鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展

第一章緒論§1-1鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展鋼(steel)是鐵碳合金，人類采用鋼結(jié)構(gòu)的歷史和煉鐵、煉鋼技術(shù)的發(fā)展是密不可分的。早在公元前2000年左右，在人類古代文明的發(fā)祥地之一的美索不達(dá)米亞平原（位于現(xiàn)代伊拉克境內(nèi)的幼發(fā)拉底河和底格里斯河之間）就出現(xiàn)了早期的煉鐵術(shù)。我國也是較早發(fā)明煉鐵技術(shù)的國家之一，在河南輝縣等地出土的大批戰(zhàn)國時代（公元前475～前221年）的鐵制生產(chǎn)工具說明，早在戰(zhàn)國時期，我國的煉鐵技術(shù)已很盛行了

公元65年（漢明帝時代），用鍛鐵(wrought

iron)為環(huán)，相扣成鏈，建成了世界上最早的鐵鏈懸橋——蘭津橋，陸續(xù)建造了數(shù)十座鐵鏈橋其中跨度最大的是瀘定橋。1705年（清康熙四十四年）建成的四川瀘定大渡河橋，橋?qū)?，跨長100m，由9根橋面鐵鏈和4根橋欄鐵鏈構(gòu)成，兩端系于直徑20cm、長4m的生鐵鑄成的錨樁上，比美洲1801年才建造的跨長23m的鐵索橋早近百年，比號稱世界最早的英格蘭30m跨鑄鐵(cast

iron)拱橋也早74年四川瀘定大渡河橋公元694年（周武氏十一年）在洛陽建成的“天樞”，高35m，直徑4m，頂有直徑為的“騰云承露盤”，底部有直徑約用來保持天樞穩(wěn)定的“鐵山”，相當(dāng)符合力學(xué)原理公元1061年（宋代）在湖北荊州玉泉寺建成的13層鐵塔所有這些都表明，我們中華民族對鐵結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，曾經(jīng)居于世界領(lǐng)先地位玉泉鐵塔歐美等國家中最早將鐵做為建筑材料是英國但直到1840年以前，還只采用鑄鐵來建造拱橋1840年以后，隨著鉚釘(rivets)連接和鍛鐵技術(shù)的發(fā)展，鑄鐵結(jié)構(gòu)逐漸被鍛鐵結(jié)構(gòu)取代1855年英國人發(fā)明貝氏轉(zhuǎn)爐煉鋼法和1865年法國人發(fā)明平爐煉鋼法，鋼材才開始在建筑領(lǐng)域逐漸取代鍛鐵材料自1890年以后鋼材成為金屬結(jié)構(gòu)的主要材料。20世紀(jì)初焊接(welding)技術(shù)的出現(xiàn)，以及1934年高強(qiáng)度螺栓(high-strength

bolts)連接的出現(xiàn)，極大地促進(jìn)了鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。除西歐、北美之外，鋼結(jié)構(gòu)在前蘇聯(lián)和日本等國家也獲得了廣泛的應(yīng)用，逐漸發(fā)展成為全世界所接受的重要結(jié)構(gòu)體系工業(yè)廠房

吊車起重量較大或者其工作較繁重的車間的主要承重骨架多采用鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式多為由鋼屋架和階形柱組成的門式剛架或排架，也有采用網(wǎng)架做屋蓋的結(jié)構(gòu)形式，隨著壓型鋼板等輕型屋面材料的采用，輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房得到了迅速的發(fā)展。其結(jié)構(gòu)形式主要為實(shí)腹式變截面門式剛架受動力荷載影響的結(jié)構(gòu)由于鋼材具有良好的韌性，設(shè)有較大鍛錘或產(chǎn)生動力作用的其他設(shè)備的廠房，即使屋架跨度不大，也往往由鋼制成。對于抗震能力要求高的結(jié)構(gòu)，采用鋼結(jié)構(gòu)也是比較適宜的

現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用高聳結(jié)構(gòu)高聳結(jié)構(gòu)包括塔架和桅桿結(jié)構(gòu)，如高壓輸電線路的塔架、廣播、通信和電視發(fā)射用的塔架和桅桿、火箭（衛(wèi)星）發(fā)射塔架等可拆卸的結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)不僅重量輕，還可以用螺栓或其他便于拆裝的手段來連接，因此非常適用于需要搬遷的結(jié)構(gòu)容器和其他特種結(jié)構(gòu)冶金、石油、化工企業(yè)中大量采用鋼板做成的容器結(jié)構(gòu)，包括油罐、煤氣罐、高爐、熱風(fēng)爐等。此外，經(jīng)常使用的還有皮帶通廊棧橋、管道支架、鍋爐支架等其他鋼構(gòu)筑物，海上采油平臺也大都采用鋼結(jié)構(gòu)組合結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件和板件受壓時必須滿足穩(wěn)定性要求，往往不能充分發(fā)揮它的強(qiáng)度高的作用，而混凝土則最宜于受壓不適于受拉，將鋼材和混凝土并用，使兩種材料都充分發(fā)揮它的長處，是一種很合理的結(jié)構(gòu)

主要構(gòu)件形式有鋼與混凝土組合梁和鋼管混凝土柱等

常用鋼－混凝土組合截面大跨結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)跨度越大，自重在荷載中所占的比例就越大，減輕結(jié)構(gòu)的自重會帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益。鋼材強(qiáng)度高結(jié)構(gòu)重量輕的優(yōu)勢正好適合于大跨結(jié)構(gòu)，因此鋼結(jié)構(gòu)在大跨空間結(jié)構(gòu)和大跨橋梁結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。所采用的結(jié)構(gòu)形式有空間桁架、網(wǎng)架、網(wǎng)殼、懸索（包括斜拉體系）、張弦梁、實(shí)腹或格構(gòu)式拱架和框架等

南通體育會展中心-開合結(jié)構(gòu)（網(wǎng)架體系）北京奧運(yùn)會主會場-鳥巢（門式鋼架組合體系）南京火車站南京火車站多高層建筑

鋼結(jié)構(gòu)的綜合效益指標(biāo)優(yōu)良，在多、高層民用建筑中也得到了廣泛的應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)形式主要有多層框架、框架－支撐結(jié)構(gòu)、框筒、懸掛、巨型框架等香港匯豐銀行（框支懸掛體系）輕鋼結(jié)構(gòu)

當(dāng)屋面活荷載特別輕時，小跨結(jié)構(gòu)的自重也成為一個重要因素。冷彎薄壁型鋼屋架在一定條件下的用鋼量可比鋼筋混凝土屋架的用鋼量還少。輕鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式有實(shí)腹變截面門式剛架、冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)（包括金屬拱形波紋屋蓋）以及鋼管結(jié)構(gòu)等。

輕鋼結(jié)構(gòu)住宅輕鋼結(jié)構(gòu)住宅輕鋼結(jié)構(gòu)住宅優(yōu)點(diǎn)建筑鋼材強(qiáng)度高，塑性韌性好強(qiáng)度高——大跨、高層、高負(fù)荷結(jié)構(gòu)塑性好——防止脆性破壞，應(yīng)力重分配韌性好——承受動力荷載，抗震性能好鋼結(jié)構(gòu)的重量輕，質(zhì)強(qiáng)比小材料的質(zhì)量密度ρ與強(qiáng)度f的比值α（質(zhì)強(qiáng)比）小建筑鋼材質(zhì)強(qiáng)比α：～3.7×104

木材質(zhì)強(qiáng)比α：5.4×104

鋼筋混凝土質(zhì)強(qiáng)比α：18×104材質(zhì)均勻、性能好，結(jié)構(gòu)可靠性高鋼材接近于各向同性的理想彈－塑性體，實(shí)際受力同工程力學(xué)計算理論比較符合，因此鋼結(jié)構(gòu)的可靠性高鋼結(jié)構(gòu)施工簡便，工期短，易于改造和加固

鋼材可加工性能好，工業(yè)化機(jī)械化程度高，構(gòu)件輕，連接簡單，安裝方便§1-2鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)鋼混結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自重11.221.72結(jié)構(gòu)自身面積0.280.371施工周期11.331.6用鋼量1.451.231平均施工進(jìn)度4.5天/層

7天/層幾種類型結(jié)構(gòu)比較缺點(diǎn)耐腐蝕性差

使用環(huán)境，鋼材極易銹蝕，需注意保護(hù)，特殊環(huán)境下不易使用鋼結(jié)構(gòu)耐火性差耐熱性較好（200℃以下鋼材性質(zhì)變化很?。哂?00℃后鋼材強(qiáng)度下降很快，600℃時鋼材進(jìn)入塑性狀態(tài)，強(qiáng)度幾乎降為零喪失承載力，需采取隔熱防火措施鋼材價格相對較高結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則：結(jié)構(gòu)由各種作用所產(chǎn)生的效應(yīng)（內(nèi)力和變形）不大于結(jié)構(gòu)（包括連接）由材料性能和幾何因素等所確定的抗力或規(guī)定限值問題及矛盾：荷載大小、材料強(qiáng)度、截面尺寸、計算模式、施工質(zhì)量等因素均為隨機(jī)變量（或隨機(jī)過程）不確定，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)效應(yīng)與抗力均為隨機(jī)變量，不可能保證百分之百保證結(jié)構(gòu)效應(yīng)小于抗力或規(guī)定限值，只能作一定的概率保證§1-3鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法1.3.1概述容許應(yīng)力法（建國初～1957年）把鋼材可以使用的最大強(qiáng)度，除以一個籠統(tǒng)的安全系數(shù)作為結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時構(gòu)件容許達(dá)到的最大應(yīng)力，即允許應(yīng)力法

N——構(gòu)件的內(nèi)力；

S——截面幾何特性；

σs——鋼材屈服強(qiáng)度；K——總安全系數(shù)；

σ——構(gòu)件的計算應(yīng)力式中：

（）

優(yōu)點(diǎn)：簡單、明確缺點(diǎn)：太籠統(tǒng)。各構(gòu)件的可靠程度各不相同，而整個結(jié)構(gòu)取決于可靠度最小的構(gòu)件半概率法（1957年～1988年）三個系數(shù)的極限狀態(tài)計算方法（1957年～1974年）以結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)為依據(jù)，多系數(shù)分析后用單一設(shè)計安全系數(shù)的容許應(yīng)力計算方法（1974年～1988年）（）

（）

材料強(qiáng)度概率：荷載概率：——材料強(qiáng)度和荷載的標(biāo)準(zhǔn)值——材料強(qiáng)度和荷載的平均值——材料強(qiáng)度和荷載的標(biāo)準(zhǔn)差——材料強(qiáng)度和荷載的保證系數(shù)以結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)（強(qiáng)度、穩(wěn)定、疲勞、變形等）為依據(jù)，對影響結(jié)構(gòu)安全度的諸因素以數(shù)理統(tǒng)計，并結(jié)合工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析。其實(shí)質(zhì)是半概率、半經(jīng)驗(yàn)的極限狀態(tài)計算方法優(yōu)點(diǎn)：對結(jié)構(gòu)可靠性的處理有所改進(jìn)缺點(diǎn)：對荷載、材料性能等的處理都取一個經(jīng)驗(yàn)定值，因?yàn)檫@對結(jié)構(gòu)可靠度的研究僅處于以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的定性分析階段

——根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)荷載求得的內(nèi)力；

——屈服強(qiáng)度；——

構(gòu)件幾何特性；、

、——

分別為荷載系數(shù)、材料系數(shù)和調(diào)整系數(shù)（）

式中：

——安全系數(shù)；——鋼材的允許應(yīng)力概率論為基礎(chǔ)概率極限狀態(tài)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)可靠度研究由經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的定性分析階段推進(jìn)以概率論和數(shù)理統(tǒng)計為基礎(chǔ)的定量分析階段近似的概率設(shè)計法（分析中忽略和簡化了基本變量隨時間變化的關(guān)系，所以確定基本變量分布時有相當(dāng)程度的近似性，且進(jìn)行了線性化簡化計算

）

一次二階矩極限狀態(tài)設(shè)計法（1988年～發(fā)展中）極限狀態(tài)：實(shí)質(zhì)上是結(jié)構(gòu)可靠與不可靠的界限，故也可稱為“界限狀態(tài)”；對于結(jié)構(gòu)的各種極限狀態(tài)，均應(yīng)規(guī)定明確的標(biāo)志或限值兩類極限狀態(tài)：

（1）承載能力極限狀態(tài)

包括：構(gòu)件和連接的強(qiáng)度破壞、疲勞破壞和因過度變形而不適于繼續(xù)承載，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件喪失穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動體系和結(jié)構(gòu)傾覆（2）正常使用極限狀態(tài)

包括：影響結(jié)構(gòu)、構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件正常使用或耐久性能的局部損壞（包括組合結(jié)構(gòu)中混凝土裂縫）1.3.2概率極限設(shè)計方法功能函數(shù)

式中

Z=g(﹒)

——結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)；

xi(i=1,2,……n)

——影響結(jié)構(gòu)或構(gòu)件可靠度的基本變量（）

僅有作用效應(yīng)S和結(jié)構(gòu)抗力R兩個基本變量時結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)可表為：

（）

荷載效應(yīng)S：取決于各種荷載（恒載、活載、風(fēng)、地震作用、溫度變化等）

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力或抗力R：取決于材料、構(gòu)件的幾何特性等

由于R和S都是隨機(jī)變量，其函數(shù)Z也是一個隨機(jī)變量。功能函數(shù)Z存在三種可能狀態(tài)：

結(jié)構(gòu)可靠度：結(jié)構(gòu)在規(guī)定時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率

若以ps表示結(jié)構(gòu)的可靠度則：

（）

若以pf表示結(jié)構(gòu)的失效概率則：

（）

Z的概率密度fZ（Z）曲線：正態(tài)分布概率密度曲線中Z的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差存在下述關(guān)系：

（）

（）

β——可靠指標(biāo)或安全指標(biāo)

β與pf存在一一對應(yīng)關(guān)系，β與pf變化相反若Z為正態(tài)分布：（）

由：有：（）

由于β的計算只采用分布的特征值，即一階原點(diǎn)矩（均值）μZ和二階中心矩（方差）σZ2，對非線性函數(shù)只取線性項(xiàng)，而不考慮Z的全分布，故稱此法為一次二階矩法β與pf對應(yīng)表格不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)的可靠指標(biāo)β1.3.3設(shè)計表達(dá)式《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB50068)規(guī)定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式，應(yīng)根據(jù)各種極限狀態(tài)的設(shè)計要求，采用有關(guān)的荷載代表值、材料性能標(biāo)準(zhǔn)值、幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值以及各種分項(xiàng)系數(shù)等表達(dá)。簡單荷載分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計式：（）

RK

——抗力標(biāo)準(zhǔn)值SGK——按標(biāo)準(zhǔn)值計算的永久荷載（G）效應(yīng)值SQK——按標(biāo)準(zhǔn)值計算的可變荷載（Q）效應(yīng)值

γ

——分項(xiàng)系數(shù)式中：

一般情況下荷載分項(xiàng)系數(shù)：

γ

G＝1.2；γ

Q＝永久荷載效應(yīng)與可變荷載效應(yīng)異號時：

γ

G＝1.0；γ

Q＝1.4抗力分項(xiàng)系數(shù)：

Q235鋼：γ

R＝；

Q345、Q390；Q420鋼：γ

R＝其中：鋼材強(qiáng)度設(shè)計值f——鋼材強(qiáng)度除以對應(yīng)