河北工業(yè)大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)課件第一章概述.ppt

本章內(nèi)容：,1.1鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍1.2鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法1.3鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展,由鋼板、熱軋型鋼、冷加工成型的薄壁型鋼以及鋼索制成的工程結(jié)構(gòu)稱之為鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)（steelstructure）有以下特點(diǎn)：,1.1鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍,(1)鋼材強(qiáng)度高結(jié)構(gòu)重量輕（輕質(zhì)高強(qiáng)）由于鋼材強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)需要的構(gòu)件截面小,結(jié)構(gòu)自重輕，運(yùn)輸和安裝方便。a=容重/屈服強(qiáng)度,a越小，結(jié)構(gòu)就越輕。鋼材：a=1.73.710-4/m；鋼砼：a=1810-4/m；木材：a=5.410-4/m。當(dāng)跨度和荷載相同時(shí)，普通鋼屋架的重量?jī)H為鋼筋混凝土屋架重量的1314。若采用薄壁型鋼屋架則更輕。所以鋼結(jié)構(gòu)特別適用于跨度大、建筑物高、荷載重的結(jié)構(gòu)，也適用于要求裝拆和移動(dòng)的結(jié)構(gòu)。,(2)材質(zhì)均勻有良好的塑性和韌性內(nèi)部微觀組織均勻，各向同性，具有良好的塑性(plasticity)和韌性(toughness)。這些物理力學(xué)性能，最符合目前所采用的計(jì)算方法（材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)）的基本假定。所以鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況與計(jì)算結(jié)果最吻合，精度可達(dá)5%左右。,(3)安裝方便施工周期短制作、安裝簡(jiǎn)便，施工精度高，工期短，符合工業(yè)化要求。因此，鋼結(jié)構(gòu)可以降低造價(jià)，節(jié)省投資，提高經(jīng)濟(jì)效益和資金周轉(zhuǎn)率。,(4)密閉性好具有不滲漏性和可焊性(weldability)。常用于氣密性和,(5)鋼結(jié)構(gòu)耐熱但不耐火溫度300時(shí)，鋼材的屈服點(diǎn)和極限強(qiáng)度急劇下降；到達(dá)600左右時(shí)，強(qiáng)度接近于零。故當(dāng)結(jié)構(gòu)表面長(zhǎng)期受輻射熱達(dá)150以上或在短時(shí)間內(nèi)可能受到火焰作用時(shí)，須采用隔熱和防火措施。,(6)鋼結(jié)構(gòu)易銹蝕維護(hù)費(fèi)用大新建的鋼結(jié)構(gòu)必須先除銹，然后刷防銹涂料或鍍鋅，且每隔一段時(shí)間要重復(fù)一次，維護(hù)費(fèi)用較大。若采用不易銹蝕的耐候鋼，則可節(jié)省大量勞動(dòng)力和維護(hù)費(fèi)用，但材料一次投資成本高，目前還較少采用。,水密性要求較高的高壓容器、大型油庫(kù)、煤氣柜、大型管道、船舶等板殼結(jié)構(gòu)。,應(yīng)用范圍：在房屋建筑中，以下情況宜采用鋼結(jié)構(gòu)：(1)重型廠房結(jié)構(gòu)：如冶煉廠的平爐車(chē)間、熱軋車(chē)間、混鐵爐車(chē)間；重型機(jī)械廠的鑄鋼車(chē)間、鍛壓車(chē)間、水壓機(jī)車(chē)間；造船廠的船體車(chē)間；飛機(jī)制造廠的裝配車(chē)間等。(2)大跨度房屋的屋蓋結(jié)構(gòu)：如飛機(jī)庫(kù)，體育館，展覽廳，影劇院，大型交易市場(chǎng)等屋蓋結(jié)構(gòu)。(3)高層及多層建筑：鋼結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)自重輕、構(gòu)件體積小、裝配化程度高，對(duì)高層結(jié)構(gòu)（high-risestructure）特別有利。此外，鋼結(jié)構(gòu)還適用于多層工業(yè)廠房（industrialplantbuilding），如煉油工業(yè)中的多層多跨框架等。,(4)輕型鋼結(jié)構(gòu)輕型鋼結(jié)構(gòu)（lightsteelstructure）是由冷彎薄壁型鋼、薄壁鋼管或小角鋼，圓鋼等組成的結(jié)構(gòu)。(5)其他結(jié)構(gòu)1）塔桅結(jié)構(gòu)2）板殼結(jié)構(gòu)3）橋梁結(jié)構(gòu)4）移動(dòng)式結(jié)構(gòu),返回,1.2鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法1.2.1基本要求,1）保證結(jié)構(gòu)安全可靠。構(gòu)件在運(yùn)輸、安裝和使用過(guò)程中具有足夠的強(qiáng)度、剛度、整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性。2）滿足建筑物的使用要求。建筑外形盡量簡(jiǎn)潔、美觀。3）在設(shè)計(jì)中采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論，新型的結(jié)構(gòu)形式和連接方式。優(yōu)先選用高強(qiáng)度低合金鋼等優(yōu)質(zhì)鋼材，減輕結(jié)構(gòu)自重和節(jié)省鋼材。4）設(shè)計(jì)時(shí)盡量使結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)單，制造、運(yùn)輸、安裝方便，從而縮短施工周期，降低造價(jià)。5）采取有效措施，提高鋼結(jié)構(gòu)的防銹蝕能力和滿足鋼結(jié)構(gòu)的防火要求。,1.2.2設(shè)計(jì)方法及其發(fā)展（1）容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法（allowablestressdesignmethod），即把鋼材可以使用的最大強(qiáng)度，除以一個(gè)安全系數(shù)，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)容許達(dá)到的最大應(yīng)力容許應(yīng)力。表達(dá)式為：,式中：構(gòu)件的設(shè)計(jì)應(yīng)力；鋼材的容許應(yīng)力；Ni根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)荷載求得的內(nèi)力組合值;S構(gòu)件的幾何特性;fy鋼材的屈服點(diǎn);K安全系數(shù).,式中：K1荷載系數(shù);K2材料系數(shù);K3調(diào)整系數(shù)。其他符號(hào)同前。,（3）近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法該方法簡(jiǎn)化了基本變量隨時(shí)間變化的關(guān)系，同時(shí)，將一些復(fù)雜的關(guān)系進(jìn)行了線性化。1989年實(shí)施的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（codefordesignofsteelstructure）（GBJI788）和現(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500172003）均采用此法。,（2）半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法形式表示為：,（4）全概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法即將影響結(jié)構(gòu)安全的各種因素分別采用隨機(jī)變量或隨機(jī)過(guò)程的概率模型來(lái)描述，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行精確的概率分析后，用求得的失效概率直接度量結(jié)構(gòu)的安全性。此法需大量的技術(shù)資料，目前尚不具備條件，世界各國(guó)都還尚未列入規(guī)范。隨著分析理論的發(fā)展和各種技術(shù)資料的豐富與積累，最終必將采用全概率設(shè)計(jì)法。半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法和全概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法也稱為概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的三個(gè)水準(zhǔn)。,1.2.3概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法(1)結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)：當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件超過(guò)某個(gè)特定的狀態(tài)，就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求時(shí)，則此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)分為兩類(lèi)：a.承載能力極限狀態(tài):包括：強(qiáng)度破壞、疲勞破壞、不適于繼續(xù)承載的變形、失穩(wěn)、傾覆、變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系等狀態(tài)。b.正常使用極限狀態(tài):包括：影響正常使用或外觀的變形、影響正常使用的振動(dòng)、影響正常使用或耐久性的局部破壞等狀態(tài)。,結(jié)構(gòu)的工作性能可用結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)來(lái)描述，設(shè)x1,x2,，xn為n個(gè)隨機(jī)變量，則:式中：Z結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)，也可用結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)S和抗力R來(lái)表達(dá)，即:式中：R和S為兩個(gè)基本的隨機(jī)變量，Z是R和S的函數(shù)，也是一個(gè)隨機(jī)變量。,在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中，可能出現(xiàn)下列三種情況：當(dāng)Z0時(shí)，結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；當(dāng)Z0時(shí)，結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)；當(dāng)Z0時(shí)，結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)。由此可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)是結(jié)構(gòu)由可靠轉(zhuǎn)變?yōu)槭У呐R界狀態(tài)。判斷結(jié)構(gòu)是否可靠，要看結(jié)構(gòu)是否達(dá)到極限狀態(tài)，為此，通常將下式：稱為極限狀態(tài)方程。,(2)結(jié)構(gòu)的可靠度結(jié)構(gòu)的可靠性（reliability）包括結(jié)構(gòu)的安全性（safety）、適用性（usability）和耐久性（durability）。而結(jié)構(gòu)的可靠度則是結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量，即結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率。用ps表示結(jié)構(gòu)的可靠度（degreeofreliability），則有：當(dāng)結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)（Z0）時(shí)的概率，稱為失效概率（probabilityoffailure），用pf表示，即:,由于可靠度與失效概率是兩個(gè)相反的概率，兩者的關(guān)系應(yīng)滿足下式：所以，結(jié)構(gòu)可靠度的計(jì)算可以轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)失效率的計(jì)算。用概率的觀點(diǎn)來(lái)觀察結(jié)構(gòu)是否可靠，是指失效概率是否已經(jīng)達(dá)到可以接受的預(yù)定要求。在實(shí)際工程中絕對(duì)可靠的結(jié)構(gòu)（ps1），即失效概率為零（pf0）的結(jié)構(gòu)是沒(méi)有的。,已知功能函數(shù)設(shè)fR(R)和fS(S)分別是結(jié)構(gòu)的抗力R和荷載效應(yīng)S的概率密度函數(shù)，為R和S的聯(lián)合概率密度函數(shù)，R和S是相互獨(dú)立的隨機(jī)變量，則有:,其失效概率為:,由于影響結(jié)構(gòu)可靠度的因素很多，且極為復(fù)雜，求R和S的理論概率密度困難很大，所以目前無(wú)法從上述理論公式直接求出結(jié)構(gòu)的失效概率，這就是目前我們還不能采用全概率設(shè)計(jì)法的原因之一。,(3)可靠指標(biāo)在功能函數(shù)中，R和S是兩個(gè)服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量，可分別求出它們的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，則功能函數(shù)Z也服從正態(tài)分布，有：它的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為：可以求出：,功能函數(shù)ZR-S的正態(tài)分布圖,失效,可靠,從圖中可以看出，與失效概率pf之間存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)值增大時(shí)，陰影面積減小，即失效概率pf減??；反之，當(dāng)變小時(shí)，pf增大。因此，可以作為衡量結(jié)構(gòu)可靠度的一個(gè)數(shù)量指標(biāo)，稱為可靠指標(biāo)（reliabilityindex）。,式中:為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)函數(shù)，只要知道可靠指標(biāo)的數(shù)值，即可查標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)函數(shù)表，求出失效概率。表1.為與pf的對(duì)應(yīng)值。,為了使結(jié)構(gòu)達(dá)到安全可靠與經(jīng)濟(jì)上的最佳平衡，必須選擇一個(gè)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)失效概率或目標(biāo)可靠指標(biāo)，但這是一個(gè)非常復(fù)雜而困難的工作。目前，我國(guó)與其他很多國(guó)家一樣，采用“校準(zhǔn)法”，就是以長(zhǎng)期的工程實(shí)踐為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)原有設(shè)計(jì)的反演分析，找出校準(zhǔn)點(diǎn)，再經(jīng)過(guò)綜合分析后，確定設(shè)計(jì)采用的目標(biāo)可靠指標(biāo)。對(duì)鋼結(jié)構(gòu)各類(lèi)主要構(gòu)件校準(zhǔn)的結(jié)果，一般在3.163.62之間。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定各類(lèi)構(gòu)件的可靠指標(biāo)見(jiàn)表1.2。用于一般工業(yè)與民用建筑物的鋼結(jié)構(gòu)，其構(gòu)件設(shè)計(jì)的目標(biāo)可靠指標(biāo)一般為3.2，鋼結(jié)構(gòu)連接的目標(biāo)可靠指標(biāo)比構(gòu)件略高，一般推薦為4.5。,設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生的后果（危及人的生命、造成經(jīng)濟(jì)損失、產(chǎn)生社會(huì)影響等）的嚴(yán)重性，采用不同的安全等級(jí)。一般工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)可取為二級(jí)，民用建筑鋼結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)可按現(xiàn)行民用建筑等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分。對(duì)于特殊建筑鋼結(jié)構(gòu)，其安全等級(jí)可根據(jù)具體情況另行確定。當(dāng)按抗震要求設(shè)計(jì)時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)應(yīng)符合建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定。,1.2.4鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表達(dá)式采用計(jì)算結(jié)構(gòu)的失效概率或可靠指標(biāo)與所定的最優(yōu)失效概率或目標(biāo)可靠指標(biāo)相比較的設(shè)計(jì)方法較難掌握。現(xiàn)規(guī)范采用分項(xiàng)系數(shù)來(lái)表達(dá)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。1）承載能力極限狀態(tài)按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮荷載效應(yīng)的基本組合，必要時(shí)尚應(yīng)考慮荷載效應(yīng)的偶然組合?；窘M合時(shí)按下列設(shè)計(jì)表達(dá)式中最不利值計(jì)算。,由永久荷載效應(yīng)控制的組合：,對(duì)于一般排架及框架結(jié)構(gòu)，可采用下列簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)表達(dá)式：,由可變荷載效應(yīng)控制的組合：,式中g(shù)0結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對(duì)安全等級(jí)為一級(jí)和設(shè)計(jì)使用年限為100年及以上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于1.1，對(duì)安全等級(jí)為二級(jí)和設(shè)計(jì)使用年限為50年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于1.0，對(duì)安全等級(jí)為三級(jí)和設(shè)計(jì)使用年限5年及以下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于0.9；gG永久荷載分項(xiàng)系數(shù)，一般情況下對(duì)式（1.15）、（1.17）取1.2；對(duì)式（1.16）取1.35；當(dāng)作用效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)取1.0；對(duì)抗傾覆和滑移有利時(shí)可取0.9；gQi第一個(gè)和其它任意第個(gè)可變荷載的分項(xiàng)系數(shù),一般情況取1.4（第一個(gè)可變荷載取可變荷載中最大者）；當(dāng)樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值4kN/m2時(shí)取1.3；,SGK按永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的荷載效應(yīng)值；SQ1k、SQik按第一個(gè)和其它任意第個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的可變荷載效應(yīng)。ci第i個(gè)可變荷載的組合值系數(shù),按建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范的規(guī)定采用；簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)表達(dá)式中采用的荷載組合系數(shù)，一般情況取0.9，只有一個(gè)可變荷載時(shí)取1.0；R()結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力函數(shù)gR結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力分項(xiàng)系數(shù)，其值應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范對(duì)各類(lèi)材料的規(guī)定；fk材料性能的標(biāo)準(zhǔn)值；,k幾何參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值；當(dāng)幾何參數(shù)的變異性對(duì)結(jié)構(gòu)性能有明顯影響時(shí)，可另增減一個(gè)附加值考慮其不利影響。對(duì)于荷載效應(yīng)的偶然組合，應(yīng)按現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載規(guī)范確定。,在工程應(yīng)用中，考慮到鋼結(jié)構(gòu)主要為單一材料制成，而且設(shè)計(jì)人員習(xí)慣于用應(yīng)力形式表達(dá)和計(jì)算，故也可將計(jì)算公式（1.15）寫(xiě)成應(yīng)力表達(dá)式:,式中f=fy/gR,稱為鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。,2）正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)(serviceabilitylimitstates)為結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用的某項(xiàng)規(guī)定限值時(shí)的極限狀態(tài)。按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，除鋼與混凝土組合梁外，只考慮荷載短期效應(yīng)組合。,式中：C結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到正常使用要求的規(guī)定限值，如變形、裂縫、振幅等，按相關(guān)規(guī)范的規(guī)定采用。,返回,對(duì)于正常使用極限狀態(tài)，要求分別采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合和準(zhǔn)永久組合，并使變形等不超過(guò)相應(yīng)的規(guī)定限值。對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)只考慮荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合，其表達(dá)式為：,1.3鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展,鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，與鋼鐵產(chǎn)量和鋼鐵冶煉技術(shù)有著密切的關(guān)系。我國(guó)是最早用鋼鐵建造橋梁等承重結(jié)構(gòu)的少數(shù)幾個(gè)國(guó)家之一。,公元前二百多年（秦始皇時(shí)代）用鐵建造橋墩公元60年前后（漢明帝時(shí)代）鐵鏈懸橋,世界上最古老的鐵橋和我國(guó)古代的一些紀(jì)念性建筑,盤(pán)江橋,大渡河橋,玉泉寺鐵塔,鐵塔寺鐵塔,甘露寺鐵塔,18世紀(jì)歐洲工業(yè)革命以后，我國(guó)由于長(zhǎng)期受封建主義社會(huì)制度的束縛，特別是1840年鴉片戰(zhàn)爭(zhēng)以后，鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展非常緩慢，與歐美各國(guó)差距拉大。但在這段時(shí)期，也建造了一些鋼結(jié)構(gòu)廠房、橋梁等工程。,1931年建成的廣州中山紀(jì)念堂屋頂鋼結(jié)構(gòu),1937年建成的杭州錢(qián)塘江大橋,1949年新中國(guó)成立以后，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論、學(xué)術(shù)水平、制造和安裝技術(shù)都有了很大的提高，建造了大量的鋼結(jié)構(gòu)廠房和民用建筑，其規(guī)模和技