钢结构第一章 概述

1钢结构基本原理主讲：陈娟，副教授[e-mail]2第一章概述1.1钢结构的特点和应用1.3钢结构的组成原理1.2钢结构的构造过程和内在缺陷1.5钢结构的发展1.4钢结构的极限状态和概率极限状态3第一章概述基本要求：掌握钢结构的特点及应用范围；了解钢结构的组成原理和钢结构的发展方向；知道钢结构的建造过程和内在缺陷及钢结构的极限状态和概率极限状态法。重点：掌握钢结构的特点及应用范围。难点：理解钢结构的计算方法。4钢结构：由钢板、热轧型钢、冷加工成型的薄壁型钢以及钢索制成的工程结构称为钢结构。1.1钢结构的特点和应用5钢结构的特点1.1钢结构的特点和应用一、钢结构的特点和应用材料的强度高，塑性和韧性好材质均匀，和力学计算的假定比较符合钢结构制造简便，施工周期短钢结构的质量轻钢材耐腐蚀性差钢材耐热但不耐火61.1钢结构的特点和应用二、钢结构的应用范围1.大跨度结构国家大剧院大圆壳长218米、宽146米、高46米、厚3米。12万m2，由歌剧院（2500座）、音乐厅（2000座）、戏剧场（1200座）位和小剧场（300至500座）四大部分组成。71.1钢结构的特点和应用南京奥体中心主体育场：屋盖为直径285.6m的圆，建筑面积13.6万m2，6万个座位。结构采用钢拱（钢管桁架，钢管直径1m）、钢箱梁（宽0.5m，高1.12.1m）、支撑杆件组合结构。钢拱跨度360.6m，45度斜放。81.1钢结构的特点和应用9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。101.1钢结构的特点和应用2.重型厂房结构鞍钢1700连铸主厂房工程鞍钢大连镀锌线主厂房工程111.1钢结构的特点和应用3.受动力荷载作用的结构桥梁吊车梁121.1钢结构的特点和应用4.可拆卸的结构应用于建筑、铁路、公路、水利、商业、旅游和军事等领域的办公室、指挥部、宿舍、会议室、仓库、商店及各种临时用房。131.1钢结构的特点和应用海上采油平台：东海平湖平台可供90人居住、工作、娱乐。141.1钢结构的特点和应用5.高耸结构和高层建筑151.1钢结构的特点和应用110层，高度约412m161.1钢结构的特点和应用6.容器和其他构筑物17三峡水利枢纽工程中的发电机组采用的压力钢管内径达12.4m，板厚达60mm。1819神州飞船发射塔201.1钢结构的特点和应用7.轻型钢结构厂房、库房、体育馆展览馆机场机库211.1钢结构的特点和应用221.1钢结构的特点和应用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!!231.1钢结构的特点和应用241.2钢结构的建造过程和内在缺陷一、钢结构的建造过程工厂制造工地安装钢材验收、整理和保管放样、下料加工整平装配矫正除锈、涂漆现场的扩大拼装吊装就位调整位置、固定251.2钢结构的建造过程和内在缺陷二、钢结构的内在缺陷几何缺陷材料缺陷261.3钢结构的组成原理一、跨越结构1937年建成的杭州钱塘江大桥271.3钢结构的组成原理281.3钢结构的组成原理291.3钢结构的组成原理二、高耸结构高层房屋结构塔架结构桅杆结构301.4钢结构的极限状态和概率极限状态法一、钢结构的极限状态极限状态：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，此特定状态就称为该功能的极限状态。钢结构的极限状态承载能力极限状态正常使用极限状态出现影响正常使用的变形、振动和局部破坏倾覆强度破坏疲劳破坏丧失稳定结构变为机动体系出现过度塑性变形不可逆的，导致结构失效可逆的，引起人的不适311.4钢结构的极限状态和概率极限状态法二、结构的荷载效应分析弹性分析非弹性分析荷载效应的分析方法一阶分析法二阶分析法321.4钢结构的极限状态和概率极限状态法三、钢结构设计变迁1957年以前：采用总安全系数的容许应力计算法；1957～1974：采用三个系数的极限状态计算法；1974～1989：采用以结构极状态为依据，进行多系数分析，用单一的系数表示的容许应力计算法；1989～：采用以概率论为基础的极限状态设计法。331.5钢结构的发展传统的容许应力法和最大荷载法（统称单系数法）（1957年以前）；7.1~4.1kkfy安全系数实际应力缺点：安全系数凭工程经验确定的一定值，这样，各种构件的可靠性将不能保证比较一致的水平。341.5钢结构的发展三系数极限状态设计法（1957～1974）特点：明确提出了两种极限状态，采用三个系数来考虑结构构件的安全储备问题，避免单一安全系数的缺陷。123123iyikNkkfskkkNs超载系数材料均匀系数工作条件系数荷载引起的内力构件的几何特性缺点：•材质均匀系数概念重复。•强度标准不是明确概率取值，而是取钢的废品限值，不符合概率方法。351.5钢结构的发展321][kkkkkfsNyi缺点：各种载荷并不相同，各种构件承受荷载的情况也不一定相同，构件的几何尺寸变异并不完全一致，采用统一的安全系数显然不可能获得相同的安全度。以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一安全系数的容许应力计算法以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一安全系数的容许应力计算法（1974～1989）361.5钢结构的发展以概率为基础的极限状态设计法（1989～）•把各种参数（载荷效应、结构抗力等）作随机变量，运用概率分析法并考虑变异性来确定设计采用值。•把概率分析引入结构设计方法，显然比容许应力法先进，标志我国在设计理论上前进了一大步，迈入了国际先进水平。371.4钢结构的极限状态和概率极限状态法四、概率极限状态法1、极限状态：当结构或构件的抗力等于荷载效应时，此结构或构件达到极限状态。2、极限状态设计法：是以概率理论为基础，把有变异性的设计参数通过概率分析引入结构设计中。根据应用概率分析的程度分为三种水准：半概率极限状态设计法；近似概率极限状态设计法；全概率极限状态设计法。38SRZ0结构处于可靠状态=0结构处于极限状态0结构处于失效状态结构的抗力荷载对结构的综合效应极限状态方程：1.4钢结构的极限状态和概率极限状态法391.4钢结构的极限状态和概率极限状态法3、可靠度结构的可靠性包括结构的安全性、适用性和耐久性。而结构的可靠度则是结构可靠性的概率度量，即结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。用ps表示结构的可靠度。当结构处于失效状态（Z＜0）时的概率，称为失效概率，用pf表示，即:s(0)ppZf(0)ppZsf1pp40结构可靠就是指失效概率小到人们可以接受的程度。可接受的失效概率为万分之几。设计中，荷载、材料强度等指标大都是随机变量，多呈正态分布，一些非正态分布的随机变量（如风载）可以通过数学变换成当量的正态分布。故此认为R、S为正态分布。所以，极限状态函数Z=R-S也是正态分布的随机变量。失效概率:0-dfpfzz1.4钢结构的极限状态和概率极限状态法Z很难求出，而Z的特征值较易求。411.4钢结构的极限状态和概率极限状态法z可靠失效zZf(z)Z=R-SoZ功能函数Z的概率密度曲线值越大，pf就越小，经理论计算，β与pf是一一对应的。可以作为衡量结构可靠度的一个数量指标。称为“可靠指标”。22SRSRzzzz令从图中看出，pf与μz至原点的距离有关，则β与μz之间存在相应关系pf对应查出222SRZSRz平均值：标准差：Z的421.4钢结构的极限状态和概率极限状态法由于R、S采用了近似的正态分布，故算得的β、pf值是近似的，故称为近似概率极限状态设计法。由于Z的分布很难求出，pf计算复杂，采用β代替pf来度量结构的可靠性。据统计资料，知R、S平均值和标准差后，即知β。431.4钢结构的极限状态和概率极限状态法3.设计表达式0SRZSR引入结构重要性系数01.1重要结构0.9次要结构1.0一般结构0RS按可靠指标设计不易掌握，«规范»将极限状态设计公式等效地转化为分项系数设计公式。为了便于应用并符合人们长期以来的习惯，利用式:来完成。就设计而言，问题被转化为计算效应S和抗力R。RS分项系数不是凭经验而定，是以可靠指标β为基础采用概率设计法求出。441.4钢结构的极限状态和概率极限状态法4.荷载组合（荷载效应S）应考虑基本组合偶然组合：由可变荷载效应控制的组合由永久荷载效应控制的组合1）承载能力极限状态分项系数表达式取最不利组合偶然设计状况（如撞击、爆炸、火灾等）451.4钢结构的极限状态和概率极限状态法由永久荷载效应控制的组合：0GGkQiciQikd1njSSf0GGkQ1Q1kQiciQikd2njSSSf由可变荷载效应控制的组合：对于一般排架及框架结构，可采用下列简化的设计表达式：0GGiQQk1niiiSSf只有一个可变荷载：ψ=1有多个可变荷载：ψ=0.91）承载能力极限状态分项系数表达式（基本组合）46fd或f——钢材或连接材料强度设计值。kdRff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；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。（P335，附录3、4）1.4钢结构的极限状态和概率极限状态法471.4钢结构的极限状态和概率极限状态法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。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。481.4钢结构的极限状态和概率极限状态法注意：①基本组合中的设计值适用于荷载与荷载效应线性的情况；②SQ1K无法判断时，轮次以各可变荷载为SQ1K，然后取不利者；③当考虑以竖向的永久荷载效应控制的组合时，可变荷载仅取竖向荷载；491.4钢结构的极限状态和概率极限状态法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。υGk--永久荷载标准值在结构或构件中产生的变形值；υQ1k—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）；12nGkQkciQiKi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]--结构或结构构件的容许变形值。501.5钢结构的发展一、结构用钢的新发展高强度高性能钢、低屈服点钢和耐火钢的开发和应用；Q420钢，该钢材已应用在九江长江大桥建设；压型钢板、薄壁型钢应用。二、新型结构体系的应用和发展网架和网壳结构张弦桁架悬挂结构变截面轻钢门式刚架金属拱型波纹屋