同济大学钢结构基本原理课件 赵宪忠

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
Nations China Japan USA Russia Italy Korea Germany Ucran
Output/Mt 489.2 120.2 97.2 72.7 53.1 51.4 48.5 42.8
3 4 5 6 7 8
600 500 400 300 200 100 0 China Japan America Russia India Korea Germany Ukraine
0
year1960
1970
1980
1990
2000
Data: CRU, NBS, CISA
结构设计概念
荷载 结构体系
制作 安装 构件 + 节点 钢材 冶金
荷载
结构设计概念
内力、变形、振动
强度、稳定性、变形能力
构件
? ? ?
力学单元 约束条件 模型荷载
S≤R
基于性能的设计要求: 安全性、使用性、耐久性
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
市场潜力
Forecast average 2017 = 550kg/head
Ｋ㎡
100,000
日本
Steel
Wooden R.C Steel R.C Others
50,000
Kg/head 2017 750 450 National average 2007 = 340kg/head 360 Coastal Central Western
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
体现力学性能优势的钢结构
高层结构 （伴随城镇化的土地集约需求）
材料高强轻质：据统计，高层建筑中 钢结构 15 kN/m2 砼结构 20kN/m2
楼层越高，S 结构设计总重力相对 RC 越小
城镇化快速发展对工程建造速度的要求
需求：新增建筑（住房、学校、医院、体育娱乐、商店等）、 交通（高铁、公路、地铁及桥梁、隧道、机场等）、产业设施等 特点：工程量大，建造期短 对策：标准化要求、工厂化制作、装配化建造 适合钢结构产业
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
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
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
荷载 结构体系
制作 安装 构件 + 节点 钢材 冶金
课程大纲
课程目标
力学原理 → 设计原理 → 工程设计 钢结构构件与连接的工作性态与设计原理
Syllabus
课程大纲
(合计45课时)
内力、变形、振动
强度、稳定性、变形能力
S≤R
基于性能的设计要求: 安全性、使用性、耐久性
绪论 =>2 钢结构材料 =>6 受拉构件 =>4 轴心受压构件(柱) =>8 受弯构件(梁) =>7 压弯构件 =>7 钢结构连接 =>8 桁架/框架/拱与杆件 =>3
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
为什么应用钢结构有利于节能、减排、应对气候问题？
材料高强度
降低用材，减少采矿、冶金生产耗能与碳排 轻量化，减少运输、建造的耗能与碳排 减小建筑结构构件尺度，节约土地面积
综合效益高 技术：制造和安装精度(mm)、自动化、拉动相关产品 经济：缩短现场工期、加快资金周转、减轻结构重量 环境：水环境、大气环境（CO2） 资源：结构可拆、可移；材料再生
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Leabharlann Baidu、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)
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
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
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
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
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 ……
Beams and columns

梁式桥 桁架桥 拱桥 斜拉桥 悬索桥
网架与网壳结构（杆系）
latticed structure or dome
拱与拱架结构（曲杆） 板式结构（板） 预应力结构（柔性构件与
刚性构件的组合）
主要结构形式
框架结构（杆系）
主要结构形式
网架与网壳（杆系）
强度、稳定性、变形能力
内力、变形、振动
强度、稳定性、变形能力
材料力学 基于性能的设计要求: 安全性、使用性、耐久形 You got a high level?
S≤R
结构设计概念
结构设计概念
确保强度、稳定、刚度、经济
刚度 强度 稳定 经济
All OK !
刚度不足 (需增大E)
Knowledge Experience Intuition
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）
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.
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@tongji.edu.cn
本课程的主要结论 本课程的学习方法
结构设计
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
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
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
(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