钢结构发展简史

1第1章绪论§1-1钢结构发展简史钢(steel)是铁碳合金，人类采用钢结构的历史和炼铁、炼钢技术的发展是密不可分的。早在公元前2000年左右，在人类古代文明的发祥地之一的美索不达米亚平原（位于现代伊拉克境内的幼发拉底河和底格里斯河之间）就出现了早期的炼铁术。我国也是较早发明炼铁技术的国家之一，在河南辉县等地出土的大批战国时代（公元前475～前221年）的铁制生产工具说明，早在战国时期，我国的炼铁技术已很盛行了。公元65年（汉明帝时代），已成功地用锻铁(wroughtiron)为环，相扣成链，建成了世界上最早的铁链悬桥——兰津桥。此后，为了便利交通，跨越深谷，曾陆续建造了数十座铁链桥。其中跨度最大的为1705年（清康熙四十四年）建成的四川泸定大渡河桥，桥宽2.8m，跨长100m，由9根桥面铁链和4根桥栏铁链构成，两端系于直径20cm、长4m的生铁铸成的锚桩上。该桥比美洲1801年才建造的跨长23m的铁索桥早近百年，比号称世界最早的英格兰30m跨铸铁(castiron)拱桥也早74年。除铁链悬桥外，我国古代还建有许多铁建筑物，如公元694年（周武氏十一年）在洛阳建成的“天枢”，高35m，直径4m，顶有直径为11.3m的“腾云承露盘”，底部有直径约16.7m用来保持天枢稳定的“铁山”，相当符合力学原理。又如公元1061年（宋代）在湖北荆州玉泉寺建成的13层铁塔，目前依然存在。所有这些都表明，我们中华民族对铁结构的应用，曾经居于世界领先地位。欧美等国家中最早将铁做为建筑材料的当属英国，但直到1840年以前，还只采用铸铁来建造拱桥。1840年以后，随着铆钉(rivets)连接和锻铁技术的发展，铸铁结构逐渐被锻铁结构取代，1846-1850年间在英国威尔士修建的布里塔尼亚桥(BrittaniaBridge)是这方面的典型代表。该桥共有4跨，跨长分别为70-140-140-70m，每跨均为箱型梁式桥，由锻铁型板和角铁经铆钉连接而成。随着1855年英国人发明贝氏转炉炼钢法和1865年法国人发明平炉炼钢法，以及1870年成功轧制出工字钢之后，形成了工业化大批量生产钢材(steelproducts)的能力，强度高且韧性好的钢材才开始在建筑领域逐渐取代锻铁材料，自1890年以后成为金属结构的主要材料。20世纪初焊接(welding)技术的出现，以及1934年高强度螺栓(high-strengthbolts)连接的出现，极大地促进了钢结构的发展。除西欧、北美之外，钢结构在前苏联和日本等国家也获得了广泛的应用，逐渐发展2成为全世界所接受的重要结构体系。由于我国长期处于封建主义统治之下，束缚了生产力的发展，1840年鸦片战争以后，更沦为半封建半殖民地国家，经济凋敝，工业落后，古代在铁结构方面的技术优势早已丧失殆尽。我国在1907年才建成了汉阳钢铁厂，年产钢只有0.85万吨。日本帝国主义侵略中国期间，曾在东北的鞍山、本溪建设了几个钢铁企业，疯狂掠夺我国的宝贵资源。1943年是我国历史上钢铁产量最高的一年，生产生铁180万吨，钢90万吨，绝大部分是在东北生产的。这些钢铁很少用于建设，大部分被日本帝国主义用于反动的侵略战争。新中国成立后，随着经济建设的发展，钢结构曾起过重要作用，如第一个五年计划期间，建设了一大批钢结构厂房、桥梁。但由于受到钢产量的制约，在其后的很长一段时间内，钢结构被限制使用在其他结构不能代替的重大工程项目中，在一定程度上，影响了钢结构的发展。自1978年我国实行改革开放政策以来，经济建设获得了飞速的发展，钢产量逐年增加。自1996年超过1亿吨以来，一直位列世界钢产量的首位，2003年更达到创纪录的2.2亿吨，逐步改变着钢材供不应求的局面。我国的钢结构技术政策，也从“限制使用”改为积极合理地推广应用。近年来，随着市场经济的不断完善，钢结构制作和安装企业像雨后春笋般在全国各地涌现，外国著名钢结构厂商也纷纷打入中国市场。在多年工程实践和科学研究的基础之上，我国新的《钢结构设计规范》GB50017和《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018也已发布实施。所有这些，为钢结构在我国的快速发展创造了条件。§1-2钢结构的特点及应用1.2.1钢结构的特点与其他材料的结构相比，钢结构具有如下特点：(1)钢材强度高，结构重量轻。钢与砖石和混凝土相比，虽然密度较大，但强度更高，故其密度与强度的比值较小，承受同样荷载时，钢结构要比其他结构轻。例如，当跨度和荷载均相同时，钢屋架的重量仅为钢筋混凝土屋架的1/3～1/4，冷弯薄壁型钢屋架甚至接近1/10。为运输和吊装提供了方便。由于钢构件常较柔细，因此稳定问题比较突出，应给予充分注意。(2)材质均匀，且塑性韧性好。与砖石和混凝土相比，钢材属单一材料，由于生产过程质量控制严格，因此组织构造比较均匀，且接近各向同性，钢材的弹性模量很高，在正常使用情况下具有良好的延性，可简化为理想弹塑性体，最符合一般工程力学的基本假定，计算结果比较可靠。由于重量轻和韧性好，钢结构的抗震性能也好于其他结构。3(3)良好的加工性能和焊接性能。钢材具有良好的冷热加工性能和焊接性能，便于在专业化的金属结构厂大批量生产出精度较高的构件，然后运至现场，进行工地拼接和吊装，既可保证质量，又可缩短施工周期。(4)密封性好。采用焊接连接的钢板结构，具有较好的水密性和气密性，可用来制作压力容器、管道，甚至载人太空结构。(5)钢材的可重复使用性。钢结构加工制造过程中产生的余料和碎屑，以及废弃和破坏了的钢结构或构件，均可回炉重新冶炼成钢材重复使用。因此钢材被称为绿色建筑材料或可持续发展的材料。(6)钢材耐热但不耐火。钢材长期经受100℃辐射热时，性能变化不大，具有一定的耐热性能。但当温度超过200℃时，会出现兰脆现象，当温度达600℃时，钢材进入热塑性状态，将丧失承载能力。因此在有防火要求的建筑中采用钢结构时，必须采用耐火材料加以保护。(7)耐腐蚀性差。钢材耐锈蚀的性能较差，因此必须对钢结构采取防护措施，使它的维护费用较砖石和钢筋混凝土结构为高。不过在没有侵蚀性介质的一般厂房中，钢构件经过彻底除锈并涂上合格的油漆后，锈蚀问题并不严重。对处于湿度大，有侵蚀性介质环境中的结构，可采用耐候钢或不锈钢提高其抗锈蚀性能。(8)钢结构的低温冷脆倾向。由厚钢板焊接而成的承受拉力和弯矩的构件及其连接节点，在低温下有脆性破坏的倾向，应引起足够的重视。1.2.2钢结构的应用随着我国国民经济的不断发展和科学技术的进步，钢结构在我国的应用范围也在不断扩大。目前钢结构应用范围大致如下（图1.2.1～1.2.8）(1)大跨结构结构跨度越大，自重在荷载中所占的比例就越大，减轻结构的自重会带来明显的经济效益。钢材强度高结构重量轻的优势正好适合于大跨结构，因此钢结构在大跨空间结构和大跨桥梁结构中得到了广泛的应用。所采用的结构形式有空间桁架、网架、网壳、悬索（包括斜拉体系）、张弦梁、实腹或格构式拱架和框架等。(2)工业厂房吊车起重量较大或者其工作较繁重的车间的主要承重骨架多采用钢结构。另外，有强烈辐射热的车间，也经常采用钢结构。结构形式多为由钢屋架和阶形柱组成的门式刚架或排架，也有采用网架做屋盖的结构形式。近年来，随着压型钢板等轻型屋面材料的采用，轻钢结构工业厂房得到了迅速的发展。其结构形式主要为实腹式变截面门式刚架。4图1.2.1哈尔滨会展中心屋盖(230m跨)图1.2.2独塔斜拉桥—海河大桥图1.2.3轻钢工业厂房门式刚架(3)受动力荷载影响的结构由于钢材具有良好的韧性，设有较大锻锤或产生动力作用的其他设备的厂房，即使屋架跨度不大，也往往由钢制成。对于抗震能力要求高的结构，采用钢结构也是比较适宜的。(4)多层和高层建筑由于钢结构的综合效益指标优良，近年来在多、高层民用建筑中也得到了广泛的应用。其结构形式主要有多层框架、框架－支撑结构、框筒、悬挂、巨型框架等。(5)高耸结构高耸结构包括塔架和桅杆结构，如高压输电线路的塔架、广播、通信和电视发射用的塔架和桅杆、火箭（卫星）发射塔架等。5图1.2.4上海金茂大厦图1.2.5黑龙江电视塔(336m)(6)可拆卸的结构钢结构不仅重量轻，还可以用螺栓或其他便于拆装的手段来连接，因此非常适用于需要搬迁的结构，如建筑工地、油田和需野外作业的生产和生活用房的骨架等。钢筋混凝土结构施工用的模板和支架，以及建筑施工用的脚手架等也大量采用钢材制作。(7)容器和其他构筑物冶金、石油、化工企业中大量采用钢板做成的容器结构，包括油罐、煤气罐、高炉、热风炉等。此外，经常使用的还有皮带通廊栈桥、管道支架、锅炉支架等其他钢构筑物，海上采油平台也大都采用钢结构。(8)轻型钢结构钢结构重量轻不仅对大跨结构有利，对屋面活荷载特别轻的小跨结构也有优越性。因为当屋面活荷载特别轻时，小跨结构的自重也成为一个重要因素。冷弯薄壁型钢屋架在一定条件下的用钢量可比钢筋混凝土屋架的用钢量还少。轻钢结构的结构形式有实腹变截面门式刚架、冷弯薄壁型钢结构（包括金属拱形波纹屋盖）以及钢管结构等。图1.2.6立式油罐图1.2.7南京航空港直接焊接管结构6(9)钢和混凝土的组合结构钢构件和板件受压时必须满足稳定性要求，往往不能充分发挥它的强度高的作用，而混凝土则最宜于受压不适于受拉，将钢材和混凝土并用，使两种材料都充分发挥它的长处，是一种很合理的结构。近年来这种结构在我国获得了长足的发展，广泛应用于高层建筑(如深圳的赛格广场)、大跨桥梁、工业厂房和地铁站台柱等。主要构件形式有钢与混凝土组合梁和钢管混凝土柱等。图1.2.8施工中的赛格广场高层建筑§1-3钢结构的设计方法1.3.1概率极限状态设计法一.结构的功能要求建筑结构要解决的基本问题是，力求以较为经济的手段，使所要建造的结构具有足够的可靠度(degreeofreliability)，以满足各种预定功能的要求。结构在规定的设计使用年限内应满足的功能有：(1)在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用；(2)在正常使用时具有良好的工作性能；(3)在正常维护下具有足够的耐久性；(4)在设计规定的偶然事件（如地震、火灾、爆炸、撞击等）发生时及发生后，仍能保持必须的整体稳定性。上述“各种作用”是指凡使结构产生内力或变形的各种原因，如施加在结构上的集中荷载或分布荷载，以及引起结构外加变形或约束变形的原因，例如地震、地基沉降、温度变化等。二.结构的可靠度结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力，称为结构的可靠性(reliability)。结构可靠度是对结构可靠性的定量描述，即结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。对结构可靠度的要求与结构的设计基准期长短有关，设计基准期长，可靠度要求就高，反之则低。一般建筑物的设计基准期为50年。7三.结构的极限状态整个结构或结构的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，称此特定状态为该功能的极限状态。极限状态实质上是结构可靠与不可靠的界限，故也可称为“界限状态”。对于结构的各种极限状态，均应规定明确的标志或限值。我国《钢结构设计规范》（以下简称GB50017规范或规范）规定，承重结构应按下列二类极限状态进行设计：(1)承载能力极限状态包括：构件和连接的强度破坏、疲劳破坏和因过度变形而不适于继续承载，结构和构件丧失稳定，结构转变为机动体系和结构倾覆。(2)正常使用极限状态包括：影响结构、构件和非结构构件正常使用或耐久性能的局部损坏（包括组合结构中混凝土裂缝）。承载能力极限状态与正常使用极限状态相比较，前者可能导致人身伤亡和大量财产损失，故其出现的概率应当很低，而后者对生命的危害较小，故允许出现的概率可高些，但仍应给予足够的重视。四.概率极限状态设计原理设结构的极限状态采用下列极限状态方程描述：0)......,,(21nxxxgZ(1.3.1)式中gZ(﹒)——结构的功能函数；xi(i=1,2,……n)——影响结构或构件可靠度的基本变量，系指结构上的各种作用和材料性能、几何参数等；进行结构可靠度分析时，也可采用作用效应和结构抗力作为综合的基本变量；基本变量均可考虑为