同济大学钢结构基本原理课件--赵宪忠

1钢结构基本原理Basicprinciplesofsteelstructures赵宪忠[e-mail]为什么学习钢结构基本原理？定位：本课程在知识架构中的位置钢结构基本原理vs.钢结构设计本课程的核心内容本课程的主要结论本课程的学习方法结构设计冶金钢材制作构件+节点安装结构体系荷载强度、稳定性、变形能力内力、变形、振动S≤R基于性能的设计要求:安全性、使用性、耐久性课程目标力学原理→设计原理→工程设计钢结构构件与连接的工作性态与设计原理课程大纲(合计45课时)绪论=2钢结构材料=6受拉构件=4轴心受压构件(柱)=8受弯构件(梁)=7压弯构件=7钢结构连接=8桁架/框架/拱与杆件=3课程大纲Syllabus绪论主要内容什么是钢结构？[what]→钢结构初步概念为何选用钢结构？[why]→钢结构的特点何时何处宜用钢结构？[where&when]→钢结构的应用范围→钢结构的主要结构形式钢结构发展现状和前景结构设计原理与设计概念钢结构初步概念建筑→结构→钢结构建筑结构钢结构2钢结构初步概念定义&范围钢结构:以结构钢作为主要承重体系构件的工程结构称为钢结构钢结构混凝土结构PK钢结构，钢筋混凝土结构，钢管混凝土结构，钢-混凝土组合结构…钢书架钢窗框钢制家具……钢结构?Yes,but本课程特指建筑、桥梁以及各类构筑物中作为主要承重体系的钢结构[强度、刚度、耗能]钢结构也包括工程结构中的子结构或局部关键构件采用钢结构SHANGHAISTADIUMSteelroof+concretestandSHANGHAIGRANDTHEATERSteelroof+concretecolumns钢结构初步概念定义&范围钢结构初步概念定义&范围构件：承重体系中有着独立的力学功能的基本单元，可以是杆件(member)、板件(element)、索(cable)等单元或这些单元的组合cable钢结构的特点优点强度高强重比大(单位重量材料的强度高)塑性好、抗震性能好发展较大的变形而不断裂抗震性能好材料韧性好；结构质量轻，地震作用小材质均匀性好较符合理想弹塑性材料，与计算假定吻合度高工业化程度高，施工便捷强度高[强重比大]ByM.F.Ashby塑性好、匀质性好3工业化程度高、施工便捷钢结构的特点缺点耐腐蚀性差维护费用高/薄壁构件危险性大耐火性能差材料薄、热耗少；防火涂层费用高稳定问题突出压力作用下的细长杆疲劳/断裂问题也较突出钢材价格相对贵各类建筑物（楼房、公共建筑、工厂等）高层建筑(Multi-storey&high-risebuildings)大跨结构(Long-spanstructures)塔桅结构(Tower&maststructures)轻型或重型厂房(Portalframes/heavydutyplants)桥梁（公路桥、铁路桥）构筑物（塔、罐、管道）水工结构（水闸）轻型农业结构可拆移、开合的结构推而广之的“结构物”：工程支护、机械车辆、船舶……钢结构的应用范围Long-spanstructuresAirportterminalsStadiumsExhibitioncentresTheatresTrainstationsHigh-risebuildingsHigh-risebuildings迪拜哈里发大厦828m4Tower&MaststructuresTVTowerEiffelTowerTVTowerBuildingsofheavydutyplantPortalframes桥梁水工结构构筑物农业设施5城市景观建筑可拆卸结构：国际网球大师杯赛看台开合结构：上海网球场Oh,heiscoming…开合结构：南通体育场开合结构：南通体育场风能结构6其他：地下工程支护结构其他：机械、车辆、船舶……钢结构的主要结构形式以建筑与桥梁为例桁架结构（杆系）Barortrussmembers框架结构（杆系）Beamsandcolumns网架与网壳结构（杆系）latticedstructureordome拱与拱架结构（曲杆）板式结构（板）预应力结构（柔性构件与刚性构件的组合）梁式桥桁架桥拱桥斜拉桥悬索桥主要结构形式桁架结构（杆系）主要结构形式框架结构（杆系）主要结构形式网架与网壳（杆系）7主要结构形式拱与拱架（曲杆）主要结构形式板式结构（板）主要结构形式预应力结构主要结构形式预应力结构：张拉整体主要结构形式桥梁：桁架桥主要结构形式桥梁：斜拉桥8主要结构形式桥梁：拱桥主要结构形式桥梁：悬索桥钢结构发展现状和前景State-of-the-art&prospectivemarket综合效益高技术：制造和安装精度(mm)、自动化、拉动相关产品经济：缩短现场工期、加快资金周转、减轻结构重量环境：水环境、大气环境（CO2）资源：结构可拆、可移；材料再生(Reuse,Reduce&Recycle/removable)应对能源、环境、气候问题的钢结构为什么应用钢结构有利于节能、减排、应对气候问题？材料高强度降低用材，减少采矿、冶金生产耗能与碳排轻量化，减少运输、建造的耗能与碳排减小建筑结构构件尺度，节约土地面积材料可循环，结构可拆装重复使用中的节能、节材、减排减少废弃物对环境污染工业化制造减少湿作业对环境污染适应城镇化进程的钢结构中国城镇化目标城市化率由2001年37%2050年75%以上，2020年达到60%左右预期2005~2020年转移农村人口3亿以上，2050年累计6~7亿城镇化快速发展对工程建造速度的要求需求：新增建筑（住房、学校、医院、体育娱乐、商店等）、交通（高铁、公路、地铁及桥梁、隧道、机场等）、产业设施等特点：工程量大，建造期短对策：标准化要求、工厂化制作、装配化建造适合钢结构产业体现力学性能优势的钢结构高层结构（伴随城镇化的土地集约需求）材料高强轻质：据统计，高层建筑中钢结构15kN/m2砼结构20kN/m2楼层越高，S结构设计总重力相对RC越小结构构件面积↓,基础结构造价↓结构延性韧性：适合柔性变形，减轻地震作用，增大耗能能力大跨度结构钢材受拉强度大、强重比大的优点可以实现轻质大跨结构9钢结构发展现状和前景State-of-the-art&prospectivemarket发展预测国家战略、钢材市场和技术水平材料、结构体系、制作和施工技术、设计理论市场建筑：办公建筑、公共建筑、工业建筑桥梁：跨海桥、跨山桥、普通江河桥其他：构筑物、交通设施、水工水利设施、农业设施更广阔的发展领域广义的金属结构：不锈钢、铝合金等组合或混合结构：S-RC组合结构由土木和社会基础设施转向其他领域钢产量2007yoveralloutputoftheworldbefore19662008y2nd-8thoutput0100200300400500600ChinaJapanAmericaRussiaIndiaKoreaGermanyUkraineRawsteeloutput,Mt200720062005200420032Japan120.23USA97.24Russia72.75Italy53.16Korea51.47Germany48.58Ucran42.82~8Sum.485.9No.NationsOutput/Mt1China489.2钢消费Crudesteelconsumedkg/headForecastaverage2017=550kg/head2007-2017750450360CoastalCentralWesternRegionalKg/head2006434227170CoastalCentralWesternKg/head2017Nationalaverage2007=340kg/headData:CRU,NBS,CISA050,000100,00019601970198019902000Ｋ㎡WoodenSteelR.CSteelR.COthersyear日本市场潜力结构设计概念冶金钢材制作构件+节点安装结构体系荷载强度、稳定性、变形能力内力、变形、振动S≤R基于性能的设计要求:安全性、使用性、耐久性结构设计概念荷载力学单元构件约束条件连接模型荷载作用???10结构设计概念力学分析模型力学单元构件约束条件连接模型荷载作用???结构设计概念荷载材料力学结构力学弹性力学塑性力学结构设计概念冶金钢材制作构件+节点安装结构体系荷载强度、稳定性、变形能力内力、变形、振动S≤R基于性能的设计要求:安全性、使用性、耐久形结构设计概念冶金钢材制作构件+连接强度、稳定性、变形能力材料力学Yougotahighlevel?受拉构件轴心受压构件受弯构件压弯构件连接与节点结构设计概念Structuraldesignmaybedefinedasamixtureofartandscience,combiningtheexperiencedengineer’sintuitivefeelingforthebehaviorofastructurewithasoundknowledgeoftheprinciplesofstatic,dynamic,mechanicsofmaterials,andstructuralanalysis,toproduceasafe,economicalstructurethatwillserveitsintendedpurpose.KnowledgeExperienceIntuition结构设计概念确保强度、稳定、刚度、经济刚度强度稳定经济AllOK!刚度不足(需增大E)强度不足(需增大y)稳定性不足太重了(需降低)11结构设计概念与原理S≤RfRRfsSRaRnSaSnSnRn客观的Rd-Sd0Sn≤RnSnRnSd≤Rd主观的可接受的:安全性的可接受度经济性的可接受度fR-S结构设计概念与原理RaSaSnRn结构设计方法—容许应力法（ASD）—分项系数法（LRFD）∑ψSn≤Rn/K∑γSψSn≤Rn/γRfd设计一个可接受的安全的结构设计一个在给定条件下最合理的结构结构设计概念与原理结构设计与建造经验原理教材规范软件基本理论材料标准设计规范制作标准验收标准结构的破坏模式解决对策理想模型的受力机理材料力学，弹性力学…运用已有的力学知识解决工程问题的主要矛盾理想模型向工程实际转变工程实际：几何缺陷，力学缺陷理论+实际，归纳，设计公式设计与构造措施经验与直觉：感性认识学习方法与学习要求学习方法基本学习环节听课：出勤、笔记、预习读书：教材、其他专著、论文书面作业：习题口头作业：答问、质疑、讨论实验：演示型和设计型考试：期中和期末考试更积极地学习方式提问与讨论：向自己提问并设法自己寻求答案扩大知识面：结合工地经验、观摩试验争取实践机会：参加结构设计竞赛、加入科研和工程设计学习方法与学习要求学习要求30%10%60%材料或构件(连接)脆性断裂和塑性断裂整体失稳（杆件或整体结构）局部失稳塑性过度发展结构变成机构，失去几何稳定性疲劳破坏钢结构可能的破坏模式12材料或构件(连接)脆性断裂和塑性断裂钢结构可能的破坏模式整体失稳（杆件或整体结构)钢结构可能的破坏模式局部失稳钢结构可能的破坏模式塑性过度发展钢结构可能的破坏模式原试件MCP-1MPP-1失去几何稳定性疲劳破坏钢结构可能的破坏模式yourtask:防止各种破坏模式的发生钢结构可能的破坏模式13结构设计概念应对能源、环境、气候问题的钢结构纪元前工业革命1960s1980s2000s土地水矿产木材煤炭石油天然气寂静的春天/美国农药污染，1962水俣病/熊本化工污染，1956烟雾5天致死4000/伦敦燃煤污染，1952大气环境土地环境水环境能源（资源）环境气候与减排个体生存族群生存种群延续汽车尾气工业废弃物和生活垃圾水体富氧化太阳能风能潮汐能