钢结构课件全套_1-4章

1.了解钢结构的特点和应用。2.掌握钢结构的设计方法和设计要求。3.了解钢结构的发展概况。1.1钢结构的特点1.2钢结构的设计方法1.3钢结构的设计规范1.4钢结构的应用和发展1.5本课程的主要内容和特点本章目录基本要求第1.1节钢结构的特点1.钢结构的定义2.钢结构的特点了解钢结构的定义和特点本节目录基本要求1.1.1钢结构的定义定义：由钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢等钢材为主建造的工程结构，称为钢结构。如高层建筑、大跨桥梁、高耸的塔等。钢结构是土木工程的主要结构形式之一。钢结构与混凝土结构、砌体结构等都属于按材料划分的工程结构的不同分支。1.1.2钢结构的特点1、强度高，结构重量轻由于钢材强度高，结构需要的构件截面小，结构自重轻。a=容重/强度，a越小，结构相对越轻。钢材：a=1.7～3.7×10-4/m木材：a=5.4×10-4/m钢砼：a=18×10-4/m1.1.2钢结构的特点2、材质均匀，塑性和韧性好主要表现在：（1）钢材在使用阶段接近理想弹塑性体，这使得理论计算与实际情况相吻合。（2）钢材具有良好的塑性和韧性，不会因偶然的超载而破坏，对动力荷载适应性强。钢结构的抗震性能优于其它结构。1.1.2钢结构的特点3、便于工业化生产，施工周期短钢结构构件一般可以在专业化工厂由专门机具加工，生产效率高，且不受气候影响。1.1.2钢结构的特点4、密闭性好，不渗漏钢材本身组织致密，因而具有良好的气密性和水密性。5、良好的加工性能和焊接性能6、可重复使用性1.1.2钢结构的特点7、耐热性较好，耐火性差钢材在表面温度不超过200℃时,其性能变化很小,因而适合于热车间。温度超过200℃以后，强度和弹性模量显著下降。达600℃时,钢材进入塑性状态已不能承载。1.1.2钢结构的特点新建钢结构，一般都需要采用油漆、喷铝、镀锌等进行防锈涂装，在涂装前需认真除锈，以后定期涂装，所以维修费用较高，这是钢结构的主要缺点。8、耐腐蚀性差1.1.2钢结构的特点在动荷载作用下，钢结构容易因震动而产生噪声，在对环境有要求的场所需采用必要的消声措施。9、低温冷脆倾向10、容易发生噪声第1.2节钢结构的设计方法1.概述2.概率极限状态设计法3.规范设计表达式1.了解钢结构的设计准则和设计方法本节目录基本要求2.掌握现行规范设计方法和设计表达式1.2.1概述1、设计目的结构设计的目的是要使设计的结构和结构构件在施工和工作过程中均能满足各种预定功能的要求。建筑结构功能包括：（1）安全性（2）适用性（3）耐久性2、设计准则结构由各种荷载所产生的效应(内力和变形)不大于结构(包括连接)由材料性能和几何因素等所决定的抗力或规定限值。3、设计方法（1）容许应力方法[](1-1)kfk式中σ——由标准荷载与构件截面公称尺寸所计算的应力；fk——构件截面几何特征；K——大于1的安全系数；[σ]——钢材的容许应力。（2）概率极限状态设计方法根据应用概率分析程度的不同，可分为三种水准：半概率极限状态设计方法;近似概率极限状态设计方法;全概率设计方法。3、设计方法1.2.2概率极限状态设计方法1、半经验半概率极限状态设计法123-[](12)ykykffKKKK＝式中K1——荷载系数；K2——材料系数;K3——调整系数；fyk——钢材的屈服强度标准值；[σ]——钢材容许应力。2、近似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时，此特定状态称为该功能的极限状态。现行钢结构设计规范（GB50017－2003）采用该法。(1)极限状态的概念(2)极限状态分为两类b.正常使用极限状态:包括：影响正常使用或外观的变形、影响正常使用的振动、影响正常使用的或耐久性的局部破坏等状态。a.承载能力极限状态:包括：强度破坏、疲劳破坏、不适于继续承载的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。结构的工作性能可用结构的“功能函数”来描述，一般情况：Z＝g（x1，x2，…，xn）（1-3）(3)功能函数和极限状态方程式中g（·）——结构的功能函数；xi(i＝1,2,…n)——影响结构可靠性的各物理量。为简化，将各因素概括为两个综合随机变量—结构抗力R和作用效应S，则式（1-3）可写成：Z＝g（R，S）＝R－S（1-4）在实际工程结构中，可能出现下列三种情况：Z＞0表示结构处于可靠状态Z＝0表示结构处于极限状态Z＜0表示结构处于失效状态判断结构是否可靠，要看结构是否达到极限状态，为此，通常将下式：Z＝g（R，S）＝R－S=0(1-5)称为极限状态方程。(4)结构可靠度和失效概率可靠度是指结构在规定的时间内、规定的条件下，完成预定功能的概率。结构能完成预定功能的概率(可靠度)用Ps表示，则：结构不能完成预定功能的概率(失效概率)用Pf表示，则：由于事件｛Z≥0｝与事件{Z＜0｝是对立事件，所以结构的可靠度与结构的失效概率满足:Ps＝P{Z≥0}（1-6）Pf＝P{Z0｝（1-7）Ps＋Pf＝1或Ps＝1-Pf（1-8）已知Z的概率密度曲线fz(z)如图1.2.1，则失效概率可用积分求得：fz(z)Pfμz图1.2.1Z的概率密度曲线Z=R-SZ0(0)()(19)fPPZfZdZ(5)可靠指标因Z的分布很难得到，因此式（1-9）实际上很难求出，这使概率设计法一直不能付诸实用。20世纪60年代末期，美国学者康奈尔提出系统的一次二阶矩设计方法，才使得概率设计法进入实用阶段。一次二阶矩法不直接计算Pf，通过可靠指标β度量。可靠指标22RSZZRS（1-10）Z服从标准正态分布时，β与Pf的关系为：式中:φ(·)—标准正态函数；φ-1(·)—标准正态函数的反函数。1ff(1)(111)()(112)PP从图1.2.1中可以看出β与失效概率Pf间存在着一一对应关系，即:1）β减小时，阴影部分的面积增大，即失效概率Pf增大；说明β可以作为衡量结构可靠度的一个数量指标。2）β增大时，阴影部分的面积减少，亦即失效概率Pf减小。2.52.73.23.74.2Pf5×10-33.5×10-36.9×10-41.1×10-41.3×10-5正态分布时可靠指标和失效概率的对应关系β计算避开了Z的全分布的推求，而只需要分布特征值，即一阶原点矩和二阶中心矩，故此得名。3、全概率极限状态设计法对结构的各种基本变量均采用随机变量或随机过程来描述，对结构进行精确的概率分析，求得结构最优失效概率作为结构可靠度的直接度量。1.2.3规范设计表达式为了便于应用并符合人们长期以来的习惯，规范并不直接使用β进行设计，而是采用以概率理论为基础的极限状态设计方法(疲劳问题除外)，用分项系数的表达式进行计算；结构的可靠度用可靠度指标来度量，并以分项系数的形式考虑。我国规范分别按承载能力和正常使用极限状态设计给出表达式。1、承载能力极限状态分项系数表达式1012()113nGkQkQikGQciiQif（）1()(114)nGkQikoGQiciif可变荷载效应起控制作用时：永久荷载效应起控制作用时：对于一般排架和框架结构：01(115)()nGGkQiQikif（1）永久荷载分项系数G当其效应对结构不利时—对可变荷载效应控制的组合，应取1.2—对永久荷载效应控制的组合，应取1.35当其效应对结构有利时—一般情况下应取1.0—对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。（2）可变荷载的分项系数Q—一般情况下应取1.4；—对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载，标准值应取1.3。f—钢材或连接材料强度设计值;fk—钢材或连接材料强度标准值;R—钢材或连接材料抗力分项系数，对于Q235钢,R=1.087;对于Q345、Q390、Q420钢,R=1.111。钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。(116)kRfRfA其中：式中：2、正常使用极限状态对于正常使用极限状态，要求分别采用荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计，并使变形等设计值不超过相应的规定限值。对于钢结构只考虑荷载的标准组合。12(1-17)nGkQkciQiKi式中：νGk——永久荷载标准值在结构或构件中产生的变形值；νQ1k——起控制作用的第1个可变荷载的标准值在结构或结构构件中产生的变形值（该值使计算结果为最大）；νQik——其他第i个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值；[ν]——结构或结构构件的变形容许值。第1.3节钢结构的设计规范1.概述2.主要设计规范1.了解与钢结构有关的主要设计规范本节目录基本要求1.3.1概述1、什么是设计规范设计规范是国家颁布的关于设计计算和构造要求的技术规定和标准，是带有一定约束性和立法性的文件。2、颁布设计规范的目的（1）贯彻国家技术经济政策、保证设计的质量，达到方法上必要的统一化和标准化。（2）设计、校核、审批工程结构的依据。1.3.2主要设计规范与钢结构设计有关的一些规范：GB50017－2003钢结构设计规范TB10002.2-2005《铁路桥梁钢结构设计规范》GB50009-2001建筑结构荷载规范GB50018-2002冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50205-2001钢结构工程施工质量验收规范JTJ025-86公路桥涵钢结构及木结构设计规范GB50017-2003是我国进行房屋建筑和一般构筑物钢结构设计必须遵循的现行国家标准，适用于热轧钢材建筑的钢结构，规范中对钢结构的设计原则、采用的钢材要求、各种设计指标、三大基本构件的计算内容和要求，连接计算方法、构造要求以及疲劳计算等都做了明确的规定，供设计人员遵照执行。第1.4节钢结构的应用和发展1.钢结构的应用概况2.钢结构的发展3.钢结构应用示例1.了解钢结构的应用和发展本节目录基本要求1.4.1钢结构的应用概况根据钢结构的特点，它主要适用于下列结构：（1）承受荷载很大或跨度大，高度大的结构（2）承受动力荷载作用或经常移动的结构（3）经常拆装的拼装式结构（4）对密闭性要求高的结构（5）高温车间或需承受一定高温的结构（6）轻型结构属于上述性质的主要有下列结构:（1）工业与民用建筑结构高层建筑框架；车站、会堂、体育馆、车库等大跨度屋盖结构；大厂房、车间的承重柱、屋盖、吊车梁。（2）桥梁结构中等跨度或大跨度的铁路桥、公路桥、栈桥等各种桥的桥跨结构。（3）塔桅结构电视塔、发射塔、气象塔、无线电桅杆等。（4）移动式结构各种起重运输机械、和大型建筑机械的承重骨架，升船机、水工闸门等。（5）板壳结构管道、气柜、高炉结构、高压容器等。（6）轻型和临时结构钢模板、钢拱架、万能杆件、拆装梁（如六四梁）等。1.4.2钢结构的发展18世纪欧洲工业革命后，钢结构在欧洲各国的应用逐渐增多，而我国钢结构的发展非常缓慢。新中国成立后，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。改革开放以来，钢结构产量开始逐渐增加。1996年我国的钢产量超过一亿吨，2003年达到创记录的2.2亿吨，2005年上升到3.5亿吨。伴随钢结构产量的增加，钢结构政策从限制使用改为积极合理的推广应用。钢结构在现代应用的领域更加多元化，包括大跨结构、工业厂房、受动力荷载影响的结构、多层和高层建筑、高耸结构、可拆卸结构、容器构筑物以及钢和混凝土的组合结构等。钢结构的主要发展方向：（1）高性能钢材的研制——高强，耐腐蚀，耐火钢（2）计算理论和设计方法的改进（3）结构体系的革新和新型连接形式的研究（4）结构优化理论的应用和设计计算手段的改变（5）机械化制造与安装的现代化水平的提高（6）型钢品种的丰富1.4.3钢结构应用示例1、建筑结构图1.4.1国家大