哈工大鋼結構設計原理-1緒論課件

鋼結構設計原理學時：64學分：3.5考核方法：筆試主講教師：張文元副教授哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院CollegeofCivilEngineering,HIT1、張耀春，鋼結構設計原理，高等教育出版社，2004，72、沈祖炎，鋼結構基本原理，中國建筑工業(yè)出版社，20003、鐘善桐，鋼結構，中國建筑工業(yè)出版社，1988主要參考書：《材料力學》、《結構力學》、《鋼筋混凝土結構》先修課程：第一章緒論（3學時）第二章鋼結構的材料（7學時）第三章連接（14學時）第四章受彎構件的計算原理（8學時）第五章梁的設計（4學時）第六章軸心受力構件（14學時）第七章拉彎、壓彎構件（6學時）第八章節(jié)點設計原理第九章單層廠房鋼結構（8學時）第十章鋼結構的塑性設計和抗震（課外自學）主要內(nèi)容：戰(zhàn)國時代（公元前475年）已有鐵制生產(chǎn)工具漢朝（公元65年）出現(xiàn)鍛鐵，建成世界最早的鐵鏈懸橋－蘭津橋清朝1705年，四川瀘定大渡河橋，跨長100m，9根橋面鐵鏈和四根橋欄鐵鏈公元694年在洛陽建成的“天樞”，高35m，直徑4m，頂有直徑為11.3m的“騰云承露盤”，底部有直徑約16.7m用來保持天樞穩(wěn)定的“鐵山”公元1061年（宋代）在湖北荊州玉泉寺建成的13層鐵塔，現(xiàn)存我國國內(nèi)古代的發(fā)展英國1840年以前，采用鑄鐵來建造拱橋。1840年后，鉚釘和鍛鐵技術發(fā)展，鑄鐵被鍛鐵取代，英國威爾士的布里塔尼亞橋，70-140-140-70m，箱型梁式橋，鍛鐵型板和角鐵經(jīng)鉚釘連接而成。1855年英國人發(fā)明貝氏轉爐煉鋼法，1865年法國人發(fā)明平爐煉鋼法1870年軋制出工字鋼，形成工業(yè)化大批量生產(chǎn)，強度高且韌性好的鋼材才開始在取代鍛鐵20世紀初焊接技術出現(xiàn)，1934年高強度螺栓出現(xiàn)，極大地促進了鋼結構的發(fā)展。西歐、北美、前蘇聯(lián)和日本等國獲得了廣泛的應用國外的發(fā)展解放前經(jīng)濟凋敝、工業(yè)落后，古代優(yōu)勢喪失殆盡1907年建成漢陽鋼鐵廠，年產(chǎn)鋼只有0.85萬噸。日本侵略期間，在東北建立鋼廠，1943年生鐵180萬噸，鋼90萬噸，大部分被日本用于戰(zhàn)爭新中國成立后，由于受到鋼產(chǎn)量的制約，很長時間內(nèi)鋼結構被限制使用，影響了鋼結構的發(fā)展。1978年后鋼產(chǎn)量逐年增加，1996年超過1億噸，鋼產(chǎn)量世界第一，2003年2.2億噸。政策也從“限制使用”改為積極合理地推廣應用。近年來市場不斷完善，國內(nèi)外企涌現(xiàn)。頒布《鋼結構設計規(guī)范》GB50017和《冷彎薄壁型鋼結構技術規(guī)范》GB50018我國近代的發(fā)展§1.2鋼結構的特點及應用鋼材強度高，結構重量輕。

鋼與混凝土相比密度較大，但強度更高，其密度與強度的比值較小承受同樣荷載時，鋼結構要比其他結構輕。當跨度和荷載均相同時，鋼屋架的重量僅為鋼筋混凝土屋架的1/3～1/4，冷彎薄壁型鋼屋架甚至接近1/10。為運輸和吊裝提供了方便。鋼構件常較柔細，穩(wěn)定問題比較突出。鋼結構的特點鋼材耐熱但不耐火。

經(jīng)受100℃輻射熱時，性能變化不大。當溫度超過250℃時，會出現(xiàn)蘭脆現(xiàn)象，當溫度達600℃時，鋼材進入熱塑性狀態(tài)，將喪失承載能力。有防火要求的建筑鋼結構必須采用耐火材料加以保護。耐腐蝕性差。

必須對鋼結構采取防護措施，維護費用較高。在沒有侵蝕性介質的一般廠房中，鋼構件經(jīng)過徹底除銹并涂上合格的油漆后，銹蝕問題并不嚴重。對處于濕度大，有侵蝕性介質環(huán)境中的結構，可采用耐候鋼或不銹鋼提高其抗銹蝕性能。鋼結構的低溫冷脆傾向。

厚鋼板焊接節(jié)點，應力復雜，有低溫脆性破壞傾向。工業(yè)廠房有較大起重量吊車的廠房、吊車工作較繁重的廠房、有強烈輻射熱的車間。由鋼屋架和階形柱組成的門式剛架或排架，也可采用網(wǎng)架屋蓋。近年隨著壓型鋼板等輕型屋面的采用，輕鋼結構工業(yè)廠房得到了迅速的發(fā)展。實腹式變截面門式剛架。

典型照片（圖片資源－重、輕）受動力荷載影響的結構鋼材具有良好韌性，有較大鍛錘或產(chǎn)生動力設備的廠房往往使用鋼結構。對于抗震能力要求高的結構，采用鋼結構也是比較適宜的。容器和其他構筑物冶金、石油、化工企業(yè)大量采用鋼板容器，包括油罐、煤氣罐、高爐、熱風爐等。此外還有皮帶通廊棧橋、管道支架、鍋爐支架、海洋平臺等。輕型鋼結構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。輕鋼結構的結構形式有實腹變截面門式剛架、冷彎薄壁型鋼結構（包括金屬拱形波紋屋蓋）以及鋼管結構等。鋼和混凝土的組合結構鋼板件受壓失穩(wěn)，不能充分發(fā)揮它的高強，而混凝土則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。組合結構在我國獲得了長足的發(fā)展，廣泛應用于高層建筑(如深圳的賽格廣場)、大跨橋梁、工業(yè)廠房和地鐵站臺柱等。主要構件形式有鋼與混凝土組合梁和鋼管混凝土柱等。§1.3鋼結構的設計方法結構在設計使用年限內(nèi)的功能要求(1)在正常施工和使用時，能承受可能出現(xiàn)的各種作用；(2)在正常使用時具有良好的工作性能；(3)在正常維護下具有足夠的耐久性；(4)在設計規(guī)定的偶然事件（如地震、火災、爆炸、撞擊等）發(fā)生時及發(fā)生后，仍能保持必須的整體穩(wěn)定性。概率極限狀態(tài)設計方法結構的可靠度結構在規(guī)定時間內(nèi)和規(guī)定條件下，完成預定功能的概率。對結構可靠度的要求與結構的設計基準期長短有關，設計基準期長，可靠度要求就高，反之則低。一般建筑物的設計基準期為50年。結構的極限狀態(tài)極限狀態(tài)實質上是結構可靠與不可靠的界限我國《鋼結構設計規(guī)范》GB50017規(guī)定，承重結構應按下列二類極限狀態(tài)進行設計：(1)承載能力極限狀態(tài)包括：構件和連接的強度破壞、疲勞破壞和因過度變形而不適于繼續(xù)承載，結構和構件喪失穩(wěn)定，結構轉變?yōu)闄C動體系和結構傾覆。(2)正常使用極限狀態(tài)包括：影響結構、構件和非結構構件正常使用的外觀變形、振動或局部損壞。前者可能導致人身傷亡和大量財產(chǎn)損失，故要求其出現(xiàn)的概率應當很低；而后者對生命的危害較小，故允許出現(xiàn)的概率可高些，但仍應給予足夠的重視。結構的失效概率與可靠指標失效概率——Z=R-S<0的概率(圖中陰影部分，積分求得)

Z的概率密度曲線設R和S的概率統(tǒng)計值均服從正態(tài)分布，則功能函數(shù)也服從正態(tài)分布，它的平均值和標準差為由圖中可以看出兩個具有相同平均值、不同標準差的功能函數(shù)z1和z2的失效概率是不同的，標準差越大，失效概率越大。如果定義：說明β與失效概率之間存在著對應關系：即β↓，Pf↑統(tǒng)一設計表達式

統(tǒng)一表達式荷載規(guī)范的承載力極限狀態(tài)表達式

可變荷載效應控制的組合：(符號含義見教材)永久荷載效應控制的組合：對于排架、框架結構，可采用簡化公式計算：可變荷載效應控制的組合：永久荷載效應