鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理 課件 第1章 緒論

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

DesignPrincipleforConcreteStructures第1章鋼結(jié)構(gòu)概述公元前2000年左右，在美索不達(dá)米亞平原就出現(xiàn)了早期的煉鐵術(shù)；公元1465年，用鍛鐵為環(huán)，相扣成鏈，建成了世界上最早的鐵鏈懸橋——蘭津橋；公元1705年（清康熙四十四年）建成的四川瀘定大渡河橋；公元1061年（宋代）在湖北荊州玉泉寺建成的13層鐵塔，目前依然存在；1846-1850年間在英國(guó)威爾士修建的布里塔尼亞橋（鉚接鍛鐵結(jié)構(gòu)）；20世紀(jì)初焊接技術(shù)的出現(xiàn)，以及1934年高強(qiáng)度螺栓連接的出現(xiàn)，極大地促進(jìn)了鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。第1章鋼結(jié)構(gòu)概述布里塔尼亞橋玉泉寺鐵塔第1章鋼結(jié)構(gòu)概述1.中國(guó)鋼產(chǎn)量第1章鋼結(jié)構(gòu)概述改革開(kāi)放以來(lái)，尤其在黨的十四大之后，我國(guó)鋼鐵工業(yè)實(shí)現(xiàn)了歷史性跨越，1996年鋼產(chǎn)量達(dá)到一億零一百二十四萬(wàn)噸，首次突破一億噸，居世界首位，使我國(guó)成為世界第一產(chǎn)鋼大國(guó)，世人矚目，舉國(guó)振奮。這是我國(guó)綜合國(guó)力空前強(qiáng)盛的鮮明標(biāo)志，是中國(guó)人民艱苦奮斗、改革開(kāi)放的豐碩成果，也是我國(guó)鋼鐵工業(yè)及國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程中的一個(gè)新的重要里程碑。1.中國(guó)鋼產(chǎn)量第1章鋼結(jié)構(gòu)概述第1章鋼結(jié)構(gòu)概述第1章鋼結(jié)構(gòu)概述第1章鋼結(jié)構(gòu)概述第1章鋼結(jié)構(gòu)概述第1章鋼結(jié)構(gòu)概述第1章鋼結(jié)構(gòu)概述第1章鋼結(jié)構(gòu)概述第1章鋼結(jié)構(gòu)概述第1章鋼結(jié)構(gòu)概述主要內(nèi)容：鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)的組成鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法、要求鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向?qū)W習(xí)重點(diǎn)：鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法第1章鋼結(jié)構(gòu)概述1.1鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工程應(yīng)用漢長(zhǎng)城遺址公元前202年—220年希臘雅典神廟公元前447-前432年法隆寺公元607年蘭津橋公元1465-1487年第1章鋼結(jié)構(gòu)概述1.1鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工程應(yīng)用

鋼結(jié)構(gòu)是鋼材制成的工程結(jié)構(gòu)，通常由型鋼和鋼板等制成的梁、桁架、柱、板等構(gòu)件組成，各部分之間用焊縫、螺栓或鉚釘連接。工程結(jié)構(gòu)木結(jié)構(gòu)圬工結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)構(gòu)第1章鋼結(jié)構(gòu)概述1.1鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工程應(yīng)用悉尼港大橋主跨502.9m1932年建成金門(mén)大橋主跨1280m1937年建成明石海峽大橋主跨1991m1998年建成俄羅斯島大橋主跨1104m2012年建成第1章鋼結(jié)構(gòu)概述1.1鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工程應(yīng)用蘇滬通長(zhǎng)江大橋主跨1092m2020年建成南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋主跨552m2009年建成南京長(zhǎng)江大橋主跨168m1968年建成楊泗港長(zhǎng)江大橋主跨1700m2019年建成2鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展一座大橋的跨度，折射70年發(fā)展跨度。碧波之上，港珠澳大橋飛架三地，氣貫長(zhǎng)虹。55公里的跨度，不僅是空間距離，更承載著一個(gè)國(guó)家飛越滄海的歷史風(fēng)云。2鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展習(xí)近平強(qiáng)調(diào)，港珠澳大橋的建設(shè)創(chuàng)下多項(xiàng)世界之最，非常了不起，體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家逢山開(kāi)路、遇水架橋的奮斗精神，體現(xiàn)了我國(guó)綜合國(guó)力、自主創(chuàng)新能力，體現(xiàn)了勇創(chuàng)世界一流的民族志氣。這是一座圓夢(mèng)橋、同心橋、自信橋、復(fù)興橋。大橋建成通車，進(jìn)一步堅(jiān)定了我們對(duì)中國(guó)特色社會(huì)主義的道路自信、理論自信、制度自信、文化自信，充分說(shuō)明社會(huì)主義是干出來(lái)的，新時(shí)代也是干出來(lái)的！第1章鋼結(jié)構(gòu)概述1.1鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工程應(yīng)用巴黎埃菲爾鐵塔高324m1889年建成紐約世貿(mào)大廈高415m1983年建成迪拜帆船酒店高321m1999年建成迪拜塔高828m2010年建成第1章鋼結(jié)構(gòu)概述1.1鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工程應(yīng)用國(guó)家體育場(chǎng)（鳥(niǎo)巢）2008年建成國(guó)家大劇院(巨蛋)

2007年建成中央電視臺(tái)大樓2009年建成上海中心大廈高632m

2014年建成第1章鋼結(jié)構(gòu)概述1.1鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工程應(yīng)用城市地標(biāo)城市地標(biāo)北京鳥(niǎo)巢、中國(guó)尊紐約布魯克林橋、帝國(guó)大廈上海盧浦大橋倫敦倫敦眼、千禧橋廣州小蠻腰、丫髻沙大橋巴黎埃菲爾鐵塔成都環(huán)球中心、新機(jī)場(chǎng)東京東京塔、晴天塔武漢武漢長(zhǎng)江大橋、悉尼悉尼港大橋南京南京長(zhǎng)江大橋舊金山金門(mén)大橋重慶朝天門(mén)長(zhǎng)江大橋吉隆坡雙子塔香港青馬大橋、昂船洲大橋新加坡雙螺旋橋、金沙酒店第1章鋼結(jié)構(gòu)概述輕質(zhì)高強(qiáng)勻質(zhì)可靠柔韌有余制造方便密不透風(fēng)優(yōu)點(diǎn)大跨結(jié)構(gòu)高聳結(jié)構(gòu)容器管道拆移結(jié)構(gòu)輕型結(jié)構(gòu)應(yīng)用重型廠房1.1鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工程應(yīng)用第1章鋼結(jié)構(gòu)概述1.1鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工程應(yīng)用缺點(diǎn)易腐蝕造價(jià)高噪音高耐火差第1章鋼結(jié)構(gòu)概述鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：輕質(zhì)——材料的質(zhì)量密度與強(qiáng)度的比值小Q235鋼C30混凝土Q235鋼

密度：7850kg/m3強(qiáng)度：235N/mm2

C30混凝土

密度：2450kg/m3強(qiáng)度：14.3N/mm2

第1章鋼結(jié)構(gòu)概述鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：塑性和韌性是概念上完全不同的兩個(gè)物理量塑性——承受靜力荷載時(shí)，材料吸收變形能的能力。塑性好，會(huì)使結(jié)構(gòu)一般情況下不會(huì)由于偶然超載而突然斷裂，給人以安全保證韌性——承受動(dòng)力荷載時(shí)，材料吸收能量的多少。韌性好，說(shuō)明材料具有良好的動(dòng)力工作性能。

第1章鋼結(jié)構(gòu)概述工程應(yīng)用：(1)大跨結(jié)構(gòu)第1章鋼結(jié)構(gòu)概述第1章鋼結(jié)構(gòu)概述第1章鋼結(jié)構(gòu)概述第1章鋼結(jié)構(gòu)概述（2）高聳結(jié)構(gòu)和高層建筑第1章鋼結(jié)構(gòu)概述第1章鋼結(jié)構(gòu)概述（3）重型廠房鋼結(jié)構(gòu)第1章鋼結(jié)構(gòu)概述（4）密閉容器及管道第1章鋼結(jié)構(gòu)概述（5）可拆卸、移動(dòng)式結(jié)構(gòu)第1章鋼結(jié)構(gòu)概述（6）輕型鋼結(jié)構(gòu)第1章鋼結(jié)構(gòu)概述1.2鋼結(jié)構(gòu)組成及制造1.2.1鋼結(jié)構(gòu)的組成原理平面體系加支撐如：穿式桁架橋、空間屋蓋結(jié)構(gòu)(1)跨越結(jié)構(gòu)穿式桁架橋空間屋蓋結(jié)構(gòu)第1章鋼結(jié)構(gòu)概述水平荷載可能居于主導(dǎo)地位。如：高層房屋結(jié)構(gòu)、塔架、桅桿。(2)高聳結(jié)構(gòu)高層房屋結(jié)構(gòu)塔架結(jié)構(gòu)桅桿結(jié)構(gòu)第1章鋼結(jié)構(gòu)概述1.2.2鋼結(jié)構(gòu)的制造過(guò)程工廠制造：驗(yàn)收、放樣、加工、裝配、矯正、除銹和涂漆；工地安裝：擴(kuò)大拼裝、吊裝就位、臨時(shí)固定、最后固定；第1章鋼結(jié)構(gòu)概述1.2.3鋼結(jié)構(gòu)的初始缺陷幾何缺陷：初彎曲初傾斜桿件長(zhǎng)度誤差材料缺陷：鋼材并非理想的勻質(zhì)體和各向同性體施工缺陷：焊接、栓接施工缺陷第1章鋼結(jié)構(gòu)概述1.3鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法、要求1.3.1鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)的功能安全性（Safety）

◎結(jié)構(gòu)在預(yù)定的使用期間內(nèi)（一般為50年），應(yīng)能承受在正常施工、正常使用情況下可能出現(xiàn)的各種荷載、外加變形（如超靜定結(jié)構(gòu)的支座不均勻沉降）、約束變形等的作用；◎在偶然事件（如地震、爆炸）發(fā)生時(shí)和發(fā)生后，結(jié)構(gòu)應(yīng)能保持整體穩(wěn)定性，不應(yīng)發(fā)生倒塌或連續(xù)破壞而造成生命財(cái)產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失。適用性（Serviceability

）結(jié)構(gòu)在正常使用期間，具有良好的工作性能。如不發(fā)生影響正常使用的過(guò)大的變形（撓度、側(cè)移）、振動(dòng)（頻率、振幅），或產(chǎn)生讓使用者感到不安的過(guò)大的裂縫寬度。耐久性（Durability）結(jié)構(gòu)在正常使用和正常維護(hù)條件下，應(yīng)具有足夠的耐久性。即在各種因素的影響下（疲勞、銹蝕），結(jié)構(gòu)的承載力和剛度不應(yīng)隨時(shí)間有過(guò)大的降低，而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在其預(yù)定使用期間內(nèi)喪失安全性和適用性，降低使用壽命。第1章鋼結(jié)構(gòu)概述適用性耐久性安全性結(jié)構(gòu)的可靠性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是實(shí)現(xiàn)可靠性與經(jīng)濟(jì)性的最佳平衡設(shè)計(jì)方法第1章鋼結(jié)構(gòu)概述1.3.2鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法基本設(shè)計(jì)方法：容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法變化：1949-1957年，總安全系數(shù)的容許應(yīng)力法；1957-1974年，3個(gè)系數(shù)的極限狀態(tài)法；1974-1988年，極限狀態(tài)為依據(jù)，單一系數(shù)的容許應(yīng)力法；1988年以后，概率論為基礎(chǔ)，一次二階矩極限狀態(tài)法；第1章鋼結(jié)構(gòu)概述極限狀態(tài)LimitState結(jié)構(gòu)能夠滿足功能要求而良好地工作，則稱結(jié)構(gòu)是“可靠”的或“有效”的。反之，則結(jié)構(gòu)為“不可靠”或“失效”。

承載力極限狀態(tài)

UltimateLimitState

正常使用極限狀態(tài)ServiceabilityLimitState結(jié)構(gòu)整體或部分作為剛體失去平衡結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載力受動(dòng)力荷載作用而產(chǎn)生疲勞破壞結(jié)構(gòu)塑性變形過(guò)大而破壞結(jié)構(gòu)形成幾何可變體系構(gòu)件由于壓屈而喪失穩(wěn)定過(guò)大的變形和側(cè)移過(guò)大的裂縫過(guò)大的振動(dòng)侵蝕性介質(zhì)腐蝕等結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分達(dá)到最大承載能力或不適合繼續(xù)承載的變形狀態(tài)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分達(dá)到正常使用或耐久性能的某項(xiàng)規(guī)定限值的狀態(tài)第1章鋼結(jié)構(gòu)概述結(jié)構(gòu)上的作用(Action)

（1）按隨時(shí)間的變異可分為三類：永久作用可變作用偶然作用

結(jié)構(gòu)上的作用可按下列性質(zhì)分類：在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)其量值不隨時(shí)間變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計(jì)的作用。如結(jié)構(gòu)自重、土壓力、預(yù)應(yīng)力、地基沉降等。在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)其量值隨時(shí)間變化，且其變化與平均值相比不可忽略的作用。在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)其量值很大且持續(xù)時(shí)間很短的作用。如活荷載、吊車荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、溫度變化等。如爆炸力、撞擊力、罕遇的地震等?！Y(jié)構(gòu)上的作用是指施加在結(jié)構(gòu)上的集中力或分布力，以及引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因（地震、基礎(chǔ)差異沉降、溫度變化、混凝土收縮等）。第1章鋼結(jié)構(gòu)概述固定作用自由作用在結(jié)構(gòu)上固定分布的作用。在結(jié)構(gòu)上一定范圍內(nèi)可以任意分布的作用。如結(jié)構(gòu)上固定位置的設(shè)備荷載等。如人群荷載、吊車荷載等?！o態(tài)作用動(dòng)態(tài)作用使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的加速度可以忽略不計(jì)的作用。使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的加速度不可忽略不計(jì)的作用。如結(jié)構(gòu)自重、活荷載如地震作用、大型動(dòng)力設(shè)備的作用、風(fēng)荷載等?！?章鋼結(jié)構(gòu)概述結(jié)構(gòu)抗力(resistance)

結(jié)構(gòu)抗力是指整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受作用效應(yīng)（即內(nèi)力和變形）的能力。影響抗力的主要因素有：材料性能的不確定性幾何參數(shù)的不確定性計(jì)算模式的不確定性強(qiáng)度、變形模量等——構(gòu)件尺寸等——抗力計(jì)算所采用的基本假設(shè)和計(jì)算公式不夠精確等——第1章鋼結(jié)構(gòu)概述結(jié)構(gòu)功能的表達(dá)

S—作用效應(yīng)

ActionEffect

結(jié)構(gòu)上的作用是使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力、變形和裂縫的原因的總稱，分為直接作用和間接作用，作用效應(yīng)即為作用引起的構(gòu)件內(nèi)力。R—結(jié)構(gòu)抗力

Resistant

結(jié)構(gòu)抵抗作用效應(yīng)的能力，如受彎承載力Mu、受剪承載力Vu、容許撓度[f]、容許裂縫寬度[w]。S<R

可靠S=R

極限狀態(tài)S>R

失效第1章鋼結(jié)構(gòu)概述1.3.3概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法結(jié)構(gòu)抗力R與作用效應(yīng)S都是隨機(jī)變量，因此功能函數(shù)Z=R-S也是隨機(jī)變量Z>0結(jié)構(gòu)可靠；Z=0結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)；Z<0結(jié)構(gòu)失效

f(Z)

Z=bsZmzPfZ

=R-S

sZPS=1-Pf可靠概率：失效概率：安全的概念是相對(duì)的，所謂“安全”只是失效概率相對(duì)較小而已，失效概率不可能為零，故不存在絕對(duì)安全的結(jié)構(gòu)。應(yīng)該通過(guò)設(shè)計(jì)把失效概率控制在某一個(gè)可以接受的限制以下就可以。失效概率越小，表示結(jié)構(gòu)可靠性越大。當(dāng)失效概率Pf小于某個(gè)值時(shí)，即可認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可靠的，即Pf≤[Pf]

。該失效概率限值稱為允許失效概率[Pf]。第1章鋼結(jié)構(gòu)概述

f(Z)

Z=bsZmzPfZ

=R-S

sZPS=1-Pf失效概率Pf來(lái)度量結(jié)構(gòu)的可靠性具有明確的意義，但計(jì)算繁瑣，可以利用可靠度指標(biāo)β代替失效概率來(lái)度量結(jié)構(gòu)的可靠性。失效概率Pf與可靠指標(biāo)β有著一對(duì)應(yīng)的關(guān)系β值愈大，失效概率Pf值就愈??；β值愈小，失效概率Pf值就愈大。

z——平均值；