu)可以規(guī)定為50年）。例如混凝土不發(fā)生嚴重風化、腐蝕、脫落，鋼筋不發(fā)生銹蝕等。（4）在設計規(guī)定的偶然事件(如地震、爆炸)發(fā)生時及發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性所謂整體穩(wěn)定性，系指在偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后，建筑結(jié)構(gòu)僅產(chǎn)生局部的損壞而不致發(fā)生連續(xù)倒塌。概率極限狀態(tài)設計法2.結(jié)構(gòu)的可靠度結(jié)構(gòu)的可靠度是：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預定功能的概率。規(guī)定時間，通常采用結(jié)構(gòu)的設計使用年限；規(guī)定條件是指正常設計，正常施工，正常使用和維護的條件，不考慮人為過失影響。3.結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)設計時，結(jié)構(gòu)的可靠性是用結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)來判斷的。整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設計指定的某一功能