第1章鋼結構緒論

鋼結構原理與設計主講：許信2023/2/32第1章緒論1.1鋼結構的發(fā)展1.2鋼結構的特點及應用1.3鋼結構的設計方法2023/2/331.1鋼結構的發(fā)展一、材料的發(fā)展生鐵（pigiron）含碳量2%以上的鐵碳合金。鐵的冶煉和鑄造在我國發(fā)展最早，春秋時代用鐵造農具高爐生鐵分為：由鐵礦石在高爐（煉鐵爐）內冶煉而成。還含Si、Mn，少量的P、S煉鋼生鐵鑄造生鐵特種生鐵天然合金生鐵鐵合金2023/2/34熟鐵（wroughtiron）—含碳量小于0.05%由鐵礦石用碳直接還原，或由生鐵經過熔化并將雜質氧化而得到的產物，。也稱鍛鐵。春秋時期或更早出現熟鐵不易使渣同鐵完全分離，常含少量渣具有較好的抗蝕性，高的延展性鑄鐵（castiron）含碳2%以上的鑄造鐵碳合金的總稱。由生鐵、廢鋼、鐵合金等以不同的比例配合，通過熔煉而成。還含Mn、Si，少量P、S。鑄鐵分類：白口鑄鐵灰口鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵合金鑄鐵2023/2/35鋼（steel）含碳量0.025%~2%的鐵基合金的總稱。成分上分：

碳素鋼（不含合金元素）

合金鋼（含一種或一種以上合金元素）用途上：結構鋼，工具鋼，特殊性能鋼煉鋼爐分：轉爐鋼平爐鋼電爐鋼2023/2/36二、鋼材的大量生產貝塞麥與煉鋼法貝塞麥（1813-1898）：英國冶金學家。1856年提出，不需外熱，單純以空氣吹入液態(tài)生鐵，利用空氣中的氧取出鐵中的硅、碳等元素而成鋼。貝塞麥煉鋼法：酸性底吹轉爐煉鋼法

用酸性爐襯?？諝鈴臓t底風眼吹入。生鐵成分限制較嚴，需含有足夠的硅以供應吹煉所需熱能，硫和磷含量必須在限值以下。吹煉初期，硅和錳迅速氧化，接著碳大量氧化沸騰。一般吹煉時間15分鐘。首創(chuàng)大量產鋼的方法2023/2/37舊中國鋼材生產1890年張之洞在漢陽辦鐵廠，大冶辦鐵礦。開始官辦，1896年派盛宣懷招商承辦，改為官督商辦。1898年江西萍鄉(xiāng)開煤礦。1907年漢陽鋼鐵廠，年產量8500t。1908年合并成立漢冶萍煤鐵廠礦公司，簡稱漢冶萍公司?？谷諔?zhàn)爭時期，漢陽鋼鐵廠部分設備運往陪都重慶，成立大渡口鋼鐵廠重鋼漢陽造2023/2/38新中國鋼材生產1958年全民煉鋼，“超英趕美”1996年鋼產量>1億t，產量世界第一2003年鋼產量2.2億t2009年鋼產量5.68億噸=日俄美印四國總和的2.2倍首鋼寶鋼鞍鋼本鋼酒鋼馬鋼武鋼重鋼攀鋼長鋼包鋼2012年超過10億噸2023/2/39三、古代鐵結構鐵橋蘭津橋（漢）[永平霽虹橋]—65年蒲津渡橋（唐）—725年瀘定橋（清）—1706年黃河鐵牛30噸/牛2023/2/310鐵塔濟寧鐵塔寺鐵塔

北宋1105年，初七層明代增加2層=九層甘露寺鐵塔寺建于256年東吳甘露元年唐（825）年衛(wèi)公李德裕建塔宋重鑄為鐵塔九級鎮(zhèn)江北固山現僅存地下三級甘露寺劉皇叔招親2023/2/311四、近代鋼鐵結構房屋結構芝加哥家庭保險公司大樓

1883年，11層。鐵柱鋼梁1927年沈陽皇姑屯機車廠鋼結構廠房1931年廣州中山紀念堂鋼結構圓屋頂1931紐約帝國大廈102層，381m1950年加建頂部電視臺，總高448m2023/2/312橋梁結構金門大橋

金門大橋，建于1937年主跨1280m

世界第一保持27年錢塘江大橋

1937年建成鐵路公路兩用橋茅以升主持建造抗戰(zhàn)期間曾炸毀一孔戰(zhàn)后修復，現在仍在為杭州人民服務。2023/2/313塔式結構艾菲爾鐵塔為迎接在巴黎召開的世界博覽會而于1889年建成的。鐵塔的設計者、杰出的建筑工程師居斯塔夫·艾菲爾。

塔尖高320.7米，塔身為鋼架鏤空結構，重達9000噸，共用了1.8萬余個金屬部件，以100余萬個鉚釘鉚成一體，全靠四條粗大的用水泥澆灌的塔墩支撐。2023/2/314五、現代鋼結構設計施工規(guī)范GB50017-2003《鋼結構設計規(guī)范》GB50018-2002《冷彎薄壁型鋼結構技術規(guī)范》GB50205-2001《鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范》鋼結構的應用大跨度超高層多領域2023/2/3151.2鋼結構的特點和應用一、鋼結構的特點鋼結構的優(yōu)點鋼材的強度高，結構質量輕。材質均勻，塑性、韌性好。制作安裝工業(yè)化程度高，施工周期短焊接結構氣密性和水密性好?？拐鹦阅芎谩ｄ摬目芍貜褪褂?。2023/2/316鋼結構的缺點易腐蝕，維護費用高耐火性能差

溫度達到250C

時，材質會發(fā)生較大變化；達到500C時，強度下降，結構會瞬間崩潰，完全喪失承載能力。

耐火時間30min低溫變脆傾向受環(huán)境因素影響2023/2/317二、鋼結構的應用大跨度房屋結構體育場館影視劇院、禮堂航站樓、飛機庫2023/2/318

北京植物園展覽溫室（1999）

半橢球部分由雙向空間桁架組成,長軸×短軸×高=45m×36.6m×15m，桁架最大高度2m。2023/2/319單層鋼結構工業(yè)廠房輕工業(yè)廠房重工業(yè)廠房2023/2/320多、高層鋼結構房屋多層：2~9層房屋高層：10層以上或高度大于28m超高層：35層以上或高度大于100m超高層鋼構代表——西爾斯大廈鋼結構束筒：

9個22.86m×22.86m的鋼框筒美國Chicago1974年建成442m高，110層2023/2/321風采依舊2023/2/322超高層鋼構代表——臺北101大樓鋼結構巨型框架——核心筒：造價580億新臺幣高度508m1998年動工，2005年建成101層2023/2/323高聳鋼結構電視塔火箭發(fā)射塔輸電線塔廣州電視塔上海東方明珠2023/2/324板殼鋼結構輪船、航母油庫、管道水工船閘2023/2/325橋梁鋼結構鋼桁梁橋鋼桁拱橋斜拉橋懸索橋2023/2/326施工鋼結構基坑鋼支撐腳手架、支架海上石油平臺勁性骨架2023/2/327移動鋼結構活動板房塔吊龍門吊大型浮吊2023/2/328娛樂鋼結構過山車摩天輪2023/2/3291.3鋼結構的設計方法結構設計理論指導容許應力法極限狀態(tài)設計法先秦《考工記》民間《魯班經》憑經驗北宋《營造法式》前清《工部工程做法則例》一、結構設計方法的發(fā)展2023/2/330容許應力法方法源頭：《材料力學》1826年，法國人納維提出方法本質：定值法極限應力安全系數容許應力法的缺陷

不能從定量上確定結構的可靠度不能使各類結構安全度達到同一水準誤導人們思維易使人將安全系數與安全度等同錯誤地認為安全系數大結構的安全度就高2023/2/331半概率極限狀態(tài)設計法方法的含義

用概率統(tǒng)計的方法，考慮材料強度的變異、考慮荷載的變異分項安全系數由工程經驗確定材料強度變異荷載變異2023/2/332荷載安全系數材料安全系數調整系數結構安全系數材料強度標準值設計表達式公式形式采用容許應力法的公式形式安全系數由多系數分析決定1974年開始應用，廿世紀八十年代末期淘汰2023/2/333近似概率極限狀態(tài)設計法設計參數確定材料強度按概論統(tǒng)計理論確定荷載按概率統(tǒng)計理論確定分項安全系數按概率方法確定優(yōu)點（1）有明確的極限狀態(tài)（2）可給出結構構件的可靠度（可靠概率）不足：忽略了基本變量隨時間的變化

復雜關系線性化處理近似之所在現在采用的設計方法2023/2/334極限狀態(tài)整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設計規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)功能：安全性正常使用極限狀態(tài)功能：適用性耐久性二、極限狀態(tài)設計法2023/2/335結構構件抗力設計值荷載效應組合的設計值結構重要性系數：對安全等級為一級或設計使用年限為100及以上的結構構件，不應小于1.1；安全等級二級或使用年限為50年，不應小于1.0；對安全等級為三級或設計使用年限為5年及以下的結構構件，不應小于0.9。承載力極限狀態(tài)設計2023/2/336荷載效應基本組合設計值荷載設計值=分項系數荷載代表值效應設計值=荷載設計值產生的效應

=分項系數荷載代表值產生的效應（1）由可變荷載效應控制的組合

工程簡稱1.2組合（2）由永久荷載效應控制的組合(只考慮豎向荷載)

工程簡稱1.35組合2023/2/337各個系數：

0

—結構重要性系數：1.1、1.0、0.9G

—永久荷載分項系數：不利1.2、1.35

有利1.0，抗傾0.9Q

—可變荷載分項系數：一般1.4

工業(yè)樓面活荷載標準值>4kN/m2取1.3

對于一般排架和框架，可變效應控制的組合，可不區(qū)分第一個和第i

個可變荷載，簡化計算：2023/2/338正常使用極限狀態(tài)實用表達式（公式）：

v

[

v]—正常使用規(guī)定的撓度限值

|_荷載效應（撓度）的設計值荷載效應采用標準組合用荷載效應標準組合計算鋼結構構件的撓度見P.239附表2.12023/2/339三、鋼結構的疲勞計算疲勞現象金屬構件承受交變應力，經過較長時間或較長應力循環(huán)次數后所發(fā)生的突然失效，稱為疲勞失效（fatiguefailure）。疲勞失效簡稱疲勞（fatigue）。疲勞失效的特點低應力（名義應力）破壞經歷多次應力循環(huán)才破壞脆性斷裂對表面及缺陷敏感疲勞斷口：光滑區(qū)+粗糙區(qū)2023/2/340疲勞分類常幅疲勞：交變應力幅為常數變幅疲勞：交變應力幅隨時間變化需要進行疲勞驗算的構件直接承受動力荷載作用的構件（如吊車梁）且應力變化的循環(huán)次數5萬次常幅疲勞變幅疲勞2023/2/341容許應力幅應力幅—壽命曲線雙對數坐標下為直線：平均值關系取平均值減2倍標準差，保證率97.73%2023/2/342取此時的應力幅為容許應力幅[]，并將疲勞壽命N改為n，則有構件和連接類別12345678C(×1012)19408613.262.181.470.960.650.4144333333構件和連接類別見：P.254-256附錄72023/2/343例1.1

取循環(huán)次數n=2106次，試確定構件和連接類別分別為1類和2類時的容許應力幅。解構件和連接類別為1類構件和連接類別為2類2023/2/344常幅疲勞計算對于結構構件的焊接部位對于結構構件的非焊接部位，如高強度螺栓連接和帶孔構件，取折算應力幅2023/2/345變幅疲勞計算邁因納準則從已知變幅交變應力的應力幅水平1、2、…、i、…及其對應的循環(huán)次數n1、n2、…、ni、…。假設1、2、…、i、…為常幅時，相對應的疲勞壽命是N1、N2、…、Ni、…，則在i作用下，一次循環(huán)所引起的損傷為1/Ni，ni次循環(huán)所引起的損傷為ni/Ni。按累積損傷觀點，總的損傷應累加計算邁因納（Miner）認為總損傷達到1時構件疲勞失效2023/2/346變幅疲勞的等效應力變幅疲勞任意一級應力水平設另一常幅疲，應力幅e，應力循環(huán)ni次也發(fā)生疲勞破壞變幅疲勞強度條件2023/2/347吊車梁的欠載效應系數設為計算應力譜中的最大應力幅，等效應力幅按下式計算則f稱為變幅疲勞的欠載效應系數規(guī)范以2106循環(huán)為基準，實測欠載系數重級工作制硬鉤吊車f=1.0重級工作制軟鉤吊車f=0.8中級工作制吊車f=0.52023/2/348吊車梁的疲勞強度條件為吊車工作制