鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理A-1.緒論

1、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理教材：教材：肖光宏主編，鋼結(jié)構(gòu)，重慶：重慶大學(xué)出版社，肖光宏主編，鋼結(jié)構(gòu)，重慶：重慶大學(xué)出版社，2011參考教材：參考教材： 1. 范崇仁主編，水工鋼結(jié)構(gòu)，北京：中國水利水電出版范崇仁主編，水工鋼結(jié)構(gòu)，北京：中國水利水電出版社，社，2008 2.丁陽主編，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，天津：天津大學(xué)出版社，丁陽主編，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，天津：天津大學(xué)出版社，2004 3.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50017-2003 4.水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范SL74-95 鋼結(jié)構(gòu)課程簡介（港航、水利類） 鋼結(jié)構(gòu)是土木工程專業(yè)的主要專業(yè)課之一，也是鋼結(jié)構(gòu)是土木工程專業(yè)的主要專業(yè)

2、課之一，也是水工、港航、海工、農(nóng)水等水利類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課。水工、港航、海工、農(nóng)水等水利類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課。鋼結(jié)構(gòu)是當前我國重點推廣和發(fā)展的結(jié)構(gòu)形式。鋼結(jié)構(gòu)是當前我國重點推廣和發(fā)展的結(jié)構(gòu)形式。 鋼結(jié)構(gòu)是根據(jù)所用材料不同而劃分出來的工程結(jié)鋼結(jié)構(gòu)是根據(jù)所用材料不同而劃分出來的工程結(jié)構(gòu)的一門分支。課程的主要內(nèi)容包括材料、連接、基構(gòu)的一門分支。課程的主要內(nèi)容包括材料、連接、基本構(gòu)件三大部分。不同的鋼結(jié)構(gòu)物都是由基本構(gòu)件聯(lián)本構(gòu)件三大部分。不同的鋼結(jié)構(gòu)物都是由基本構(gòu)件聯(lián)結(jié)而成，結(jié)而成，基本構(gòu)件的核心問題是穩(wěn)定問題?；緲?gòu)件的核心問題是穩(wěn)定問題。 Preface to Steel Structure 一、本

3、課程的性質(zhì)和任務(wù)1 本課程的性質(zhì)2 本課程的任務(wù) 1、鋼材的性能、影響因素及合理選擇；、鋼材的性能、影響因素及合理選擇； 2、鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計與計算；、鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計與計算； 3、構(gòu)件設(shè)計、構(gòu)件設(shè)計二、鋼結(jié)構(gòu)的主要特點：二、鋼結(jié)構(gòu)的主要特點： A 優(yōu)點優(yōu)點1、材料強度高、結(jié)構(gòu)重量輕、材料強度高、結(jié)構(gòu)重量輕 強度是混凝土強度的強度是混凝土強度的20倍以上，截面尺寸小，比如，鋼屋架倍以上，截面尺寸小，比如，鋼屋架重量是鋼筋混凝土屋架重量的重量是鋼筋混凝土屋架重量的1/31/4 。（注：混凝土的質(zhì)量密度（注：混凝土的質(zhì)量密度24002500kg/m3, 鋼材為鋼材為7850kg/ m3)2、鋼結(jié)構(gòu)

4、工作的可靠性高。鋼材材質(zhì)均勻，各向同性?？珊喕癁?、鋼結(jié)構(gòu)工作的可靠性高。鋼材材質(zhì)均勻，各向同性?？珊喕癁槔硐氲膹椝苄泽w。理想的彈塑性體。3、塑性性能好、塑性性能好 破壞前產(chǎn)生顯著的變形，有明顯的預(yù)兆?？拐鹦阅芎?。破壞前產(chǎn)生顯著的變形，有明顯的預(yù)兆?？拐鹦阅芎?。4、具有良好的韌性，適宜于承受動荷載、具有良好的韌性，適宜于承受動荷載5、良好的加工性能、焊接性能、良好的加工性能、焊接性能 專業(yè)化工廠加工制造，運至現(xiàn)場安裝。易于保證質(zhì)量、縮短工專業(yè)化工廠加工制造，運至現(xiàn)場安裝。易于保證質(zhì)量、縮短工期。我國已建成的某期。我國已建成的某240m 315m全鋼結(jié)構(gòu)廠房，建筑面積達全鋼結(jié)構(gòu)廠房，建筑面積達7.

5、6萬萬平方米，其結(jié)構(gòu)安裝僅用了平方米，其結(jié)構(gòu)安裝僅用了98天。天。6、密閉性好，適用于高壓容器、管道、大型油罐等、密閉性好，適用于高壓容器、管道、大型油罐等7、便于拆裝、便于拆裝 ，重復(fù)使用，重復(fù)使用 如塔吊、掛籃、架橋機、拱架、鉆井塔架。如塔吊、掛籃、架橋機、拱架、鉆井塔架。B 值得注意的問題：值得注意的問題：1、鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性 強度高，截面尺寸小，厚度薄，容易失穩(wěn)。強度高，截面尺寸小，厚度薄，容易失穩(wěn)。2、鋼結(jié)構(gòu)的耐腐蝕問題、鋼結(jié)構(gòu)的耐腐蝕問題 鋼材易銹蝕，應(yīng)加強維護。鋼材易銹蝕，應(yīng)加強維護。3、鋼結(jié)構(gòu)的耐火問題、鋼結(jié)構(gòu)的耐火問題 鋼結(jié)構(gòu)耐熱，不防火。鋼結(jié)構(gòu)耐熱，不防火。

6、溫度高于溫度高于300 C時，強時，強度急劇下降，軟化，度急劇下降，軟化，600 C 時已不能承重。一般時已不能承重。一般在在200 C以下，鋼結(jié)構(gòu)的強度無影響。以下，鋼結(jié)構(gòu)的強度無影響。4、低溫冷脆、低溫冷脆 0 C以下鋼材開始變脆，以下鋼材開始變脆，- 20 C以下更為明顯。以下更為明顯。承受動荷載時應(yīng)嚴格保證沖擊韌性要求。承受動荷載時應(yīng)嚴格保證沖擊韌性要求。國家體育場國家體育場國家體育場建筑體形上像鳥巢?？扇菁{8萬人。平面為橢圓形,長軸340m短軸292m。屋蓋中間有一個146m76m的開口，這部分將設(shè)計成開合屋蓋。采用加肋薄壁箱形截面 ，總用鋼量達16萬t 。（1）大跨度結(jié)構(gòu)三、鋼結(jié)構(gòu)

7、的應(yīng)用國家大劇院國家大劇院 位于北京人民大會堂西側(cè)，西長安街以南，總占地面積近12公頃，總建筑面積近15萬平方米，總投資26.88億元。 該工程外部圍護結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼，是半橢圓球形，東西長軸212.2m，南北短軸143.64m，總高度46.285。內(nèi)設(shè)歌劇院（2416席）、音樂廳（2017席）及戲劇院（1040席）及公共大廳等。屋面采用鈦金屬板，整個網(wǎng)殼外環(huán)繞人工湖（35500m2）,各種通道及入口均設(shè)在水下 。設(shè)計為法國巴黎機場公司安德魯建筑師，北京市建筑設(shè)計研究院參與主體設(shè)計 ，整體結(jié)構(gòu)用鋼量達6750t，195kg/m。 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理 Design Principles

8、 of Steel Structure第一章第一章 緒緒 論論 公、鐵路兩用橋，鐵路橋全長公、鐵路兩用橋，鐵路橋全長7675m7675m，公路橋全長，公路橋全長4460m4460m，正橋，正橋1111孔，孔，全長全長1806m1806m，主跨，主跨216m216m，采用連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)。，采用連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)。 九江長江大橋九江長江大橋（2）橋梁結(jié)構(gòu)桁架橋桁架橋（3）重型廠房結(jié)構(gòu) 西安變壓器廠（400t吊車）第一章第一章 緒緒 論論臺北臺北101101樓高樓高101101層，總高層，總高度度508508米，米，2626層以上以層以上以8 8層為一層為一單元。主要由巨柱、核心系統(tǒng)單元。主要由巨柱、核

9、心系統(tǒng)及外伸桁架梁。及外伸桁架梁。 有世界最大且最重的有世界最大且最重的“風阻尼器風阻尼器”，直徑直徑5.5m5.5m，重，重670670噸的阻尼器噸的阻尼器 （4）高層與高聳建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理 Design Principles of Steel Structure第一章第一章 緒緒 論論上海金茂大廈上海金茂大廈 位于上海浦東新區(qū)，陸位于上海浦東新區(qū)，陸家嘴金融貿(mào)易中心，采用家嘴金融貿(mào)易中心，采用鋼筋混凝土核心筒，外框鋼筋混凝土核心筒，外框鋼骨混凝土及鋼柱結(jié)構(gòu)。鋼骨混凝土及鋼柱結(jié)構(gòu)。建筑面積建筑面積28.928.9萬萬m m2 2，地下，地下3 3層，地上層，地上8888層，建

10、筑高度層，建筑高度420.5m420.5m，總用鋼量，總用鋼量1800018000噸。噸。設(shè)計者為美國設(shè)計者為美國S.O.MS.O.M事務(wù)所。事務(wù)所。 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理 Design Principles of Steel Structure第一章第一章 緒緒 論論上海環(huán)球金融中心上海環(huán)球金融中心 位于陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)，毗位于陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)，毗鄰金貿(mào)大廈，是以日本森大廈鄰金貿(mào)大廈，是以日本森大廈株式會社為中心，聯(lián)合日本、株式會社為中心，聯(lián)合日本、美國等美國等4040多家企業(yè)投資興建的多家企業(yè)投資興建的項目。工程占地面積為項目。工程占地面積為3 3萬萬m m2 2，總建筑面積達總建

11、筑面積達38.1638.16萬萬m m2 2。該工。該工程地上程地上101101層，地下層，地下3 3層，建筑層，建筑主體高度達主體高度達492m492m，總用鋼量，總用鋼量2600026000噸，采用鋼筋混凝土核心噸，采用鋼筋混凝土核心筒，外框鋼骨混凝土及鋼柱結(jié)筒，外框鋼骨混凝土及鋼柱結(jié)構(gòu)，目前正在施工中，預(yù)期構(gòu)，目前正在施工中，預(yù)期20082008年竣工。年竣工。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理 Design Principles of Steel Structure第一章第一章 緒緒 論論上海環(huán)球金融中心和金貿(mào)大廈的相對位置和相對高度上海環(huán)球金融中心和金貿(mào)大廈的相對位置和相對高度 上海中心，

12、632米（5）輕型鋼結(jié)構(gòu)（6）容器和其他構(gòu)筑物陜西銅川天然氣公司1000立方米天然氣球罐大連西太平洋石化有限公司1500立方米CF-62鋼球罐（7）住宅鋼結(jié)構(gòu) 如水工鋼閘門、升船機等，可充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)重量輕的特點，降低啟閉設(shè)備的造價和運轉(zhuǎn)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20.2m，重830t。船過船閘一般需2小時35分鐘。 鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求和目的設(shè)計的要求和目的 任何結(jié)構(gòu)都是為了完成所要求的某些功能而設(shè)計的。任何結(jié)構(gòu)都是為了完成所要求的某些功能而設(shè)計的

13、。工程結(jié)構(gòu)必須具備下列功能：工程結(jié)構(gòu)必須具備下列功能： (1) 安全性安全性 結(jié)構(gòu)在正常施工和正常使用條件下，承受結(jié)構(gòu)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。在偶然事件發(fā)生時和發(fā)生后，可能出現(xiàn)的各種作用的能力。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。仍保持必要的整體穩(wěn)定性的能力。 (2) 適用性適用性 結(jié)構(gòu)在正常使用條件下，滿足預(yù)定使用要結(jié)構(gòu)在正常使用條件下，滿足預(yù)定使用要求的能力。求的能力。 (3) 耐久性耐久性 結(jié)構(gòu)在正常維護條件下，隨時間變化而仍結(jié)構(gòu)在正常維護條件下，隨時間變化而仍能滿足預(yù)定功能要求的能力。能滿足預(yù)定功能要求的能力。 結(jié)構(gòu)的安全性、適用性

14、、耐久性總稱為結(jié)構(gòu)的可靠性。結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、耐久性總稱為結(jié)構(gòu)的可靠性。 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法 公橋規(guī)的設(shè)計方法 基于容許應(yīng)力的設(shè)計表達式 一般K=1.7，考慮勻質(zhì)系數(shù)、超載系數(shù)、工作條件系數(shù)。Ksk鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理 Design Principles of Steel Structure第一章第一章 緒緒 論論概率極限狀態(tài)設(shè)計法概率極限狀態(tài)設(shè)計法（1 1）承載能力極限狀態(tài)）承載能力極限狀態(tài) 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載能力或出現(xiàn)不適于繼續(xù)承載的變形，包括結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載能力或出現(xiàn)不適于繼續(xù)承載的變形，包括以下幾個方面：以下幾個方面：1. 1. 結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)整個結(jié)構(gòu)

15、或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡（如傾覆等）；整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡（如傾覆等）；結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過材料強度而破壞；結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過材料強度而破壞；結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接在循環(huán)荷載作用下發(fā)生的疲勞破壞；結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接在循環(huán)荷載作用下發(fā)生的疲勞破壞；結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因過度變形而不適于繼續(xù)承載；結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因過度變形而不適于繼續(xù)承載；結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系；結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系； 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如壓屈等）。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如壓屈等）。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理 Design Principles of Steel Structure第一章第一章 緒緒 論論（2 2）正常使用極限狀

16、態(tài)）正常使用極限狀態(tài) 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定值：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定值：影響正常使用或外觀的變形；影響正常使用或外觀的變形；影響正常使用或耐久性能的局部損壞（包括裂縫）；影響正常使用或耐久性能的局部損壞（包括裂縫）；影響正常使用的振動；影響正常使用的振動；影響正常使用的其它特定狀態(tài)。影響正常使用的其它特定狀態(tài)。承載力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)相比，前者可能導(dǎo)致人身傷亡承載力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)相比，前者可能導(dǎo)致人身傷亡和大量的財產(chǎn)損失，而后者對生命的危害則較小，主要是引起人們和大量的財產(chǎn)損失，而后者對生命的危害則較小，主要是引起人們的不適，所以也

17、應(yīng)該給予足夠的重視。的不適，所以也應(yīng)該給予足夠的重視。第一章第一章 緒緒 論論2. 2. 概率極限狀態(tài)設(shè)計原理概率極限狀態(tài)設(shè)計原理 設(shè)計基本原則：技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全適用、確保質(zhì)量設(shè)計基本原則：技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全適用、確保質(zhì)量 0，結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)，結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài) 功能函數(shù)功能函數(shù) Z=R-S =0，結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài) 0，結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)，結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)失效概率失效概率 0)(0zpdzZfPf可靠指標可靠指標22SRSRZZ一次二階矩的近似概率方法一次二階矩的近似概率方法fz(Z)pfzzzZ鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理 Design Principles o

18、f Steel Structure第一章第一章 緒緒 論論2.52.73.23.74.2Pf510-33.510-36.910-41.110-41.310-5失效概率和可靠指標的對應(yīng)關(guān)系失效概率和可靠指標的對應(yīng)關(guān)系設(shè)計表達式設(shè)計表達式 為了便于應(yīng)用并符合人們長期以來的習慣，規(guī)范并不為了便于應(yīng)用并符合人們長期以來的習慣，規(guī)范并不直接使用直接使用 進行設(shè)計，而利用基本表達式式進行設(shè)計，而利用基本表達式式: : 來來完成。完成。就設(shè)計而言，問題被轉(zhuǎn)化為計算效應(yīng)就設(shè)計而言，問題被轉(zhuǎn)化為計算效應(yīng)S S和抗力和抗力R R。RS RSSSSQikniciQikQQGkG)(21100RSSSQikniciQ

19、iGkG)(1004 . 1Q3 . 1Qc2 . 1G35. 1G1 1）承載能力極限狀態(tài)分項系數(shù)表達式）承載能力極限狀態(tài)分項系數(shù)表達式f鋼材或連接材料強度鋼材或連接材料強度設(shè)計值設(shè)計值。fk鋼材或連接材料強度鋼材或連接材料強度標準值標準值。 R鋼材或連接材料抗力分項系數(shù)，對于鋼材或連接材料抗力分項系數(shù)，對于Q235鋼鋼 R =1.087;Q345、Q390、Q420鋼鋼 R=1.111 。)( RkRkRRff 對于正常使用極限狀態(tài)，要求分別采用對于正常使用極限狀態(tài)，要求分別采用荷載的標準組合、頻荷載的標準組合、頻遇組合和準永久組合進行設(shè)計遇組合和準永久組合進行設(shè)計，并使變形等設(shè)計值不超過

20、相應(yīng)的，并使變形等設(shè)計值不超過相應(yīng)的規(guī)定限值。對于鋼結(jié)構(gòu)只考慮荷載的標準組合。規(guī)定限值。對于鋼結(jié)構(gòu)只考慮荷載的標準組合。Gk -永久荷載標準值永久荷載標準值在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值；在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值；Q1k起控制作用的起控制作用的第第1 1個個可變荷載的標準值可變荷載的標準值在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值（該值使計算結(jié)果為最大）；變形值（該值使計算結(jié)果為最大）； 12nGkQ kciQiKi 2 2）正常使用極限狀態(tài)）正常使用極限狀態(tài) Qik-其他第其他第i i個可變荷載標準值在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值。個可變荷載標準值在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值。 -結(jié)構(gòu)或

21、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的容許變形值。結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的容許變形值。1.設(shè)計方法和計算理論的改進1）向采用更為先進合理的全概率極限狀態(tài)設(shè)計法向采用更為先進合理的全概率極限狀態(tài)設(shè)計法的方向努力。的方向努力。2 2）設(shè)計由構(gòu)件或某一截面的可靠度，向以整個結(jié)）設(shè)計由構(gòu)件或某一截面的可靠度，向以整個結(jié)構(gòu)體系可靠度分析為目標的結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)展。構(gòu)體系可靠度分析為目標的結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)展。3) 3) 鋼結(jié)構(gòu)的計算理論，如穩(wěn)定計算、塑性設(shè)計、鋼結(jié)構(gòu)的計算理論，如穩(wěn)定計算、塑性設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計以及在動力荷載作用下的性能等，都優(yōu)化設(shè)計以及在動力荷載作用下的性能等，都需要進一步深入研究。需要進一步深入研究。 采用高強度鋼材采用高強度鋼材: :

22、 國外已把屈服強度為國外已把屈服強度為700700800N/mm800N/mm2 2或更高或更高強度的低合金結(jié)構(gòu)鋼列入設(shè)計規(guī)范。研究強度更高的鋼材及其強度的低合金結(jié)構(gòu)鋼列入設(shè)計規(guī)范。研究強度更高的鋼材及其合理使用將是重要的課題。合理使用將是重要的課題。 生產(chǎn)和推廣應(yīng)用經(jīng)濟斷面鋼材生產(chǎn)和推廣應(yīng)用經(jīng)濟斷面鋼材: :如軋制如軋制H H型鋼、型鋼、T T型鋼、冷彎薄壁型鋼、冷彎薄壁型鋼、彩色涂層壓型鋼板等。型鋼、彩色涂層壓型鋼板等。 研制和應(yīng)用高功能結(jié)構(gòu)鋼：研制和應(yīng)用高功能結(jié)構(gòu)鋼：（1）耐火鋼：我國已生產(chǎn)出了耐火耐火鋼：我國已生產(chǎn)出了耐火耐候鋼，并用于工程建設(shè)。（耐候鋼，并用于工程建設(shè)。（2）耐大氣腐蝕鋼（耐候鋼）：研）耐大氣腐蝕鋼（耐候鋼）：研究生產(chǎn)新的高性能耐候鋼和耐火耐候鋼及涂料仍然是今后研究究生產(chǎn)新的高性能耐候鋼和耐火耐候鋼及涂料仍然是今后研究的重點。（的重點。