钢结构的特点与疲劳

钢结构的特点与疲劳

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3 / 13 第一章 绪论

钢结构是用钢板、型钢，通过焊缝、螺栓等方式连接而成的结构。

主要内容有材料、连接、基本构件和结构设计。

钢结构与钢筋混凝土结构、木结构和砌体结构都是工程结构的不同分支，它们之间有许多共性。例如，在结构体系、内力分析和设计程序等方面基本相同。但由于材料性质不同，因而钢结构在构件的截面形式、构件的计算方法、连接方法及构造处理方面与其它结构有很大的差别。钢结构内在的特性是由其原材料及构件的加工过程决定的，学习钢结构要注意它的特点。

§1.1我国钢结构的发展概况

我国是最早应用钢结构的国家，但是历史的原因致使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，最大的差距在于建筑钢结构。

钢结构是由生铁结构逐步发展起来的，中国是最早用铁制造承重结构的国家。远在秦始皇时代（公元前二百多年），就有了用铁建造的桥墩。以后在深山峡谷上建造铁链悬桥如四川大渡河桥，我国古代还建造了许多纪念性建筑，如山东济宁市的铁塔寺铁塔，镇江的甘露寺铁塔等，这些表明我国古代建筑和冶金技术方面的高度水平。

中国古代在金属结构方面虽有卓越的成就，但由于受到内部的束缚和外部的侵略，相当一段时间内发展较为缓慢。即使这样，我国工程师和工人仍有不少优秀设计和创造，

如1927年建成的沈阳黄姑屯机车厂钢结构厂房；

1928～1931年建成的广州中心纪念堂圆屋顶；

1934～1937年建成的杭州钱塘江大桥等。

19世纪后半期开始发展起来的结构力学理论、扎制钢材的普及使“铁结构设计”发展成了“钢结构设计”。

20世纪50年代后，钢结构的设计、制造、安装水平有了很大提高，建成了大量钢结构工程，有些在规模上和技术上已达到世界先进水平。如采用大跨度网架结构的首都体育馆（平面为矩形）、上海体育馆（平面为圆形） 、深圳体育馆，大跨度三角拱形式的西安秦始皇陵兵马俑陈列馆，悬索结构的北京工人体育馆、浙江体育馆，高耸结构中的200m高广州广播电视塔、210m高上海广播电视塔、194m高南京跨江线路塔、325m高北京气象桅杆等，板壳结构中有效容积达54000m3的湿式储气柜等。

近期，随着钢结构设计理论、制造、安装等方面技术的迅猛发展，各地建成了大量的高层钢结构建筑、轻钢结构、高耸结构、市政设施等。如：位于上海浦东、420.5m高、88层、总建筑面积达28.7万m2的 金贸大厦 ； 总建筑面积达20万m2的上海浦东国际机场；主体建筑东西跨度288.4m、南北跨度274.7m、建筑高度70.6m、可容纳8万名观众的上海体育场；336m高、建于哈尔滨的黑龙江广播电视塔以及横跨黄浦江的南浦大桥、杨浦大桥等等。

96年我国钢产量已开始超亿吨，居世界首位，为钢结构发展奠定物质基础，对钢材的使用已由“节约使用”变为“合理用钢”、“加大建筑用钢”。

97年新发布的《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。

当今我国建筑业中发展最快的就是钢结构，最缺的人才也是钢结构专业，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。

4 / 13 §1.2钢 结 构 的 特 点

1.2.1钢结构的特点

1.钢结构的优点

（1）钢材的强度高，塑性、韧性好

钢与混凝土、木材相比，虽然质量密度较大，但其屈服点较混凝土和木材要高得多，其质量密度与屈服点的比值相对较低。在承载力相同的条件下，钢结构与钢筋混凝土结构、木结构相比，构件较小，重量较轻，便于运输和安装。

在跨度和荷载都相同时，普通钢屋架的重量只有钢筋混凝土屋架的1/4～1/3，冷弯薄壁轻型钢屋架只有1/10。一般的钢筋混凝土高楼，典型楼层的自重约为10～12kN/m2，而钢结构高楼约为8～10，比前者减轻约30％以上，相应的地震作用液大大减小。

建筑工程中钢结构所选用的钢材都具有良好的塑性，在拉力作用下，应力应变曲线有明显的屈服平台，不会因超载而突然断裂。

钢材的塑性在一定条件下是可以利用的。如梁和框架的塑性设计，允许在结构中出现塑性铰以及继之而来的内力重分布。

建筑钢材还具有较好的韧性，因此，有动力作用的重要结构经常用钢材来做。钢筋混凝土要做成延性很好的框架，就需要增加配筋量，这使它在造价上无法与钢框架竞争。

（2）材质均匀、工作可靠性高

钢材在冶炼和扎制过程中，质量得到严格的控制，材质波动的范围小。钢材质地均匀，接近于各向同性体，弹性模量大，为理想的弹塑性体，与目前所采用的计算方法和基本理论符合较好，所以其可靠性高。

（3）钢结构制造简便、施工周期短、具有良好的装配性

钢结构的构件是用各种扎制型材（型钢、板材）经切割、焊接等工序制造而成。因此钢结构生产具备成批大件生产和高度准确性的特点，可以采用工厂制作、工地安装的施工方法，其生产作业面多，可缩短施工周期，进而为降低造价、提高效益创造条件。

（4、5）钢材具有可焊性

由于焊接结构可以做到完全密封，一些要求气密性和水密性好的高压容器、大型油库、气柜、管道等板壳结构都采用钢结构。

（6）钢结构建筑是绿色建筑，具备可持续发展的特点

钢结构加工制造过程中产生的余料和碎屑，以及废弃和破坏了的钢结构或构件，均可回炉重新冶炼成钢材使用。因此钢材被称为绿色建筑材料或可持续发展的材料。

·抗震及抗动力荷载性能好

钢结构因自重轻、质地均匀，具有较好的延性，因而抗震及抗动力荷载性能好。

·易于改造何加固

钢材具有较好的可加工性能，连接简单，因此对已有结构进行改造和加固相对比较容易。

2.钢材的不足

（1）耐腐蚀性较差

钢结构的最大缺点是容易锈蚀，特别是在潮湿环境、腐蚀性介质中。新建造的钢结构一般都需仔细除锈、镀锌或刷涂料。以后隔一定时间又要重新刷涂料，维护费用较高。目前国内外正在发展不易锈蚀的耐候钢，可大量节省维护费用，但还未能广泛采用。

（2）耐热但不耐火

温度在250℃以内，钢的性质变化很小，温度达到300℃以上，强度逐渐下降，达到450～650℃时，强度降为零。因此，钢结构可用于温度不高于250℃的场合。在自身有特殊防火

5 / 13 要求的建筑中，钢结构必须用耐火材料予以维护。当防火设计不当或者当防火层处于破坏的状况下，有可能将产生灾难性的后果。

·钢材价格相对较高

1.2.2钢 结 构 的 应 用

·形式

·框架

单层单跨框架 单层多跨框架 多层单跨框架 多层多跨框架

·桁架 平面桁架 空间桁架

· 拱架

·索

·壳体

应用

1．单层厂房结构

厂房钢结构一般指重型、大型车间的承重骨架。通常由檩条、天窗架、屋架、托架、柱、吊车梁、制动梁（桁架）、各种支撑及墙架等构件组成。

2．大跨度结构

大跨度结构主要有网架结构、悬索结构和网壳结构等。

·网架结构

网架结构广泛用作体育馆、展览馆、俱乐部、影剧院、食堂、会议室、候车厅、飞机库、车间等的屋盖结构。具有工业化程度高、自重轻、稳定性好、外形美观的特点。

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，由这些基本单元可组合成平面形状的三边形、四边形、六边形、圆形或其他任何形体。

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

·悬索及索桁架结构

以一系列拉索为主要承重构件，这些索按一定的规律组成各种不同的形式，悬挂于相应的支撑结构上，使材料强度在受拉情况下得到充分发挥的结构形式。节约钢材（以浙江省体育馆为例，仅17kg/m2）、外形美观、设计施工较复杂，适合于大跨度屋顶。

·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。

苏州乐园宇宙大战馆球体屋面（穹顶）

上海商务中心（网状网壳）

3．多层、高层结构

6 / 13 ·多层住宅、办公楼

多层住宅、办公楼柱距一般为6～9米，不超过8层，基础受力小，有利于抗震；资源耗用少；工业化程度高；施工速度快；可装拆；造价略高。

·小别墅

轻钢小别墅一般2～3层。

造型多变、功能齐全、建造速度快、工业化程度高、造价略高。

高层结构

·一般50层以上建筑用钢结构或钢－混组合结构

·自重轻、抗震性能好，基础处理方便

·柱用焊接方管（圆角）、H型钢或组合柱

·梁用H型钢，上下翼缘用对接焊，腹板用高强螺栓作抗剪连接，柱与梁翼缘对应处有加强板

·楼板用压型钢板加钢筋网加细石砼构成组合板，板与梁连接用销钉

·外墙用玻璃或铝幕墙

·基础用桩基加箱基，箱基作停车场

·防火要求非常严格

4．塔桅等耸结构高耸钢结构的结构形式多为空间桁架，其特点是高跨比较大，以水平荷载作用为主，可应用在以下几个方面：

·输电塔

·通讯及微波塔

·多功能广播电视发射塔

·桅杆

·火炬塔、石油化工塔架

5．桥梁结构

桥梁钢结构的主要形式有：

·桁架式桥（如武汉、南京长江大桥）（连续小跨距）

·箱形桥梁（如立交桥、铁路桥），钢板焊成

·拱形桥梁，中、小跨度

·斜拉桥（如上海南浦、杨浦大桥）“H”型钢，大跨距、特大跨距（5）悬索桥（如江阴长江大桥）桁架梁1000米跨距

6．可拆卸、移动结构

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，如建筑工地、油田和需要野外作业的生产和生活用房的骨架等。钢筋混凝土结构施工用的模板和支架，以及建筑施工用的脚手架等也大量采用钢材制作。

7．轻型钢结构

轻型钢结构是一个很模糊的概念，没有严格的定义。以下结构都可称为轻型钢结构：①由冷弯薄壁型钢组成的结构；②由热轧轻型型钢（工字钢、槽钢、 H型钢、L型钢、T型钢等）组成的结构；③由焊接轻型型钢（工字钢、槽钢、 H型钢、L型钢、T型钢等）组成的结构；④由圆管、方管、矩形管组成的结构；⑤由薄钢板焊成的构件组成的结构；⑥由以上各种构件组成的结构。