钢结构-1-2

(1)发展高强度低合金钢材 除Q235、Q345、 Q390钢外，增加了Q420钢，但后者应用于钢结 构尚有待进一步研究。钢的品种也有所增加。 （2）改进钢结构的设计方法 采用以概率理论为 基础的极限状态设计法，主要表现在不是用经验 的安全系数，而是用根据各种不定性分析所得的 失效概率(或可靠指标)去度量结构可靠性，并使 所计算的结构构件的可靠度达到预期的一致性和 可比性。但是这个方法还有待发展，因为它计算 的可靠度还只是构件或某一截面的可靠度，而不 是结构体系的可靠度，也不适用于疲劳计算的反 复荷载或动力荷载作用下的结构。
《钢结构设计原理》 钢结构设计原理》
1 绪 论
1.1 钢结构的特点
(1)强度高，塑性韧性好
强度高 适用于建造跨度大、高度高、承载重的 结构。强度高，易为稳定和刚度所控制，强度 难以得到充分的利用。 塑性好 结构在一般条件下不会因超载而突然断 裂，只增大变形，故易于被发现；应力重分配， 使应力变化趋于平缓。 韧性好 适宜在动力荷载下工作，因此在地震区 采用钢结构较为有利。
γ G ＝1.2；γ Q＝1.4
当永久荷载效应与可变荷载效应异号时，这时 永久荷载对设计是有利的(如屋盖当风的作用 而掀起时)，应取：
γ G ＝1.0；γ Q ＝1.4
1.2.2 设计表达式
对于承载能力极限状态荷载效应的基本组合按下列设 计表达式中最不利值确定： 可变荷载效应控制的组合：
n γ 0 γ Gσ GK + γ Q1σ Q1K + ∑ γ Qiϕ ciσ QiK ≤ f i =2
1.3.1钢结构的应用 (1)工业厂房 吊车起重量较大或其工作较繁重的车间多采用钢 骨架。近年来随着空间网架的大量应用，一般的 工业车间也采用了钢结构。 (2) (2)大跨结构 飞机装配车间、飞机库、大煤库、大会堂、体育 馆、展览馆等。结构体系可为网架、悬索、拱架 以及框架等。 (3)高耸结构 塔架和桅杆结构。如电视塔、微波塔、输电线塔、 大气监测塔、天线桅杆、广播发射桅杆等。
p 结构不失效(Z≥0)。以 s
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表示结构的可靠度，则
上述定义可表达为：s = p ( Z ≥ 0) p 结构的失效概率以 p f 表示，则 p f = p ( Z < 0) 由于事件(Z＜0)件(Z＞0)是对立的，所以结构可 靠度与结构的失效概率符合下式： p + p = 1 s f
1.2.2 设计表达式 钢结构设计规范除疲劳计算外，采用以概率理论 为基础的极限状态设计方法，用分项系数的设计 表达式进行计算。以简单的荷载情况为例，分项 系数设计式： RK
γ Q1 、Qi —第1个和其他第i个可变荷载分项系数，当可变 γ
荷载效应对结构构件的承载力不利时取1.4(当楼面活 荷载大于4.0时，取1.3)；有利时，取为0；
1.2.2 设计表达式 对于一般排架、框架结构，可采用简化式计算 ，由可变荷载效应控制的组合：
n γ 0 γ Gσ GK + ϕ ∑ γ Qiϕ ciσ QiK ≤ f i =1
1.2.2 设计表达式 钢结构设计用应力表达，采用钢材强度设计值。 强度设计值(用f表示)：是钢的屈服点( f y )除以除以 抗力分项系数的商，如Q235钢抗拉强度设计值 为 f = f y / 1.087 ；对于端面承压和连接则为极限强 度（ f u）除以抗力分项系数 γ Ru ，即
f = f u / γ Ru = f u / 1.538
Q235钢的 γ R＝1.087；对Q345、Q390和Q420钢的
γ R ＝1.111。
Q235 (相当于旧规范的3号钢) Q345 (相当于旧规范的16Mn、12MnV、 14MnNb、16MnRE、18Nb) Q390 (相当于旧规范的15MnV、15MnTi、 16MnNb) Q420 (旧规范的15MnVN、14MnVTiRE) 此材料为新增，相当于美国的A572-60级 和日本的SM520钢
1.2.1 概率极限状态设计方法 结构的功能函数： Z＝g(R，S)＝R-S R—结构构件的抗力 S —荷载效应 R 、S是随机变量，其函数Z也是一个随机变量。 在实际工程中，可能出现下列三种情况： Z＞0 结构处于可靠状态； Z＝0 结构达到临界状态，即极限状态； Z＜0 结构处于失效状态。
1.2.1 概率极限状态设计方法 结构的可靠度：结构在规定的时间内，在规定的 条件下，完成预定功能的概率。 “完成预定功能”就是对于规定的某种功能来说
σ GK —永久荷载标准值在结构构件截面或连接中产生 的应力；
σ Q1K—起控制作用的第一个可变荷载标准值在结构构件
截面或连接中产生的应力（该值使计算结果为最大）；
σ QiK —其他第i个可变荷载标准值在结构构件截面或连接
中产生的应力；
γ G —永久荷载分项系数，当永久荷载效应对结构构件
的承载力不利时取1.2，但对由永久荷载效应控制的 组合则取1.35。当永久荷载效应对结构构件的承载力 有利时取1.0；验算结构倾覆、滑移或漂浮时取0.9；
γR
≥ γ G S GK + γ Q S QK
—抗力标准值(由材料强度标准值和截面公称 尺寸计算而得)； S GK —按标准值计算的永久荷载(G)效应值； SQK —按标准值计算的可变荷载(Q)效应值； γ —分项系数。
RK
1.2.2 设计表达式 《建筑结构可靠度设计统一标准》经过计算和分 析，规定出在一般情况下荷载分项系数：
1.3钢结构的应用和发展 1.3钢结构的应用和发展 1.3.1钢结构的应用 应用范围不仅取决于钢结构本身的特性，还取 决于国民经济发展的具体情况。 过去钢结构的应用受到一定的限制。49年全国 钢产量只有十几万吨，l998年已达l亿吨，加以 钢结构结构形式的改进，钢结构的应用得到了 很大的发展。 根据我国的实践经验，工业与民用建筑钢结构 的应用范围大致如下：
（3）结构的革新 今后值得研究的课题，如悬 索结构、网架结构、超高层结构近年来得到很大 发展和应用。钢和混凝土组合构件的应用，也日 益推广。 （4）优化设计与计算机辅助设计 结构设计上 考虑优化理论的应用与计算机辅助设计及绘图都 得到很大发展，今后还应继续研究改进。 在钢结构制造工业的机械化水平方面还需要进一 步提高。 H型钢在国内已开始生产，正方形和矩形管的应 用，都值得注意推广和发展。
由永久荷载效应控制的组合，仍按下式进行计 算 n —简化式中采用的荷载组合值系数，一般情况 下可采用0.9；当只有1个可变荷载时，取为1.0。
ϕ
γ 0 γ Gσ GK + ∑ γ Qiϕ ciσ QiK ≤ f i =1
1.2.2 设计表达式
正常使用极限状态：可靠度设计统一标准，采用荷载的 标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计，并使变形 等不超过相应的规定限值。 钢结构只考虑荷载的标准组合、其设计式为：
1.1 钢结构的特点 (3)材质均匀，和力学计算的假定比较符合 钢材组织比较均匀，接近各向同性，为理想 的弹性—塑性体，因此，钢结构实际受力情 况和工程力学计算结果比较符合，在计算中 采用的经验公式不多，从而计算上的不定性 较小，计算结果比较可靠。
1.1 钢结构的特点 (4)钢结构制作简便，施工工期短 钢结构构件一般工厂制作，施工机械化，准确 度和精密度皆较高。钢结构所有材料皆已轧制 成各种型材，加工简易而迅速。钢构件较轻， 连接简单，安装方便，施工周期短。 (5)钢结构密闭性较好 钢结构的钢材和焊接连接的水密性和气密性较 好，适宜于做要求密闭的板壳结构、如高压容 器、油库、气柜、管道等
1.2 钢结构的设计方法
1.2.1 概率极限状态设计方法 极限状态 当结构或其组成部分超过某一特定状态就 不能满足设计规定的某一功能要求时，此特定状态就 称为该功能的极限状态。 结构的极限状态可以分为下列两类： 承载能力极限状态 对应于结构或结构构件达到最大 承载能力或是出现不适于继续承载的变形，包括倾覆、 强度破坏、疲劳破坏、丧失稳定、结构变为机动体系 或出现过度的塑性变形。 正常使用极限状态 对应于结构或结构构件达到正常 使用或耐久性能的某项规定限值，包括出现影响正常 使用或影响外观的变形，出现影响正常使用或耐久性 能的局部损坏以及影响正常使用的振动。
永久荷载效应控制的组合：
n γ 0 γ Gσ GK + ∑ γ Qiϕ ciσ QiK ≤ f i =1
γ 0 —结构重要性系数，对安全等级为一级或设计使用
年限为100年及以上的结构构件，不应小于1.1；对安 全等级为二级或设计使用年限为50年及结构构件，不 应小于1.0；对安全等级为三级或设计使用年限为5年 结构构件，不应小于0.9；
1.1 钢结构的特点 (6)钢结构耐腐蚀性差 钢结构耐腐蚀性差 钢材容易锈蚀，对钢结构必须注意防护，特 别是薄壁构件更要注意。 处于较强腐蚀性介质内的建筑物不宜采用钢 结构。 钢结构在涂油漆以前应彻底除锈，油漆质量 和涂层厚度均应符合要求。 在设计中应避免使结构受潮、漏雨，构造上应 尽量避免存在难于检查、维修的死角。
1.3.1钢结构的应用 (7)其他特种结构 如栈桥、管道支架、井架 和海上采油平台等。 (8)可拆卸或移动的结构 工地的生产、生活附 属用房，临时展览馆等。移动结构如塔式起 重机，履带式起重机的吊臂，龙门起重机等。 (9)轻型钢结构 轻型门式刚架房屋，冷弯薄壁 型钢结构以及钢管结构。近年来轻型钢结构 已广泛应用于仓库、办公室、工业厂房及体 育设施，并向住宅楼和别墅发展。 (10)钢和混凝土组合成的组合结构 如组合梁和钢管混凝土柱等。
1.3.2 钢结构的发展 材料 先是铸铁、锻铁，后是钢，最近是铝合金， 改称金属结构。 连接方式 在生铁和熟铁时代是销钉连接，19世 纪初采用铆钉连接，20世纪初有了焊接连接，最 近则发展了高强度螺栓连接。 结构形式 先是桥梁、塔，后是工业及民用房屋和 水工结构以及板结构如高炉、储液库、储气库等。 钢结构设计规范 88规范与 74规范比较，除对一 些问题的处理有合理改进外，并增加了新的内容。 最新的规范(GB500l 7) 在设计方法上又有所改进 和提高。
1.3.1钢结构的应用 (4)多层和高层建筑 多层和高层建筑的骨架可采用钢结构。我国过去 钢材比较短缺，仍多采用钢筋混凝土结构。近年 来钢结构在此领域已逐步得到发展。 (5)承受振动荷载影响及地震作用的结构 设有较大锻锤的车间，其骨架直接承受的动力尽 管不大，但间接的振动却极为强烈。对于抗地震 作用要求高的结构也宜采用钢结构。 (6)板壳结构 油库、油罐、烟囱、水塔以及各种管道等。
] υ GK + υ Q1K + ∑ ϕ ciυ QiK ≤ [υ （1.32）
i =2
n
υ GK —永久荷载的标准值在结构或结构构件中产生的变
形值； υ Q1K —起控制作用的第一个可变荷载的标准值在结构或 结构构件中产生的变形值(该值使计算结果为最大)； υ QiK —其他第i个可变荷载标准值在结构或结构构件中 产生的变形值； [υ ] —结构或结构构件的容许变形值。
1.1 钢结构的特点 (2)钢结构的重量轻 钢材容重大，强度高，做成的结构却比较轻。结 构的轻质性可以用材料的质量密度和强度的比值 来衡量，值越小，结构相对越轻。以同样跨度承 受同样的荷载，钢屋架的重量最多不过为钢筋混 凝土屋架的1/3-1/4，冷弯薄壁型钢屋架甚至接近 1/10。 重量轻，可减轻基础的负荷，降低地基、基础部 分的造价，同时还方便运输和吊装。
1.1 钢结构的特点 (7)钢材耐热但不耐火 钢材受热，温度在200℃以内，其主要性能(屈服 点和弹性模量)下降不多。 温度超过200℃后，材质变化较大，强度总趋势 逐步降低，还有兰脆和徐变现象。达600℃时， 钢材进入塑性状态已不能承载。 设计规定钢材表面温度超过150℃后即需加以隔 热防护，有防火要求者，更需按相应规定采取隔 热保护措施。 (8)钢材的低温脆性 钢结构在低温和其他条件下，可能发生脆性断裂 ，应特别注意。
2 钢结构的材料