钢结构介绍和设计

玉泉铁塔
欧美等国家中最早将铁做为建筑材料是英国 但 直到1840年以前，还只采用铸铁来建造拱桥
1840年以后，随着铆钉(rivets)连接和锻铁技术的 发展，铸铁结构逐渐被锻铁结构取代
1855年英国人发明贝氏转炉炼钢法和1865年法国 人发明平炉炼钢法，钢材才开始在建筑领域逐渐 取代锻铁材料
1.3.2 概率极限设计方法
➢ 极限状态：实质上是结构可靠与不可靠的界限，
故也可称为“界限状态”；对于结构的各种极限状 态，均应规定明确的标志或限值 ➢ 两类极限状态：
（1）承载能力极限状态 包括：构件和连接的强度破坏、疲劳破坏和 因过度变形而不适于继续承载，结构和构件丧失稳定，结构转变为机 动体系和结构倾覆
半概率法（1957年～1988年）
➢ 三个系数的极限状态计算方法（1957年～1974年）
➢ 以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一设计 安全系数的容许应力计算方法（1974年～1988年）
材料强度概率： fk f ff
（1.2）
荷载概率：
fk
k k k
Qk QQQ （1.3）
Q k ——材料强度和荷载的标准值
研究仅处于以经验为基础的定性分析阶段
一次二阶矩极限状态设计法
（1988年～发展中）
➢ 概率论为基础 ➢ 概率极限状态设计方法 ➢ 结构可靠度研究由经验为基础的定性分析阶段推进
以概率论和数理统计为基础的定量分析阶段 ➢ 近似的概率设计法 （分析中忽略和简化了基本变量
随时间变化的关系，所以确定基本变量分布时有相 当程度的近似性，且进行了线性化简化计算 ）
容器和其他特种结构
冶金、石油、化工企业中大量采用钢板做成的容器结构，包 括油罐、煤气罐、高炉、热风炉等。此外，经常使用的还有 皮带通廊栈桥、管道支架、锅炉支架等其他钢构筑物，海上 采油平台也大都采用钢结构
组合结构
钢构件和板件受压时必须满足稳定性要求，往往不能充分 发挥它的强度高的作用，而混凝土则最宜于受压不适于受 拉，将钢材和混凝土并用，使两种材料都充分发挥它的长 处，是一种很合理的结构 主要构件形式有钢与混凝土组合梁和钢管混凝土柱等
容许应力法（建国初～1957年）
把钢材可以使用的最大强度，除以一个笼统的安全系数作为 结构设计计算时构件容许达到的最大应力，即允许应力法
（1.1）
式中： N——构件的内力； S——截面几何特性； σs——钢材屈服强度； K——总安全系数； σ——构件的计算应力
优点：简单、明确
缺点：太笼统。各构件的可靠程度各不相同，而整个结构取 决于可靠度最小的构件
一阶原点矩（均值
）μZ和二阶中心矩 （方差）σZ2，对非 线性函数只取线性
项，而不考虑Z的全
（1.21）分布，故称此法为 一次二阶矩法
➢β与pf对应表格 ➢不同结构构件承载能力极限状态的可靠指标β
1.3.3 设计表达式
《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068)规定结构构件的 极限状态设计表达式，应根据各种极限状态的设计要求，采用 有关的荷载代表值、材料性能标准值、几何参数标准值以及各 种分项系数等表达。
➢ 材质均匀、性能好，结构可靠性高
钢材接近于各向同性的理想弹－塑性体，实际受力同工程力 学计算理论比较符合，因此钢结构的可靠性高
➢ 钢结构施工简便，工期短，易于改造和加固
钢材可加工性能好，工业化机械化程度高，构件轻，连接简 单，安装方便
几种类型结构比较
钢结构 钢混结构
自重
1
1.22
结构自身面积
0.28
（2）正常使用极限状态 包括：影响结构、构件和非结构构件正常使 用或耐久性能的局部损坏（包括组合结构中混凝土裂缝）
➢功能函数
（1.5）
式中 Z=g(﹒) ——结构的功能函数； xi(i=1,2,……n) ——影响结构或构件可靠度的基本变量
仅有作用效应S和结构抗力R两个基本变量时 结构的功能函数可表为：
（1.7）
若以pf表示结构的失效概率 则：
（1.8）
Z的概率密度fZ（Z）曲线：
正态分布概率密度曲线中Z的平均值和标准差存在下述关系：
（1.12） （1.13）
➢β——可靠指标或安全指标 β与pf存在一一对应关系， β与pf变化相反
➢ 若Z为正态分布：
➢由： 有：
（1.15）
由于β的计算只采用 分布的特征值，即
公元65年（汉明帝时代），用锻铁(wrought iron) 为环，相扣成链，建成了世界上最早的铁链悬 桥——兰津桥 ，陆续建造了数十座铁链桥其中 跨度最大的是泸定桥。
1705年（清康熙四十四年）建成的四川泸定大 渡河桥，桥宽2.8m，跨长100m，由9根桥面铁 链和4根桥栏铁链构成，两端系于直径20cm、 长4m的生铁铸成的锚桩上，比美洲1801年才建 造的跨长23m的铁索桥早近百年，比号称世界最 早的英格兰30m跨铸铁(cast iron)拱桥也早74年
0.37
施工周期
1
1.33
用钢量
1.45
1.23
平均施工进度 4.5天/层
钢筋混凝土结构 1.72 1 1.6 1
7天/层
缺点
➢ 耐腐蚀性差
使用环境，钢材极易锈蚀，需注意保护， 特殊环境下不易使用钢结构
➢ 耐火性差
耐热性较好（200℃以下钢材性质变化很 小），高于200 ℃后钢材强度下降很快， 600 ℃时钢材进入塑性状态，强度几乎降 为零丧失承载力，需采取隔热防火措施
➢ 钢材价格相对较高
§1-3 钢结构的设计方法
1.3.1 概 述
➢ 结构设计准则：结构由各种作用所产生的效应
（内力和变形）不大于结构（包括连接）由材料 性能和几何因素等所确定的抗力或规定限值
➢ 问题及矛盾：荷载大小、材料强度、截面尺寸、
计算模式、施工质量等因素均为随机变量（或随 机过程）不确定，导致结构效应与抗力均为随机 变量，不可能保证百分之百保证结构效应小于抗 力或规定限值，只能作一定的概率保证
0 GG KQ 1
n
Q 1K
Q i ci
Q iK f
（1.29）
Hale Waihona Puke i2➢可变荷载效应控制的组合：
0GGKn QiciQiKf
i1
（1.30）
正常使用极限状态荷载效应的
标准组合
n
GKQ1K ciQiK i2
（1.32）
式中：
vGK ——永久荷载标准值产生的变形值 vQ1K ——起控制作用的第一个可变荷载标准值产生的变形值 vQiK ——其他第i个可变荷载标准值产生的变形值 [v] ——结构或结构构件的容许变形值
由于钢材具有良好的韧性，设有较大锻锤或产生动力作用的 其他设备的厂房，即使屋架跨度不大，也往往由钢制成。对 于抗震能力要求高的结构，采用钢结构也是比较适宜的
高耸结构
高耸结构包括塔架和桅杆结构，如高压输电线路的塔架、广 播、通信和电视发射用的塔架和桅杆、火箭（卫星）发射塔 架等
可拆卸的结构
钢结构不仅重量轻，还可以用螺栓或其他便于拆装的手段来 连接，因此非常适用于需要搬迁的结构
➢ 永久荷载效应与可变荷载效应异号时： γ G＝1.0 ；γ Q＝1.4
➢ 抗力分项系数： Q235钢： γ R＝1.087； Q345、Q390；Q420钢： γ R＝1.111
其中：钢材强度设计值f——钢材强度除以对应的抗力分项系数
对应于 R K R
承载能力极限状态荷载效应的
基本组合
➢可变荷载效应控制的组合：
➢简单荷载分项系数设计式：
RK
R
GSGK
QSQK
（1.26）
式中：
RK ——抗力标准值
SGK——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
分项系数γ 以可靠指标β为基础用概率 设计法求出
➢ 一般情况下荷载分项系数： γ G＝1.2 ；γ Q＝1.4
现代钢结构应用
工业厂房
吊车起重量较大或者其工作较繁重的车间的主要承重骨架 多采用钢结构，结构形式多为由钢屋架和阶形柱组成的门式 刚架或排架，也有采用网架做屋盖的结构形式 ，随着压型 钢板等轻型屋面材料的采用，轻钢结构工业厂房得到了迅速 的发展。其结构形式主要为实腹式变截面门式刚架
受动力荷载影响的结构
第一章 绪 论
§1-1 钢结构的应用和发展
钢(steel)是铁碳合金，人类采用钢结构的历史和炼铁、炼 钢技术的发展是密不可分的。
早在公元前2000年左右，在人类古代文明的发祥地之一 的美索不达米亚平原（位于现代伊拉克境内的幼发拉底河
和底格里斯河之间）就出现了早期的炼铁术 。
我国也是较早发明炼铁技术的国家之一，在河南辉县等地 出土的大批战国时代（公元前475～前221年）的铁制生 产工具说明，早在战国时期，我国的炼铁技术已很盛行了
自1890年以后钢材成为金属结构的主要材料。20 世纪初焊接(welding)技术的出现，以及1934年高 强度螺栓(high-strength bolts)连接的出现，极大 地促进了钢结构的发展。除西欧、北美之外，钢 结构在前苏联和日本等国家也获得了广泛的应用， 逐渐发展成为全世界所接受的重要结构体系
南通体育会展中心-开合结构（网架体系）
北京奥运会主会场-鸟巢（门式钢架组合体系）
南京火车站
南京火车站
多高层建筑
钢结构的综合效益指标优良，在多、高层民用 建筑中也得到了广泛的应用。其结构形式主要 有多层框架、框架－支撑结构、框筒、悬挂、 巨型框架等
香港汇丰银行（框支悬挂体系）
轻钢结构
四川泸定大渡河桥
公元694年（周武氏十一 年）在洛阳建成的“天 枢”，高35m，直径4m， 顶有直径为11.3m的“腾 云承露盘”，底部有直径 约16.7m用来保持天枢稳 定的“铁山”，相当符合 力学原理