第1章鋼結(jié)構(gòu)緒論

1、鋼結(jié)構(gòu),原理與設(shè)計,主講：許信,2020/10/3,2,第1章 緒 論,1.1 鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展 1.2 鋼結(jié)構(gòu)的特點及應(yīng)用 1.3 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法,2020/10/3,3,1.1 鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展,一、材料的發(fā)展 生鐵（pig iron） 含碳量2%以上的鐵碳合金。 鐵的冶煉和鑄造在我國發(fā)展最早，春秋時代用鐵造農(nóng)具 高爐生鐵分為：,由鐵礦石在高爐（煉鐵爐）內(nèi)冶煉而成。還含Si、Mn，少量的P、S,煉鋼生鐵,鑄造生鐵,特種生鐵,天然合金生鐵,鐵合金,2020/10/3,4,熟鐵（wrought iron）含碳量小于0.05% 由鐵礦石用碳直接還原，或由生鐵經(jīng)過熔化并將雜質(zhì)氧化而得到的產(chǎn)物，。也稱鍛鐵

2、。 春秋時期或更早出現(xiàn)熟鐵 不易使渣同鐵完全分離，常含少量渣 具有較好的抗蝕性，高的延展性 鑄鐵（cast iron） 含碳2%以上的鑄造鐵碳合金的總稱。由生鐵、廢鋼、鐵合金等以不同的比例配合，通過熔煉而成。還含Mn、Si，少量P、S。 鑄鐵分類：,白口鑄鐵,灰口鑄鐵,球墨鑄鐵,可鍛鑄鐵,合金鑄鐵,2020/10/3,5,鋼（steel） 含碳量0.025%2%的鐵基合金的總稱。 成分上分： 碳素鋼（不含合金元素） 合金鋼（含一種或一種以上合金元素） 用途上：結(jié)構(gòu)鋼，工具鋼，特殊性能鋼 煉鋼爐分： 轉(zhuǎn)爐鋼 平爐鋼 電爐鋼,2020/10/3,6,二、鋼材的大量生產(chǎn) 貝塞麥與煉鋼法 貝塞麥（18

3、13-1898）： 英國冶金學(xué)家。1856年提出， 不需外熱，單純以空氣吹入液態(tài)生鐵，利用空氣中的氧取出鐵中的硅、碳等元素而成鋼。 貝塞麥煉鋼法：酸性底吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法,用酸性爐襯?？諝鈴臓t底風(fēng)眼吹入。生鐵成分限制較嚴(yán)，需含有足夠的硅以供應(yīng)吹煉所需熱能，硫和磷含量必須在限值以下。吹煉初期，硅和錳迅速氧化，接著碳大量氧化沸騰。一般吹煉時間15分鐘。,首創(chuàng)大量 產(chǎn)鋼的方法,2020/10/3,7,舊中國鋼材生產(chǎn) 1890年張之洞在漢陽辦鐵廠，大冶辦鐵礦。開始官辦，1896年派盛宣懷招商承辦，改為官督商辦。 1898年江西萍鄉(xiāng)開煤礦。 1907年漢陽鋼鐵廠，年產(chǎn)量8500t。 1908年合并成立漢冶萍煤

4、鐵廠礦公司，簡稱漢冶萍公司。 抗日戰(zhàn)爭時期，漢陽鋼鐵廠部分設(shè)備運往陪都重慶，成立大渡口鋼鐵廠,重鋼,漢陽造,2020/10/3,8,新中國鋼材生產(chǎn) 1958年全民煉鋼，“超英趕美” 1996年鋼產(chǎn)量1億t，產(chǎn)量世界第一 2003年鋼產(chǎn)量2.2億t 2009年鋼產(chǎn)量5.68億噸 =日俄美印四國總和的2.2倍,首鋼,寶鋼,鞍鋼,本鋼,酒鋼,馬鋼,武鋼,重鋼,攀鋼,長鋼,包鋼,2012年超過10億噸,2020/10/3,9,三、古代鐵結(jié)構(gòu) 鐵橋 蘭津橋（漢） 永平霽虹橋65年 蒲津渡橋（唐）725年 瀘定橋（清）1706年,黃河鐵牛,30噸/牛,2020/10/3,10,鐵塔 濟(jì)寧鐵塔寺鐵塔 北宋1

5、105年，初七層 明代增加2層 = 九層 甘露寺鐵塔 寺建于256年東吳甘露元年 唐（825）年衛(wèi)公李德裕建塔 宋重鑄為鐵塔九級,鎮(zhèn)江北固山 現(xiàn)僅存地下三級,甘露寺劉皇叔招親,2020/10/3,11,四、近代鋼鐵結(jié)構(gòu) 房屋結(jié)構(gòu) 芝加哥家庭保險公司大樓 1883年，11層。 鐵柱鋼梁 1927年沈陽皇姑屯機(jī)車廠 鋼結(jié)構(gòu)廠房 1931年廣州中山紀(jì)念堂 鋼結(jié)構(gòu)圓屋頂 1931紐約帝國大廈,102層，381m,1950年加建頂部電視臺，總高448m,2020/10/3,12,橋梁結(jié)構(gòu) 金門大橋 金門大橋，建于1937年 主跨1280m 世界第一保持27年 錢塘江大橋 1937年建成 鐵路公路兩用橋,

6、茅以升主持建造,抗戰(zhàn)期間曾炸毀一孔,戰(zhàn)后修復(fù)，現(xiàn)在仍在為杭州人民服務(wù)。,2020/10/3,13,塔式結(jié)構(gòu) 艾菲爾鐵塔 為迎接在巴黎召開的世界博覽會而于1889年建成的。 鐵塔的設(shè)計者、杰出的建筑工程師居斯塔夫艾菲爾。,塔尖高320.7米，塔身為鋼架鏤空結(jié)構(gòu)，重達(dá)9000噸，共用了1.8萬余個金屬部件，以100余萬個鉚釘鉚成一體，全靠四條粗大的用水泥澆灌的塔墩支撐。,2020/10/3,14,五、現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu) 設(shè)計施工規(guī)范 GB50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 GB50018-2002冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范 GB50205-2001鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范 鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用 大跨度 超高層 多

7、領(lǐng)域,2020/10/3,15,1.2 鋼結(jié)構(gòu)的特點和應(yīng)用,一、鋼結(jié)構(gòu)的特點 鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點 鋼材的強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕。 材質(zhì)均勻，塑性、韌性好。 制作安裝工業(yè)化程度高，施工周期短 焊接結(jié)構(gòu)氣密性和水密性好。 抗震性能好。 鋼材可重復(fù)使用。,2020/10/3,16,鋼結(jié)構(gòu)的缺點 易腐蝕，維護(hù)費用高 耐火性能差 溫度達(dá)到250 C 時，材質(zhì)會發(fā)生較大變化；達(dá)到500 C時，強(qiáng)度下降，結(jié)構(gòu)會瞬間崩潰，完全喪失承載能力。 耐火時間30min 低溫變脆傾向,受環(huán)境因素影響,2020/10/3,17,二、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用 大跨度房屋結(jié)構(gòu) 體育場館 影視劇院、禮堂 航站樓、飛機(jī)庫,2020/10/3,18,北

8、京植物園展覽溫室（1999） 半橢球部分由雙向空間桁架組成,長軸短軸高=45m36.6m15m，桁架最大高度2m 。,2020/10/3,19,單層鋼結(jié)構(gòu) 工業(yè)廠房 輕工業(yè)廠房 重工業(yè)廠房,2020/10/3,20,多、高層鋼結(jié)構(gòu)房屋 多層：29層房屋 高層：10層以上或高度大于28m 超高層：35層以上或高度大于100m,超高層鋼構(gòu)代表西爾斯大廈 鋼結(jié)構(gòu)束筒： 9 個 22.86m22.86m 的鋼框筒 美國Chicago 1974年建成 442m高，110層,2020/10/3,21,風(fēng)采依舊,2020/10/3,22,超高層鋼構(gòu)代表臺北101大樓 鋼結(jié)構(gòu)巨型框架核心筒： 造價580億新臺

9、幣 高度508m 1998年動工，2005年建成 101層,2020/10/3,23,高聳鋼結(jié)構(gòu) 電視塔 火箭發(fā)射塔 輸電線塔,廣州電視塔,上海東方明珠,2020/10/3,24,板殼鋼結(jié)構(gòu) 輪船、航母 油庫、管道 水工船閘,2020/10/3,25,橋梁鋼結(jié)構(gòu) 鋼桁梁橋 鋼桁拱橋 斜拉橋 懸索橋,2020/10/3,26,施工鋼結(jié)構(gòu) 基坑鋼支撐 腳手架、支架 海上石油平臺 勁性骨架,2020/10/3,27,移動鋼結(jié)構(gòu) 活動板房 塔吊 龍門吊 大型浮吊,2020/10/3,28,娛樂鋼結(jié)構(gòu) 過山車 摩天輪,2020/10/3,29,1.3 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法,理論指導(dǎo),容許應(yīng)力法,極限狀態(tài)設(shè)計

10、法,先秦考工記,民間魯班經(jīng),憑經(jīng)驗,北宋營造法式,前清工部工程做法則例,一、結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的發(fā)展,2020/10/3,30,容許應(yīng)力法 方法源頭：材料力學(xué) 1826年，法國人納維提出 方法本質(zhì)：定值法,極限應(yīng)力,安全系數(shù),容許應(yīng)力法的缺陷 不能從定量上確定結(jié)構(gòu)的可靠度 不能使各類結(jié)構(gòu)安全度達(dá)到同一水準(zhǔn) 誤導(dǎo)人們思維 易使人將安全系數(shù)與安全度等同 錯誤地認(rèn)為安全系數(shù)大結(jié)構(gòu)的安全度就高,2020/10/3,31,半概率極限狀態(tài)設(shè)計法 方法的含義 用概率統(tǒng)計的方法，考慮材料強(qiáng)度的變異、考慮荷載的變異 分項安全系數(shù)由工程經(jīng)驗確定,材料強(qiáng)度變異,荷載變異,2020/10/3,32,荷載安全系數(shù),材料安全系

11、數(shù),調(diào)整系數(shù),結(jié)構(gòu)安全系數(shù),材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,設(shè)計表達(dá)式 公式形式采用容許應(yīng)力法的公式形式 安全系數(shù)由多系數(shù)分析決定,1974年開始應(yīng)用，廿世紀(jì)八十年代末期淘汰,2020/10/3,33,近似概率極限狀態(tài)設(shè)計法 設(shè)計參數(shù)確定 材料強(qiáng)度按概論統(tǒng)計理論確定 荷載按概率統(tǒng)計理論確定 分項安全系數(shù)按概率方法確定 優(yōu)點 （1）有明確的極限狀態(tài) （2）可給出結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度（可靠概率） 不足：忽略了基本變量隨時間的變化 復(fù)雜關(guān)系線性化處理,近似之所在,現(xiàn)在采用的設(shè)計方法,2020/10/3,34,整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。,承載能

12、力極限狀態(tài),功能：安全性,正常使用極限狀態(tài),功能：適用性 耐久性,二、極限狀態(tài)設(shè)計法,2020/10/3,35,結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力設(shè)計值,荷載效應(yīng)組合的設(shè)計值,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：,對安全等級為一級或設(shè)計使用年限為100及以上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于1.1；,安全等級二級或使用年限為50年，不應(yīng)小于1.0；,對安全等級為三級或設(shè)計使用年限為5年及以下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于0.9。,承載力極限狀態(tài)設(shè)計,2020/10/3,36,荷載效應(yīng)基本組合設(shè)計值 荷載設(shè)計值 = 分項系數(shù) 荷載代表值 效應(yīng)設(shè)計值 = 荷載設(shè)計值產(chǎn)生的效應(yīng) = 分項系數(shù)荷載代表值產(chǎn)生的效應(yīng) （1）由可變荷載效應(yīng)控制的組合 工程簡稱1.2 組合

13、,（2）由永久荷載效應(yīng)控制的組合(只考慮豎向荷載) 工程簡稱1.35組合,2020/10/3,37,各個系數(shù)： 0 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)： 1.1、1.0、0.9 G 永久荷載分項系數(shù)：不利 1.2、1.35 有利 1.0，抗傾0.9 Q 可變荷載分項系數(shù)：一般 1.4 工業(yè)樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值4 kN/m2取1.3 對于一般排架和框架，可變效應(yīng)控制的組合，可不區(qū)分第一個和第 i 個可變荷載，簡化計算：,2020/10/3,38,正常使用極限狀態(tài) 實用表達(dá)式（公式）： v v 正常使用規(guī)定的撓度限值 |_ 荷載效應(yīng)（撓度）的設(shè)計值 荷載效應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)組合,用荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計算鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的撓度,見P.23

14、9 附表2.1,2020/10/3,39,三、鋼結(jié)構(gòu)的疲勞計算 疲勞現(xiàn)象 金屬構(gòu)件承受交變應(yīng)力，經(jīng)過較長時間或較長應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后所發(fā)生的突然失效，稱為疲勞失效（fatigue failure）。 疲勞失效簡稱疲勞（fatigue）。 疲勞失效的特點 低應(yīng)力（名義應(yīng)力）破壞 經(jīng)歷多次應(yīng)力循環(huán)才破壞 脆性斷裂 對表面及缺陷敏感,疲勞斷口：,光滑區(qū)+粗糙區(qū),2020/10/3,40,疲勞分類 常幅疲勞：交變應(yīng)力幅為常數(shù) 變幅疲勞：交變應(yīng)力幅隨時間變化 需要進(jìn)行疲勞驗算的構(gòu)件 直接承受動力荷載作用的構(gòu)件（如吊車梁） 且應(yīng)力變化的循環(huán)次數(shù) 5萬次,2020/10/3,41,容許應(yīng)力幅,應(yīng)力幅壽命曲線,雙

15、對數(shù)坐標(biāo)下為直線：平均值關(guān)系,取平均值減2倍標(biāo)準(zhǔn)差，保證率97.73%,2020/10/3,42,取此時的應(yīng)力幅為容許應(yīng)力幅，并將疲勞壽命N改為n，則有,構(gòu)件和連接類別見：P.254-256附錄7,2020/10/3,43,例1.1 取循環(huán)次數(shù)n=2106次，試確定構(gòu)件和連接類別分別為1類和2類時的容許應(yīng)力幅。 解,構(gòu)件和連接類別為1類,構(gòu)件和連接類別為2類,2020/10/3,44,常幅疲勞計算,對于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的焊接部位,對于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的非焊接部位，如高強(qiáng)度螺栓連接和帶孔構(gòu)件，取折算應(yīng)力幅,2020/10/3,45,變幅疲勞計算 邁因納準(zhǔn)則,從已知變幅交變應(yīng)力的應(yīng)力幅水平1、2、i、及其對應(yīng)的循

16、環(huán)次數(shù)n1、n2、ni、。假設(shè)1、2、i、為常幅時，相對應(yīng)的疲勞壽命是N1、N2、Ni、，則在i作用下，一次循環(huán)所引起的損傷為1/ Ni，ni次循環(huán)所引起的損傷為ni /Ni。按累積損傷觀點，總的損傷應(yīng)累加計算,邁因納（Miner）認(rèn)為總損傷達(dá)到1時構(gòu)件疲勞失效,2020/10/3,46,變幅疲勞的等效應(yīng)力,變幅疲勞任意一級應(yīng)力水平,設(shè)另一常幅疲，應(yīng)力幅e，應(yīng)力循環(huán)ni次也發(fā)生疲勞破壞,變幅疲勞強(qiáng)度條件,2020/10/3,47,吊車梁的欠載效應(yīng)系數(shù),設(shè)為計算應(yīng)力譜中的最大應(yīng)力幅，等效應(yīng)力幅按下式計算,則f稱為變幅疲勞的欠載效應(yīng)系數(shù),規(guī)范以2106循環(huán)為基準(zhǔn)，實測欠載系數(shù),重級工作制硬鉤吊車f=1.0,重級工作制軟鉤吊車f=0.8,中級工作制吊車f=0.5,2020/10/3,48,吊車梁的疲勞強(qiáng)度條件為,吊車工作制,2020/10/3,49,例1.2 吊車梁上危險點的最大正應(yīng)力max=215MPa，最小正應(yīng)力min=110MPa。梁為焊接工字鋼，構(gòu)件和連接類別為2，硬鉤吊車重級工作制，試驗算梁的疲勞強(qiáng)度。 解,吊車梁的疲勞強(qiáng)度符合要求！,The End,2020/10/3,50,魯班與魯班經(jīng),魯班 古代建筑工匠。公