钢结构基本原理绪论 - 2018

Stadiums
Train stations
Theatres Exhibition centres
High-rise buildings
迪拜哈里发大厦 828m
Fra Baidu bibliotek
High-rise buildings
TV Tower
Tower & Mast structures
Eiffel Tower
TV Tower
耐腐蚀性差 耐火性能差 稳定问题突出 钢材价格相对贵
钢结构的应用范围
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)
Sa Sn Rn
Ra
fd
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
受拉构件 轴心受压构件 受弯构件 压弯构件 连接与节点
材料力学 You got a high level?
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结构设计概念
钢材
冶金
制作
构件 + 连接
强度、稳定性、变形能力
钢材 Q345 7.85
345
fc / ρ
抗拉强度 ft
(N/mm2)
9.36 2.20
43.95 345
ft / ρ
0.88
43.95
by M.F.Ashby
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塑性好，抗震性能好
断后伸长率达22%以上 耗能能力 = 强度 X 变形 地震作用 vs. 质量轻
安全 经济
适用、美观、耐久、可持续
什么是钢结构？
绪论
主要内容
[what] →钢结构初步概念
为何选用钢结构？ [why] →钢结构的特点
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
钢结构初步概念
建筑→结构 →钢结构 建筑
结构
钢结构
钢结构初步概念
定义 & 范围
发展较大的变形而不断裂 材料韧性好；结构质量轻，地震作用小
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
工业化程度高，施工工期短 密封性好
强度高，质量轻
强重比大 (单位重量材料的强度高)
钢结构的特点
优点
材料
密度 ρ
(Mg/m3)
抗压强度 fc
(N/mm2)
混凝土 C35 2.50
23.4
梁式桥 桁架桥 拱桥 斜拉桥 悬索桥
主要结构形式
桁架结构（杆系）
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）
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
索杆张力结构
主要结构形式
索杆张力结构：张拉整体
主要结构形式
桥梁：桁架桥
主要结构形式
桥梁：拱桥
关注基本原理
结构设计与建造
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
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 参与度：提问、质疑、讨论 考试：期末考试
更积极地学习方式
提问与讨论：向自己提问并设法自己寻求答案 扩大知识面：结合工地经验、观摩试验 争取实践机会：参加结构设计竞赛、加入科研和工程设计
钢结构的特点
优点
材料匀质性好
钢结构的特点
优点
理想的弹塑性材料，与目前的计算理论吻合度高
Mx Wxn
fd
VySx
Ixt
NEx 2EIx / L2ox
工业化程度高、施工工期短
钢构件工厂制作，现场螺栓连接
钢结构的特点
优点
密封性好
钢结构的特点
优点
气柜
油罐
耐腐蚀性差
维护费用高 / 薄壁构件危险性大
学习方法与学习要求
学习要求
教材
沈祖炎主编．钢结构基本原理（第三版）．北京：中国建筑工 业出版社，2018
主要参考书
陈绍蕃、顾强主编．钢结构（上册）—钢结构基础（第二版） 北京：中国建筑工业出版社，2007
N.S.Trahair, M.A.Bradford, D.A.Nethercot, L.Gardner．The behaviour and Design of Steel Structures to EC3（第四版） Taylor & Francis, 2008
钢结构初步概念
定义 & 范围
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
cable
受拉构件 轴心受压构件 受弯构件 (梁) 压弯构件
钢结构的特点
优点
强度高，质量轻
强重比大 (单位重量材料的强度高)
塑性好，抗震性能好
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
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 有缘学习更多驾卫星ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）
主要结构形式
桥梁：斜拉桥
主要结构形式
桥梁：悬索桥
钢结构基本原理
钢结构定义、特点、应用范围
What? Why? When? Where?
结构设计概念
Knowledge Experience Intuition
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.
课程大纲
课程目标
Syllabus
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
课程大纲 (合计45课时)
绪论 =>2 钢结构材料 =>6 受拉构件 =>3 轴心受压构件(柱) =>8 受弯构件(梁) =>7 拉弯和压弯构件 =>8 钢结构连接 =>8 桁架/框架/拱与杆件 =>3
C.G.Salmon, J.E.Johnson & F.A.Malhas．Steel Structures: Design and Behavior（第五版）．Pearson Prentice Hall, 2009
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
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
SHANGHAI STADIUM Steel roof + concrete stand
SHANGHAI GRAND THEATER Steel roof + concrete columns
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
框架结构（杆系）
Beams and columns
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）
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 … …
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Airport terminals
Long-span structures
Buildings of heavy duty plant
Portal frames
桥梁
水工结构 构筑物
农业设施
城市景观建筑
可拆卸结构：国际网球大师杯赛看台
开合结构：上海网球场
开合结构：南通体育场
开合结构：南通体育场
风能结构
其他：地下工程支护结构
其他：机械、车辆、船舶… …
fs
客观的
Sa Sn
主观的
Sn Rn
可接受的:
安全性的可接受度 经济性的可接受度
结构设计概念与原理
S≤R
S Sn≤Rn
fR
R Rn Ra
fR-S Sd≤Rd
Sn
Rn
0
Rd-Sd
结构设计概念与原理
结构设计方法
— 容许应力法（ASD） ∑ψSn≤Rn/K
— 分项系数法（LRFD） ∑γSψSn≤Rn/γR
耐火性能差
材料薄、热耗少；防火涂层费用高
稳定问题突出
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
钢结构的特点
缺点
耐腐蚀性差
钢结构的特点
缺点
办公楼
高铁车站
耐火性能差
钢结构的特点
缺点
稳定问题突出
钢结构的特点
缺点
钢结构的特点
强度高，质量轻 塑性好，抗震性能好 材质均匀性好 工业化程度高，工期短 密封性好
钢结构基本原理
Basic principles of steel structures
你是否想过……
为什么学习钢结构？ 钢结构 vs.土木工程 知识？方法？脉络？
钢结构 vs. 土木工程
荷载
结构体系
安装
钢材
冶金
制作
构件 + 节点
内力、变形、振动
强度、稳定性、变形能力
S≤R
是否还要为学生提供更多东西？
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
钢结构初步概念
定义 & 范围
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
……
钢结构? Yes, but