钢结构设计原理
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哈尔滨工业大学（威海）土木工程系
钢结构设计原理
主讲：钱宏亮 副教授
研究院北楼602
主要参考书：
1、张耀春，钢结构设计原理，高等教育出版社，2001
2、沈祖炎，钢结构基本原理，中国建筑工业出版社， 2000
3、钟善桐，钢结构，中国建筑工业出版社，1988
先修课程：
《材料力学》、《结构力学》
课程内容
第一章
3、我国钢结构的发展概况
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
• 古代
• 公元前200多年，秦始皇时代用铁建造了 桥墩 • 公元60年，汉明帝时代建造了铁链悬桥 • 山东济宁寺铁塔 • 江苏镇江甘露寺铁塔
钢结构设计原理
Design Principles of Steel Structure
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
钢结构在奥运工程中的应用
奥运工程钢结构总量统计表
新建场馆—12--9万吨 改扩建场馆—11--1万吨 临建场馆—8--0.5万吨 相关设施—5--0.2万吨 主要相关配套钢结构工程—9--25万吨 京外主要场馆工程—4--2.7万吨
吨
合计 5013 15426 6753 8548 4483 7707 852 870 6100 55752
• 武钢承担数量最大(08办提供),舞钢供应的钢板强度级别和厚度最高
国家体育场
弯扭构件的加工制作 鸟巢的弯扭构件
空中多点 对接 要求精准
国家游泳中心
多面体网格结构
中国国家游泳中心采用了一种新的杆件布置 方式。 根据Kelvin的“泡沫理论”构成。即将水在 泡沫状态下的微观分子结构放大到建筑结构 尺度，从几何上可以归结为6个十四面体 （12个五边形面+2个六边形面）结合了2个 十二面体（12个五边形面）的多次重复。将 这些多面体内部抽空就形成了空间网格，然 后按照建筑需要切割出平板网架。 这种网格是世界上第一次应用于建筑结构。 每个节点四根杆件，只有三种节点、四种杆 件长度。必须保证节点刚接，杆件承受弯矩。
钢结构设计原理
Design Principles of Steel Structure
第一章
3、我国钢结构的发展概况
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
• 新中国成立后
• 由于受到钢产量的制约，钢结构仅在重型厂房、大跨度 公共建筑、铁路桥梁以及塔桅结构中采用。 • 几个大型的钢铁企业生产车间都采用钢结构。
国家体育馆
93m跨的北京工业大学体育馆 （奥运羽毛球、艺术体操）采用索承网壳。
比赛馆
热身馆
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
网架结构是由许多杆件按一定规律布置，通过节 点连接成空间杆系结构，其外形成平板状。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
加拿大蒙特利尔世界博览会美国馆，直径为76M， 高60M。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章
网壳
网壳结构同网架结构一样， 网壳也是由许多杆件按一定规律 布置，通过节点连接成空间杆系 结构，但网架的外形呈平板状， 而网壳的外形呈曲面状。 一般为单层或双层，按其外 形为单曲面或双曲面而构成网状 穹顶、网状筒壳以及双曲抛物面 网壳等多种形式。 网壳结构的特点：外形美观、 通透感好，建筑空间大、用材省， 设计施工较复杂。
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
奥运钢结构工程特点
结构类型多样，涵盖了多种现代钢结构体系 建筑造型新颖，加大结构设计施工难度 钢结构跨度大，安装技术含量高 预应力钢结构体系、膜结构等新体系应用，填补 国内相关标准空白 节能环保技术在钢结构围护体系中广泛应用，推 广示范作用显著
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
苏州乐园宇宙大战馆球体屋面（穹顶）
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
天津奥林匹克体育场
体育场总建筑面积15.8万m2，屋顶结构采用钢桁架悬条结构，屋面 桁架落地，形似露珠，与城市环境中的“绿”与“水”相呼应。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
第一章
平板网架
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
构成网架的基本单元有三角锥、三棱体、正方体、截 头四角锥等。 一般而言，网架钢结构有下列三种节点形式：
• • •
焊接球节点 螺栓球节点 钢板节点
螺栓球节点
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
1、钢结构的定义
2、钢结构的特点
3、我国钢结构的发展概况 4、钢结构的主要结构形式 5、钢结构的设计方法 6、钢结构的新发展
钢结构设计原理
Design Principles of Steel Structure
第一章
1、什么是钢结构？
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
钢结构是土木工程的主要结构形式之一。钢结构与钢筋混 凝土结构、砌体结构等都属于按材料划分的工程结构的不 同分支。
定义：由钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢
以及钢索为主材建造的工程结构， 如房屋、桥梁等，称为钢结构。
钢结构设计原理
Design Principles of Steel Structure
焊接 铆接 螺栓 焊接 铆接 螺栓
发展
材料
构件
轴心构件 受弯构件 偏心构件
结构
厂房 大跨度建筑 高层建筑 塔桅结构 桥梁结构
计算 设计原理
哈尔滨工业大学（威海） 哈尔滨工业大学（威海）土木工程系
钢结构设计原理
第一章 绪论
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
上 海 商 务 中 心 （ 网 状 网 壳 ）
钢结构设计原理
Design Principles of Steel Structure
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
。
中国 近年来钢产量占世界钢产量比例变化比较
消费钢铁三大行业： 房地产（60%以上） 装备制造业 汽车业
建筑结构调整 1 钢结构比例提高; 2 钢筋混凝土结构中高强度级别钢筋比例提高; 3 节能型建筑比例提高
第一章
3、我国钢结构的发展概况
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
• 18世纪欧洲工业革命后
• 钢结构在欧洲各国的应用逐渐增多，而 我国钢结构的发展非常缓慢。 • 1927年建成的沈阳黄姑屯机车厂钢结构 厂房。 • 1931年建成的广州中心纪念堂圆屋顶。 • 1937年建成的杭州钱塘江大桥等。
九江长江大桥
公、铁路两用桥，铁路桥全长7675m，公路桥全长4460m，正桥11孔， 全长1806m，主跨216m，采用连续钢桁梁结构。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章
平 面 桁 架
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
香 港 大 球 场
纵向跨度为240m，顶部高55m，拱形骨架有12度的倾角，其截面为3.5m2。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
第一章
2、钢结构的特点
1、强度高、重量轻 2、材质均匀，塑性、韧性好
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
3、良好的加工性能和焊接性能、具良好的装配性
4、密封性能好
5、可重复性使用性 6、耐热性较好，耐火性差
7、耐腐蚀性差
8、低温冷脆倾向
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
网格结构节点创新
中国国wk.baidu.com游泳 中心研制了刚 接焊接球节点。
增加加强板使 塑性铰外移。 计算公式进入 《网格规程》
网格结构节点创新
老山自行车馆采用四个铸件组 成的铸钢球铰支座，12.5t。
国家体育馆
双向张弦立体桁架
尽管用立体桁架作为上弦有效 地提高了平面外的稳定性。整 体屋盖还是单向受力为主。 国家体育馆南北长 144.5米， 东西宽114 米，尝试了张弦立 体桁架的空间结构形式——双 向张弦立体桁架。 如何保证双向索同时张拉到位 并发挥作用?
第一章
3、我国钢结构的发展概况
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
• 改革开放以来
• 1996年我国的钢产量超过一亿吨，一直位于世 界钢产量的首位 • 2003年达到创记录的2.2亿吨 • 钢结构政策从限制使用改为积极合理的推广应 用 • 钢结构在现代应用的领域更加多元化，包括大 跨结构、工业厂房、受动力荷载影响的结构、 多层和高层建筑、高耸结构、可拆卸结构、容 器构筑物以及钢和混凝土的组合结构
国家大剧院
总建筑面积近15万平方米，该工程外部围护结构为钢结构网壳， 是半椭圆球形，东西长轴212.2m，南北短轴143.64m，总高度 46.285m。设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，整体结构用钢量 达6750吨。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
桁架
空 间 桁 架
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
芜湖长江大桥
该桥是一座公铁两用桥，铁路桥全长10521m，公路桥全长5681m，正桥钢梁长 2193.7m，大桥采用了连续钢桁梁结构，考虑到主跨达到了312m，在桥上的低塔和钢 桁梁之间设置了斜拉索参与受力，因此，芜湖长江大桥也叫做连续钢桁梁斜拉桥。
• 1962年建成的北京工人体育馆采用圆形双层辐射式悬索 结构，直径为94米。 • 1975年建成的上海体育馆，采用三向网架，跨度达110 米。 • 武汉和南京长江大桥都采用了公、铁两用的双层钢桁架 桥。 • 广州上海等地都建造了高度超过200米的多边形空间桁 架钢质电视塔。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
2 0 0 8 奥运场馆钢结构建设用钢材情况
序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 单位 舞钢 武钢 鞍钢 济钢 新余钢厂 宝钢 南钢 天管 首钢 小计 国家体育场 国家游泳馆 老山自行车 昌平自行 国家体 (鸟巢) (水立方) 馆 车馆 育馆 3162 15426 8548 3857 7707 852 870 6100 45651 7868 15 1592 626 245 6753 626 15 1592
钢结构设计原理
主讲：钱宏亮 副教授
研究院北楼602
主要参考书：
1、张耀春，钢结构设计原理，高等教育出版社，2001
2、沈祖炎，钢结构基本原理，中国建筑工业出版社， 2000
3、钟善桐，钢结构，中国建筑工业出版社，1988
先修课程：
《材料力学》、《结构力学》
课程内容
第一章
3、我国钢结构的发展概况
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
• 古代
• 公元前200多年，秦始皇时代用铁建造了 桥墩 • 公元60年，汉明帝时代建造了铁链悬桥 • 山东济宁寺铁塔 • 江苏镇江甘露寺铁塔
钢结构设计原理
Design Principles of Steel Structure
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
钢结构在奥运工程中的应用
奥运工程钢结构总量统计表
新建场馆—12--9万吨 改扩建场馆—11--1万吨 临建场馆—8--0.5万吨 相关设施—5--0.2万吨 主要相关配套钢结构工程—9--25万吨 京外主要场馆工程—4--2.7万吨
吨
合计 5013 15426 6753 8548 4483 7707 852 870 6100 55752
• 武钢承担数量最大(08办提供),舞钢供应的钢板强度级别和厚度最高
国家体育场
弯扭构件的加工制作 鸟巢的弯扭构件
空中多点 对接 要求精准
国家游泳中心
多面体网格结构
中国国家游泳中心采用了一种新的杆件布置 方式。 根据Kelvin的“泡沫理论”构成。即将水在 泡沫状态下的微观分子结构放大到建筑结构 尺度，从几何上可以归结为6个十四面体 （12个五边形面+2个六边形面）结合了2个 十二面体（12个五边形面）的多次重复。将 这些多面体内部抽空就形成了空间网格，然 后按照建筑需要切割出平板网架。 这种网格是世界上第一次应用于建筑结构。 每个节点四根杆件，只有三种节点、四种杆 件长度。必须保证节点刚接，杆件承受弯矩。
钢结构设计原理
Design Principles of Steel Structure
第一章
3、我国钢结构的发展概况
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
• 新中国成立后
• 由于受到钢产量的制约，钢结构仅在重型厂房、大跨度 公共建筑、铁路桥梁以及塔桅结构中采用。 • 几个大型的钢铁企业生产车间都采用钢结构。
国家体育馆
93m跨的北京工业大学体育馆 （奥运羽毛球、艺术体操）采用索承网壳。
比赛馆
热身馆
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
网架结构是由许多杆件按一定规律布置，通过节 点连接成空间杆系结构，其外形成平板状。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
加拿大蒙特利尔世界博览会美国馆，直径为76M， 高60M。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章
网壳
网壳结构同网架结构一样， 网壳也是由许多杆件按一定规律 布置，通过节点连接成空间杆系 结构，但网架的外形呈平板状， 而网壳的外形呈曲面状。 一般为单层或双层，按其外 形为单曲面或双曲面而构成网状 穹顶、网状筒壳以及双曲抛物面 网壳等多种形式。 网壳结构的特点：外形美观、 通透感好，建筑空间大、用材省， 设计施工较复杂。
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
奥运钢结构工程特点
结构类型多样，涵盖了多种现代钢结构体系 建筑造型新颖，加大结构设计施工难度 钢结构跨度大，安装技术含量高 预应力钢结构体系、膜结构等新体系应用，填补 国内相关标准空白 节能环保技术在钢结构围护体系中广泛应用，推 广示范作用显著
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
苏州乐园宇宙大战馆球体屋面（穹顶）
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
天津奥林匹克体育场
体育场总建筑面积15.8万m2，屋顶结构采用钢桁架悬条结构，屋面 桁架落地，形似露珠，与城市环境中的“绿”与“水”相呼应。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
第一章
平板网架
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
构成网架的基本单元有三角锥、三棱体、正方体、截 头四角锥等。 一般而言，网架钢结构有下列三种节点形式：
• • •
焊接球节点 螺栓球节点 钢板节点
螺栓球节点
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
1、钢结构的定义
2、钢结构的特点
3、我国钢结构的发展概况 4、钢结构的主要结构形式 5、钢结构的设计方法 6、钢结构的新发展
钢结构设计原理
Design Principles of Steel Structure
第一章
1、什么是钢结构？
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
钢结构是土木工程的主要结构形式之一。钢结构与钢筋混 凝土结构、砌体结构等都属于按材料划分的工程结构的不 同分支。
定义：由钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢
以及钢索为主材建造的工程结构， 如房屋、桥梁等，称为钢结构。
钢结构设计原理
Design Principles of Steel Structure
焊接 铆接 螺栓 焊接 铆接 螺栓
发展
材料
构件
轴心构件 受弯构件 偏心构件
结构
厂房 大跨度建筑 高层建筑 塔桅结构 桥梁结构
计算 设计原理
哈尔滨工业大学（威海） 哈尔滨工业大学（威海）土木工程系
钢结构设计原理
第一章 绪论
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
上 海 商 务 中 心 （ 网 状 网 壳 ）
钢结构设计原理
Design Principles of Steel Structure
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
。
中国 近年来钢产量占世界钢产量比例变化比较
消费钢铁三大行业： 房地产（60%以上） 装备制造业 汽车业
建筑结构调整 1 钢结构比例提高; 2 钢筋混凝土结构中高强度级别钢筋比例提高; 3 节能型建筑比例提高
第一章
3、我国钢结构的发展概况
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
• 18世纪欧洲工业革命后
• 钢结构在欧洲各国的应用逐渐增多，而 我国钢结构的发展非常缓慢。 • 1927年建成的沈阳黄姑屯机车厂钢结构 厂房。 • 1931年建成的广州中心纪念堂圆屋顶。 • 1937年建成的杭州钱塘江大桥等。
九江长江大桥
公、铁路两用桥，铁路桥全长7675m，公路桥全长4460m，正桥11孔， 全长1806m，主跨216m，采用连续钢桁梁结构。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章
平 面 桁 架
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
香 港 大 球 场
纵向跨度为240m，顶部高55m，拱形骨架有12度的倾角，其截面为3.5m2。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
第一章
2、钢结构的特点
1、强度高、重量轻 2、材质均匀，塑性、韧性好
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
3、良好的加工性能和焊接性能、具良好的装配性
4、密封性能好
5、可重复性使用性 6、耐热性较好，耐火性差
7、耐腐蚀性差
8、低温冷脆倾向
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
网格结构节点创新
中国国wk.baidu.com游泳 中心研制了刚 接焊接球节点。
增加加强板使 塑性铰外移。 计算公式进入 《网格规程》
网格结构节点创新
老山自行车馆采用四个铸件组 成的铸钢球铰支座，12.5t。
国家体育馆
双向张弦立体桁架
尽管用立体桁架作为上弦有效 地提高了平面外的稳定性。整 体屋盖还是单向受力为主。 国家体育馆南北长 144.5米， 东西宽114 米，尝试了张弦立 体桁架的空间结构形式——双 向张弦立体桁架。 如何保证双向索同时张拉到位 并发挥作用?
第一章
3、我国钢结构的发展概况
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
• 改革开放以来
• 1996年我国的钢产量超过一亿吨，一直位于世 界钢产量的首位 • 2003年达到创记录的2.2亿吨 • 钢结构政策从限制使用改为积极合理的推广应 用 • 钢结构在现代应用的领域更加多元化，包括大 跨结构、工业厂房、受动力荷载影响的结构、 多层和高层建筑、高耸结构、可拆卸结构、容 器构筑物以及钢和混凝土的组合结构
国家大剧院
总建筑面积近15万平方米，该工程外部围护结构为钢结构网壳， 是半椭圆球形，东西长轴212.2m，南北短轴143.64m，总高度 46.285m。设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，整体结构用钢量 达6750吨。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
桁架
空 间 桁 架
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章
绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
芜湖长江大桥
该桥是一座公铁两用桥，铁路桥全长10521m，公路桥全长5681m，正桥钢梁长 2193.7m，大桥采用了连续钢桁梁结构，考虑到主跨达到了312m，在桥上的低塔和钢 桁梁之间设置了斜拉索参与受力，因此，芜湖长江大桥也叫做连续钢桁梁斜拉桥。
• 1962年建成的北京工人体育馆采用圆形双层辐射式悬索 结构，直径为94米。 • 1975年建成的上海体育馆，采用三向网架，跨度达110 米。 • 武汉和南京长江大桥都采用了公、铁两用的双层钢桁架 桥。 • 广州上海等地都建造了高度超过200米的多边形空间桁 架钢质电视塔。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
2 0 0 8 奥运场馆钢结构建设用钢材情况
序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 单位 舞钢 武钢 鞍钢 济钢 新余钢厂 宝钢 南钢 天管 首钢 小计 国家体育场 国家游泳馆 老山自行车 昌平自行 国家体 (鸟巢) (水立方) 馆 车馆 育馆 3162 15426 8548 3857 7707 852 870 6100 45651 7868 15 1592 626 245 6753 626 15 1592