钢结构基本原理课件：第一章

水立方的结构特点
外墙体和屋面围护结构采用新型钢膜结构体 系，该钢膜结构体系由一系列类似于细胞、水晶体
的钢网架单元和ETFE（聚乙烯－四氟乙烯共聚物）
充气薄膜共同组成。
“水立方”是世界上最大的膜结构工程，除
了地面之外，外表都采用了膜结构—ETFE材料， 蓝色的表面出乎意料的柔软但又很充实。目前世界
上只有三家企业能够完成这个膜结构。
国家大剧院
3、高耸结构(电视塔 输电线塔 东方明珠460米)
广州新电视塔工程
位于广州珠江南畔，占地面积约17. 6万平方米，建筑 总面积约99946平方米，主塔高454米，细腰顶部天线桅
杆156米，总高度610米，为目前世界之最。旋转向上、纤
纤细腰是新电视塔独特、新颖、生动的外形，融入了建筑、 力学、美学等诸多学科的丰富内涵和先进理念，是新世纪
上海中心大厦
上海中心建 成后将与金 茂大厦、上 海环球金融 中心形成 “品”字型 超高层建筑 群
上海中心大厦模型
（3）埃菲尔铁塔
是1887年1月26日动工， 1889年5月15日开放的，距今 近120年。 埃菲尔铁塔占地一公顷。 除了四个脚是用钢筋水泥之外， 全身都用钢铁构成，塔身总重 量7000吨。塔分三层，第一层 高57米，第二层115米，第三 层274米。除了第三层平台没 有缝隙外，其他部分全是透空 的。从塔座到塔顶共有1711级 阶梯。
锈蚀，使结构损，因此须采取防护措施， 如除锈、刷油漆或涂料（锌、铝）。维护 费用高。
7、钢材耐热但不耐火
小于 1000C 无影响，大于 1500C 需要防护，
大 于 3000C 时 ， 强 度 逐 渐 降 低 ， 当 温 度 大 于
6000C，钢材进入塑性，无承载能力。钢材可用
于温度不超过2500C的场合。 防火︰防火涂料、防火漆
建造了大批钢结构厂房和矿场，其中主要的有：
恢复和扩建的鞍山钢铁公司，武汉钢铁公司和大 连造船厂等；新建的有太原、富拉尔基重型机器 制造厂，长春汽车制造厂，哈尔滨以及四川的三 大动力厂，洛阳拖拉机厂以及一些飞机制造厂等。
的原因，现代建筑钢结构的应用及发展与发达国
家相比已有相当大的差距。 1997年发布的《中国建筑技术政策》中强 调要重点发展建筑钢结构，国家相关部门也多次 发布文件，要求扩大钢结构住宅的市场占有率。
1996年我国钢产量已开始超亿吨，居世界 首位。 2007年钢材产量超过5亿吨。对钢材的使 用已由“节约使用”变为“合理用钢”、“加大
力荷载作用下工作，在地震区采用钢结构较为有利。 构件截面小，壁薄，受压时强度不能充分发挥。同样
截面的杆件压杆承载力低于拉杆。
2、钢结构的重量轻
钢材 77kN/m3，但由于其强度高，故所需的构 件截面小。 屋架G钢=（1/3～1/4）G钢砼 如为轻型钢结构︰18 米跨屋架，混凝土重 3700kg ， 冷弯型钢仅有579kg，重量仅为混凝土的1/16。 一定条件下，冷弯薄壁型钢屋架的总量可以不超过
8 、钢结构在低温和其他条件下，可能发 生脆性断裂（结束）
1.2 钢结构的设计方法
1.2.1 概述
结构设计的目的：在于保证所设计的结构 和结构构件在施工和工作过程中能满足预期的 安全性和使用性要求。 结构设计准则：结构由各种荷载产生的效 应不大于由材料性能和几何因素等所决定的抗 力或规定限值。
SR
(3)国家大剧院
总占地面积： 11.893公顷 总建筑面积： 149520平方米 总投资额： 26.88亿。 主体建筑由外部围护钢结构壳体和内部歌剧院、 音乐厅、戏剧院、公共大厅及配套用房组成。
国家大剧院
外部围护钢结构壳体呈半椭球形，平面 投影东西方向212.20米，南北方向143.64米， 建筑物高度为 46.285 米，基础埋深的最深部 分达到-32.5米。 椭球形屋面主要采用钛金属板饰面，中部 为渐开式玻璃幕墙。椭球壳体外环绕人工湖， 湖面面积达3.55万平方米，各种通道和入口都 设在水面下。
正在建设中的多层轻钢结构厂房
压型钢板外墙板
10、和混凝土组合成的组合结构
深圳彩虹（北站）大桥 位于广东省深圳市，全 长1.2公里，宽23.5米。 主跨为150米下承式钢 管混凝土系杆拱桥，跨 越火车北站29股道。主 拱、桥墩、桥面均采用 组合结构，是首座钢-混 凝土全组合结构大跨桥 梁；预应力钢-混凝土空 心板桥面设计，具有独 创性；实现了桥梁建设" 轻型大跨、预制装配、 施工快速、关注环境"的 目标。
本章重点：钢结构的特点 本章要求：了解钢结构的特点、设计原理和 应用范围
1.1
钢结构的特点
1பைடு நூலகம்建筑钢材强度高，塑性韧性好
强度高—— 是相对的，与其他建材相比其强度高的多，
适用于建造大跨度结构，高层建筑结构以及重型结构。
塑性好——一般不会因偶然超载或局部超载而突然断裂破
坏。
韧性好——就是材料在断裂前吸收能量的多少。适宜在动
型材多︰ H型、 T型、工字型、冷弯更多。
精度高︰工厂加工，车、磨、洗、刨、钻。 连接方法︰螺栓、焊接 安装：可以工厂、工地拼接 吊装简单，易于改建和拆迁。
5、钢结构密闭性较好
钢结构的钢材和连接的水密性和气密性
较好，适宜做要求密闭的结构。（如高压 容器、油库、管道等）
6、钢结构耐腐蚀性差
在湿度大或有腐蚀性介质的环境中容易
建筑设计的又一精品力作，为广州乃至中国又一标志性建
筑，必将为世人瞩目。
塔体结构包括一个椭圆形钢结构外筒，一个椭圆形
混凝土核心筒以及连接这两者的钢－混凝土组合结构楼 面。钢结构的桅杆筒天线直接建于主体结构顶部。钢结
构外筒，是从椭圆衍生出来的“不定格”形状，横截面
沿整个建筑高度是连续变化的，钢结构外筒由24条斜向 立柱、水平斜向环和斜撑组成，形成不规则结构。底层 长短轴尺寸分别为80米和60米，顶部为50米和45米， 中部的“纤纤细腰”为27.5米和20.65米。底部和顶部 轴心位置不重合，中轴线倾斜。电视塔这种结构形式， 在世界上是独一无二的。
1.2.2 概率极限状态设计法
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, 此特定状态就称为该 功能的极限状态. （1）承载能力极限状态 （2）正常使用极限状态
（1）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。
110毫米，是以前绝无仅有的，在国家标准中，
Q460的最大厚度也只是100毫米。以前这种钢一 般从卢森堡、韩国、日本进口，这次是我国自主创 新研制的Q460钢材 应用于鸟巢当中。
(2)国家游泳中心--水立方
国家游泳中心
地 点： 奥林匹克公园 用 途： 游泳、跳水、花样游泳 建筑面积： 7.95 （万㎡） 固定座位：4000个（永久）、2000个（可拆除） 临时座位：11000个 开工时间：2003年12月24日 完工时间：2007年10月
“鸟巢”的结构
“鸟巢”外形结构主要由巨大的 门式钢架组成，共有 24 根桁架 柱。大跨度屋盖支撑在桁架柱上，柱距为37.96米。 主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置。 钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件，交 叉布置的主桁架与屋面及立面的次结构一起形成了 “鸟巢”的特殊建筑造型。
Q460钢材的运用 Q460是一种低合金高强度钢，国内在建筑结 构上首次使用Q460规格的钢材；钢板厚度达到
（2）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。
设计原理不作介绍，注意表达式与钢砼等的区别（应力形式）
1.3 钢结构的应用和发展
我国是最早应用钢结构的国家，但由于历史
2. 近代 经济发展比较落后，帝国主义国家在我国各 地修建了一批工业建筑，在上海、天津、武汉和
广州等地租界内修建了一些高层房屋并在一些地
方修建了铁路、桥梁等。 1927年，沈阳黄姑屯机车厂钢结构厂房 1928-1931年，广州中山纪念堂钢结构圆屋顶 1934-1937年，钱塘江大桥
3. 建国初期 在第一个五年计划开始后的五、六年间，就
6、板壳结构 （容器、管道）
5000立方米拱顶立式储油罐
蒙古国中心油库工艺管道
7、其他特种结构（栈桥、管道支架）
山东日照港接港工程
8、可拆卸或移动的结构 （临时性房屋）
翻身场施工厂房
9、轻型钢结构 （冷弯薄壁型钢、钢管结构）
青岛永源体育用品有限公司加工车间，是由 韩国投资建设的2万平方米轻钢结构多层工业厂房。 主体结构采用轻钢结构框架体系。楼面板采用 钢－混凝土组合楼板。 屋面板采用压型钢板，波浪造型的轻钢结构屋 面梁轻盈、活泼，克服了工业建筑造型单一、立 面造型呆板的缺点。
4、多高层建筑
（1） 中国国际 贸易中心第三期： 位于中国北京， 2007年封顶， 计划于2009年 年中建成，高 330米，地上层 数为74层，地下 4层，集现代办 公楼、豪华五星 级酒店、高档宴 会厅和精品商场 于一体，2005 年6月16日动工， 可抗8级地震， 计划于2009年 年中建成。
荷载、材料强度、截面尺寸、施工质量等都 是随机变量
设计方法的发展过程：
(1)允许应力设计法（单一系数法）：
[ ]
[ ]
[σ]=f k/ K
(2)半概率设计法（多系数法）： [σ]=f k/K1K2K3
( 3 ) 近似概率设计法（现行规范设计法）
( 4 ) 全概率设计法（将来设计法）
首座钢―混凝土组合结构大跨桥梁
二、钢结构在我国的发展概述 1. 古代 (1)铁链桥：
云南的元江桥（400多年前） 贵州的盘江桥（300多年前） 四川泸定大渡河铁链桥（建于清康熙44年）
(2)铁塔 荆州玉泉寺铁塔，济宁铁塔寺铁塔 镇江甘露寺铁塔
净跨长 100米， 桥宽2.8 米，由九 根桥面铁 链和四根 桥栏铁链 构成，每 根铁链重 达一吨半， 锚固直径 为20cm ， 长4m的 锚桩上。
建筑用钢”。
我国建筑业中发展最快的就是钢结构，钢结 构设计施工人才短缺，发展钢结构以带动其它相 关产业的发展，已成为建筑业发展的重要任务。
一、钢结构的应用
应用范围不仅取决于钢结构本身的特点， 还取决于国民经济发展的情况。
1、重型工业厂房 冶金厂房 重型机械厂房
随网架结构的大量应用，一般厂房也采用钢网架
钢
结
构
(Steel structure)
土木工程学院 2008年 — 2009年第二学期
本学期主要内容： 1 2 3 4 5 6 绪论 钢结构的材料 钢结构的连接 轴心受力构件 梁（受弯构件） 拉弯与压弯构件
1
绪
论
钢结构的特点 钢结构的设计原理与方法 钢结构的应用和发展 钢结构课程的学习方法
本章内容： （1） （2 ） （3 ） （4 ）
2、大跨度结构 会堂 体育馆 飞机库
减轻自重可获得明显的经济效益
(1)国家体育场 --- 鸟巢
建设地点： 奥林匹克公园 建筑面积：25.8万㎡
座 席 数：永久性 8万 临时性11万 赛时功能：田径、足球 开工时间：03.12.24
建筑顶面呈鞍形，长轴为332.3米，短轴为296.4米， 最高点高度为68.5米，最低点高度为42.8米。
（2）“上海中心” 总高度达632米，建 筑外观呈螺旋式上 升，建筑表面的开 口由底部旋转贯穿 至顶部，与金茂大 厦经典隽永的塔形 和环球金融中心简 洁明快的立体造型 形成鲜明对比。从 天空向下俯瞰， “上海中心”非对 称的顶部卷折状造 型，与金茂的点状 和环球金融中心的 线状顶部遥相辉应， 将进一步丰富上海 的城市天际线。
钢筋混凝土屋架中钢筋的重量。
质量轻有利于抗震。 质量轻对荷载敏感（拉、压反号）
3、材质均匀和力学计算的假定比较符合
连续、匀质、各向同性，为理想弹塑性体，在一般情 况下处于弹性阶段工作，采用力学方法计算，其结果符合 实际受力情况。 现代化冶炼、扎制技术使钢材质量稳定，材质波动小。
4、钢结构制作简单，施工工期短
（4）台北101大厦 （509米）
（5）上海环球金融中心 （492米）
5、承受振动荷载影响及地震作用的结构
主桥跨径552 米，双层公 轨两用桥， 全国最大。 上层双向6车 道，下层是 双向轻轨轨 道，同时预 留2车道，与 中央商务区 各滨江道相 连，同时也 是世界最大 跨度钢桁架 系杆拱桥。
重庆朝天门大桥