鋼結構（第三版）第一章 河海大學

鋼結構（第三版）第一章河海大學第1頁/共75頁河海大學鋼結構課件1.可靠性高

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鋼材在鋼廠生產(chǎn)時，整個過程可嚴格控制，質量比較穩(wěn)定;★

鋼材組織均勻，接近于各向同性勻質體；鋼材的物理力學特性與工程力學對材料性能所作的基本假定符合較好；★鋼結構的實際工作性能比較符合目前采用的理論計算結果;★

鋼結構通常是在工廠制作，現(xiàn)場安裝，加工制作和安裝可嚴格控制，施工質量有保證。第2頁/共75頁河海大學鋼結構課件2.材料的強度高，鋼結構自重輕鋼材與其它材料相比，它的強度與重力密度之比要高得多(混凝土：1.25～2.4×106；鋼：3.1～4.9×106)。在同樣的受力條件下，鋼結構用材料少，自重輕。以24m跨度廠房屋架為例，當承受相同的荷載時，每榀鋼屋架的重量為2.1～2.7t，而預應力鋼筋混凝土屋架的重量為6.4～11.3t，后者為前者的3～4倍。若采用冷彎薄壁型鋼屋架，其自重接近鋼筋混凝土屋架的1/10。鋼結構自重輕，便于運輸和安裝，基礎費用低。第3頁/共75頁河海大學鋼結構課件3.鋼材的塑性和韌性好

鋼材的塑性好：鋼結構破壞前一般都會產(chǎn)生顯著的變形，易于被發(fā)現(xiàn)，可及時采取補救措施，避免重大事故發(fā)生。鋼材的韌性好：鋼結構對動力荷載的適應性強，具有良好的吸能能力，抗震性能優(yōu)越。第4頁/共75頁河海大學鋼結構課件4.鋼結構制造簡便，施工工期短

鋼結構一般在專業(yè)工廠制造，易實現(xiàn)機械化，是工程結構中工業(yè)化程度最高的一種結構。構件制造完成后，運至施工現(xiàn)場拼裝成結構。施工工期短，可盡快發(fā)揮投資的經(jīng)濟效益。鋼結構由于連接的特性，易于加固、改建和拆遷。例如，南京三橋實際建設工期2年零2個月，比核準工期4年提前了22個月。第5頁/共75頁河海大學鋼結構課件5.鋼結構密閉性好

鋼結構采用焊接連接可制成水密性和氣密性較好的常壓和高壓容器結構和管道。

第6頁/共75頁河海大學鋼結構課件6.鋼材的耐銹蝕性差

在沒有腐蝕性介質的一般環(huán)境中，鋼結構經(jīng)除銹后再涂上合格的防銹涂料后，銹蝕問題并不嚴重。但在潮濕和有腐蝕性介質的環(huán)境中，鋼結構容易銹蝕，需定期維護，增加了維護費用。我國已研究生產(chǎn)出抗銹蝕性能良好的耐大氣腐蝕鋼，并用于工程結構。例如，南京長江三橋（設計壽命100年）選用氟碳涂料，可保持鋼塔50年不生銹。第7頁/共75頁河海大學鋼結構課件

7.鋼結構耐熱但不耐火

當普通鋼材溫度在200oC以內時，鋼材的主要性能變化很小，具有較好的耐熱性能。當溫度達600oC以上時，鋼材的承載力幾乎完全喪失，所以說鋼材不耐火。當溫度在250oC左右時，鋼材的塑性和韌性降低，破壞時常呈脆性斷裂。

考慮一定的安全儲備，當結構表面長期受輻射熱溫度不小于150oC時，需加以隔熱防護。當有防火要求時，要采取防火措施。第8頁/共75頁河海大學鋼結構課件某38米鋼塔過火后的腳手架第9頁/共75頁河海大學鋼結構課件8.鋼材在低溫時脆性增大

在負溫度區(qū),鋼材的塑性和韌性隨著溫度降低而變差。第10頁/共75頁河海大學鋼結構課件二、鋼結構的應用范圍

大跨度結構1.應根據(jù)鋼結構的特點，注意揚長避短，合理使用鋼結構。在建筑工程和水利水電工程中，鋼結構的主要應用范圍如下：

高層建筑2.

輕型結構4.

工業(yè)建筑3.

活動式結構6.

高聳結構5.可拆卸或移動的結構7.8.容器和大直徑管道抗震要求高的結構9.10.急需早日交付使用的工程或運輸條件差的工程特種結構11.12.鋼橋住宅13.第11頁/共75頁河海大學鋼結構課件1.大跨度結構隨著結構跨度增大，結構自重在全部荷載中所占比重也就越大，減輕自重可獲得明顯的經(jīng)濟效益。對于大跨度結構，鋼結構重量輕的優(yōu)點顯得特別突出。

上海8萬人體育館

南京奧體中心主體育場

中國國家體育場

國家大劇院

上海浦東機場

英國倫敦的“世紀展覽館”第12頁/共75頁河海大學鋼結構課件上海8萬人體育館：徑向懸挑桁架和環(huán)向桁架組成的空間鋼屋蓋結構。長軸為288.4m,短軸為274.4m，最大懸挑跨度達73.5m。

第13頁/共75頁河海大學鋼結構課件中國國家體育場：體育場外觀即結構，猶如樹枝織成的鳥巢，其灰色礦質般的鋼網(wǎng)以透明的膜材料覆蓋，最長的鋼梁達300米?？扇菁{10萬人。第14頁/共75頁河海大學鋼結構課件南京奧體中心主體育場：屋蓋為直徑285.6m的圓，建筑面積13.6萬m2，6萬個座位。結構采用鋼拱（鋼管桁架，鋼管直徑1m）、鋼箱梁（寬0.5m，高1.1~2.1m）、支撐桿件組合結構。鋼拱跨度360.6m，45度斜放。形似飄動的皇冠。第15頁/共75頁河海大學鋼結構課件國家大劇院：位于人民大會堂西側，大圓殼長218米、寬146米、高46米、厚3米。12萬m2，由歌劇院（2500座）、音樂廳（2000座）、戲劇場（1200座）位和小劇場（300至500座）四大部分組成。第16頁/共75頁河海大學鋼結構課件上海浦東機場：設計體現(xiàn)了"人、建筑、環(huán)境"和諧共存的主題，大面積醉人的綠地和碧波蕩漾的環(huán)境水池，襯托著輕巧透亮得航站樓就像一只展翅翱翔的海鷗，寓意著上海的騰飛。第17頁/共75頁河海大學鋼結構課件英國倫敦的“世紀展覽館”：直徑365m鋼骨架膜結構圓形建筑。第18頁/共75頁河海大學鋼結構課件2.高層建筑高層建筑已成為現(xiàn)代化城市的一個標志。鋼材強度高和鋼結構重量輕的特點對高層建筑具有重要意義。強度高則構件截面尺寸小，可提高有效使用面積。重量輕可大大減輕構件、基礎和地基所承受的荷載，降低基礎工程等的造價。當今世界上最高的50幢建筑中，鋼結構和鋼—砼混合結構占80%以上。世界第一高樓將會越長越高。第19頁/共75頁河海大學鋼結構課件馬來西亞吉隆坡佩重納斯(石油)大廈：

也稱雙子塔，95層，高452米，在2004年10月以前是世界上最高的建筑。第20頁/共75頁河海大學鋼結構課件TAIPEI101：高508m（天線60m），101＋5層，2.3萬m2

。集辦公、購物及觀景為一體，2004年10月8日注冊世界第一高樓。101代表超越，“TAIPEI”代表：科技(Technology)、藝術(Art)、創(chuàng)新(Innovation)、人性(People)、環(huán)保(Environment)和認同(Identity)六大特質。采用巨型框架結構，每8層設一或二層樓高的巨型桁架。第21頁/共75頁河海大學鋼結構課件上海金茂大廈：88+3層，88層為觀光廳,主體高度為340.1m，總高420.5m。用鋼14000t，28.7萬m2。大廈樁深83.5m。第22頁/共75頁河海大學鋼結構課件上海環(huán)球金融中心：上?？傁虢ㄊ澜绲谝桓邩恰Ｉ虾－h(huán)球金融中心97年7月和03年2月兩次開工建設。新方案把460m高的94層改為492m,101層，計劃于2008年初建成。臺北101高508m，包括60m高的天線。該樓采用鋼框架鋼筋混凝土筒混合結構。在90-97層、距地面405m處，將出現(xiàn)世界最高的觀光平臺。圓形開口處設置了開放式的天橋。總建筑面積37.7萬m2。第23頁/共75頁河海大學鋼結構課件美國紐約的世界貿易中心大樓110層，高417m，100萬m2。辦公人員5萬，每日來訪和觀光8萬。施工期間無工人死亡。93年2月26日地下停車場發(fā)生爆炸，6人死亡，1000多人受傷。三層樓板被炸穿，無大影響。75年2月11層失火，三小時控制火勢，直接損失100萬美元。01年9月11日，北京時間20:45一757飛機（起飛重量達104t，可載油35t）撞擊北塔樓，94～99層直接受損，22:28倒塌；21:03一767飛機（起飛重量達156t，載油51t)撞擊南大樓，78～84層直接受損，22:05倒塌。客機的起飛重量加上約1000公里的飛行速度，撞擊力總共相當于2萬多公斤的黃色炸藥。撞擊使世貿中心產(chǎn)生巨大晃動（1m），但內部和外部并沒有嚴重塌落，從撞到塌時間較長，樓內人員可以逃生，世貿中心死亡人數(shù)2797人(其中失蹤59人，機組156人）。第24頁/共75頁河海大學鋼結構課件

撞！

燒！塌！第25頁/共75頁河海大學鋼結構課件紐約世貿中心重建設計方案：利貝斯金德設計為高度541m的螺旋高塔和頂端呈斜角狀的塔樓群，核心建筑是兩座高達541米的大樓（1776英尺象征1776年美國獨立的精神永遠不死）。建筑群包括斜頂狀塔樓、玻璃帷幕的“世界花園”和用以連接周邊建筑的弧形空中走廊等。第26頁/共75頁河海大學鋼結構課件3.工業(yè)建筑當工業(yè)建筑的跨度和柱距較大，或者設有大噸位吊車，結構需承受大的動力荷載時，往往部分或全部采用鋼結構。西安變壓器電爐廠的總裝車間，l=36m，高30余米，Q=(400+50+1)t。為了盡快發(fā)揮投資效益，近年來我國的普通工業(yè)建筑大量采用了鋼結構。第27頁/共75頁河海大學鋼結構課件馬鋼平改轉工程：占地面積1.98萬平米，鋼結構總重量1.79萬噸。第28頁/共75頁河海大學鋼結構課件馬鞍山鋼鐵公司鋼結構加工廠房第29頁/共75頁河海大學鋼結構課件北京變壓器廠主廠房：跨度24m+18m+15m

第30頁/共75頁河海大學鋼結構課件4.輕型結構稱使用荷載較小或跨度不大的結構為輕型結構。自重是這類結構的主要荷載，常采用冷彎薄壁型鋼或小型鋼制成的輕型鋼結構。國內跨度最大的輕鋼結構是大連某糧食倉庫，l=72m，8000m2，結構用鋼量49.7kg/m2。近年來金屬拱型波紋屋蓋已用于建筑工程。第31頁/共75頁河海大學鋼結構課件南京鐵路旅客主站房：2005年9月21日投入運行，主站房長279米、寬64.5米，主站房的檐口標高30米左右。主站房前面東西各配置有行車天橋，以保證車輛穿行暢通，站臺配備頂蓬，以方便旅客乘車。第32頁/共75頁河海大學鋼結構課件游泳中心安徽中州家具市場內景第33頁/共75頁河海大學鋼結構課件5.高聳結構如塔架和桅桿等，它們的高度大，橫截面尺寸較小，風荷載和地震作用常常起主要作用，自重對結構的影響較大，常采用鋼結構。加拿大多倫多電視塔高553.34米，目前世界第一。第34頁/共75頁河海大學鋼結構課件上海東方明珠電視塔：468米高第35頁/共75頁河海大學鋼結構課件黑龍江廣播電視塔：（龍塔）高336m，為正八邊形拋物線型鋼管塔。為多功能電視塔，兼具廣播與電視發(fā)射、旅游觀光、電信、科普教育等多項功能,為哈爾濱市標志性景觀。塔樓標高從181m到214m，8層

。井道為封閉式圓筒形，直徑8.5m，內設三臺電梯、兩座消防樓梯、四個設備管道井。塔座共五層，地下一層，地上四層，為球冠形鋼砼結構。其內部有直徑40m、高27m的圓形共享大廳十分壯觀。第36頁/共75頁河海大學鋼結構課件酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心火箭垂直總裝測試廠房集火箭、宇宙飛船總裝和測試一體，高100m，鋼結構工程施工技術獲國家科技進步一等獎。第37頁/共75頁河海大學鋼結構課件發(fā)射“神舟”飛船的塔架第38頁/共75頁河海大學鋼結構課件6.活動式結構如水工鋼閘門、升船機等，可充分發(fā)揮鋼結構重量輕的特點，降低啟閉設備的造價和運轉所耗費的動力。我國三峽工程的永久船閘采用雙線五級連續(xù)梯級船閘，總水級差113m，閘門孔口凈寬34m，每級均采用人字鋼閘門，共有12道24扇閘門，每扇閘門高38.5m，寬20m，重864t。船過船閘一般需2小時35分鐘。三峽升船機承船箱長120m，寬18m，水深3.5m，提升重量可達1.18萬噸，提升高度113m。30分鐘過壩，計劃2009年建成。第39頁/共75頁河海大學鋼結構課件第40頁/共75頁河海大學鋼結構課件第41頁/共75頁河海大學鋼結構課件7.可拆卸或移動的結構如施工用建筑和鋼棧橋、流動式展覽館、移動式平臺等，可發(fā)揮鋼結構重量輕，便于運輸和安裝方便的優(yōu)點。加拿大已建成120多萬噸重，可容5000多人工作的海上采油平臺。第42頁/共75頁河海大學鋼結構課件海上采油平臺：東海平湖平臺可供90人居住、工作、娛樂。第43頁/共75頁河海大學鋼結構課件8.容器和大直徑管道

如貯液（氣）罐、輸油（氣、原料）管道、水工壓力管道等。

三峽水利樞紐工程中的發(fā)電機組采用的壓力鋼管內徑達12.4m，板厚達60mm。第44頁/共75頁河海大學鋼結構課件9.抗震要求高的結構可發(fā)揮鋼結構動力性能好的優(yōu)點。10.急需早日交付使用的工程或運輸條件差的工程可發(fā)揮鋼結構施工工期短和重量輕便于運輸?shù)奶攸c。11.特種結構

鋼煙囪（上海寶鋼燒結廠鋼煙囪高達200多米）、鋼水塔等。北京“中華世紀壇”該鋼結構圓壇直徑47m，重達1400t，傾斜19.4度，轉一周時間為4~24小時。第45頁/共75頁河海大學鋼結構課件第46頁/共75頁河海大學鋼結構課件重建的“雷峰塔”：2002年10月25日在杭州落成。塔總高71.679米，塔身高45.809米，地上六層地下二層總共八層。采用鋼結構框架，用鋼1400t?？偨ㄖ娣e6089平方米。造價1.5億元。第47頁/共75頁河海大學鋼結構課件寶鋼高爐第48頁/共75頁河海大學鋼結構課件12.鋼橋南京長江大橋：為鋼桁架橋160m第49頁/共75頁河海大學鋼結構課件江陰長江大橋：主跨1385米，主塔高193米，主纜直徑86.6厘米、長2200米，居懸索橋世界第五，國內第二。第50頁/共75頁河海大學鋼結構課件潤揚大橋：

05年4月30日通車,由斜拉橋和懸索橋兩種橋型組合而成的橋梁，南汊橋為跨徑1490米的鋼箱梁懸索橋，為中國第一，世界第三的懸索橋,

索塔高215.58米。第51頁/共75頁河海大學鋼結構課件南京長江三橋

05年10月7日通車。國內第一座鋼塔（高215米）斜拉橋，也是世界上第一座弧線形斜拉橋。跨江大橋長4744米,主橋跨徑648m。第52頁/共75頁河海大學鋼結構課件上海盧浦大橋：目前世界上最大的中承式鋼結構拱橋，總投資約24億元。該橋主跨550米，2002年10月12日合龍,03年8月完工。第53頁/共75頁河海大學鋼結構課件倫敦的塔橋：

1894年建成，此橋的邊跨為罕見的三鉸懸掛。懸掛單元于橋面之間是加勁桁架，一方面加強懸掛單元的剛度，另一方面抵抗橋面的彎矩和剪力。第54頁/共75頁河海大學鋼結構課件倫敦的塔橋加勁桁架近景第55頁/共75頁河海大學鋼結構課件倫敦的塔橋中間鉸近景第56頁/共75頁河海大學鋼結構課件13.住宅第57頁/共75頁河海大學鋼結構課件

300平方米的住宅8人10個工作日即可完成裝配，2個月內交付使用。鋼結構住宅第58頁/共75頁河海大學鋼結構課件馬鋼光明新村住宅施工階段照片第59頁/共75頁河海大學鋼結構課件馬鋼光明新村住宅

18層，鋼框架-剪力墻-支撐結構體系第60頁/共75頁河海大學鋼結構課件上海中福城

1+17層，鋼框架-剪力墻結構體系。柱距7.8米。地下為車庫和設備用房，1～４為商場，５～17為住宅。采用馬鋼耐火H型鋼。第61頁/共75頁河海大學鋼結構課件總結：

綜上所述可見，鋼結構是在各種工程中廣泛用的一種重要的結構形式。隨著我國經(jīng)濟建設的發(fā)展和鋼產(chǎn)量的提高，鋼結構將會發(fā)揮日益重要的用。

第62頁/共75頁河海大學鋼結構課件第二節(jié)鋼結構的設計方法

安全性1結構在正常施工和正常使用條件下，承受可能出現(xiàn)的各種作用的能力，以及在偶然事件發(fā)生時和發(fā)生后，仍保持必要的整體穩(wěn)定性的能力。2結構在正常使用條件下，滿足預定使用要求的能力。適用性3結構在正常維護條件下，隨時間變化而仍能滿足預定功能要求的能力。耐久性一．結構設計的目的：第63頁/共75頁河海大學鋼結構課件第二節(jié)鋼結構的設計方法

一．結構設計的目的：

結構的安全性、適用性、耐久性總稱為結構的可靠性。結構設計（計算）的目的是在滿足各種預定功能的前提下，做到技術先進、安全適用、經(jīng)濟合理和確保質量。要實現(xiàn)這一目的，必須借助于合理的設計方法。二．設計方法：荷載效應S（荷載作用引起的結構或構件的內力、變形等）結構抗力R（結構或構件承受荷載效應的能力，如承載力、剛度等）1．影響結構可靠性的因素Z=R-SZ——結構完成預定功能狀態(tài)的函數(shù)。Z>0結構處于可靠狀態(tài)；

Z<0結構處于失效狀態(tài)；Z＝0結構處于臨界狀態(tài)，一旦超過這一狀態(tài)，結構將不再能滿足設計要求，因此它也稱為極限狀態(tài)。第64頁/共75頁河海大學鋼結構課件二．設計方法：2．概率極限狀態(tài)設計法正常使用極限狀態(tài)承載能力極限狀態(tài)1)、結構設計應考慮下列兩種極限狀態(tài)結構或構件達到最大承載力，或不適于繼續(xù)承載的變形的極限狀態(tài)。強度極限狀態(tài)

出現(xiàn)全截面塑性,并形成機構;穩(wěn)定狀態(tài)

整體或局部失去穩(wěn)定而不能承擔更大的荷載;設計用極限狀態(tài)根據(jù)實際工程需要,約定沒有達到極限承載力,設計需要的極限狀態(tài)，如局部失穩(wěn)極限狀態(tài)等。結構或構件達到使用功能上允許的某一限值的極限狀態(tài)。第65頁/共75頁河海大學鋼結構課件二．設計方法：2．概率極限狀態(tài)設計法1)、結構設計應考慮下列兩種極限狀態(tài)2)、結構可靠度結構在規(guī)定的時間內，在規(guī)定的條件下，完成預定功能的概率(Pr

)

Pf

=P(z<0)Pr=P(z≥0)=1-Pf類別

設計使用年限示例15

臨時性結構225

易于替換的結構構件350

普通房屋和構筑物4100

紀念性建筑和特別重要的結構設計使用年限分類第66頁/共75頁河海大學鋼結構課件二．設計方法：2．概率極限狀態(tài)設計法1)、結構設計應考慮下列兩種極限狀態(tài)2)、結構可靠度3)、《鋼結構設計規(guī)范(GB50017)》設計方法對于承載能力極限狀態(tài)采用應力表達式正常使用極限狀態(tài)4)、現(xiàn)行水工、橋梁鋼結構專門規(guī)范的設計方法第67頁/共75頁河海大學鋼結構課件第三節(jié)鋼結構的發(fā)展

一．鋼結構快速發(fā)展的條件：1、我國96年鋼產(chǎn)量突破1億噸，03年突破2億噸：2.2億噸，增22.38％。04年2.7億噸，增23.2％。05年3.5億噸，高的鋼產(chǎn)量為發(fā)展鋼結構提供了物質基礎。2.一系列的規(guī)范和規(guī)程的頒發(fā)為我國的鋼結構發(fā)展提供了必要的技術基礎。3.高的建設速度要求，需要大量采用鋼結構。鋼結構施工工期短。4.人們追求低強度勞動和好的工作環(huán)境，促使大量采用鋼結構。鋼結構工廠化生產(chǎn)，現(xiàn)場安裝，機械化程度高。5.鋼結構是環(huán)保型的、易于產(chǎn)業(yè)化和可再次利用或者說可持續(xù)發(fā)展的結構，積極合理地擴大在工程中的應用是必然趨勢。隨著我國經(jīng)濟建設的發(fā)展和鋼產(chǎn)量的提高，鋼結構將會在土木工程建設中發(fā)揮日益重要的作用。第68頁/共75頁河海大學鋼結構課件一．鋼結構快速發(fā)展的條件：二．鋼結構發(fā)展的幾個方面：1.設計方法和計算理論的改進第三節(jié)鋼結構的發(fā)展

1水工、橋梁鋼結構應早日采用概率極限狀態(tài)設計法。

2(GB50017)向采用更為先進合理的全概率極限狀態(tài)設計法的方向努力

3設計由構件或某一截面的可靠度，向以整個結構體系可靠度全過程分析

4鋼結構的計算理論，如穩(wěn)定計算、塑性設計、優(yōu)化設計、在動力荷載作用下的性能和抗災（地震、風、火）新技術等，都需要進一步深入研究。第69頁/共75頁河海大學鋼結構課件一．鋼結構快速發(fā)展的條件：第三節(jié)鋼結構的發(fā)展

二．鋼結構發(fā)展的幾個方面：1.設計方法和計算理論的改進2.高性能鋼材的應用高性能鋼材主要是指高強度鋼材和普通強度高性能鋼材。高性能主要體現(xiàn)在鋼材的耐氣候性能（抗腐蝕性能）、焊接性能、低溫韌性、抗脆斷性能、高溫蠕變、疲勞性能以及持久強度等方面。高強度鋼材可以減小結構自重，對于跨度大、荷載大的結構和移動式結構極為有利。日本的大阪港大橋大量使用了780N/mm2級高強鋼板。在水電站已使用由780N/mm2和950N/mm2級高強度鋼板焊成的高強度鋼板焊成的壓力管。我國目前可采用的高強度結構鋼主要有Q420，對于承受較大動力荷載的焊接鋼結構。研究強度更高的鋼材及其合理使用將