鋼結構設計王小平講稿緒論

鋼結構設計原理

DesignPrincipleofSteelStructureH.X.Wan教材：《鋼結構基本原理》（第二版）沈祖炎陳揚驥陳以一編著中國建筑工業(yè)出版社參考書：《鋼結構疑難釋義》（第三版）劉聲揚主編中國建筑工業(yè)出版社《鋼結構復習與習題》何敏娟主編同濟大學出版社《鋼結構穩(wěn)定設計指南》（第二版）陳紹蕃主編中國建筑工業(yè)出版社國外大學優(yōu)秀教材—土木工程系列（影印版）：《鋼結構》（第4版）施皮格爾主編清華大學出版社AppliedStructuralSteelDesign(FourthEdition)，LeonardSpiegel鋼結構網(wǎng)絡學習資源：鋼結構精品課程0/jpkc/gjg/鋼結構/2005/steel/香港興倫信息有限公司:同濟大學土木工程學院:Chapter1IntroductiontoSteelStructures1.1CharacteristicsofSteelStructures1.2DevelopmentsandApplicationsofSteelStructures1.3TypesofSteelStructures1.4SteelStructuralMembers緒論1.1CharacteristicsofSteelStructuresHighstrengthandlowweight1.1.1Advantages

鋼結構的優(yōu)點UniformityofmaterialandpredictabilityofpropertiesEaseoffabricationandhighspeedoferectionGoodperformanceinearthquakeresistance鋼結構的特點材料的質量密度材料的強度建筑鋼材：鋼筋混凝土：木材：適用于跨度大、高度高、承載重的結構！適用于承受動力荷載的結構、地震區(qū)結構！鋼結構構件在工廠制作加工鋼結構構件的運輸鋼結構施工現(xiàn)場鋼材耐熱性較好焊接連接的鋼結構密封性好，適用于要求密閉的高壓容器、管道等結構溫度在200℃以內時：鋼材性質基本不變溫度在300℃以上后：鋼材強度逐漸下降溫度達到600℃時：鋼材強度降至不到三分之一鋼結構壓力容器石油天然氣輸送用鋼管SusceptibilitytocorrosionPoorabilityinfireresistanceHighpriceofsteels1.1.2Disadvantages

鋼結構的缺點在火災中，未加防護的鋼結構一般只能維持20分鐘左右！火災中倒塌的鋼桁架火災中軟化的鋼梁鋼結構的防火保護措施工人包覆防火板工人噴涂防火涂料水泥沙漿包覆

包覆防火板噴涂防火涂料1.2DevelopmentsandApplicationsofSteelStructures

鋼結構的發(fā)展和應用Atthebeginningofthe19thcentury:IronstructureswereusedinbuildingsandbridgesinEurope1.2.1DevelopmenthistoryinforeigncountriesIn1856steelwasfirstmanufacturedTheageofsteelbegan1856年：英國人貝斯麥首次用轉爐煉鋼成功，鋼材開始用于建筑結構，進一步出現(xiàn)了軋制型鋼和鉚釘連接方法，鋼結構得到了廣泛應用HomeInsuranceCompany

Building家庭保險公司大樓Location:Chicago,Illinois,USA

CompletionDate:1885(demolishedin1931)

Height:55m(138feet)

Stories:10

Materials:Steel

FacingMaterials:Brick

Engineer(s):WilliamLeBaronJenneyIn1885thefirsthigh-risesteel-framedbuildingwascompleted:HomeinsurancecompanybuildinginChicagoAtthebeginningofthe20thcentury:High–risebuildingsappearedinNewYorkParkRowBuilding公園街大廈Manhattan,NewYorkcity,USATechnicalDataHeight119m391ftFloors(OG)30Year(start)1896Year(end)1899Thiswasthefirstbuildingintheworldevertoreach30floorsTimesTower時代塔樓Height:110m

Stories:25CompletionDate:1904EmpireStateBuilding

帝國大廈Height:381m

Stories:102CompletionDate:1931保持世界最高建筑記錄達40余年！第二次世界大戰(zhàn)期間（1939-1945）：鋼結構的發(fā)展陷入停頓狀態(tài)1945-今：鋼結構進入恢復和發(fā)展階段卷入戰(zhàn)爭的國家和地區(qū)80多個（其中參戰(zhàn)國61個），人口約20億，占當時世界總人口80％以上特別是50-70年代，歐洲國家（主要是西歐）和日本在較短的時間內進入到高速發(fā)展階段，成為除美國外鋼結構發(fā)展水平較高的國家資料:1991年前，世界前100棟高層建筑中，81棟為鋼結構81棟9棟其它國家72棟美國24棟紐約7棟芝加哥41棟其它城市日本加拿大香港新加坡南朝鮮1.2.2DevelopmenthistoryinChinaInancienttimes(beforetheOpiumWar):Chinawasthepioneertouseironsasload-carryingmembers玉泉寺鐵塔（湖北當陽）：塔高16．69米，共13層建于北宋(公元1061年)我國現(xiàn)存最高、最重和保存最完好的鐵塔大渡河鐵索橋（四川瀘定）：始建于清代康熙四十四年（公元1705年），次年完成橋凈跨約103m，橋寬2.8m現(xiàn)存古代鐵索橋中制作最精良的一座IntheyearsbetweentheOpiumWarand1949:SlowdevelopmentofsteelstructuresIntheyearsbetween1949and1980s:Steelswereusedonlyinimportantstructures建國后第一個五年計劃期間：鋼結構得到了發(fā)展,興建了一批鋼結構廠房、橋梁1957年10月15日：武漢長江大橋建成通車典禮武漢長江大橋夜景60-70年代：由于鋼產(chǎn)量的限制，僅有少數(shù)重要建筑采用鋼結構1961年建成的北京工人體育館：為舉辦第26屆世乒賽興建直徑94m的車輻式懸索結構輻射布置上下鋼索各144根至今仍然是我國最大的懸索結構建于1968年的南京長江大橋：采用三跨連續(xù)鋼桁架After1980s:Rapiddevelopmentofsteelstructures鋼結構在我國得到了迅速發(fā)展：出現(xiàn)了一些鋼結構（超）高層建筑、高聳建筑東方明珠電視塔：1993年建成高468m金茂大廈：地上88層，地下3層高365m1998年建成深圳地王大廈：81層高325m1996年建成2006年：我國鋼產(chǎn)量突破4億噸，占全球產(chǎn)量的三分之一1996年：我國鋼產(chǎn)量突破1億噸，并連續(xù)十年位居世界第一鋼結構建筑總量/建筑總量中國韓國日本美國1%20%50%68%我國建設部建筑用鋼發(fā)展規(guī)劃：“十五”期間建筑用鋼達到總鋼產(chǎn)量的3%2015年建筑用鋼達到總鋼產(chǎn)量的6%與發(fā)達國家相比，我國鋼結構的應用存在較大差距：促進鋼結構的發(fā)展和應用1.3TypesofSteelStructures1.3.1Single-storeybuildings

單層房屋建筑鋼結構的形式1.3.2Multi-storeyandhigh-risebuildings

多層和高層房屋建筑1.3.3Bridges

橋梁1.3.4Towersandmasts

塔架和桅桿

1.3.1Single-storeybuildings

單層房屋建筑Portalframestructuresandbentstructures

門式剛架結構和排架結構Gridstructuresandreticulatedshells

網(wǎng)架和網(wǎng)殼結構日本明古屋體育館世界上最大的單層網(wǎng)殼結構單層球面網(wǎng)殼，直徑187m，1997年建成采用直徑65cm，長10m的鋼管組成三角形網(wǎng)格網(wǎng)殼結構的工程實例：網(wǎng)殼結構的工程實例：福岡穹頂日本第一個可開合網(wǎng)殼結構，1993年建成，跨度：212.8m中國國家游泳中心-“水立方”網(wǎng)架結構的工程實例：“水立方”內部構造：

Kelvin的“泡沫理論”：將水在泡沫狀態(tài)下的微觀分子結構放大到建筑結構尺度，從幾何上可以歸結為1個14面體結合了14個12面體的多次重復，將這些多面體內部抽空形成網(wǎng)格，然后按建筑需要切割出平板網(wǎng)架在主體鋼結構的外面：“水立方”的建筑外圍采用世界上最為先進的環(huán)保節(jié)能ETFE(四氟乙烯)膜材料，由3000多個氣枕組成，覆蓋面積達到10萬平方米，堪稱世界之最，具有較好的抗壓性、自潔功能、隔熱散光功能膜施工中膜上的鍍點可以改變光線的方向起到隔熱散光的效果Suspendedcablestructures

懸索結構主要受力構件為高強度鋼索，有多種不同的布置方式平行布置輻射布置索網(wǎng)華盛頓杜勒斯機場侯機廳懸索采用Φ25mm圓鋼，平行布置索拉力由抗彎剛度較大的斜柱傳遞北京工人體育館車輻式懸索結構輻射布置上下鋼索各144根懸索結構的工程實例：Cableandmembranestructures

索膜結構深圳華僑城歡樂谷中心劇場

深圳大梅沙海濱廣場張拉膜1.3.2Multi-storeyandhigh-risebuildings

多層和高層房屋建筑Rigidframedstructures

剛架結構Bracedrigidframes

剛架—支撐結構Tubestructures

筒體結構梁和柱剛性連接形成多層多跨框架側向剛度小，適用于層數(shù)≤30的多層或高層鋼結構Rigidframedstructures

剛架結構北京長富宮中心

地上25層，地下2層,高94m1987年建成2層以下和地下室為型鋼砼結構,以上全部為鋼框架結構框架和支撐體系（支撐桁架、剪力墻、核心筒）組成的結構可用于40～60層的高層鋼結構Bracedrigidframes

剛架—支撐結構框架和支撐體系（核心筒）組成的結構筒體結構由內外兩個筒體或多個筒體組合而成分別稱為“筒中筒體系”和“筒束體系”筒體通常的做法為“密柱深梁”筒體結構具有較大的側向剛度，可用于60～100層左右的超高層鋼結構Tubestructures

筒體結構西爾斯大廈的筒束體系

西爾斯大廈：位于美國芝加哥高443m,108層，建于1974年筒體結構的工程實例：1.3.3Bridges

橋梁Solidwebplategirders

實腹板梁式結構Trussstructures

桁架式結構Archesandframes拱或剛架式結