钢结构经典教程

钢结构教程•第一章概述•第二章建筑钢材•第三章钢结构的连接•第四章轴心受力构件•第五章梁（受弯构件）•第六章拉弯与压弯构件Crane收集欢迎大家交流第一章绪论•第一节钢结构的特点与应用•第二节钢结构的设计原理与方法•第三节钢结构的发展•第四节钢结构课程的学习方法第一节钢结构的特点及应用一、钢结构的特点强度高、重量轻•钢与混凝土、木材相比，虽然质量密度较大，但其屈服点较混凝土和木材要高得多，其质量密度与屈服点的比值相对较低。在承载力相同的条件下，钢结构与钢筋混凝土结构、木结构相比，构件较小，重量较轻，便于运输和安装。质地均匀，塑性和韧性好•钢材质地均匀，各向同性，弹性模量大，有良好的塑性和韧性，为理想的弹塑性体，完全符合目前所采用的计算方法和基本理论。生产、安装工业化程度高，施工周期短•钢结构生产具备成批大件生产和高度准确性的特点，可以采用工厂制作、工地安装的施工方法，所以其生产作业面多，可缩短施工周期，进而为降低造价、提高效益创造条件。密闭性能好•由于焊接结构可以做到完全密封，一些要求气密性和水密性好的高压容器、大型油库、气柜、管道等板壳结构都采用钢结构。抗震及抗动力荷载性能好•钢结构因自重轻、质地均匀，具有较好的延性，因而抗震及抗动力荷载性能好。具有一定的耐热性•温度在250℃以内，钢的性质变化很小，温度达到300℃以上，强度逐渐下降，达到450～650℃时，强度降为零。因此，钢结构可用于温度不高于250℃的场合。在自身有特殊防火要求的建筑中，钢结构必须用耐火材料予以维护。当防火设计不当或者当防火层处于破坏的状况下，有可能将产生灾难性的后果。远眺纽约曼哈顿世贸大楼绝版纽约世贸中心双子塔•撞击下的世界贸易中心美国东部时间2001年9月11日上午8时45分，一架起飞重量达160吨的波音767型飞机，直接撞击纽约世界贸易中心北塔；18分钟后，又一架起飞重量为100吨的波音757型飞机，几乎拦腰撞击世界贸易中心南塔。假设两架飞机的起飞重量是满负荷，再考虑两种机型的速度是1000千米/小时，而且以恐怖分子执意为之的心理，这个速度已是下限，那么，在这种条件下，世界贸易中心受到的冲量究竟有多少呢？•根据动量的计算公式P=mv，m是质点的质量，v是该质点的质心速度，质点的动量是矢量，其方向和速度矢量的方向相同。实质上，飞机撞击世界贸易中心是属于物体对障碍物碰撞的现象，我们先看看有关数据：一、北塔所承受767型飞机撞击的动量m=160×1000=160000（千克）v=（1000×1000）÷3600≈277.8米/秒P=mv=160000×277.8=44448000千克·米/秒二、南塔所承受757型飞机撞击的动量m=100×1000=100000（千克）v=（1000×1000）÷3600≈277.8米/秒P=mv=100000×277.8=27780000千克·米/秒以上数据之巨，可见飞机每一次撞击的力量都是致命的，所以有物理学家说，这种撞击与爆炸，可达1000吨烈性炸药当量，应该是可信的。•南北塔是筒中筒结构，核心是47个电梯井（因分段设置，47个电梯井可容104部电梯），外围是钢柱排列，9层以下的承重外柱间距为3米，9层以上承重外柱间距为1.016米，标准层窗宽仅0.55米，如此密植的钢铁森林，于极高速撞击之下，两架飞机还是全都没入其腹部，甚至撞击南塔那架还穿透整座进深达63.5米的大厦，撞击力量之巨，威力之大，实在令人悚然。但是，事实上，世界贸易中心却经受住了这等力量的撞击，因为撞击造成的动量，并不是坍塌的决定因素。•烈火中的世界贸易中心撞击两塔的波音767型或757型飞机，如果机体直径约计10米的话，也就是说，世界贸易中心北塔的80层左右，南塔的60层左右，在飞机的质量与速度的撞击下，应该各有三层都处于被飞机蹿通的状态。而且767机型满挂油料是45吨，757机型为30吨，这些油料霎时倾倒其中，可从具体数据看其惨烈之状。世界贸易中心边长=63.5米世界贸易中心每层的建筑面积=63.5×63.5≈4032平方米如果除开间隔墙体所占面积，还有一般占摩天大厦建筑面积达1/5～1/4的电梯井的面积，也就是说，在3000平方米不到的面积里，浇灌了45～30吨的高燃值的油料在燃烧（南塔有一部分溢出）。•我们可以估量，以液态燃油的漫溢性质，这数十吨燃油所产生的热量，或可足以把受撞击层变成熔炉，兼有楼体里面许多例如纸张、塑料制品、各类管线气体等易燃易爆物品，特别是外幕墙玻璃被击破和电梯井被穿透后，电梯井便变作拔气管，成了助燃工具。所以被撞击后的世界贸易中心，远远看去，就像两根硕大的烟囱。同时，高达1000℃的温度，钢结构都易产生变形，更因上有重压，所以最终招致崩落现象。而且，高温之下，燃油有气化的现象，急速膨胀的气体，燃烧中必然夹杂着爆炸，这更是致命的。因此，火，火，火，才是世界贸易中心殒落的决定因素。•大厦被撞击后，那里面被飞机蹿空的三层，其核心部位——电梯井已失去作用（有部分油料会倒灌井内，引起井道内爆），里面几乎成了镂空状态，在烈火燃烧下，剩下的两侧外围承重的钢柱软化，以上数十层至少有20000余吨的楼层的重力（以两幢共用钢19.2万吨计，加上租赁方的什物就远不止这个数了），在有10米高的空间盈余下，夹着9.8米/秒的加速度作自由落体坠落，重力之下，势如破竹。•在这里，燃烧的高温致使被飞机冲力撞剩的钢柱软化，而被撞击层以上楼层的重力在加速度作用下，以雷霆万钧之势，造成了世界贸易中心遇袭后的必然结果——坍塌。所以，世界贸易中心只能是坍塌，而不是倒塌。钢结构抗腐蚀性较差•钢结构的最大缺点是易于锈蚀。新建造的钢结构一般都需仔细除锈、镀锌或刷涂料。以后隔一定时间又要重新刷涂料，维护费用较高。目前国内外正在发展不易锈蚀的耐候钢，可大量节省维护费用，但还未能广泛采用。二、钢结构的应用•钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。直观的说：大厦、体育馆、歌剧院、大桥、电视塔、仓棚、工厂、住宅和临时建筑等。这是和钢结构自身的特点相一致的。钢结构的应用1、重型结构及大跨度建筑结构；2、多层、高层及超高层建筑结构；3、轻钢结构；4、塔桅等高耸结构；5、钢－混凝土组合结构。钢结构的应用•钢结构通常有框架、平面(木行)架、网架（壳）、索膜、轻钢、塔桅等结构型式。1、厂房钢结构•厂房钢结构一般指重型、大型车间的承重骨架。通常由檩条、天窗架、屋架、托架、柱、吊车梁、制动梁（桁架）、各种支撑及墙架等构件组成。2、轻型钢结构•轻型钢结构因具有用钢量省、造价低、供货迅速、安装方便、外形美观、内部空旷等特点，在近年来得到迅速的发展，主要用于：•单层或多层厂房、仓库；•多层住宅、办公楼（图）多层住宅、办公楼柱距一般为6～9米，不超过8层，基础受力小，有利于抗震；资源耗用少；工业化程度高；施工速度快；可装拆；造价略高。•·小别墅（图）3、大跨度钢结构•大跨度结构主要有网架结构、悬索结构和网壳结构等。（1）网架结构•网架结构广泛用作体育馆、展览馆、俱乐部、影剧院、食堂、会议室、候车厅、飞机库、车间等的屋盖结构。具有工业化程度高、自重轻、稳定性好、外形美观的特点。网架结构•构成网架的基本单元有三角锥、三棱体、正方体、截头四角锥等，由这些基本单元可组合成平面形状的三边形、四边形、六边形、圆形或其他任何形体。网架结构一般而言，网架钢结构有下列三种节点形式：•·焊接球节点•·螺栓球节点（图）•·钢板节点（2）悬索及索桁架结构•以一系列拉索为主要承重构件，这些索按一定的规律组成各种不同的形式，悬挂于相应的支撑结构上，使材料强度在受拉情况下得到充分发挥的结构形式。节约钢材（以浙江省体育馆为例，仅17kg/m2）、外形美观、设计施工较复杂，适合于大跨度屋顶。（3）网壳结构•同网架结构一样，网壳也是由许多杆件按一定规律布置，通过节点连接成空间杆系结构，但网架的外形呈平板状，而网壳的外形呈曲面状。网壳结构的特点：外形美观、通透感好，建筑空间大、用材省，设计施工较复杂。苏州乐园宇宙大战馆球体屋面（穹顶）上海商务中心网状网壳4.桥梁钢结构•桥梁钢结构的主要形式有：•（1）桁架式桥（如武汉、南京长江大桥）（连续小跨距）•（2）箱形桥梁（如立交桥、铁路桥），钢板焊成•（3）拱形桥梁，中、小跨度（图）•（4）斜拉桥（如上海南浦、杨浦大桥）“H”型钢，大跨距、特大跨距（图）•（5）悬索桥（如江阴长江大桥）桁架梁1000米跨距拱形桥梁斜拉桥5.高耸钢结构高耸钢结构的结构形式多为空间桁架，其特点是高跨比较大，以水平荷载作用为主，可应用在以下几个方面：•（1）输电塔（图）•（2）通讯及微波塔•（3）多功能广播电视发射塔（图）•（4）桅杆•（5）火炬塔、石油化工塔架6.高层钢结构•已建的高层钢结构（纽约世贸中心不幸在恐怖事件中倒塌，向死难的人民表示哀悼）高层钢结构•（1）一般50层以上建筑均用钢结构•（2）自重轻、抗震性能好，基础处理方便•（3）柱用焊接方管（圆角）、H型钢或组合柱•（4）梁用H型钢，上下翼缘用对接焊，腹板用高强螺栓作抗剪连接，柱与梁翼缘对应处有加强板高层钢结构•（5）楼板用压型钢板加钢筋网加细石砼构成组合板，板与梁连接用销钉•（6）外墙用玻璃或铝幕墙•（7）基础用桩基加箱基，箱基作停车场•（8）防火要求非常严格159m高的启东广播电视塔位于江苏启东新落成的广电广场购物中心第二节钢结构的设计原理与方法•结构设计首层规范《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068）规定：结构的可靠度应采用以概率论为基础的极限状态设计方法分析确定。•钢结构和其他建筑结构一样，遵循“统一标准”要求，采用的也是以概率论为基础，用分项系数表达的极限状态设计方法。结构概率设计法•对结构设计中需要考虑的多种非确定性因素，如荷载、材料性能等，运用概率论和数理统计的方法来寻找它们的规律性，从而进行结构设计，这就是结构概率设计法。•荷载效应S：取决于各种荷载（恒载、活载、风、地震作用，温度变化等）。•结构或构件的承载力或抗力R：取决于材料、构件的几何特性等。结构概率设计法•设结构状态方程：Z=R-S•当Z0时，结构可靠；•当Z0时，结构失效；•当Z=0时，结构或构件承载能力处于极限状态。结构概率设计法•结构可靠度：结构在规定时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。若以表示结构的可靠度，则：•失效概率：结构处于失效状态的概率，以表示，则有：•结构是否可靠就看结构可靠度是否足够大或其失效概率是否小到可以接受的程度。•对于一个结构状态方程，其平均值与其标准差的比值，称为结构或构件的可靠度指标。与有确定的对应关系，增大，减小，而对于结构来说容易确定得多。钢结构设计的规定•承重结构设计均按承载能力极限状态和正常使用极限状态来进行的。•计算结构或构件的强度或稳定性及连接的强度时应采用荷载的设计值；计算疲劳和变形时，采用荷载的标准值。承载能力极限状态•承载能力极限状态为结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形的极限状态。•强度、稳定性设计采用的极限状态设计表达式：•——结构重要性系数，•--永久荷载设计值在结构构件中或连接中产生的应力，为标准值，为分项系数，一般取1.2，当永久荷载效应对结构有利时取1.0；•:第i个可变荷载设计值在结构构件或连接中的应力•:荷载组合系数；正常使用极限状态•正常使用极限状态为结构或构件达到正常使用（变形或耐久性能）的某项规定限值的极限状态。其表示式为：•——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在结构或构件中产生的变形；•——第i个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形；•——结构或构件的容许变形值。梁以容许挠度表示。第三节钢结构的发展•我国是最早应用钢结构的国家，但是历史的原因致使现代建筑钢结构的应用及发展与发达国家相比，已有相当大的差距，最大的差距在于建筑钢结构。•97年新发布的《中国建筑技术政策》中强调要重点发展建筑钢结构，国家相关部门也多次发布文件，要求扩大钢结构住宅的