同济大学钢结构基本原理课件 赵宪忠
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钢结构基本原理ppt课件
N1Vy V/n
N1Tx
N1T
y1 r1
T1y xi2yi2
N1Ty
N1T
x1 r1
T1x xi2yi2
验算公式：
N 1N 1 T x2N 1 T yN 1 T y2N m b in
注意： y1≤3x时，N1T=N1XT=Ty1/Σyi2
x1≤3y时，N1T=N1yT=T. x1/Σxi2
应力集中：应力集中越严重，出现同号三相应力场的应力水平越接近，
钢材越趋于脆性。
温度：高温热塑性变形，低温冷脆（脆性温度转变区）
荷载类型：加载速度：低温脆性破坏
循环荷载 高周疲劳—— n514 0 fy
低周疲劳—— n＝ 120 ～ 5140 fy
疲劳：钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤、产生裂纹及裂纹
30
受拉螺栓连接：
1、受力：沿杆轴方向受拉。 破坏：栓杆被拉断。
2、单个螺栓受拉承载力设计值
Ntb Ae ftb
de2 4
ftb
f tb 值的由来：考虑橇杠作用，并对其进行简化，从 而采如用 ftb 0.8f 来考虑。
3、螺栓群受拉连拉计算。
1>轴心力：
n
N
N
b t
.
31
2>偏心力作用下
a.小偏心情况：螺栓群全部受拉。
逐渐扩展，直到最后破坏，这种现象称为疲劳。
疲劳破坏具有突然性，破坏前没有明显的宏观塑性变形，属于脆性断裂。 其破坏过程经历裂纹的产生、裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂三个阶段， 是延时断裂。
.
9
钢 柱 上 焊 接 牛 腿 （ 腹 板 和 翼 缘 ）
.
10
梁柱节点：梁分别连接在柱的腹板和翼缘（连接角钢与
建筑钢结构设计
5
绪论
钢结构设计的基本要求
; 合理选择结构方案(结构体系)
建筑功能要求：住宅、办公楼、工业建筑、公共建筑
绪论
钢结构设计的基本要求
; 合理选择结构方案(结构体系)
建筑功能要求：住宅、办公楼、工业建筑、公共建筑 合理的结构布置、流畅的传力系统、多道防线
绪论
钢结构设计的基本要求 ; 合理的构造措施
绪论
钢结构设计的基本要求
; 对荷载、作用的正确认识
恒载、楼面活载 风荷载
• 体型系数、风振系数等
冰雪荷载
• 覆冰区、结构形体[大屋面]
温度作用
• 温度分区、合龙时段、日照
地震作用
• 延性、阻尼
6
• Dead load effects
Unit:
Roof weight
kN/m2
(1)
Snow load (2)
按正常使用极限状态验算变形
荷载 作用
结构体系
安装
钢材 加工、制作
构件和节点
内力和变形…
S ≤R
强度、稳定、刚度
性能要求: 安全、适用、耐久、经济
7
绪论
钢结构设计的原则
; 设计规范
建筑结构荷载规范 GB50009 钢结构设计规范 GB50017 冷弯薄壁型钢结构设计规范 GB50018 建筑抗震设计规范 GB50011 ; 建筑物的重要性 结构安全等级：一级、二级、三级（延性、脆性破坏的可靠指标） 建筑物使用年限：5年、25年、50年、100年 建筑抗震设防类别：甲类、乙类、丙类、丁类
同济大学土木工程学院
7．对同一根梁，当作用不同的荷载时，出现下图所示四种弯矩（最大值 M均等）。其出现整体失稳的先后顺序应该是 。 A) 4，2，3，1 B) 1，2，3，4 C) 4，1，3，2 D) 1，4，3，2
钢结构基本原理
课程简介
钢结构基本原理课程共七章，第一章介绍了钢结构的基本概念、钢结构的特点、钢结构的应用范围等；第二 章介绍了钢结构的材料：性能要求、规格与选用、结构钢材新发展；第三章介绍了受拉构件：概述、截面强度、 截面效率、残余应力影响、索；第四章介绍了轴压构件：概述、截面强度、实腹式轴压构件的整体稳定、板件的 局部稳定等；第五章介绍了受弯构件：截面强度、变形计算和变形能力、局部稳定等；第六章介绍了拉弯和压弯 构件：拉弯构件的截面强度、构式压弯构件的稳定问题等；第七章介绍了基本连接：连接的方式和特点、对接焊 缝、高强螺栓等内容。
课程大纲
（注：课程大纲排版从左到右列）
教学目标
该课程以建立基本概念、阐释基本原理为宗旨，使学生全面掌握钢结构材料、构件和连接的基础知识，理解 钢结构分析的基本原理，为今后进一步学习各类钢结构与金属结构的设计、制作和建造奠定基础。
学习预备
该课程的先修知识包括材料力学、结构力学。
所获荣誉
2019年1月8日，钢结构基本原理课程被中华人民共和国教育部认定为“国家精品在线开放课程”。 2020年11月24日，钢结构基本原理课程被中华人民共和国教育部认定为“首批国家级一流本科课程”。
该课程共七章，包括钢结构的材料、受拉构件、轴压构件、受弯构件、拉弯和压弯构件、基本连接等内容。
课程性质
课程定位
课程背景
适应对象
钢结构是现代土木工程的基本结构形式之一，在房屋建筑、桥梁、塔桅、海洋平台、气柜油罐中都得到应 用。
钢结构基本原理是土木工程专业的专业基础课，属必修课程。
钢结构基本原理课程适用于土木工程专业专业学生学习。
教师简介
赵宪忠，同济大学教授，博士生导师，主要从事钢结构方向的教学、科研和设计工作。 陈以一，同济大学教授。 郭小农，同济大学副教授。
同济大学钢结构基本原理课件 赵宪忠
1
钢结构初步概念
定义 & 范围
钢结构初步概念
定义 & 范围 钢结构 也包括工程结构中的子结构或局部关键构件采用钢结构
钢结构: 以结构钢作为主要承重体系构件的 工程结构称为钢结构 [强度、刚度、耗能]
钢结构 PK 混凝土结构
钢结构，钢筋混凝土结构，钢管混凝土结构，钢-混凝土组合结构…
钢书架 钢窗框 钢制家具 ……
结构构件面积↓, 基础结构造价↓ 结构延性韧性：适合柔性变形，减轻地震作用，增大耗能能力
大跨度结构
钢材受拉强度大、强重比大的优点可以实现轻质大跨结构Biblioteka 8钢结构发展现状和前景
State-of-the-art & prospective market
钢产量
2007 y > overall output of the world before 1966 2008 y > 2nd-8th output
开合结构：上海网球场
开合结构：南通体育场
Oh, he is coming…
开合结构：南通体育场
风能结构
5
其他：地下工程支护结构
其他：机械、车辆、船舶… …
钢结构的主要结构形式
以建筑与桥梁为例
桁架结构（杆系）
Bar or truss members
主要结构形式
桁架结构（杆系）
框架结构（杆系）
可接受的:
安全性的可接受度 经济性的可接受度 0 Rd-Sd
设计一个可接受的安全的结构 设计一个在给定条件下最合理的结构
结构设计概念与原理
结构设计与建造
学习方法与学习要求
学习方法
结构的破坏模式 解决对策 理想模型的受力机理
同济大学钢结构基本原理PPT课件
纤维纵向受 拉强度大
、纤维横向 受拉强度低
强度(MPa)/ 弹性模量 (MPa)/6000/
25
拉力下脆性
234-420)/ 206000/
78.5
理想弹塑性材 料，好
拉45、压800/ /70000/ 25
拉力下脆性
60-200 (1mm 厚)/
13
大跨度结构
——飞机库、候机楼、体育场馆、会展中心等公共建筑 结构体系：网架网壳（螺栓球节点、焊接球节点）
14
结构体系：钢管桁架（直接汇交焊接节点、铸钢件节点）
组焊完成的构件
15
结构体系：预张力结构
16
高耸塔桅 ——电视、无线发射、观光等
17
其他结构
幕墙支承、压力容器、折板结构、桥塔、桥面梁板、水箱、船舶、 车厢、基坑维护、地下管线、脚手架
铆接连接 普通螺栓连接 高强螺栓连接
焊接连接
轴心受力柱 受弯梁 压弯构件
钢结构基本原理
多高层框架结构 大跨度空间结构 厂房刚架排架结构
高耸结构 桥梁结构 特种结构
……
8
建筑钢结构设计
9
4、钢结构特点
1) 预制拼装——产品化、工业化、干作业 施工速度快 2) 材质均匀理想稳定——计算模型确定、精度高 安全性好 3) 材料强度高——板件薄、构件细长 轻型、稳定性问题 4) 塑性韧性好——抗震性能好、动力承载性能好 5) 耐腐蚀性能差——防腐措施 6) 耐热性能好、耐火性能差——防火措施
钢结构基本原理
1
整体概述
概况一
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概况二
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概况三
、纤维横向 受拉强度低
强度(MPa)/ 弹性模量 (MPa)/6000/
25
拉力下脆性
234-420)/ 206000/
78.5
理想弹塑性材 料，好
拉45、压800/ /70000/ 25
拉力下脆性
60-200 (1mm 厚)/
13
大跨度结构
——飞机库、候机楼、体育场馆、会展中心等公共建筑 结构体系：网架网壳（螺栓球节点、焊接球节点）
14
结构体系：钢管桁架（直接汇交焊接节点、铸钢件节点）
组焊完成的构件
15
结构体系：预张力结构
16
高耸塔桅 ——电视、无线发射、观光等
17
其他结构
幕墙支承、压力容器、折板结构、桥塔、桥面梁板、水箱、船舶、 车厢、基坑维护、地下管线、脚手架
铆接连接 普通螺栓连接 高强螺栓连接
焊接连接
轴心受力柱 受弯梁 压弯构件
钢结构基本原理
多高层框架结构 大跨度空间结构 厂房刚架排架结构
高耸结构 桥梁结构 特种结构
……
8
建筑钢结构设计
9
4、钢结构特点
1) 预制拼装——产品化、工业化、干作业 施工速度快 2) 材质均匀理想稳定——计算模型确定、精度高 安全性好 3) 材料强度高——板件薄、构件细长 轻型、稳定性问题 4) 塑性韧性好——抗震性能好、动力承载性能好 5) 耐腐蚀性能差——防腐措施 6) 耐热性能好、耐火性能差——防火措施
钢结构基本原理
1
整体概述
概况一
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概况二
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概况三
钢结构基本原理全套精美课件
11 2.1 钢结构对材料的要求
第二章 钢结构的材料
2.2 钢材的破坏形式
塑性破坏：破坏前有明显的变形，破坏历时时 间长，可以采取补救措施。
脆性破坏：破坏前没有明显的变形，破坏发生 突然，没有机会补救。
脆性破坏的原因：钢材内部缺陷，焊接缺陷、构造 不合理、使用不当等。
➢ 应尽量发挥材料的塑性 ➢ 避免一切脆性破坏的可能性
10
第二章 钢结构的材料
2.1 钢结构对材料的要求
较高的强度 足够的变形能力。即塑性、韧性好。 良好的加工性能（包括冷加工、热加工和可焊性）
《钢结构设计规范》GB50017-2003规定：
承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷 含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。焊 接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷 弯试验的合格保证。需要验算疲劳的焊接结构的钢材，应具有 常温或负温冲击韧性的合格保证。对需要验算疲劳的非焊接结 构的钢材应具有常温冲击韧性的合格保证。
15 2.3 钢材的主要性能
第二章 钢结构的材料
➢ f y 作为钢结构设计的最大应力 ➢ 简化计算, 采用理想弹塑性模型 ➢ fu 作为钢材实际破坏强度
16 2.3 钢材的主要性能
第二章 钢结构的材料
二、塑性性能
塑性：在静力荷载作用下，钢材吸收变形能的能力
衡量塑性性能的指标：伸长率
l1 l0 100%
时效硬化——随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使 材料硬化的现象。
应变时效——钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易析出。即 冷作硬化的同时可以加速时效硬化，因此也称“人工时效”。
27 2.4 各种因素对钢材主要性能的影响
第二章 钢结构的材料
2.2 钢材的破坏形式
塑性破坏：破坏前有明显的变形，破坏历时时 间长，可以采取补救措施。
脆性破坏：破坏前没有明显的变形，破坏发生 突然，没有机会补救。
脆性破坏的原因：钢材内部缺陷，焊接缺陷、构造 不合理、使用不当等。
➢ 应尽量发挥材料的塑性 ➢ 避免一切脆性破坏的可能性
10
第二章 钢结构的材料
2.1 钢结构对材料的要求
较高的强度 足够的变形能力。即塑性、韧性好。 良好的加工性能（包括冷加工、热加工和可焊性）
《钢结构设计规范》GB50017-2003规定：
承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷 含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。焊 接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷 弯试验的合格保证。需要验算疲劳的焊接结构的钢材，应具有 常温或负温冲击韧性的合格保证。对需要验算疲劳的非焊接结 构的钢材应具有常温冲击韧性的合格保证。
15 2.3 钢材的主要性能
第二章 钢结构的材料
➢ f y 作为钢结构设计的最大应力 ➢ 简化计算, 采用理想弹塑性模型 ➢ fu 作为钢材实际破坏强度
16 2.3 钢材的主要性能
第二章 钢结构的材料
二、塑性性能
塑性：在静力荷载作用下，钢材吸收变形能的能力
衡量塑性性能的指标：伸长率
l1 l0 100%
时效硬化——随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使 材料硬化的现象。
应变时效——钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易析出。即 冷作硬化的同时可以加速时效硬化，因此也称“人工时效”。
27 2.4 各种因素对钢材主要性能的影响
同济大学土木工程施工第6章 钢结构工程 PPT
9
（二）弯卷成型
1．钢板卷曲 ➢ 钢板卷曲，是通过旋转辊轴对板料进行连续三点弯曲所形成的。
当制件曲率半径较大时，可在常温状态下卷曲； 如制件曲率半径较小或钢板较厚时，则需在钢板加热后进行。 ➢ 钢板卷曲按其卷曲类型可分为单曲率卷制和双曲率卷制。 单曲率卷制包括对圆柱面、圆锥面和任意柱面的卷制，操作简便，较
利用上、下两剪刀的相对运动来切断钢材，或利用锯片的切削运动把钢 材分离，或利用锯片与工件间的摩擦发热使金属熔件加工 （一）矫正
➢ 钢材使用前矫正的原因： 材料内部的残余应力及存放、运输、吊运不当等原因，会引起钢材原 材料变形； 在加工成型过程中，由于操作和工艺原因会引起成型件变形； 构件连接过程中会存在焊接变形等。 为了保证钢结构的制作及安装质量，必须对不符合技术标准的材料、
拉伸机矫正适用于薄板扭曲、型钢扭曲、钢管、带钢和线材等的矫正。 压力机矫正适用于板材、钢管和型钢的局部矫正。 多辊矫正机可用于型材、板材等的矫正。
8
➢ 3．手工矫正
✓ 钢材的手工矫正：采用锤击的方法进行，操作简单灵活。 ✓ 手工矫正特点：矫正力小、劳动强度大、效率低而用于矫正尺寸较小的
钢材。在缺乏或不便使用矫正设备时采用。
吊车梁翼缘板、支座支撑面等具有工艺性要求的加工面； 设计图纸中有技术要求的焊接坡口； 尺寸精度要求严格的加劲板、隔板、腹板及有孔眼的节点板等。 常用的边缘加工方法有铲边、刨边、铣边和碳弧电气刨边四种。
常用。 双曲率卷制可实现球面、双曲面的卷制。
10
➢ 钢板卷曲工艺包括预弯、对中和卷曲三个过程。 （1）预弯
✓ 板料进行预弯，使剩余直边弯曲到所需的曲率半径后再卷曲。 ✓ 预弯可在三辊、四辊或预弯压力机上进行。 （2）对中 ✓ 将预弯的板料置于卷板机上弯曲时，为防止产生歪扭，使板材的纵
（二）弯卷成型
1．钢板卷曲 ➢ 钢板卷曲，是通过旋转辊轴对板料进行连续三点弯曲所形成的。
当制件曲率半径较大时，可在常温状态下卷曲； 如制件曲率半径较小或钢板较厚时，则需在钢板加热后进行。 ➢ 钢板卷曲按其卷曲类型可分为单曲率卷制和双曲率卷制。 单曲率卷制包括对圆柱面、圆锥面和任意柱面的卷制，操作简便，较
利用上、下两剪刀的相对运动来切断钢材，或利用锯片的切削运动把钢 材分离，或利用锯片与工件间的摩擦发热使金属熔件加工 （一）矫正
➢ 钢材使用前矫正的原因： 材料内部的残余应力及存放、运输、吊运不当等原因，会引起钢材原 材料变形； 在加工成型过程中，由于操作和工艺原因会引起成型件变形； 构件连接过程中会存在焊接变形等。 为了保证钢结构的制作及安装质量，必须对不符合技术标准的材料、
拉伸机矫正适用于薄板扭曲、型钢扭曲、钢管、带钢和线材等的矫正。 压力机矫正适用于板材、钢管和型钢的局部矫正。 多辊矫正机可用于型材、板材等的矫正。
8
➢ 3．手工矫正
✓ 钢材的手工矫正：采用锤击的方法进行，操作简单灵活。 ✓ 手工矫正特点：矫正力小、劳动强度大、效率低而用于矫正尺寸较小的
钢材。在缺乏或不便使用矫正设备时采用。
吊车梁翼缘板、支座支撑面等具有工艺性要求的加工面； 设计图纸中有技术要求的焊接坡口； 尺寸精度要求严格的加劲板、隔板、腹板及有孔眼的节点板等。 常用的边缘加工方法有铲边、刨边、铣边和碳弧电气刨边四种。
常用。 双曲率卷制可实现球面、双曲面的卷制。
10
➢ 钢板卷曲工艺包括预弯、对中和卷曲三个过程。 （1）预弯
✓ 板料进行预弯，使剩余直边弯曲到所需的曲率半径后再卷曲。 ✓ 预弯可在三辊、四辊或预弯压力机上进行。 （2）对中 ✓ 将预弯的板料置于卷板机上弯曲时，为防止产生歪扭，使板材的纵
同济大学《钢结构基本原理》课程教学大纲
《钢结构基本原理》课程教学大纲课程编号：031126 学分：2.5 总学时：43大纲执笔人：罗烈大纲审核人：陈以一一、课程性质与目的《钢结构基本原理》是土木工程、港口航道与海岸工程专业的专业基础课程，属必修课。
钢结构是现代土木工程的基本结构形式之一。
设置本课程的目的，是使学生全面掌握钢结构材料、构件和连接的基础知识，理解钢结构分析的基本原理，为进一步学习各类钢结构与金属结构的设计、制作和建造提供基础。
本课程开设双语教学班。
二、课程基本要求1．了解钢结构的特点、历史、现状及发展前景；2．掌握钢结构材料的基本性能；3．了解钢结构的典型破坏模式、破坏原因和力学分析的基本方法；4．掌握钢结构基本构件及连接的性能、受力分析与设计计算；5．了解钢结构体系的组成原理和典型结构形式的设计要点。
三、课程基本内容1．绪论钢结构的特点及应用；钢结构发展的历史、现状和趋势；钢结构的构件组成和主要结构形式。
2．钢结构材料钢材在单向均匀受拉时的工作性能；钢材在单轴反复应力作用下的工作性能；钢材在复杂应力作用下的工作性能；钢材抗冲击性能及冷弯性能；影响钢材性能的一般因素；钢材的脆性破坏和延性破坏、疲劳破坏和损伤累积破坏；钢结构防护；钢结构用钢材的分类。
3．钢结构的主要破坏形式整体失稳破坏；板件局部失稳与屈曲后强度；强度破坏与塑性重分布；疲劳；脆性断裂及其机理。
4．钢结构的连接连接的主要类型；对接焊缝构造和计算；角焊缝构造和计算；普通螺栓连接构造和计算；高强螺栓连接构造和计算。
5．受拉构件及索受拉构件的强度，净截面概念；截面效率；拉弯构件的截面强度及强度计算准则；轴力和弯矩的相关关系；索的基本力学性质。
6. 轴心受压构件轴心受压构件的强度；轴心受压构件整体稳定的平衡方程及其理论解，长细比概念；影响整体稳定承载力的因素，整体稳定的工程计算方法；实腹式构件与格构式构件；轴心受压构件的局部稳定；防止局部失稳的设计原则和利用屈曲后强度的设计原则；宽厚比概念。
钢结构基本原理
绕z轴：EI ω ''' GIt ' M x u ' 0
EIω ''' GI t ' Nx0v ' Ny0u'
( Nr02 R) ' 0
梁弯扭变形是否因为外荷载中有平面外弯矩和扭矩？
绕y轴：EI yu '' M x 0
4
受弯构件的整体稳定
受弯构件的整体稳定
2 EIω
[ 2 a 3 By ( 2 a 3 By ) 2
Iω
GI 2
(1 2 t ) ]
Iy
EIω
怎样提高临界弯矩？
荷载
挠曲向
2 EI y
( y ) 2
M crx 1
荷载
S
M crx
荷载作用点到剪心指向与挠曲
方向相反，a>0
By — 反映截面不对称程度的参数
t 22
16 f2 2
Iω
3 b3h 2tf
b h
0.039,
N1 0.64
2 EI y
2
？ 0.5
2
EI y
2
受弯构件的整体稳定
受弯构件的整体稳定
临界弯矩
临界弯矩变化[1]：边界条件和荷载条件
M crx
2 EI y
2
Iω
GI 2
(1 2 t )
Iy
EIω
1 1.0
1 1.13
1 1.35
1 2.65
= ′′ = 0
受弯构件的整体稳定
受弯构件的整体稳定
EIω ''' GI t ' Nx0v ' Ny0u'
( Nr02 R) ' 0
梁弯扭变形是否因为外荷载中有平面外弯矩和扭矩？
绕y轴：EI yu '' M x 0
4
受弯构件的整体稳定
受弯构件的整体稳定
2 EIω
[ 2 a 3 By ( 2 a 3 By ) 2
Iω
GI 2
(1 2 t ) ]
Iy
EIω
怎样提高临界弯矩？
荷载
挠曲向
2 EI y
( y ) 2
M crx 1
荷载
S
M crx
荷载作用点到剪心指向与挠曲
方向相反，a>0
By — 反映截面不对称程度的参数
t 22
16 f2 2
Iω
3 b3h 2tf
b h
0.039,
N1 0.64
2 EI y
2
？ 0.5
2
EI y
2
受弯构件的整体稳定
受弯构件的整体稳定
临界弯矩
临界弯矩变化[1]：边界条件和荷载条件
M crx
2 EI y
2
Iω
GI 2
(1 2 t )
Iy
EIω
1 1.0
1 1.13
1 1.35
1 2.65
= ′′ = 0
受弯构件的整体稳定
受弯构件的整体稳定
同济大学钢结构基本原理课件 赵宪忠02
材料经历过塑性变形，
fy
再次加载时屈服点提高
p
/ 0
高温的影响 250℃, 蓝脆 600℃, 软化
影响钢材性能的因素
温度
影响钢材性能的因素
低温的影响
温度
冲击韧性的温度转变区
Ak
脆性破坏
转变过渡区域
塑性破坏
T
复杂应力与应力集中
复杂应力与屈服准则
折算应力 (von Mises stress)
最大的应力
应力比: min / max 1
max
t
min
Definition min
of
max
t
max
maxΒιβλιοθήκη t min max
min t
t
钢材疲劳破坏
第一种类型：最大应力法
工程应用的Goodman图
工程计算方法：
一定应力比时，对所要求的疲劳寿命
钢结构材料
主要内容
结构钢对材料基本性能的要求 影响钢材性能的一般因素 复杂应力与应力集中 疲劳破坏 钢材分类、规格和选用 结构钢材的新发展
结构钢对材料基本性能的要求
预备知识：钢材单向拉伸试验
标准拉伸试样
取样位置：钢板端部垂直于轧制方向 试样：形状与尺寸
标准加载方式
加载速率
纯剪应力状态: y f y / 3 0.58 f y
复杂应力与应力集中
应力集中
应力集中：因钢材缺陷或制作引起的几何突变，造成各点 钢材应力不均匀的状况 几何突变：孔洞、凹槽、锁孔、螺线、宽度或厚度突变
应力集中系数： K mn
m o
最新-钢结构基本原理及设计-PPT文档资料
防腐问题
泸定铁索桥
§1-1 钢结构发展简史
钢结构基本原理及设计
我国古代金属结构建筑在世界上处于领先地位。 镇江甘露寺铁塔、荆州玉泉寺铁塔等等。
公元1061年（宋代）在 湖北荆州玉泉寺建成的13层 铁塔，目前依然存在。
铁 塔 高 17.9 米 ， 八 角 十 三级，重53.3吨，为我国现 存最高、最重、最大的铁塔。 已有900多年的历史。
§1-1 钢结构发展简史
介绍一座混凝土建筑：
钢结构基本原理及设计
柳京饭店，它有一百零五层，高三百八十 米， 约有三千个房间，
朝鲜最高的建筑，朝鲜建筑史上的奇迹。 平壤古代又名柳京。
§1-1 钢结构发展简史
4. 高层钢结构结构体系
框架结构体系 框架支撑结构体系 框架剪力墙体系 框架---筒体结构体系 悬挂结构体系 成束筒结构
由建筑师T·F·普里查德 协助设计。这座桥横跨塞文河， 跨度为30.5米。
§1-1 钢结构发展简史
钢结构基本原理及设计
框架结构最初在美国得到发展，其主要特点是 以生铁框架代替承重墙。1858--1868年建造的巴黎圣 日内维夫图书馆，是初期生铁框架形式的代表。
§1-1 钢结构发展简史
钢结构基本原理及设计
钢结构基本原理及设计
钢结构基本原理及设计
主讲：邵永松 教授
土木工程学院
钢结构基本原理及设计
钢结构基本原理及设计
使用教材:
《钢结构设计原理》 张耀春
高等教育出版社
参考用书:
《钢结构》
魏明钟主编
武汉理工大学出版社
《钢结构》
钟善桐
中国建筑工业出版社
钢结构基本原理及设计
§1-1 钢结构发展简史
钢结构节点设计、分析与试验
钢结构节点设计、分析与试验
赵宪忠 同济大学
主要内容
钢结构节点设计的核心问题
节点自身：构造和计算 节点与结构的关系
节点分析与设计
典型工程节点
梁柱节点/钢管节点/铸钢节点/轴承节点
把握整体：传力连续 关注细节：节点和构造 逆向解构：施工过程
钢结构设计原理
结构、构件、节点
荷载
结构体系
钢材
冶炼
加工制作
安装
构件和节点
内力和变形…..Biblioteka S≤R强度、稳定、刚度
性能要求： 安全、适用、耐久、经济
钢结构设计
把握整体：传力连续 关注细节：节点和构造 逆向解构：施工过程
钢结构节点设计
其重要性无论如何强调都不为过
钢结构构件
材料:均质 设计方法: 相对完善 阪神地震?
钢结构节点
构造复杂：小结构 设计方法：不完善 其重要性无论如何强调都不为过
节点设计的核心问题
节点与结构：节点性质对结构行为的影响
节点构造、结构分析模型、施工图纸的一致性
节点设计的核心问题
节点设计原则
概念设计 解构与反演
传力路线？ 施工过程？
节点分析与设计
试
一个实例
验
破 坏 模 式、 机 理
1200
N(kN)
1000
有 800
限 600 元 400
校 200
准0
0
2
数值反演
试验值 实体有焊缝 实体无焊缝
δ(mm)
4
6
8
10
12
公式的应用（适用性） 破坏模式（Eurocode 3） 有限元方法 节点试验
参数分析
公 式
节点分析与设计
赵宪忠 同济大学
主要内容
钢结构节点设计的核心问题
节点自身：构造和计算 节点与结构的关系
节点分析与设计
典型工程节点
梁柱节点/钢管节点/铸钢节点/轴承节点
把握整体：传力连续 关注细节：节点和构造 逆向解构：施工过程
钢结构设计原理
结构、构件、节点
荷载
结构体系
钢材
冶炼
加工制作
安装
构件和节点
内力和变形…..Biblioteka S≤R强度、稳定、刚度
性能要求： 安全、适用、耐久、经济
钢结构设计
把握整体：传力连续 关注细节：节点和构造 逆向解构：施工过程
钢结构节点设计
其重要性无论如何强调都不为过
钢结构构件
材料:均质 设计方法: 相对完善 阪神地震?
钢结构节点
构造复杂：小结构 设计方法：不完善 其重要性无论如何强调都不为过
节点设计的核心问题
节点与结构：节点性质对结构行为的影响
节点构造、结构分析模型、施工图纸的一致性
节点设计的核心问题
节点设计原则
概念设计 解构与反演
传力路线？ 施工过程？
节点分析与设计
试
一个实例
验
破 坏 模 式、 机 理
1200
N(kN)
1000
有 800
限 600 元 400
校 200
准0
0
2
数值反演
试验值 实体有焊缝 实体无焊缝
δ(mm)
4
6
8
10
12
公式的应用（适用性） 破坏模式（Eurocode 3） 有限元方法 节点试验
参数分析
公 式
节点分析与设计
同济大学钢结构基本原理 赵宪忠4-受压构件
'
dz
dAa ' a ( s) x
- 扭转失稳模式下的平衡
Mω Mk MT
a
N
dAa( s) ' ad / dz a '
实腹式轴心压杆的整体稳定
双轴对称截面理想压杆的临界力
EI x v IV Nv '' Nx0 '' 0
实腹式轴心压杆的整体稳定
双轴对称截面理想压杆的临界力 杆端弯曲约束和扭转约束的自由、铰支、固接
h
u 0.5h y1 u'' 0.5h ''
EI yu IV Nu '' Ny0 '' 0
EIω
IV
Nv '
GI t Nx0v Ny0u
'' ''
R) 0
''
Nv '
x0
y
v
y
N
扭转平衡
- 作用效应(1)：轴线弯曲引起的扭转分量
Nv ' x0 , Nu ' y0
x
u 0, u' 0 v 0, v' 0
y
N Ey 2 EI y / L2 ox
(
2 1 1 x2 N E ω ) N Eω (1 0 ) 1 N Ex N Eθ r02 N Ex N Eθ
2 2 (2 x θ )
1 2
2 xo 1 2 2 2 2 (2 x θ ) 4(1 2 )x θ 2 ro
• 第六节 轴心受压构件的刚度 • 第七节 轴心受压构件的设计计算
dz
dAa ' a ( s) x
- 扭转失稳模式下的平衡
Mω Mk MT
a
N
dAa( s) ' ad / dz a '
实腹式轴心压杆的整体稳定
双轴对称截面理想压杆的临界力
EI x v IV Nv '' Nx0 '' 0
实腹式轴心压杆的整体稳定
双轴对称截面理想压杆的临界力 杆端弯曲约束和扭转约束的自由、铰支、固接
h
u 0.5h y1 u'' 0.5h ''
EI yu IV Nu '' Ny0 '' 0
EIω
IV
Nv '
GI t Nx0v Ny0u
'' ''
R) 0
''
Nv '
x0
y
v
y
N
扭转平衡
- 作用效应(1)：轴线弯曲引起的扭转分量
Nv ' x0 , Nu ' y0
x
u 0, u' 0 v 0, v' 0
y
N Ey 2 EI y / L2 ox
(
2 1 1 x2 N E ω ) N Eω (1 0 ) 1 N Ex N Eθ r02 N Ex N Eθ
2 2 (2 x θ )
1 2
2 xo 1 2 2 2 2 (2 x θ ) 4(1 2 )x θ 2 ro
• 第六节 轴心受压构件的刚度 • 第七节 轴心受压构件的设计计算
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绪论
主要内容
钢结构初步概念
建筑→结构 →钢结构
什么是钢结构？ 为何选用钢结构？
[what] →钢结构初步概念 [why] →钢结构的特点
建筑
何时何处宜用钢结构？[where & when]
→钢结构的应用范围 →钢结构的主要结构形式
结构
钢结构发展现状和前景 结构设计原理与设计概念
钢结构
6
主要结构形式
拱与拱架（曲杆）
主要结构形式
板式结构（板）
主要结构形式
预应力结构
主要结构形式
预应力结构：张拉整体
主要结构形式
桥梁：桁架桥
主要结构形式
桥梁：斜拉桥
7
主要结构形式
桥梁：拱桥
主要结构形式
桥梁：悬索桥
应对能源、环境、气候问题的钢结构
钢结构发展现状和前景
State-of-the-art & prospective market
1
钢结构初步概念
定义 & 范围
钢结构初步概念
定义 & 范围 钢结构 也包括工程结构中的子结构或局部关键构件采用钢结构
钢结构: 以结构钢作为主要承重体系构件的 工程结构称为钢结构 [强度、刚度、耗能]
钢结构 PK 混凝土结构
钢结构，钢筋混凝土结构，钢管混凝土结构，钢-混凝土组合结构…
钢书架 钢窗框 钢制家具 ……
(Reuse, Reduce & Recycle / removable)
材料可循环，结构可拆装
重复使用中的节能、节材、减排 减少废弃物对环境污染
工业化制造
减少湿作业对环境污染
适应城镇化进程的钢结构
中国城镇化目标
城市化率由 2001 年37% 2050 年75%以上，2020年 达到60%左右 预期 2005~2020 年转移农村人口 3 亿以上，2050年累计 6~7 亿
开合结构：上海网球场
开合结构：南通体育场
Oh, he is coming…
开合结构：南通体育场
风能结构
5
其他：地下工程支护结构
其他：机械、车辆、船舶… …
钢结构的主要结构形式
以建筑与桥梁为例
桁架结构（杆系）
Bar or truss members
主要结构形式
桁架结构（杆系）
框架结构（杆系）
No. 1 2
2007 2006 2005 2004 2003
Raw steel output, Mt
发展预测
国家战略、钢材市场和技术水平 材料、结构体系、制作和施工技术、设计理论
市场
建筑：办公建筑、公共建筑、工业建筑 桥梁：跨海桥、跨山桥、普通江河桥 其他：构筑物、交通设施、水工水利设施、农业设施
强度不足 (需增大y ) 稳定性不足
Structural design may be defined as a mixture of art and science, combining the experienced engineer’s intuitive feeling for the behavior of a structure with a sound knowledge of the principles of static, dynamic, mechanics of materials, and structural analysis, to produce a safe, economical structure that will serve its intended purpose.
Train stations Theatres Stadiums
桥梁（公路桥、铁路桥） 构筑物（塔、罐、管道） 水工结构（水闸） 轻型农业结构 可拆移、开合的结构 推而广之的“结构物”：工程支护、机械车辆 、船舶
……
Exhibition centres
High-rise buildings
更广阔的发展领域
广义的金属结构：不锈钢、铝合金等 组合或混合结构：S-RC组合结构 由土木和社会基础设施转向其他领域
2~8 Sum.
485.9
钢消费
Crude steel consumed kg/head
Regional Kg/head 2006 434 227 2007-2017 170 Coastal Central Western
结构构件面积↓, 基础结构造价↓ 结构延性韧性：适合柔性变形，减轻地震作用，增大耗能能力
大跨度结构
钢材受拉强度大、强重比大的优点可以实现轻质大跨结构
8
钢结构发展现状和前景
State-of-the-art & prospective market
钢产量
2007 y > overall output of the world before 1966 2008 y > 2nd-8th output
材质均匀性好
较符合理想弹塑性材料，与计算假定吻合度高
cable
工业化程度高，施工便捷
强度高 [强重比大]
塑性好、匀质性好
By M.F.Ashby
2
工业化程度高、施工便捷 耐腐蚀性差
维护费用高 / 薄壁构件危险性大
钢结构的特点
缺点
耐火性能差
材料薄、热耗少；防火涂层费用高
稳定问题突出
钢结构基本原理
Basic principles of steel structures
为什么学习钢结构基本原理？
定位：本课程在知识架构中的位置 钢结构基本原理 vs. 钢结构设计
本课程的核心内容
赵宪忠
x.zhao@
本课程的主要结论 本课程的学习方法
结构设计
SHANGHAI STADIUM 钢结构? Yes, but 本课程特指建筑、桥梁 以及各类构筑物中作为 主要承重体系的钢结构 Steel roof + concrete stand
SHANGHAI GRAND THEATER Steel roof + concrete columns
钢结构初步概念
经验 原理 教材 规范 软件
基本理论 材料标准 设计规范 制作标准 验收标准
理想模型向工程实际转变
工程实际：几何缺陷，力学缺陷 理论 + 实际，归纳，设计公式
设计与构造措施 经验与直觉：感性认识
学习方法与学习要求
学习要求
基本学习环节
听课：出勤、笔记、预习 读书：教材、其他专著、论文 书面作业：习题 口头作业：答问、质疑、讨论 实验：演示型和设计型 考试：期中和期末考试
连接 作用
9
结构设计概念
构件 连接 作用
? ? ?
力学单元 约束条件 模型荷载
荷载
结构设计概念
力学分析模型
材料力学 结构力学 弹性力学 塑性力学
结构设计概念
荷载 结构体系
制作 安装 构件 + 节点 受拉构件 轴心受压构件 受弯构件 压弯构件 连接与节点 钢材 冶金
结构设计概念
钢材 制作 构件 + 连接 冶金
太重了 (需降低 )
10
结构设计概念与原理
fs S≤R S Sa Sn Sn≤Rn Rn Ra fR
结构设计概念与原理
结构设计方法
客观的
R
— 容许应力法（ASD） ∑ψSn≤Rn/K — 分项系数法（LRFD）
Sa Sn Rn Ra
主观的
Sn Rn fR-S Sd≤Rd Sn Rn
fd
∑γSψSn≤Rn/γR
定义 & 范围
钢结构的特点
优点 强度高
强重比大 (单位重量材料的强度高)
构件：承重体系中有着独立的力学功能的基本单元，
可以是杆件(member)、板件(element)、索(cable)等单元或 这些单元的组合
塑性好、抗震性能好
发展较大的变形而不断裂
抗震性能好
材料韧性好；结构质量轻，地震作用小
迪拜哈里发大厦 828m
High-rise buildings
3
Tower & Mast structures
TV Tower Eiffel Tower TV Tower
Buildings of heavy duty plant
Portal frames
桥梁
水工结构 构筑物
农业设施
4
可拆卸结构：国际网球大师杯赛看台 城市景观建筑
可接受的:
安全性的可接受度 经济性的可接受度 0 Rd-Sd
设计一个可接受的安全的结构 设计一个在给定条件下最合理的结构
结构设计概念与原理
结构设计与建造
学习方法与学习要求
学习方法
结构的破坏模式 解决对策 理想模型的受力机理
材料力学，弹性力学… 运用已有的力学知识解决工程问题的主要矛盾
压力作用下的细长杆
疲劳/断裂问题也较突出 钢材价格相对贵
钢结构的应用范围
Airport terminals
Long-span structures
各类建筑物（楼房、公共建筑、工厂等）
高层建筑 (Multi-storey & high-rise buildings) 大跨结构 (Long-span structures) 塔桅结构 (Tower & mast structures) 轻型或重型厂房 (Portal frames/heavy duty plants)
强度、稳定性、变形能力
内力、变形、振动