学习情景一钢结构j基本知识

学习情景一钢结构基本知识§1.1钢结构的发展简史§1.2钢结构的特点及应用§1.4钢结构的设计方法§1.3钢结构的主要结构形式§1.5钢结构的新发展§1.6钢结构课程的学习由钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢以及钢索为主材建造的工程结构，如房屋、桥梁等，称为钢结构。钢结构是土木工程的主要结构形式之一。钢结构与钢筋混凝土结构、砌体结构等都属于按材料划分的工程结构的不同分支。结构：基本构件组成的受力体系，建筑物(构筑物)的骨架§1.1钢结构的发展简史•古代•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。•早在战国时期，我国的炼铁技术已很盛行。•我国是最早用钢铁建造承重结构的国家1.铁桥墩(始皇)2.铁链桥3.铁塔•公元65年，汉明帝时代建造了铁链悬桥——云南“兰津桥”•1705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。•公元1061年（宋代）在湖北荆州玉泉寺建成的13层铁塔•十九世纪五十年代前为铸铁结构，这是钢结构的前身结构。•1851年英国伦敦第一届世博会的水晶宫是铸铁结构的典型建筑(9万平米,6个月，用4500吨铸铁、10吨玻璃建成，1936年火毁)。它是英国工业革命时期的最具有代表性的建筑。•近代•1870年生产型钢，标志着人类社会开始由铸铁结构转为钢结构。巴黎的标志——艾菲尔铁塔1889年为纪念法国大革命100周年建造的艾菲尔铁塔。于1887年11月26日动工1889年3月31日竣工，历时21个月，铁塔占地12.5公顷，高320.7米,重7000吨,由18038个优质钢铁部件和250万个铆钉铆接而成，建筑设计中最著名的是防范强风吹袭的对称钢结构设计。以艾菲尔铁塔为标志，钢结构应用有110多年的历史。第一座依照现代钢结构框架结构设计原理建造起来的高层建筑是芝加哥家庭保险公司大厦（1883-1885）共十层。这是真正意义上世界上建造的第一座钢结构大厦。芝加哥家庭保险公司大厦芝加哥是美国摩天大楼的发源地，从此人们建造的房屋越来越高，结构和功能都同传统建筑相比发生了非常大的改变。•建国以来钢结构的发展概况•50年代,为初盛时期（156项援建工程大部分为重型钢结构）。•60-70年代,为限制使用时期，当时中国钢产量仅1～2千万吨，主要用于国防.机械业。当时国家政策建筑业中“凡是可用其它材料代替的，均不用钢结构建造”。由于受到钢产量的制约，钢结构仅在重型厂房、大跨度公共建筑、铁路桥梁以及塔桅结构中采用。二十世纪钢筋混凝土结构成为中国主导结构。80-90年代后,出现了新的发展时期（钢产量自1996年起连续多年超亿吨),国家鼓励建筑用钢。中国钢结构应用发展的三个时期刚解放时钢产量几乎是零1949十几万吨19905000万吨19957000万吨19961亿吨20001.285亿吨20042.72亿20064.62亿吨20074.89亿吨2003年中国钢铁行业产量、消费量均占世界第一。历史上钢产过亿吨国家仅有前苏联、美国和日本，过2亿吨由中国开创。钢产量每年以15%-20%的水平递增亿吨•我国钢结构应用现状，与发达国家比较•自1996年钢产量超过1亿吨，连续10年居世界第一。中国1949－2002年钢产量变化18228.6020004000600080001000012000140001600018000194919521955195819611964196719701973197619791982198519881991199419972000万吨我国建设部建筑用钢发展规划“十五”期间建筑钢结构用钢达到总钢产量3％2015年建筑钢结构用钢达到总钢产量6％节约用钢开始转向鼓励用钢1.强度高、重量轻§1.2钢结构的特点及应用2.材质均匀，塑性、韧性好3.良好的加工性能和焊接性能4.密封性能好5.可重复性使用性6.耐热性较好，耐火性差7.耐腐蚀性差8.低温冷脆倾向1.2.1钢结构的特点60年代80年代90年代未来02505007501000材料强度/MPa钢材屈服点钢材极限强度混凝土强度轻质高强——更大的跨越能力材料钢筋混凝土木材钢(kN/m3)25578=/f18×10-45.4×10-42.7×10-4密度强度比：=/f反映材料在承载条件下的轻质性。f——设计强度(kN/m2)地震灾害•1995年1月17日•日本阪—神大地震•震级M7.2•死亡6425人•建构筑物损坏49万幢材质均匀、塑性、韧性好——理论计算与实际结果吻合良好，抗震抗动力性能好，更安全的结构。良好的加工性能和焊接性能——易于工厂化生产，施工周期短、效率高、质量好。密封性能好——储存、运输可重复性使用性——绿色环保可持续发展的建筑材料，符合当前节地节能政策。耐腐蚀性差——钢材在潮湿、腐蚀环境中易锈蚀，维护费用高。低温冷脆现象——低温下有脆性破坏的倾向。耐热性较好，耐火性差钢材虽为非燃烧体，但裸露钢结构耐火极限一般为15～20分钟2007年8月14日正在建设中的上海环球金融中心发生火灾钢结构防火保护措施1.2.2钢结构的应用范围多层与高层建筑（宾馆、办公楼、住宅等）大跨度建筑（体育馆、会展、机场、厂房）大跨度桥梁（公路桥、铁路桥）高耸构筑物（电视塔、发射塔、输电塔）密闭结构（油罐、煤气罐、天然气管道）轻型钢结构其它结构受动力荷载影响的结构可拆移结构第一章绪论国家大剧院总建筑面积近15万平方米，该工程外部围护结构为钢结构网壳，是半椭圆球形，东西长轴212.2m，南北短轴143.64m，总高度46.285m。设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，整体结构用钢量达6750吨。大跨度建筑国家体育场体形上像鸟巢，建筑面积25.8m2，可容纳观众9.1万人，其中固定坐席8万座，临时坐席1.1万座。平面为椭圆形，长轴332.3m，短轴296.4m；最高点高度为68.5米，最低点高度为42.8米。大跨度屋盖支撑在24根桁架柱上，主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置，有22榀主桁架直通或接近直通，少量主桁架在内环附近截断。钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件，交叉布置的主桁架与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。主看台部分采用钢筋混凝土框架一剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。建设中的鸟巢单根桁架柱立柱高70m!重600t!!上海浦东国际机场航站张弦梁屋盖最大跨度83m施工吊装现场巨鸥上海浦东国际机场航站施工吊装现场总建筑面积达16万平方米，钢结构总重3万余吨。主楼的巨鸥型钢屋盖采用了地面节间拼装，屋面空间组装，区段整体移位计算机同步控制，该屋盖翼展达140m，牵引重量达1200t。月钢结构安装量达到6000t。上海铁路南站世界第一超大透光钢结构屋顶，直径278m，由54根钢柱支撑而起，最高处离地面42m，安装总面积达6万多m2，屋面采用阳光板，可采光隔热。屋盖为大跨度焊接钢管拱形桁架网壳结构，主体结构由7榀拱形主桁架通过次桁架和水平支撑组成。主桁架拱跨94.6m，矢高27.5m，相邻主桁架轴线距为8m。华中科技大学光谷体育馆拱形屋盖施工监测点内部华科大结构试验中心大型节点足尺模型试验工业厂房某站台大跨度桥梁金门海湾大桥（主跨1280m)旧金山标志性建筑钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure明石海峡大桥——日本神户市与淡路岛之间跨越明石海峡的一座特大跨径的悬索桥。1998年建成通车，大桥主桥全长3910m，主跨1990m，是目前世界上主跨最长的悬索桥，钢桥塔高297m，也是世界上最高的桥塔。两根主缆各由290根高强钢索构成，直径为1.222m，主缆的极限强度为1800MPa。九江长江大桥公、铁路两用桥，全长7675m，公路桥全长4460m，正桥11孔，全长1806m，主跨216m钢梁采用Q450级钢，56mm厚板，栓焊结构。连续钢桁梁结构铁路桥。钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure该桥是一座公铁两用桥，铁路桥全长10521m，公路桥全长5681m，正桥钢梁长2193.7m，大桥采用了连续钢桁梁结构，考虑到主跨达到了180+312+180m，在桥上的低塔和钢桁梁之间设置了斜拉索参与受力，因此，芜湖长江大桥也叫做连续钢桁梁斜拉桥。芜湖长江大桥武汉军山长江大桥（48+204+460+204+48m关山上游28公里处）武汉军山长江大桥主梁钢箱断面2003年建成通车，采用全钢结构，是世界上跨度最大的钢结构拱桥。施工过程中采用全钢结构焊接，使桥身显得简洁、轻盈、流畅，就像一道彩虹横跨于黄浦江上。上海卢浦大桥苏格兰福斯大桥建设中的宁波大红鹰技术学校学生宿舍外墙内墙龙骨安装多层与高层建筑金陵石化总厂多层房屋上海金茂大厦位于上海浦东新区，陆家嘴金融贸易中心，采用钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱结构。建筑面积28.9万m2，地下3层，地上88层，建筑高度420.5m，总用钢量1.8万t。设计者为美国S.O.M事务所。上海环球金融中心工程占地面积为3万m2，总建筑面积达38.16万m2。地上101层，地下3层，建筑主体净高492m，总用钢量26000t，采用钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱结构。是目前世界在建的第一高楼。预计2008年竣工。深圳地王大厦高383.95m，地上78层，地下3层高342.95m，加桅杆总高383.95m。于1996年完工，其建筑形体的设计灵感来源于中世纪西方的教堂和中国古代文化中通、透、瘦的精髓，它的宽高比例为1:9，创造了世界超高层建筑最扁最瘦的记录。地王大厦钢结构总量达2.45万t，高强度螺栓50万个,焊缝长60万m。钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure有世界最大且最重的“风阻尼器”，直径5.5m，重670吨的阻尼器台北101——楼高101层，总高度508m，世界第一高楼，26层以上以8层为一单元。主要由巨柱、核心系统及外伸桁架梁。高雄T&C大厦T&CTowerS-85/348高耸构筑物东方明珠电视塔东方明珠广播电视塔座落在上海浦东新区黄浦江畔，以其468米的高度成为亚洲第一高塔。她于1994年11月完工，总重量达12万吨。东方明珠塔由三根直径为九米的擎天立柱、太空舱、上球体、下球体、五个小球、塔座和广场组成。东京千年塔巴黎的埃菲尔铁塔广播电视塔火箭发射塔输电塔受动力荷载影响的结构西安变压器厂（400t吊车）密闭结构大型储油罐管道大型煤气罐上海浦东新国际博览中心的临时看台施工钢模海上石油平台可拆移结构中国南极长城站综合仓库钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure轻型钢结构温室日本水户艺术馆架桥机摩天轮其它结构化工厂生产设备支架柏林国家美术馆新馆德国柏林1968建筑师：密斯（德）密斯于60年代应邀为当时的西柏林设计国家美术馆，1968年美术馆落成时密斯已去世。新美术馆平面为方形，一层在地上，一层在地下。地面上的展厅面积为54m×54m，四面都是大玻璃墙。结构的平屋顶每边长64.8m，由外围8根钢柱支承，高8.4m。这座建筑是密斯纯净风格的绝唱，被称为钢与玻璃的现代“帕提农神庙”。§1.3钢结构的主要结构形式桁架结构（杆系）框架结构（杆系）网架结构（杆系）拱结构（曲杆）板式结构（板）张拉结构——索桁架、斜拉索、悬索、索膜※结构的组成：由若干个单元所组成的结构骨架。※基本单元：承重体系中具有独立力学性能的构件。可以是杆件、板件、索等单元或这些单元的组合。桁架钢结构设计原理DesignPrinciplesofSteelStructure钢屋架框架刚架框架网架结构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，其外形成平板状。网架网架结构螺栓球节点