钢结构基本原理课件：第一章

钢结构(Steelstructure)土木工程学院2008年—2009年第二学期1绪论2钢结构的材料3钢结构的连接4轴心受力构件5梁（受弯构件）6拉弯与压弯构件本学期主要内容：1绪论本章重点：钢结构的特点本章要求：了解钢结构的特点、设计原理和应用范围（1）钢结构的特点（2）钢结构的设计原理与方法（3）钢结构的应用和发展（4）钢结构课程的学习方法本章内容：1.1钢结构的特点1、建筑钢材强度高，塑性韧性好强度高——是相对的，与其他建材相比其强度高的多，适用于建造大跨度结构，高层建筑结构以及重型结构。塑性好——一般不会因偶然超载或局部超载而突然断裂破坏。韧性好——就是材料在断裂前吸收能量的多少。适宜在动力荷载作用下工作，在地震区采用钢结构较为有利。构件截面小，壁薄，受压时强度不能充分发挥。同样截面的杆件压杆承载力低于拉杆。77钢材kN/m3，但由于其强度高，故所需的构件截面小。屋架G钢=（1/3～1/4）G钢砼如为轻型钢结构︰18米跨屋架，混凝土重3700kg，冷弯型钢仅有579kg，重量仅为混凝土的1/16。一定条件下，冷弯薄壁型钢屋架的总量可以不超过钢筋混凝土屋架中钢筋的重量。质量轻有利于抗震。质量轻对荷载敏感（拉、压反号）2、钢结构的重量轻连续、匀质、各向同性，为理想弹塑性体，在一般情况下处于弹性阶段工作，采用力学方法计算，其结果符合实际受力情况。现代化冶炼、扎制技术使钢材质量稳定，材质波动小。4、钢结构制作简单，施工工期短型材多︰H型、T型、工字型、冷弯更多。精度高︰工厂加工，车、磨、洗、刨、钻。连接方法︰螺栓、焊接安装：可以工厂、工地拼接吊装简单，易于改建和拆迁。3、材质均匀和力学计算的假定比较符合钢结构的钢材和连接的水密性和气密性较好，适宜做要求密闭的结构。（如高压容器、油库、管道等）6、钢结构耐腐蚀性差在湿度大或有腐蚀性介质的环境中容易锈蚀，使结构损，因此须采取防护措施，如除锈、刷油漆或涂料（锌、铝）。维护费用高。5、钢结构密闭性较好7、钢材耐热但不耐火小于1000C无影响，大于1500C需要防护，大于3000C时，强度逐渐降低，当温度大于6000C，钢材进入塑性，无承载能力。钢材可用于温度不超过2500C的场合。防火︰防火涂料、防火漆8、钢结构在低温和其他条件下，可能发生脆性断裂（结束）1.2钢结构的设计方法1.2.1概述结构设计的目的：在于保证所设计的结构和结构构件在施工和工作过程中能满足预期的安全性和使用性要求。结构设计准则：结构由各种荷载产生的效应不大于由材料性能和几何因素等所决定的抗力或规定限值。荷载、材料强度、截面尺寸、施工质量等都是随机变量RS(1)允许应力设计法（单一系数法）：][(2)半概率设计法（多系数法）：][[σ]=fk/K[σ]=fk/K1K2K3(3)近似概率设计法（现行规范设计法）(4)全概率设计法（将来设计法）设计方法的发展过程：1.2.2概率极限状态设计法极限状态:当结构或其组成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,此特定状态就称为该功能的极限状态.（1）承载能力极限状态（2）正常使用极限状态（1）承载能力极限状态（2）正常使用极限状态设计原理不作介绍，注意表达式与钢砼等的区别（应力形式）对应于结构或结构构件达到最大承载能力或是出现不适于继续承载的变形，包括倾覆、强度破坏、疲劳破坏、丧失稳定、结构变为机动体系或出现过度的塑性变形。对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值，包括出现影响正常使用或影响外观的变形，出现影响正常使用或耐久性能的局部损坏以及影响正常使用的振动。我国是最早应用钢结构的国家，但由于历史的原因，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。1997年发布的《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市场占有率。1.3钢结构的应用和发展1996年我国钢产量已开始超亿吨，居世界首位。2007年钢材产量超过5亿吨。对钢材的使用已由“节约使用”变为“合理用钢”、“加大建筑用钢”。我国建筑业中发展最快的就是钢结构，钢结构设计施工人才短缺，发展钢结构以带动其它相关产业的发展，已成为建筑业发展的重要任务。一、钢结构的应用应用范围不仅取决于钢结构本身的特点，还取决于国民经济发展的情况。1、重型工业厂房冶金厂房重型机械厂房随网架结构的大量应用，一般厂房也采用钢网架2、大跨度结构会堂体育馆飞机库减轻自重可获得明显的经济效益(1)国家体育场---鸟巢建设地点：奥林匹克公园建筑面积：25.8万㎡座席数：永久性8万临时性11万赛时功能：田径、足球开工时间：03.12.24建筑顶面呈鞍形，长轴为332.3米，短轴为296.4米，最高点高度为68.5米，最低点高度为42.8米。“鸟巢”外形结构主要由巨大的门式钢架组成，共有24根桁架柱。大跨度屋盖支撑在桁架柱上，柱距为37.96米。主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置。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。“鸟巢”的结构Q460是一种低合金高强度钢，国内在建筑结构上首次使用Q460规格的钢材；钢板厚度达到110毫米，是以前绝无仅有的，在国家标准中，Q460的最大厚度也只是100毫米。以前这种钢一般从卢森堡、韩国、日本进口，这次是我国自主创新研制的Q460钢材应用于鸟巢当中。Q460钢材的运用(2)国家游泳中心--水立方地点：奥林匹克公园用途：游泳、跳水、花样游泳建筑面积：7.95（万㎡）固定座位：4000个（永久）、2000个（可拆除）临时座位：11000个开工时间：2003年12月24日完工时间：2007年10月国家游泳中心外墙体和屋面围护结构采用新型钢膜结构体系，该钢膜结构体系由一系列类似于细胞、水晶体的钢网架单元和ETFE（聚乙烯－四氟乙烯共聚物）充气薄膜共同组成。“水立方”是世界上最大的膜结构工程，除了地面之外，外表都采用了膜结构—ETFE材料，蓝色的表面出乎意料的柔软但又很充实。目前世界上只有三家企业能够完成这个膜结构。水立方的结构特点(3)国家大剧院主体建筑由外部围护钢结构壳体和内部歌剧院、音乐厅、戏剧院、公共大厅及配套用房组成。总占地面积：11.893公顷总建筑面积：149520平方米总投资额：26.88亿。外部围护钢结构壳体呈半椭球形，平面投影东西方向212.20米，南北方向143.64米，建筑物高度为46.285米，基础埋深的最深部分达到-32.5米。椭球形屋面主要采用钛金属板饰面，中部为渐开式玻璃幕墙。椭球壳体外环绕人工湖，湖面面积达3.55万平方米，各种通道和入口都设在水面下。国家大剧院国家大剧院3、高耸结构(电视塔输电线塔东方明珠460米)广州新电视塔工程位于广州珠江南畔，占地面积约17.6万平方米，建筑总面积约99946平方米，主塔高454米，细腰顶部天线桅杆156米，总高度610米，为目前世界之最。旋转向上、纤纤细腰是新电视塔独特、新颖、生动的外形，融入了建筑、力学、美学等诸多学科的丰富内涵和先进理念，是新世纪建筑设计的又一精品力作，为广州乃至中国又一标志性建筑，必将为世人瞩目。塔体结构包括一个椭圆形钢结构外筒，一个椭圆形混凝土核心筒以及连接这两者的钢－混凝土组合结构楼面。钢结构的桅杆筒天线直接建于主体结构顶部。钢结构外筒，是从椭圆衍生出来的“不定格”形状，横截面沿整个建筑高度是连续变化的，钢结构外筒由24条斜向立柱、水平斜向环和斜撑组成，形成不规则结构。底层长短轴尺寸分别为80米和60米，顶部为50米和45米，中部的“纤纤细腰”为27.5米和20.65米。底部和顶部轴心位置不重合，中轴线倾斜。电视塔这种结构形式，在世界上是独一无二的。4、多高层建筑（1）中国国际贸易中心第三期：位于中国北京，2007年封顶，计划于2009年年中建成，高330米，地上层数为74层，地下4层，集现代办公楼、豪华五星级酒店、高档宴会厅和精品商场于一体，2005年6月16日动工，可抗8级地震，计划于2009年年中建成。（2）“上海中心”总高度达632米，建筑外观呈螺旋式上升，建筑表面的开口由底部旋转贯穿至顶部，与金茂大厦经典隽永的塔形和环球金融中心简洁明快的立体造型形成鲜明对比。从天空向下俯瞰，“上海中心”非对称的顶部卷折状造型，与金茂的点状和环球金融中心的线状顶部遥相辉应，将进一步丰富上海的城市天际线。上海中心大厦上海中心建成后将与金茂大厦、上海环球金融中心形成“品”字型超高层建筑群上海中心大厦模型是1887年1月26日动工，1889年5月15日开放的，距今近120年。埃菲尔铁塔占地一公顷。除了四个脚是用钢筋水泥之外，全身都用钢铁构成，塔身总重量7000吨。塔分三层，第一层高57米，第二层115米，第三层274米。除了第三层平台没有缝隙外，其他部分全是透空的。从塔座到塔顶共有1711级阶梯。（3）埃菲尔铁塔（4）台北101大厦（509米）（5）上海环球金融中心（492米）5、承受振动荷载影响及地震作用的结构重庆朝天门大桥主桥跨径552米，双层公轨两用桥，全国最大。上层双向6车道，下层是双向轻轨轨道，同时预留2车道，与中央商务区各滨江道相连，同时也是世界最大跨度钢桁架系杆拱桥。6、板壳结构（容器、管道）5000立方米拱顶立式储油罐蒙古国中心油库工艺管道7、其他特种结构（栈桥、管道支架）山东日照港接港工程翻身场施工厂房8、可拆卸或移动的结构（临时性房屋）青岛永源体育用品有限公司加工车间，是由韩国投资建设的2万平方米轻钢结构多层工业厂房。主体结构采用轻钢结构框架体系。楼面板采用钢－混凝土组合楼板。屋面板采用压型钢板，波浪造型的轻钢结构屋面梁轻盈、活泼，克服了工业建筑造型单一、立面造型呆板的缺点。9、轻型钢结构（冷弯薄壁型钢、钢管结构）正在建设中的多层轻钢结构厂房压型钢板外墙板首座钢―混凝土组合结构大跨桥梁10、和混凝土组合成的组合结构深圳彩虹（北站）大桥位于广东省深圳市，全长1.2公里，宽23.5米。主跨为150米下承式钢管混凝土系杆拱桥，跨越火车北站29股道。主拱、桥墩、桥面均采用组合结构，是首座钢-混凝土全组合结构大跨桥梁；预应力钢-混凝土空心板桥面设计，具有独创性；实现了桥梁建设轻型大跨、预制装配、施工快速、关注环境的目标。二、钢结构在我国的发展概述云南的元江桥（400多年前）贵州的盘江桥（300多年前）四川泸定大渡河铁链桥（建于清康熙44年）1.古代(2)铁塔荆州玉泉寺铁塔，济宁铁塔寺铁塔镇江甘露寺铁塔(1)铁链桥：净跨长100米，桥宽2.8米，由九根桥面铁链和四根桥栏铁链构成，每根铁链重达一吨半，锚固直径为20cm，长4m的锚桩上。2.近代经济发展比较落后，帝国主义国家在我国各地修建了一批工业建筑，在上海、天津、武汉和广州等地租界内修建了一些高层房屋并在一些地方修建了铁路、桥梁等。1927年，沈阳黄姑屯机车厂钢结构厂房1928-1931年，广州中山纪念堂钢结构圆屋顶1934-1937年，钱塘江大桥3.建国初期在第一个五年计划开始后的五、六年间，就建造了大批钢结构厂房和矿场，其中主要的有：恢复和扩建的鞍山钢铁公司，武汉钢铁公司和大连造船厂等；新建的有太原、富拉尔基重型机器制造厂，长春汽车制造厂，哈尔滨以及四川的三大动力厂，洛阳拖拉机厂以及一些飞机制造厂等。4.六.七十年代•1959年人民大会堂，钢屋架跨度60米;•1961年北京工人体育馆，94米直径悬索结构，•1967年首都体育馆，屋盖平板网架结构，跨度99米，可容纳观众15000人•1968年南京长江大桥；•1973年上海万人体育馆，屋盖圆形平板网架结构直径达110米；•1978年武汉钢铁公司一米七轧钢厂，耗用钢材12万吨（地上建筑和地下设备各半）5.八十年代以后80年代以后相继建成一批钢结构厂房和高层建筑：上海的金茂大厦、深圳的帝王大厦赛格广场大厦等1995年建成九江长江大桥,11孔,全长12135米，最大跨度216米,采用了新材料,15MnVNq-C级钢。1998年建成长春五环体育馆,