钢结构设计：概述课件.ppt

1、钢结构设计钢结构设计:第第1 1章章 概述概述钢结构的特点和应用钢结构的特点和应用钢结构的建造过程和内在缺陷钢结构的建造过程和内在缺陷钢结构的组成原理钢结构的组成原理钢结构的发展钢结构的发展钢结构的特点和应用钢结构的特点和应用第一章 概述1.1 1.1 钢结构的特点和应用钢结构的特点和应用材料的强度高，塑性和韧性好材料的强度高，塑性和韧性好材质均匀，和力学计算的假定比较符合材质均匀，和力学计算的假定比较符合钢结构制造简便，施工周期短钢结构制造简便，施工周期短钢结构的质量轻钢结构的质量轻钢材耐腐蚀性差钢材耐腐蚀性差钢材耐热但不耐火钢材耐热但不耐火1.1.1 1.1.1 钢结构的特点钢结构的特点钢

2、拉杆和压杆性能比较钢拉杆和压杆性能比较第一章 概述大跨度钢结构大跨度钢结构重型厂房钢结构重型厂房钢结构受动力荷载影响的结构受动力荷载影响的结构可拆卸的结构可拆卸的结构高耸结构和高层建筑高耸结构和高层建筑容器和其他构筑物容器和其他构筑物轻型钢结构轻型钢结构1.1.2 1.1.2 钢结构的应用范围钢结构的应用范围高层钢结构建筑高层钢结构建筑杂交结构杂交结构第一章 概述二、钢结构的应用随着我国国民经济的不断发展和科学技术的进步，钢随着我国国民经济的不断发展和科学技术的进步，钢结构在我国的应用范围也在不断扩大。目前钢结构应结构在我国的应用范围也在不断扩大。目前钢结构应用范围大致如下（图用范围大致如下（

3、图18）第一章 概述(1)大跨结构大跨结构 结构跨度越大，自重在荷载中所占的比例就越结构跨度越大，自重在荷载中所占的比例就越大，减轻结构的自重会带来明显的经济效益。钢材大，减轻结构的自重会带来明显的经济效益。钢材强度高结构重量轻的优势正好适合于大跨结构，因强度高结构重量轻的优势正好适合于大跨结构，因此钢结构在大跨空间结构和大跨桥梁结构中得到了此钢结构在大跨空间结构和大跨桥梁结构中得到了广泛的应用。所采用的结构形式有空间桁架、网架广泛的应用。所采用的结构形式有空间桁架、网架、网壳、悬索（包括斜拉体系）、张弦梁、实腹或、网壳、悬索（包括斜拉体系）、张弦梁、实腹或格构式拱架和框架等格构式拱架和框架等

4、 第一章 概述(2)工业厂房工业厂房 吊车起重量较大或者其工作较繁重的车间的主要承重骨架多采用吊车起重量较大或者其工作较繁重的车间的主要承重骨架多采用钢结构。另外，有强烈辐射热的车间，也经常采用钢结构。结构形式钢结构。另外，有强烈辐射热的车间，也经常采用钢结构。结构形式多为由钢屋架和阶形柱组成的门式刚架或排架，也有采用网架做屋盖多为由钢屋架和阶形柱组成的门式刚架或排架，也有采用网架做屋盖的结构形式。的结构形式。近年来，随着压型钢板等轻型屋面材料的采用，轻钢结构工业厂近年来，随着压型钢板等轻型屋面材料的采用，轻钢结构工业厂房得到了迅速的发展。其结构形式主要为实腹式变截面门式刚架。房得到了迅速的发

5、展。其结构形式主要为实腹式变截面门式刚架。第一章 概述(3)受震动荷载影响及地震作用的结构受震动荷载影响及地震作用的结构 由于钢材具有良好的韧性，设有较大锻锤由于钢材具有良好的韧性，设有较大锻锤或产生动力作用的其他设备的厂房，即使屋架或产生动力作用的其他设备的厂房，即使屋架跨度不大，也往往由钢制成。对于抗震能力要跨度不大，也往往由钢制成。对于抗震能力要求高的结构，采用钢结构也是比较适宜的。求高的结构，采用钢结构也是比较适宜的。第一章 概述(4)多层和高层建筑多层和高层建筑由于钢结构的由于钢结构的综合效益指标优良综合效益指标优良，近年来在多、高，近年来在多、高层民用建筑中也得层民用建筑中也得到了

6、广泛的应用。到了广泛的应用。其结构形式主要有其结构形式主要有多层框架、框架多层框架、框架支撑结构、框筒、支撑结构、框筒、悬挂、巨型框架等悬挂、巨型框架等。第一章 概述(5)高耸结构高耸结构高耸结构包高耸结构包括塔架和桅杆结括塔架和桅杆结构，如高压输电构，如高压输电线路的塔架、广线路的塔架、广播、通信和电视播、通信和电视发射用的塔架和发射用的塔架和桅杆、火箭（卫桅杆、火箭（卫星）发射塔架等星）发射塔架等。第一章 概述(6)可拆卸的结构可拆卸的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、油田和需野外作业的生产和生活用房的骨架等。钢筋混凝土

7、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。第一章 概述(7)容器和其他构筑物容器和其他构筑物冶金、石油、化工企业冶金、石油、化工企业中大量采用钢板做成的容器中大量采用钢板做成的容器结构，包括油罐、煤气罐、结构，包括油罐、煤气罐、高炉、热风炉等。此外，经高炉、热风炉等。此外，经常使用的还有皮带通廊栈桥常使用的还有皮带通廊栈桥、管道支架、锅炉支架等其、管道支架、锅炉支架等其他钢构筑物，海上采油平台他钢构筑物，海上采油平台也大都采用钢结构。也大都采用钢结构。第一章 概述(8)轻型钢结构轻型钢结构钢结构重量轻不仅对大跨结构有利，对屋面活荷载特别钢结构重量轻不仅对大跨结构有利，

8、对屋面活荷载特别轻的小跨结构也有优越性。因为当屋面活荷载特别轻时，小轻的小跨结构也有优越性。因为当屋面活荷载特别轻时，小跨结构的自重也成为一个重要因素。冷弯薄壁型钢屋架在一跨结构的自重也成为一个重要因素。冷弯薄壁型钢屋架在一定条件下的用钢量可比钢筋混凝土屋架的用钢量还少。轻钢定条件下的用钢量可比钢筋混凝土屋架的用钢量还少。轻钢结构的结构形式有实腹变截面门式刚架、冷弯薄壁型钢结构结构的结构形式有实腹变截面门式刚架、冷弯薄壁型钢结构（包括金属拱形波纹屋盖）以及钢管结构等。（包括金属拱形波纹屋盖）以及钢管结构等。第一章 概述(9)钢和混凝土的组合结构钢和混凝土的组合结构钢构件和板件受压时必须钢构件和

9、板件受压时必须满足稳定性要求，往往不满足稳定性要求，往往不能充分发挥它的强度高的能充分发挥它的强度高的作用，而混凝土则最宜于作用，而混凝土则最宜于受压不适于受拉，将钢材受压不适于受拉，将钢材和混凝土并用，使两种材和混凝土并用，使两种材料都充分发挥它的长处，料都充分发挥它的长处，是一种很合理的结构。是一种很合理的结构。近年来这种结构在我国获近年来这种结构在我国获得了长足的发展，广泛应得了长足的发展，广泛应用于高层建筑用于高层建筑(如深圳的赛如深圳的赛格广场格广场)、大跨桥梁、工业、大跨桥梁、工业厂房和地铁站台柱等。主厂房和地铁站台柱等。主要构件形式有钢与混凝土要构件形式有钢与混凝土组合梁和钢管混

10、凝土柱等组合梁和钢管混凝土柱等。第一章 概述1.3钢结构的发展史简介建国前公元前200多年 秦始皇时代 铁造桥墩公元60年 汉明帝时代 铁链悬桥（兰津桥）山东济宁寺和镇江甘露寺的铁塔1927年 沈阳黄姑屯机车厂 钢结构厂房1931 年 广州中山纪念堂 钢结构园屋顶1937年 钱塘江大铁桥建国后1957年 武汉长江大桥 1968年 南京长江大桥南京长江大桥首都体育馆和上海体育馆（大跨度网架结构）上海电视塔（210m）北京环境气象塔（325m）1958年上海大型湿式储气柜第一章 概述1.3钢结构的发展80年代和90年代中国国贸中心（高155.2m）北京京城大厦（高182m）北京京广中心大厦（高20

11、8m）北京上海的国贸中心大厦（139m）上海深圳发展中心大厦（高165m）深圳地王商业大厦（楼顶高325m,塔尖高384m）第一章 概述 世界高层建筑一览第一章 概述南通体育馆及会展中心的建筑方案是个很有个南通体育馆及会展中心的建筑方案是个很有个性的作品，充分展示了张力膜结构所具有的性的作品，充分展示了张力膜结构所具有的“轻轻，飘，飘”现代气息的建筑效果。现代气息的建筑效果。第一章 概述1.2 1.2 钢结构的建造过程和内在缺陷钢结构的建造过程和内在缺陷工厂制造工厂制造：验收、放样、加工、装配、矫正、除锈和涂漆工地安装工地安装：扩大拼装、吊装就位、临时固定、最后固定1.2.1 1.2.1 钢结

12、构的建造过程钢结构的建造过程1.2.2 1.2.2 钢结构的初始缺陷钢结构的初始缺陷几何缺陷几何缺陷：初弯曲 初倾斜 杆件长度误差材料缺陷材料缺陷：钢材并非理想的匀质体和各向同性体第一章 概述1.3 1.3 钢结构的组成原理钢结构的组成原理平面体系加支撑如：穿式桁架桥、空间屋盖结构1.3.1 1.3.1 跨越结构跨越结构穿式桁架桥穿式桁架桥空间屋盖结构空间屋盖结构第一章 概述水平荷载可能居于主导地位。如：高层房屋结构、塔架、桅杆1.3.2 1.3.2 高耸结构高耸结构高层房屋结构高层房屋结构塔架结构塔架结构桅杆结构桅杆结构第一章 概述1.3 钢结构的组成原理 任何结构都必须是几何不变的空间整体

13、，并且在各类作用的效应之下保持稳定性能，必要的承载能力和刚度。当结构的承重主体是桁架、刚架等平面体系时，需要设置一些辅助构件如支撑、横隔等把他们连成空间整体。除容器外，一般将结构分为跨越结构和高耸结构，前者是跨越地面上一定空间的结构，包括桥梁和单层房屋结构；后者则是从地面向上发展的结构，包括高层房屋、塔架和桅杆结构。曾数不多的房屋则介于两者之间。第一章 概述1.3.1 跨越结构1.平面体系加支撑 如：穿式桁架桥 单层厂房的屋盖2.空间体系 如：平板网架 穹顶结构 悬索屋盖结构 空间框架第一章 概述1.3.2 高耸结构 高耸结构不同于跨越结构的一个重要特点是，水平荷载（风力、地震的水平作用）可能

14、居于主导地位。1.高层房屋结构 刚架（a）框架-支撑或剪力墙(b,c)重型支撑（d）2.塔架本身就是一个空间桁架3.桅杆用纤绳抵抗水平作用和保持稳定的结构。第一章 概述1.4 钢结构的极限状态和 概率极限状态法1.4.1 钢结构的极限状态 和其他结构一样，钢结构的极限状态可分为两大类：和其他结构一样，钢结构的极限状态可分为两大类：1.1.承载力极限状态承载力极限状态 对应于结构或构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形对应于结构或构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形，包括倾覆、强度破坏、丧失稳定、结构变为机动体系或出现过度的塑，包括倾覆、强度破坏、丧失稳定、结构变为机动体系或出

15、现过度的塑性变形。性变形。2.2.正常使用极限状态正常使用极限状态 对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值，包括对应于结构或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（或外观）的变形、振动和局部破坏等。出现影响正常使用（或外观）的变形、振动和局部破坏等。第一章 概述1.4.2 结构的荷载效应分析 设计钢结构需要处理两个方面的因素：一是结构和构件设计钢结构需要处理两个方面的因素：一是结构和构件的抗力；二是荷载施加于结构的效应。荷载效应通过内力分的抗力；二是荷载施加于结构的效应。荷载效应通过内力分析来计算。析来计算。结构在荷载作用下必然有变形。当变形和构件的几何尺

16、结构在荷载作用下必然有变形。当变形和构件的几何尺寸相比微不足道时，内力分析按结构的原始位形进行，即忽寸相比微不足道时，内力分析按结构的原始位形进行，即忽略变形的影响。这种做法称为略变形的影响。这种做法称为一阶分析一阶分析。大跨度的钢拱桥，拱肋的柔度就比较大，变形影响不再大跨度的钢拱桥，拱肋的柔度就比较大，变形影响不再能被忽略。考虑变形影响的内力分析称为能被忽略。考虑变形影响的内力分析称为二阶分析二阶分析，属于几，属于几何非线性分析。何非线性分析。第一章 概述 构件和结构的几何缺陷，有些在确定构件抗力时加以构件和结构的几何缺陷，有些在确定构件抗力时加以考虑，如压杆的初始弯曲，有的则在内力分析时予

17、以考虑考虑，如压杆的初始弯曲，有的则在内力分析时予以考虑，如框架柱的初始倾斜。，如框架柱的初始倾斜。结构内力分析还可以区分为结构内力分析还可以区分为弹性分析和非弹性分析弹性分析和非弹性分析。传统的做法是把结构看做弹性体来分析。如果结构或构件传统的做法是把结构看做弹性体来分析。如果结构或构件在达到承载能力极限状态之前不出现塑性，弹性分析正确在达到承载能力极限状态之前不出现塑性，弹性分析正确反映结构的真实情况。如果结构出现少量非弹性应变，但反映结构的真实情况。如果结构出现少量非弹性应变，但对结构的行为影响不大，为计算简便计，仍然可以用弹性对结构的行为影响不大，为计算简便计，仍然可以用弹性分析。多次

18、超静定的结构如多层刚架，在达到承载极限之分析。多次超静定的结构如多层刚架，在达到承载极限之前会在多处出现塑性变形，精确反映这类结构极限状态的前会在多处出现塑性变形，精确反映这类结构极限状态的计算应充分考虑钢材的塑性性能。计算应充分考虑钢材的塑性性能。第一章 概述1.4.3 概率极限状态法 钢结构设计的基本原则是要做到钢结构设计的基本原则是要做到技术先进、经济合理、安全适技术先进、经济合理、安全适用和确保质量用和确保质量。因此，结构设计要解决的根本问题是在结构的可靠。因此，结构设计要解决的根本问题是在结构的可靠和经济之间选择一种最佳的平衡，使由最经济的途径建成的结构能和经济之间选择一种最佳的平衡

19、，使由最经济的途径建成的结构能以适当的可靠度满足各种预定的功能要求。结构的可靠性理论近年以适当的可靠度满足各种预定的功能要求。结构的可靠性理论近年来得到了迅速的发展，结构设计已经摆脱传统的定值设计方法，进来得到了迅速的发展，结构设计已经摆脱传统的定值设计方法，进入入以概率理论为基础的极限状态设计方法以概率理论为基础的极限状态设计方法，简称概率极限状态设计，简称概率极限状态设计法。法。结构功能函结构功能函(R(R代表结构的抗力，代表结构的抗力，S S代表荷载综合效应代表荷载综合效应)第一章 概述 结构的可靠度结构的可靠度结构在规定的时间内，规定的条件下，结构在规定的时间内，规定的条件下，完成预定

20、功能的概率。及结构不失效（完成预定功能的概率。及结构不失效（Z0）若可靠概率记为若可靠概率记为Ps，失效概率记为，失效概率记为Pf；则：；则：Ps+Pf=1 结构的可靠度通常受荷载、材料性能、几何参数和计算结构的可靠度通常受荷载、材料性能、几何参数和计算公式精确性等因素的影响。这些具有随机性的因素称为公式精确性等因素的影响。这些具有随机性的因素称为“基基本变量本变量”。对于一般建筑结构，可以归并为荷载效应。对于一般建筑结构，可以归并为荷载效应(S)和和结构抗力（结构抗力（R），并设这二者服从正态分布，这样），并设这二者服从正态分布，这样Z=R-S也也是正态分布。以是正态分布。以 代表平均值，以

21、代表平均值，以 代表标准差，可进行概代表标准差，可进行概率分析得：率分析得：值越大，值越大，Pf 就越小。就越小。1()sfppb=-=F22RSRSmmbss-=+第一章 概述 规范或标准规定的规范或标准规定的 值可以称之为值可以称之为目标可靠指标目标可靠指标。目。目标可靠指标的取值从理论上说应根据各种结构构件的重要标可靠指标的取值从理论上说应根据各种结构构件的重要性、破坏性质及失效后果，以优化方法确定。但是，实际性、破坏性质及失效后果，以优化方法确定。但是，实际上这些因素还难以找到合理的定量分析方法。因此，目前上这些因素还难以找到合理的定量分析方法。因此，目前各个国家在确定目标可靠指标时都

22、采用各个国家在确定目标可靠指标时都采用“校准法校准法”，通过，通过对原有规范作反演算，找出隐含在现有工程结构中相应的对原有规范作反演算，找出隐含在现有工程结构中相应的可靠指标值，经过综合分析后确定设计规范中相应的可靠可靠指标值，经过综合分析后确定设计规范中相应的可靠指标值。这种方法的实质是从整体上继承原有的可靠度水指标值。这种方法的实质是从整体上继承原有的可靠度水准，是一种稳妥可行的办法。准，是一种稳妥可行的办法。第一章 概述建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准规定各类构件按承载能规定各类构件按承载能力极限状态设计时的可靠指标见表力极限状态设计时的可靠指标见表1-3，一般的工业

23、与民用，一般的工业与民用建筑的安全等级属于二级。钢结构的强度破坏和大多数失建筑的安全等级属于二级。钢结构的强度破坏和大多数失稳破坏都具有延性破坏性质，所以钢结构构件设计的目标稳破坏都具有延性破坏性质，所以钢结构构件设计的目标可靠指标一般为可靠指标一般为3.2。但是也有少数情况，主要是某些壳体。但是也有少数情况，主要是某些壳体结构和圆管压杆及一部分方管压杆失稳时具有脆性破坏特结构和圆管压杆及一部分方管压杆失稳时具有脆性破坏特征。对这些构件，可靠指标按表征。对这些构件，可靠指标按表1-3应取应取3.7。疲劳破坏也。疲劳破坏也具有脆性特征，但我国现行设计规范对疲劳计算仍然采用具有脆性特征，但我国现行

24、设计规范对疲劳计算仍然采用容许应力法。钢结构连接的承载能力极限状态经常是强度容许应力法。钢结构连接的承载能力极限状态经常是强度破坏而不是屈服，可靠指标应比构件为高，一般推荐用破坏而不是屈服，可靠指标应比构件为高，一般推荐用4.5。第一章 概述1.4.4 设计表达式设计表达式建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准(GB50068)规定结构构件的规定结构构件的极限状态设计表达式，应根据各种极限状态的设计要求，采用极限状态设计表达式，应根据各种极限状态的设计要求，采用有关的荷载代表值、材料性能标准值、几何参数标准值以及各有关的荷载代表值、材料性能标准值、几何参数标准值以及各种分项系数等

25、表达。种分项系数等表达。KGGKQQKRRSS1、简单荷载分项系数设计式：、简单荷载分项系数设计式：RK 抗力标准值SGK按标准值计算的永久荷载（G）效应值SQK按标准值计算的可变荷载（Q）效应值 分项系数式中：第一章 概述一般情况下荷载分项系数：一般情况下荷载分项系数：G1.2；Q1.4永久荷载效应与可变荷载效应异号时：永久荷载效应与可变荷载效应异号时：G1.0；Q1.4 抗力分项系数：抗力分项系数：Q235钢：钢：R1.087；Q345、Q390；Q420钢：钢：R1.111其中：钢材强度设计值其中：钢材强度设计值f钢材强度除以抗力分项系数钢材强度除以抗力分项系数分项系数分项系数 以可靠指

26、标以可靠指标为基础用为基础用概率设计法概率设计法求求出出KRR第一章 概述可变荷载效应控制的组合：可变荷载效应控制的组合：0112nGGKQQ KQiciQiKif （1.5）可变荷载效应控制的组合：可变荷载效应控制的组合：01nGGKQiciQiKif （1.6）2、承载能力极限状态、承载能力极限状态荷载效应的荷载效应的基本组合基本组合第一章 概述2、正常使用极限状态荷载效应的 标准组合 12nGKQ KciQiKi（1.32）vGK 永久荷载标准值产生的变形值vQ1K 起控制作用的第一个可变荷载标准值产生的变形值vQiK 其他第i个可变荷载标准值产生的变形值v 结构或结构构件的容许变形值式

27、中：第一章 概述钢结构的设计方法钢结构的设计方法u 设计方法：设计方法：以概率理论为基础的以概率理论为基础的极限状态设计方法极限状态设计方法 u 计算疲劳计算疲劳仍采用仍采用容许应力幅法容许应力幅法u 计算计算强度、稳定、连接强度、稳定、连接用用荷载荷载设计值设计值u 计算计算疲劳、变形疲劳、变形用用荷载荷载标准值标准值u 对于对于直接直接承受承受动力荷载动力荷载的结构：的结构：在计算在计算强度和稳定强度和稳定时，动力荷载设计值时，动力荷载设计值应应乘乘动力系数动力系数 在计算在计算疲劳和变形疲劳和变形时，动力荷载标准值时，动力荷载标准值不应不应乘乘动力系数动力系数第一章 概述1.5钢结构的发

28、展发展方向发展方向逐步发展高强度低合金钢材逐步发展高强度低合金钢材Q235、Q345、Q390、Q420和型钢品种和型钢品种改进钢结构的设计方法改进钢结构的设计方法采用考虑分布类型的二阶采用考虑分布类型的二阶矩概率法计算结构的可靠度矩概率法计算结构的可靠度结构的革新也是今后值得研究的课题结构的革新也是今后值得研究的课题结构设计时考虑优化理论和计算机辅助设计结构设计时考虑优化理论和计算机辅助设计第一章 概述1.5 钢结构的发展1.发展低合金高强度钢材和型钢品种 利用高强度钢材，可以用较少材料做成功效较高的结构利用高强度钢材，可以用较少材料做成功效较高的结构，对跨度和荷载大以及高耸的结构极为有利。

29、我国钢结构，对跨度和荷载大以及高耸的结构极为有利。我国钢结构规范推荐的钢材有规范推荐的钢材有Q235Q235钢、钢、Q345Q345钢、钢、Q390Q390钢、钢、Q420Q420钢。钢。近年开发的更合理的型钢截面有近年开发的更合理的型钢截面有H H型钢和型钢和T T型钢，可直接型钢，可直接用作梁、柱或屋架杆件，使制造简便，工期缩短，已列入用作梁、柱或屋架杆件，使制造简便，工期缩短，已列入我国钢结构构件设计规范。我国钢结构构件设计规范。压型钢板也是一种新材料，在组合楼板中可兼作施工模压型钢板也是一种新材料，在组合楼板中可兼作施工模板使用，大大缩短施工周期。板使用，大大缩短施工周期。(高强度、高

30、性能和耐火耐候钢高强度、高性能和耐火耐候钢)第一章 概述2.结构和构件设计计算方法的深入研究 现行钢结构规范（GB50017）采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用考虑分布类型的二阶矩概率法计算结构可靠度，并以分项系数的设计表达式进行计算。该方法的进步之处在于不是用经验的安全系数，而是用根据各种不定性分析所得的失效概率去度量结构可靠性，并使所计算的结构构件的可靠度达到预期的一致性和可比性。但它仍为近似概率设计法，尚需继续深入研究。（构件结构新构件）(弹塑性极限承载力和蒙皮效应)第一章 概述3.结构形式的革新 新技术、新结构的应用，在减轻结构自重、节约钢材方面有很大作用，为大跨度结构、高层、超高层结构的发展奠定了基础。如平板网架结构、网壳结构、薄壁型钢结构、悬索结构、预应力钢结构及钢与混凝土组合构件等的研究和应用。（钢索的应用、预应力钢结构、钢和混凝土组合结构、杂交结构（索拱结构）4.结构优化设计 结构的优化设计是以质量最轻和造价最低为目标的，包括确定最优结构方案和最优截面尺寸。