精编-钢结构绪论

能保证塑性变形和焊接性能的钢材。使用在抗震结 构构件和部位中；SN400C及SN490C具有非常好的
抗层状撕裂性能，主要使用在如箱型柱的外部板材 等需要板厚方向性能（Z向性能）的构件和部位中。 SN B、C类钢材均对屈服点的上限值做出了规定，
以防构件需塑性变形耗能的部位不能进入塑性屈服； 并对碳当量及磷、硫的上限予以严格限制。
③不能精确地考虑结构体系与它的构件之间 的相互影响，无法在给定荷载下预测结构体 系的破坏模式；④需要花费大量时间进行各 构件的承载力验算，包括计算长度的计算； ⑤不便于基于计算机的分析和设计。
要克服上述问题，必须开展以整个框架结构 体系为对象的二阶非弹性分析，即所谓高等 分析和设计。此时，可求得在特定荷载作用 下框架体系的极限承载力和失效模态，而无 需对各个构件进行验算。
目前大多数国家(当然包括我国)采用计算长度法计 算钢结构的稳定问题。该方法的步骤是：采用一阶 分析求解结构内力，按各种荷载组合求出各杆件的 最不利内力，按第一类弹性稳定问题建立结构达临 界状态时的特征方程，确定各压杆的计算长度；将 各杆件隔离出来，按单独的压弯构件进行稳定承载 力验算，验算中考虑了弹塑性、残余应力和几何缺 陷等的影响。该方法的最大特点是采用计算长度系 数来考虑结构体系对被隔离出来的构件的影响，计 算比较简单，对比较规则的结构也可给出较好的结 果。
上述“各种作用”是指凡使结构产生内力或变形的各种原
因，如施加在结构上的集中荷载或分布荷载，以及引起结构外 加变形或约束变形的原因，例如地震、地基沉降、温度变化等。
二. 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
定功能的能力，称为结构的可靠性(reliability)。结构 可靠度是对结构可靠性的定量描述，即结构在规定的 时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。对 结构可靠度的要求与结构的设计基准期长短有关，设 计基准期长，可靠度要求就高，反之则低。一般建筑 物的设计基准期为50年

钢结构基本理论
第一章
§1.1 概述 §1.2 钢结构的特点 §1.3 钢结构的应用和发展 §1.4 钢结构的设计方法
绪论
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§1.1 概述
1、什么是“钢结构”？
定义：钢结构是钢材经过设计、制作和安装而形成的工程结构形式。
2、钢结构与其它结构有何异同？
★钢筋混凝土结构 ★砌体结构 ★ 木结构
与力学计算时对材料的假定比较相符，理论分析的结果可适 用于工程实践；力学的理论研究成果可用于工程实践设计；
提示：工程力学中的相关理论，可直接应用于钢结构工程的 设计，或进行简单修正后应用，
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§1.2 钢结构的特点
（4）制作简单，施工周期短，机械化程度及自动化程度高。 钢结构构件一般工厂里制作，精度高，准确度好，不受外
学习过程中，注重特点的具体体现，以便更好地掌握相关 专业知识，提高对钢结构基本理论知识的理解和应用能力。
在今后的应用中，应做到以下几个方面：
正确选择，合理使用；
精心设计，扬长避短；
精心施工，确保安全；
注重维护，经济耐久；
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§1.3 钢结构应用与发展
钢结构的应用：
（1）大跨建筑结构 大会堂、纪念馆等建筑；
钢材：a=1.7～3.7×10-4/m； 木材：a=5.4×10-4/m； 钢砼：a= 18×10-4/m；
质量轻的优点：自重轻可承担更多的外荷载；可减轻 基础负荷，降低地基基础成本ppt课；件 方便运输与吊装； 3
§1.2 钢结构的特点
与其它结构相比，钢结构有如下特点：
（1）建筑钢材强度高，塑性、韧性好；
强度：材料抗破坏能力的大小度量；
塑性：材料变形性能的重要指标；

各种与钢结构有关 设计规范
防火、 防腐 设计 施工 规范
第三层次
各种与钢结构设计 规范配套的施工及 验收规范 与钢结构有关的各 种材料标准
第四层次
第五层次
图1.8 各种规范之间的相互关系
第 1章 绪 论
• 钢结构与实训是一门理论性和实践性较强的课程。 内容多、涉及面广；要求材料、力学、工厂加工、 施工机械、焊接工艺、工程测量等方面的基础知识。 • 钢结构的构造形式复杂，要求空间想象能力强； • 要处理好各个章节的独立性和联系性。 • 钢结构制作与安装的复杂性和多样性。 • 需积累收集钢结构典型的钢实际工程案例每个实训 项目确保学生将所学知识用于实际工程或模拟工程。
第 1章 绪 论
复习思考题
1.通过网上查阅近期有关钢结构方面的信息，了解目前 我国钢结构的发展趋势。 2.通过网上查阅目前我国和世界上各5座具有代表性的钢 结构建筑，按下表填写这些钢结构建筑的基本情况。 3.钢结构有哪些优缺点？ 4.与钢结构有关的现行规范、规程、规定有哪些？举例 说明。 5.试分析国家体育场“鸟巢”、游泳中心“水立方” 和 国家大剧院的钢结构分别属于那种结构形式。 6.钢结构施工课程有哪些主要内容和特点？ 7.根据学院和当地的实际情况，选择性的完成下篇第 13.2节的实训项目。
建筑底面面积为80,000m2，屋顶面积76,719m2，地上层数6层，最高 点高度53.00m，可容纳观众数60,000。 屋顶结构采用钢桁架悬挑结构 。屋面桁架落地，形似露珠 。
天津奥林匹克体育场俯瞰效果图
第 1章 绪 论
国家大剧院 位于北京人民大会堂西侧，西长安街以南，总占地面积近12公顷， 总建筑面积近15万平方米，总投资26.88亿元，目前已进行过网壳部分 设计与施工验收审查会议。 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46.285。内设歌剧院（2416席）、 音乐厅（2017席）及戏剧院（1040席）及公共大厅等。屋面采用钛金属 板，整个网壳外环绕人工湖（35500m2）,各种通道及入口均设在水下 。 设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，北京市建筑设计研究院参与主 体设计 ，整体结构用钢量达6750t，195kg/m。 第 1章 绪 论

第一章 绪论
北京2008奥运场馆
第一章 绪论
第一章 绪论
第一章 绪论
第一章 绪论
第一章 绪论
第一章 绪论
第一章 绪论
第一章 绪论
第一章 绪论
第一章 绪论
第一章 绪论
3．多层、高层结构
北 京 金 宸 公 寓 （ 钢 结 构 多 层 住 宅 ）
第一章 绪论
第一章 绪论
4．塔桅结构
国家体育场，国家游泳中心，国家体育馆，天津 奥林匹克中心体育场，北京老山奥运自行车馆，2008 年奥运篮球馆（五棵松）， 2008年奥运羽毛球比赛馆 （在北京工业大学内）， 2008年奥运会摔跤馆（在中 国农业大学内），2008年奥运会乒乓球馆（在北京大学 内）．
第一章 绪论
北京2008奥运场馆
ห้องสมุดไป่ตู้
第一章 绪论
第一章 绪论
第一章 绪论
2．大跨结构 主要用于飞机库、汽车库、火车站、大会堂、体
育馆、展览馆、影剧院等，其结构体系主要采用框架 结构、网架结构、网壳结构、悬索结构、充气结构、 张拉整体结构、膜结构、杂交结构及预应力钢结构等。
第一章 绪论
北京2008年奥运会为20项比赛项目建37座体育场 馆．其中32座在北京，19座为新建，13座为改建．另 5座在外省，3座新建在天津，沈阳和青岛，2座改建在 上海和秦皇岛．共新建22座，改建15座旧场馆，实为 我国当前一件非常具有挑战性的艰难任务．现已确定 下来并已施工或准备施工的有9个场馆，为：
第一章 绪论
特性
与混凝土高层相比： 自重轻，截面小，可降低基础造价，室内有效面积大，
与玻璃幕墙结合，建成现代感很强的建筑外形； 施工速度快、工业化程度高，可降低人工费用，增加

普通高等学校土木工程专业规范推荐教材
钢结构基本原理
第1章 绪 论
大连交通大学土木与安全工程学院 建筑工程教研室
第1章 绪 论
主要内容：
1 钢结构的特点 2 钢结构的发展现状及合理应用范围 3 钢结构构件的分类 4 钢结构设计的基本方法
重点：
钢结构的特点及钢结构设计的基本方法
第1章 绪 论
1.1 钢结构的特点
对应于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。
正常使用极限状态
对应于影响结构、构件和非结构构件正常使用或外观的变形，影响 正常使用的振动，影响正常使用或耐久性能的局部损坏。
第1章 绪 论
1.4 钢结构设计的基本方法
2.钢结构的设计表达式
采用 。
R ——结构抗力分项系数，Q235钢构件取1.087，Q345、Q390和Q420
钢构件取1.111。 SGk、SQk ——永久荷载效应和可变荷载效应 。
Rk ——按标准的材料性能、几何参数和抗力计算公式求得的构件抗力值。
第1章 绪 论
1.4 钢结构设计的基本方法
（1）承载能力极限状态设计表达式
➢对于拉杆和压杆，变形是指长细比。 ➢对于受弯的梁和桁架，变形是指挠度。容许变源自值见相关规范规定第1章 绪 论
本章小结及学习指导
➢钢结构与钢筋混凝土结构和木结构相比，具有工业化程度高，强度高且抗震性 能优良，绿色环保并可再生等优势。在设计和施工中，要特别注意钢结构容易失 稳、脆性状态下裂纹容易扩展和抗火性能差等不利因素
➢根据钢结构的优点和缺点，不难确定其合理的使用范围。大跨度、高层、重型、 密闭结构和压力容器、抗震要求高的应优先采用钢结构，另外一方面，住宅和轻 型厂房、拆装频繁的设施应采用钢结构。

第0章 绪论
0.1 钢结构的特点和应用范围
一、钢结构的特点
1.轻质高强; 由于钢材强度高，结构需要的构 件截面小,结构自重轻。 a=容重/强度, a越小，结构相对 越轻。 钢材：a=1.7～3.7×10-4/m； 木材：a=5.4×10-4/m； 钢砼：a= 18×10-4/m；
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澳大利亚啤酒中心
2.钢材的塑性和韧性好； 塑性和韧性是概念上完全不同的两个物理量。
• GT STRUDL是一个被全球土木界广泛认 可和采用的计算机辅助设计系统，被应 用于工业、民用、桥梁、水工结构、近 海结构等工程结构的分析与设计工作中 。GT STRUDL 把图形建模、框架及有限 单元的静力分析、动力分析、非线性分 析、结果显示以及结构模型的数据库管 理集成在一起，给工程师提供准确详尽 的计算结果。
桥5 梁
天津体育场 西班牙迪加航空港
千 年 穹 顶
上海会展中心
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3. 承受动力荷载及 地震作用的结构
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4.高层建筑与高耸结构
金 茂 大 厦 88 层 420 米
北 京 财 富 中 心
地 王 大 厦
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东京千 年塔
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5.道路、桥梁结构
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6.水利、水工结构
海上石油平台
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7. 轻型房屋钢结构
b.正常使用极限状态: 包括：影响正常使用或外观的变形、影响正常使用
的振动、影响正常使用的或耐久性的局部破坏等状态。
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(3) 根据应用概率分析的程度不同，可分为三种水准： 半概率极限状态设计方法; 近似概率极限状态设计方法; 全概率设计方法。
a. 半概率极限状态设计方法;
1).三系数法（当时称为计算极限状态法） :
N f yk f ＝ yk [ ]

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国家奥林匹克游泳馆
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广州新体育馆 12
台湾桃园体育馆
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重型——主要是内有大吨位 重级工作制 吊车等重工业厂房 如鞍钢、首钢、宝钢及一 些电厂的主厂 房等。
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高层、超高层建筑结构
如台北101大厦（508m）、吉隆坡双塔大厦（452m） 、美国西尔斯大厦（443m） 、上海金茂大厦（421m ） 、深圳地王大厦（384m） 、北京京广大厦（208m ）等。
校准分析后，其 值在 3.2左右，即 =3.2，属
延性破坏，安全等级为
二级。
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1.3.3结构设计表达式
现行钢结构设计规范，采用以概率理论为基础的极限 状态设计法（疲劳计算除外），采用分项系数的设计 表达式进行计算。其分项系数不是凭经验确定，而是 以可靠指标为基础，用概率设计法求出。若直接应用 概率法的设计表达式，目前还有困难。其原因是：
木材：
a=5.4 × 10- 4 /m
混凝土： a=18× 10- 4 /m
因此，做成的结构构件面积小，自重轻。
如：在同样跨度承受同样荷载下，钢屋架的自重最多不过 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，而高层钢结构自重则为高层钢筋混凝土的 1/2~3/5。
优点：方便运输和吊装；减小地震作用；减轻基础负荷， 降低地基、基础部分的造价；増加建筑有效使用面积。4
问题是：R和S的分布非常复杂，而且目前的统计数据还不够 多，因此一般来说，Z的分布很难求出。失效概率的计算仅 仅在理论上是可行的， 实际上很难求出。所以 人们只能寻求近似概率 设计法。
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在近似概率设计法中，由于R和S都是随机变量，且假定都服 从正态分布。根据概率原理，功能函数Z也服从正态分布。

概率设计法比定值法准确合理。结构概率设计法经历 了半概率法和近似概率法这两个发展阶段。
第1章 绪论
(一)定值法 定值法将影响结构安全性(或功能性)的设计参数看作
是确定性变量，而用一个以经验确定的安全系数来考虑设 计参数随机性的影响，衡量结构安全度。
定值法包括容许应力法和最大荷载法。容许应力法的 设计表达式如下:
第1章 绪论
(1)材料性能不断提高 最原始的钢结构是由铸铁、锻铁建造
的，现代钢结构则是由钢材(如碳素钢、低 合金钢等许多种类)建造而成。钢的品种和 强度等级不断提高，其他一些性能指标也 不断改进，促进了钢结构应用范围的扩大。 目前钢结构常用的钢材主要有Q234、Q345、 Q390，Q420。
第1章 绪论
高耸钢结构 常用于电视塔、微波塔、输电塔、钻井 塔、环境大气监测塔，还有带拉线的无线 电天线桅杆、广播发射桅杆等。
高耸钢结 构的形式
第1章 绪论
(5)桥梁钢结构
钢梁桥梁
第1章 绪论
钢拱桥梁
第1章 绪论
(6)钢与混凝土组合结构
组合结构的形式
第1章 绪论
(7)特种结构
海上采油平台、井架、栈桥和管道支架等。 可拆卸或拆迁的钢结构:
(2)连接形式不断改进和变化 在生铁时代(公元前771年)和熟铁时代
(公元前500年)，钢结构的连接采用销钉； 19世纪初采用铆钉连接；20世纪初出现了 焊接连接，后来出现了普通螺栓连接，现 代钢结构连接又增添了高强度螺栓连接。
第1章 绪论
(3)钢产量大幅度提高 钢结构的应用取决于国民经济的发展情况。
在有较强腐蚀性介质的环境中不宜采用钢结构。
第1章 绪论
(7)钢结构耐热、不耐火 温度 <150℃时，钢材的物理力学性能变化很小。 温度达到250℃左右时，钢材的抗拉强度提高而

公路
悬索桥，主跨 3300 m
意大利
2011
公铁
3
图 1-10 明石海峡大桥
图 1-11 多多罗大桥
工程名称
新奥尔良体育馆 多伦多天空穹顶 太阳海岸穹顶 福冈体育馆 （如图 1-12） 日本名古屋穹顶 乔治亚穹顶 千年穹顶 （如图 1-13） 澳大利亚主体育场
表 1-5 国外经典的大跨度钢结构工程
英国 英国 美国 日本 英国 日本 法国
悬索桥，主跨 1624 m 悬索桥，主跨 1991 m
丹麦 日本
建成时间 1850 1889 1937 1980 1981 1988 1995 1996 1998
用途
铁路 铁路 公路 公路 公路 公铁 公路 公路 公路
钢混组合梁斜拉桥，跨径 890 m
日本
1999
城市
结构形式及主要技术指标
新奥尔良市 多伦多
圣彼得堡 福冈
双层网壳，直径 207.3m 开合钢结构屋顶，跨度 208m 索穹顶，直径 210m 开合钢结构屋顶，跨度 222m
名古屋 亚特兰大
伦敦
单层球面网壳，净跨为 187 2 m 索穹顶，241m×193m 索穹顶，直径 320m
悉尼
双曲抛物面网壳，跨度 220m
2008 2008
图 1-4 中央电视台新台址
图 1-5 上海环球金融中心大厦
工程名称 北京工人体育馆 首都四机位机库 国家大剧院
国家体育馆
国家体育场（鸟巢） （如图 1-6） 北京工业大学羽毛球馆 （如图 1-7） 国家游泳中心 （水立方） 首都 A380 飞机维修机库
首都机场三期
表 1-3 国内经典大跨度建筑钢结构
2.8
弦支穹顶结构，跨度 93m