钢结构课件-第一章.ppt

1、钢钢 结结 构构前言前言 我国是最早应用钢结构的国家，但是历史的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。距在于建筑钢结构。96年我国钢产量已开始超亿吨，居世界首位，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，对钢材的使用为钢结构发展奠定物质基础，对钢材的使用已由已由“节约使用节约使用”变为变为“合理用钢合理用钢”、“加加大建筑用钢大建筑用钢”。97年新发布的年新发布的中国建筑中国建筑技术政策技术政策中强调要重

2、点发展建筑钢结构，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。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。随着高层成为建筑业发展的重要任务。随着高层建筑钢结构、大跨度钢结构、轻型钢结建筑钢结构、大跨度钢结构、轻型钢结构及大型钢结构构筑物的发展和应用日构及大型钢结构构筑物的发展和应用日渐广泛，钢结构的应用必然有

3、较大发展渐广泛，钢结构的应用必然有较大发展趋势。无论是在校学生还是工程技术人趋势。无论是在校学生还是工程技术人员对钢结构的学习兴趣日渐浓厚，从而员对钢结构的学习兴趣日渐浓厚，从而日益显示出本课程学习的重要性和积极日益显示出本课程学习的重要性和积极性。性。课程性质和目的课程性质和目的 钢结构钢结构为土木工程专业学生的专业主干课，为土木工程专业学生的专业主干课，是为培养学习者在钢结构方面的基本理论知识是为培养学习者在钢结构方面的基本理论知识和设计应用能力而设置的一门课程。和设计应用能力而设置的一门课程。课程的目的是使学生通过本课程的学习，课程的目的是使学生通过本课程的学习，了解了解钢结构的特点和计

4、算方法，深刻理解钢材的基钢结构的特点和计算方法，深刻理解钢材的基本性能，本性能，能较全面地掌握钢结构材料、构件和能较全面地掌握钢结构材料、构件和连接的基础知识，连接的基础知识，掌握轴心受力构件、受弯构掌握轴心受力构件、受弯构件、压弯构件以及钢结构连接的计算方法件、压弯构件以及钢结构连接的计算方法；同；同时在掌握钢结构设计的基本原理基础上，时在掌握钢结构设计的基本原理基础上，熟悉熟悉钢结构基本结构体系以及构造特点等，为实际钢结构基本结构体系以及构造特点等，为实际工程设计服务。工程设计服务。前续课程前续课程 钢结构钢结构专业知识是建立在材料力学、结专业知识是建立在材料力学、结构力学等理论的基础上，

5、故其前续课程主要为：构力学等理论的基础上，故其前续课程主要为：建筑材料建筑材料、钢筋混凝土结构设计钢筋混凝土结构设计、单层工业厂房单层工业厂房、材料力学材料力学、结构力结构力 学学等课程。此外，还要求学生具有画法几何等课程。此外，还要求学生具有画法几何 与工程制图、房屋建筑学等方面的知识，以便与工程制图、房屋建筑学等方面的知识，以便 于学习者对各种结构表达方法和构造形式的认于学习者对各种结构表达方法和构造形式的认 识。识。教学要求教学要求1 1、了解钢结构的特点、历史现状及了解钢结构的特点、历史现状及应用应用发展发展 前景；前景；2、掌握钢结构材料的工作性能；掌握钢结构材料的工作性能；3、掌握

6、钢结构基本构件及连接的性能、受力掌握钢结构基本构件及连接的性能、受力 分析与设计计算分析与设计计算方法方法；4、掌握单层厂房屋盖结构的设计掌握单层厂房屋盖结构的设计；5 5、了解钢结构体系的组成原理和典型结构形了解钢结构体系的组成原理和典型结构形 式的设计要点式的设计要点。6 6、了解钢桥梁结构的组成形式。、了解钢桥梁结构的组成形式。钢结构课程的学习方法钢结构课程的学习方法 根据教学大纲要求，课程只讲钢结构的基本构根据教学大纲要求，课程只讲钢结构的基本构件、基本原理部分；件、基本原理部分；本课程的特点：由于学生对钢结构的感性认识本课程的特点：由于学生对钢结构的感性认识少，钢结构构造复杂，理论性

7、强（特别是稳定少，钢结构构造复杂，理论性强（特别是稳定理论），所以学习中要注意联系自己的实际工理论），所以学习中要注意联系自己的实际工作、生活中常见的应用情况，加深理解；作、生活中常见的应用情况，加深理解；学习中要从机理理解一些理论问题，做到举一学习中要从机理理解一些理论问题，做到举一反三；反三；多做习题与思考题，避免眼高手低。多做习题与思考题，避免眼高手低。钢结构钢结构 第一章第一章 绪论绪论 第二章第二章 钢结构材料的选用钢结构材料的选用 第三章第三章 钢结构的连接钢结构的连接 第四章第四章 受弯构件受弯构件 第五章第五章 轴心受力构件轴心受力构件 第六章第六章 拉弯、压弯构件拉弯、压弯构

8、件 第七章第七章 单层厂房钢屋盖结构单层厂房钢屋盖结构 第八章第八章 轻型门式刚架结构轻型门式刚架结构 第九章第九章 钢结构施工与施工图识图钢结构施工与施工图识图第一章第一章 绪论绪论第一节第一节 钢结构的特点和应用钢结构的特点和应用第二节第二节 钢结构的组成和结构类钢结构的组成和结构类第三节第三节 钢结构的现状与发展钢结构的现状与发展第四节第四节 钢结构课程的任务、内容及学习方法钢结构课程的任务、内容及学习方法第五节第五节 钢结构的设计原理与方法钢结构的设计原理与方法第六节第六节 钢结构的强度设计值钢结构的强度设计值第一节第一节 钢结构的特点和应用钢结构的特点和应用 钢：铁和碳的混合物，还有

9、少量其他金属用来改性，如铝、硅等。钢：铁和碳的混合物，还有少量其他金属用来改性，如铝、硅等。钢结构钢结构是由钢板、热轧型钢和冷加工成型的薄壁型钢和钢管等构件是由钢板、热轧型钢和冷加工成型的薄壁型钢和钢管等构件经经焊接焊接、铆接铆接或或螺栓连接螺栓连接组合而成的结构以及以钢索为主材建造的组合而成的结构以及以钢索为主材建造的工程结构。工程结构。与其他材料的结构相比具有以下与其他材料的结构相比具有以下优点优点：（1 1）钢材强度高，韧性、塑性好钢材强度高，韧性、塑性好适用于建大跨、高耸、高层、荷载大的、适用于建大跨、高耸、高层、荷载大的、反复荷载作用的结构；反复荷载作用的结构；（2 2）质量轻，强重

10、比大质量轻，强重比大，可降低基础造价，方便施工吊装，对抗震有利，可降低基础造价，方便施工吊装，对抗震有利大跨、抗震结构；对可变荷载敏感；大跨、抗震结构；对可变荷载敏感；（3 3）材质均匀，符合力学假定，计算结果比较可靠，安全可靠度高材质均匀，符合力学假定，计算结果比较可靠，安全可靠度高重要重要结构、对抗震要求较高的结构；结构、对抗震要求较高的结构；（4 4）制造简单，工厂化生产，工业化程度高，施工速度快，施工周期短制造简单，工厂化生产，工业化程度高，施工速度快，施工周期短加固、改建、可拆卸结构；加固、改建、可拆卸结构；（5 5）钢结构密闭性好钢结构密闭性好连接的水密性和气密性好，高压容器、油库

11、、气连接的水密性和气密性好，高压容器、油库、气罐、管道等；罐、管道等；（6 6）具有一定的耐热性。具有一定的耐热性。（7 7）钢材为可持续发展的材料钢材为可持续发展的材料 材料可做到材料可做到100%100%回收，真正做到绿色无回收，真正做到绿色无污染。污染。钢结构的钢结构的缺点缺点有：有：（1）钢材耐热但不耐火钢材耐热但不耐火 150摄氏度时强度无变化，摄氏度时强度无变化，600摄氏度时强度约为摄氏度时强度约为0；规范规定；规范规定钢材表面温度超过钢材表面温度超过150后要加隔热防护措施；钢结构的防火应根据后要加隔热防护措施；钢结构的防火应根据规范要求进行设计（防火涂料、外包防火材料）；规范

12、要求进行设计（防火涂料、外包防火材料）；（2）钢材易锈蚀，耐腐蚀性能差，维护费用高钢材易锈蚀，耐腐蚀性能差，维护费用高 必须采取防锈措施（除锈后涂油漆或金属镀层等），不留死必须采取防锈措施（除锈后涂油漆或金属镀层等），不留死角，设计文件要注明所要求的钢材除锈等级和用的涂料及厚度；角，设计文件要注明所要求的钢材除锈等级和用的涂料及厚度；（3）钢结构在低温和其他条件下，可能发生脆性断裂。钢结构在低温和其他条件下，可能发生脆性断裂。（4）钢材价格相对较贵钢材价格相对较贵 高层建筑的上部结构造价：钢高层建筑的上部结构造价：钢10%，混凝土，混凝土2%，差价占总投，差价占总投资的少，但优势多（工期短、有

13、效使用面积多、基础造价低、抗资的少，但优势多（工期短、有效使用面积多、基础造价低、抗震好等）。震好等）。钢结构的应用钢结构的应用1、大跨度结构 上海体育馆上海体育馆又称为万人体育又称为万人体育馆，坐落在漕溪北路。馆，坐落在漕溪北路。1976年年建，占地建，占地10.6公顷。体育馆公顷。体育馆的主体是圆形的比赛馆，直径的主体是圆形的比赛馆，直径110米，高米，高33米，顶盖采用米，顶盖采用马鞍马鞍型环形大悬挑钢管网架结构型环形大悬挑钢管网架结构，用用9000多根无缝钢管和多根无缝钢管和938只钢只钢球拼焊而成，球拼焊而成，重达重达660吨，比赛吨，比赛馆的面积为馆的面积为31，000平方米，大平

14、方米，大厅有座位厅有座位18000余个。设备新颖，余个。设备新颖，有活动看吧，折迭式的篮球架，有活动看吧，折迭式的篮球架，程序控制的调节设备，空气调程序控制的调节设备，空气调节设备，光电控制系统控制的节设备，光电控制系统控制的计时记分牌等，各种国际比赛计时记分牌等，各种国际比赛经常在这里举行。经常在这里举行。国家体育场坐落在奥林匹克公园中央区平缓的坡地上，场馆设计如同一个的容器，高地起伏变化的外观缓和了建筑的体量感，并赋予了戏剧性和具有震撼力的形体，国家体育场的形象完美纯净，外观即为建筑的结构，立面与结构达到了完美的统一。结构的组件相互支撑，形成了网络状的构架，它就象树枝编织的鸟巢。体育场的空

15、间效果即具有前所未有的独创性，却又简洁而典雅，它为2008年奥运会树立了一座独特的历史性的标志性建筑，国家体育场“鸟巢”近观效果。国家体育场国家体育场建筑体建筑体形上像鸟巢。可容纳形上像鸟巢。可容纳10万人。平面为椭圆形万人。平面为椭圆形,长轴长轴340m，短轴，短轴292m。屋盖中间有一个屋盖中间有一个146m76m的开口，这部分的开口，这部分设计成开合屋盖。采用设计成开合屋盖。采用加肋薄壁箱形截面加肋薄壁箱形截面。由瑞士赫尔佐格由瑞士赫尔佐格-德梅德梅隆建筑事务所与中国建隆建筑事务所与中国建筑设计研究院联合提出筑设计研究院联合提出的方案。的方案。屋顶结构采用屋顶结构采用钢桁架悬挑结构钢桁架

16、悬挑结构。屋盖主体结构是两向不规则斜交的平面网架。屋盖主体结构是两向不规则斜交的平面网架结构。网架外形呈微弯形双曲抛物面，周边支承在不等高的结构。网架外形呈微弯形双曲抛物面，周边支承在不等高的24根立体桁架柱根立体桁架柱上，每榀桁架与约为上，每榀桁架与约为140X70m长椭圆内环相切或接近相切。长椭圆内环相切或接近相切。这是目前在设计、这是目前在设计、施工的世界上最大跨度的网架结构。施工的世界上最大跨度的网架结构。实景效果图实景效果图国家体育场国家体育场“鸟巢鸟巢”方案的编织状钢结构造型十分独特，却相应地极大方案的编织状钢结构造型十分独特，却相应地极大提高了施工难度和造价。一项名为提高了施工难

17、度和造价。一项名为“奥运场馆结构选型及优化设计关键奥运场馆结构选型及优化设计关键技术技术”的课题，通过大幅减轻建筑钢结构自身重量的方法为的课题，通过大幅减轻建筑钢结构自身重量的方法为“鸟巢鸟巢”结结构构“瘦身减负瘦身减负”。该课题针对国家体育场该课题针对国家体育场“鸟巢鸟巢”结构的初步优化设计认证目前已完结构的初步优化设计认证目前已完成，将为成，将为“鸟巢鸟巢”破土动工之后的建筑施工方案提供可行性参照。破土动工之后的建筑施工方案提供可行性参照。“鸟鸟巢巢”初始方案的用钢量估计在初始方案的用钢量估计在13.613.6万吨万吨左右，将直接造成左右，将直接造成造价高、施工造价高、施工难度大难度大等不

18、良后果。因此，降低等不良后果。因此，降低“鸟巢鸟巢”的结构自重势在必行。的结构自重势在必行。进行结进行结构优化设计，必须要尊重建筑师的原创思想。构优化设计，必须要尊重建筑师的原创思想。据介绍，在据介绍，在“瘦身减负瘦身减负”过程中，专家们将在保持建筑外形和构件过程中，专家们将在保持建筑外形和构件外廓尺寸的前提下，通过根据实际情况优化结构构件的截面厚度，采取外廓尺寸的前提下，通过根据实际情况优化结构构件的截面厚度，采取局部构造性增强等措施，为场馆进行整体的科学局部构造性增强等措施，为场馆进行整体的科学“瘦身瘦身”，以达到减轻，以达到减轻结构自重的目的。经过优化，结构自重的目的。经过优化，“鸟巢鸟

19、巢”结构自重可降低至结构自重可降低至5.35.3万吨左右，万吨左右，减重减重8.38.3万吨，降幅达万吨，降幅达60%60%，将大大降低建筑成本。，将大大降低建筑成本。“鸟巢鸟巢”结构优化前后的对比显示，结构优化前后的对比显示，“瘦身瘦身”后的场馆各项性能指后的场馆各项性能指标均得到提高。如优化后的场馆的负重变形大大减小，其稳定性和稳健标均得到提高。如优化后的场馆的负重变形大大减小，其稳定性和稳健性增强了，可抗性增强了，可抗8 8度地震。度地震。在奥林匹克在奥林匹克公园内与国家公园内与国家体育场（体育场（“鸟鸟巢巢”）紧邻的）紧邻的国家游泳中心，国家游泳中心，有着一个迷人有着一个迷人的名字的名

20、字“水的水的立方立方”。“方方”的形状，与的形状，与“鸟巢鸟巢”的圆的圆形对应，构成形对应，构成了中国传统文了中国传统文化化“天圆地方天圆地方”的理想境界。的理想境界。同时，蓝色的同时，蓝色的建筑材料建筑材料“膜膜”，又将，又将“水的立方水的立方”晶莹剔透的形晶莹剔透的形象巧妙表现出象巧妙表现出来。来。国家游泳中心国家游泳中心-水的立方水的立方 位于北京人民大会堂西侧，西长安街以南，总占地面积近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，公顷，总建筑面积近总建筑面积近15万平方米，总投资万平方米，总投资26.88亿元。亿元。该工程外部围护结构为该工程外部围护结构为钢结构网壳钢结

21、构网壳，是半椭圆球形，东西长轴，是半椭圆球形，东西长轴212.2m，南北短轴，南北短轴143.64m，总高度，总高度46.285。内设歌剧院（。内设歌剧院（2416席）、音乐厅（席）、音乐厅（2017席）及戏剧院（席）及戏剧院（1040席）及公共大厅等。屋面席）及公共大厅等。屋面采用钛金属板，整个网壳外环绕人工湖（采用钛金属板，整个网壳外环绕人工湖（35500m2）,各种通道及入各种通道及入口均设在水下口均设在水下。设计为法国巴黎机场公司设计为法国巴黎机场公司安德鲁安德鲁建筑师，北京市建建筑师，北京市建筑设计研究院参与主体设计筑设计研究院参与主体设计，整体结构用钢量达，整体结构用钢量达6750

22、t，195kg/m。国家大剧院国家大剧院 2、工业厂房3、受动力荷载影响的结构4、多层和高层建筑 上海上海金茂大厦金茂大厦是由中国上海对外是由中国上海对外贸易中心股份有限公司独家投资贸易中心股份有限公司独家投资5.6亿美元建设的一座亿美元建设的一座88层的超高层大厦层的超高层大厦，矗立于上海浦东核心地区。矗立于上海浦东核心地区。建筑高度建筑高度365米，建筑面积米，建筑面积28.9万平方米，于万平方米，于1998年年8月月28日竣工。日竣工。总用钢量总用钢量14000t，钢筋混凝土核心筒，外框钢钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱骨混凝土及钢柱。设计者为。设计者为建筑界享建筑界享负盛名的负盛

23、名的美国美国S.O.M建筑设计建筑设计事务所。事务所。该公司设计的大厦遍布世界各大城市，该公司设计的大厦遍布世界各大城市，SOM凭着高度的技术及丰富的国际经凭着高度的技术及丰富的国际经验，将金茂大厦设计成为一幢智能式验，将金茂大厦设计成为一幢智能式办公大楼，大厦内设施齐备，包括最办公大楼，大厦内设施齐备，包括最先进的电讯设施、能容纳各项资讯科先进的电讯设施、能容纳各项资讯科技设施的实用间隔、达至顶级水平的技设施的实用间隔、达至顶级水平的会议设施及一个多功能的会议厅。会议设施及一个多功能的会议厅。上海环球金融中心上海环球金融中心 由日本森大厦株式会社的全额由日本森大厦株式会社的全额子公司森海外株

24、式会社及日本具子公司森海外株式会社及日本具有代表性的银行、保险公司、商有代表性的银行、保险公司、商社等社等3636家企业，偕同政府系统机家企业，偕同政府系统机构日本海外经济协力基金构日本海外经济协力基金(OECF)(OECF)联合投资的上海环球金融中心，联合投资的上海环球金融中心，总投资逾总投资逾750750亿日元。位于陆家嘴亿日元。位于陆家嘴金融贸易区，建筑总面积金融贸易区，建筑总面积335,420335,420平方米，平方米，地下地下3 3层，地上层，地上9494层。层。建建成后的高度达成后的高度达460460米米 。总用钢量。总用钢量26000t26000t，钢筋混凝土核心筒，外，钢筋混

25、凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱，目前正在框钢骨混凝土及钢柱，目前正在施工基础。施工基础。央视新台址央视新台址建建设工程位于北京朝设工程位于北京朝阳区东三环中路、阳区东三环中路、北京商务中心区的北京商务中心区的核心地段，占地面核心地段，占地面积积18.7万平方米，万平方米，总建筑面积总建筑面积55万平万平方米方米,230m。央视。央视新台址建设工程总新台址建设工程总投资约投资约50亿元人民亿元人民币，币，2003年年10月开月开工建设，工建设，2008年正年正式运行式运行。5、高耸结构 高耸结构包括塔架和桅杆结构，如电视塔、微波塔、通讯塔等。高耸结构包括塔架和桅杆结构，如电视塔、微波塔、通讯塔

26、等。东方明珠广播电视塔东方明珠广播电视塔座落在上海浦东新区黄浦座落在上海浦东新区黄浦江畔，以其江畔，以其468468米米的高度的高度成为亚洲第一高塔。它于成为亚洲第一高塔。它于19911991年年3 3月开始建造，月开始建造，19941994年年11 11 月完工，总重月完工，总重量达量达1212万吨，总投资万吨，总投资8.38.3亿元人民币。东方明珠塔亿元人民币。东方明珠塔由三根直径为九米的擎天由三根直径为九米的擎天立柱、太空舱、上球体、立柱、太空舱、上球体、下球体、五个小球、塔座下球体、五个小球、塔座和广场组成。和广场组成。东东京京千千年年塔塔巴巴黎黎的的埃埃菲菲尔尔铁铁塔塔信信号号塔塔6

27、、可拆卸或移动的结构海上采油平台海上采油平台7、活动式结构三峡工程的永久船闸三峡工程的永久船闸8、容器和其他构筑物大连西太平洋石化有限公司大连西太平洋石化有限公司15001500立方米的钢球罐立方米的钢球罐9、轻型钢结构轻型钢结构轻型钢结构10、钢和混凝土的组合结构11、特种结构 中华世纪坛中华世纪坛坐落在北坐落在北京西长安街延长线上，占京西长安街延长线上，占地地4.54.5公顷，总建筑面积公顷，总建筑面积3.53.5万平方米，由主体结万平方米，由主体结构、青铜甬道、圣火广场、构、青铜甬道、圣火广场、过街桥、世纪大厅、艺术过街桥、世纪大厅、艺术大厅等组成。中华世纪坛大厅等组成。中华世纪坛是为了

28、迎接是为了迎接2121世纪新千年世纪新千年而兴建的。现主要作为中而兴建的。现主要作为中华世纪坛世界艺术馆使用，华世纪坛世界艺术馆使用，是中国第一家以世界艺术是中国第一家以世界艺术为收藏、展示、研究对象为收藏、展示、研究对象的公益性国家文化事业机的公益性国家文化事业机构。构。12、钢桥 芜湖长江大桥芜湖长江大桥 该桥是一座公铁两用桥，铁路桥全长该桥是一座公铁两用桥，铁路桥全长10521m10521m，公路桥全长，公路桥全长5681m5681m，正桥，正桥钢梁长钢梁长2193.7m2193.7m，大桥采用了连续钢桁梁结构，考虑到主跨达到，大桥采用了连续钢桁梁结构，考虑到主跨达到180+312+18

29、0m180+312+180m，在桥上的低塔和钢桁梁之间设置了斜拉索参与受力，因此，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芜湖长江大桥也叫做连续钢桁梁斜拉桥连续钢桁梁斜拉桥。2003年建成通车，采用全钢结构，是世界上跨度最大的年建成通车，采用全钢结构，是世界上跨度最大的钢结构拱桥钢结构拱桥。施。施工过程中采用全钢结构焊接，使桥身显得简洁、轻盈、流畅，就像一道彩虹工过程中采用全钢结构焊接，使桥身显得简洁、轻盈、流畅，就像一道彩虹横跨于黄浦江上。横跨于黄浦江上。上海卢浦大桥苏格兰福斯大桥13、住宅第二节第二节 钢结构建筑的现状与发展钢结构建筑的现状与发展钢钢(stee

30、l)是是铁碳合金铁碳合金，人类采用钢结构的历史和炼铁、炼，人类采用钢结构的历史和炼铁、炼钢技术的发展是密不可分的。钢技术的发展是密不可分的。早在公元前早在公元前20002000年左右，在人类古代文明的发祥地之一的年左右，在人类古代文明的发祥地之一的美索不达米亚平原（位于现代伊拉克境内的幼发拉底河和美索不达米亚平原（位于现代伊拉克境内的幼发拉底河和底格里斯河之间）就出现了早期的炼铁术底格里斯河之间）就出现了早期的炼铁术 。早在战国时期，我国的炼铁技术已很盛行。早在战国时期，我国的炼铁技术已很盛行。我国是最早用钢铁建造承重结构的国家我国是最早用钢铁建造承重结构的国家1.铁桥墩铁桥墩2.铁链桥（铁链

31、桥（如公元如公元36世纪四川泸定大渡河的泸定桥世纪四川泸定大渡河的泸定桥）3.铁塔（铁塔（如建于如建于1061年的湖北当阳玉泉寺的年的湖北当阳玉泉寺的13层铁塔层铁塔）古代古代公元公元6565年，汉明帝时代建造了铁链年，汉明帝时代建造了铁链悬桥悬桥云南云南“兰津桥兰津桥”17051705年建成的四川泸定大渡河桥，桥年建成的四川泸定大渡河桥，桥宽宽2.8m2.8m，跨长，跨长100m100m，由，由9 9根桥面铁链根桥面铁链和和4 4根桥栏铁链构成，两端系于直径根桥栏铁链构成，两端系于直径20cm20cm、长、长4m4m的生铁铸成的锚桩上。的生铁铸成的锚桩上。公元公元10611061年（宋年（宋

32、代）在湖北荆州代）在湖北荆州玉泉寺建成的玉泉寺建成的1313层铁塔层铁塔 近代近代 十九世纪五十年代前为十九世纪五十年代前为铸铸铁结构铁结构，这是钢结构的前，这是钢结构的前身结构。身结构。18511851年英国伦敦第一届世年英国伦敦第一届世博会的博会的水晶宫水晶宫是铸铁结构是铸铁结构的典型建筑的典型建筑(9(9万平米万平米,6,6个个月，用月，用45004500吨铸铁、吨铸铁、1010吨吨玻璃建成，玻璃建成，19361936年火毁年火毁)。它是英国工业革命时期的它是英国工业革命时期的最具有代表性的建筑。最具有代表性的建筑。1870 1870年年生产型钢，标志着生产型钢，标志着人类社会开始由人类

33、社会开始由铸铁结构转铸铁结构转为钢结构。为钢结构。1889年为纪念法国大革命100周年建造的艾菲尔铁塔。于1887年11月26日动工1889年3月31日竣工，历时21个月，铁塔占地12.5公顷，高320.7米,重7000吨,由18038个优质钢铁部件和 250 万个铆钉铆接而成，建筑设计中最著名的是防范强风吹袭的对称钢结构设计。以艾菲尔铁塔为标志，钢结构应用有110多年的历史。第一座依照现代钢结构框第一座依照现代钢结构框架结构设计原理建造起来的高架结构设计原理建造起来的高层建筑是层建筑是芝加哥家庭保险公司芝加哥家庭保险公司大厦大厦（1883-18851883-1885）共十层。）共十层。这是真

34、正意义上世界上建造的这是真正意义上世界上建造的第一座钢结构大厦。第一座钢结构大厦。芝加哥是美国摩天大楼的发芝加哥是美国摩天大楼的发源地源地，从此人们建造的房屋越来，从此人们建造的房屋越来越高，结构和功能都同传统建筑越高，结构和功能都同传统建筑相比发生了非常大的改变。相比发生了非常大的改变。芝加哥家庭保险公司大厦芝加哥家庭保险公司大厦中国钢结构发展的阶段：中国钢结构发展的阶段：解放前解放前钢产量几乎为零钢产量几乎为零5050年代年代,为初盛时期（为初盛时期（156156项援建工程大部分为重型钢结构）项援建工程大部分为重型钢结构）。60-7060-70年代年代,为限制为限制使用使用时期时期，当时中

35、国钢产量仅当时中国钢产量仅1 12 2千万吨，主要用于千万吨，主要用于国防、机械业。当时国家政策建筑业中国防、机械业。当时国家政策建筑业中“凡是可用其它材料代替的，均凡是可用其它材料代替的，均不用钢结构建造不用钢结构建造”。由于受到钢产量的制约，钢结构仅在重型厂房、大。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。跨度公共建筑、铁路桥梁以及塔桅结构中采用。二十世纪钢筋混凝土结构成为中国主导结构。二十世纪钢筋混凝土结构成为中国主导结构。80-9080-90年代后年代后,出现了新的出现了新的发展时期发展时期（钢产量自钢产量自19961996年起连续多年超亿吨

36、年起连续多年超亿吨),),国家鼓励建筑用钢国家鼓励建筑用钢。2003年年中国钢铁行业产量、消费量均占世界第一。中国钢铁行业产量、消费量均占世界第一。历史上钢产过亿吨国家仅有前苏联、美国和日本，过历史上钢产过亿吨国家仅有前苏联、美国和日本，过2亿吨由中国开创。亿吨由中国开创。政策方面政策方面 1956年年 国家颁发国家颁发1956年设计技术组织措施计划纲要年设计技术组织措施计划纲要 强调最大限度采用标准设计，尽量节约钢材。强调最大限度采用标准设计，尽量节约钢材。1987年年 国家颁发国家颁发在建筑结构设计中合理使用钢材的在建筑结构设计中合理使用钢材的若干规定若干规定规定规定“通过合理选择结构类型

37、以节约钢材，通过合理选择结构类型以节约钢材，降低造价降低造价”。1985年年1995年间年间 我国钢产量达到我国钢产量达到5，0008，000万吨万吨/年年已具备逐步发展建筑钢结构的条件，但技术政策尚未已具备逐步发展建筑钢结构的条件，但技术政策尚未调整。调整。19961996年我国预期钢产量将达到或超过年我国预期钢产量将达到或超过1 1亿吨亿吨/年，年，建设部编建设部编制了制了1996202019962020年建筑技术发展政策年建筑技术发展政策提出了提出了“合理使用合理使用钢材，发展钢结构、开发钢结构制造与安装施工新技术钢材，发展钢结构、开发钢结构制造与安装施工新技术”。19981998年建设

38、部编颁发年建设部编颁发建筑业推广应用建筑业推广应用1010项新技术项新技术其中第其中第八项为八项为“钢结构技术钢结构技术”。19991999年成立了年成立了“建筑用钢技术协调组建筑用钢技术协调组”，并成立了相应的，并成立了相应的“钢结构专家组钢结构专家组”与与“钢筋混凝土专家组钢筋混凝土专家组”。19991999年后年后“建筑用钢技术协调组建筑用钢技术协调组”制定了有关钢结构工程制定了有关钢结构工程技术政策：技术政策：钢结构住宅建筑产业化技术导则钢结构住宅建筑产业化技术导则及及国家国家建筑钢结构产业建筑钢结构产业“十五十五”计划和计划和20152015年发展规划纲要，年发展规划纲要，明确了今后

39、建筑钢结构的发展重点。明确了今后建筑钢结构的发展重点。概率极限状态设计法原理概率极限状态设计法原理 除除疲劳疲劳计算外，钢结构设计规范采用以计算外，钢结构设计规范采用以概率理论为基概率理论为基础的极限状态设计方法础的极限状态设计方法，用分项系数用分项系数的设计表达式进行计的设计表达式进行计算。算。1、结构的极限状态结构的极限状态 定义：当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就定义：当整个结构或结构的一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时，此特定状态为该功不能满足设计规定的某一功能要求时，此特定状态为该功能的极限状态。能的极限状态。分类：承载能力极限状态和正常使用极限状态。分

40、类：承载能力极限状态和正常使用极限状态。第五节第五节 钢结构建筑的现状与发展钢结构建筑的现状与发展承载能力极限状态：承载能力极限状态：对应于结构或构件达到最大承载能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。力或出现不适于继续承载的变形。整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），或因过度变形而不适于继续承载；或因过度变形而不适于继续承载；结构转变为机动体系；结构转变为机动体系；结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）；结

41、构或结构构件丧失稳定（如压屈等）；地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）。地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）。正常使用极限状态：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。耐久性能的某项规定限值。影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；影响正常使用的振动；影响正常使用的振动；影响正常使用的其它特定状态。影响正常使用的其它特定状态。2 2、功能函数、功能函数 结构的工作性能可用结构的结构的工作性能可用结构的功能函数功能函数Z Z来描

42、述，设计结构来描述，设计结构时可取时可取荷载效应荷载效应S S 和和结构抗力结构抗力R R 两个基本随机变量来表两个基本随机变量来表达结构的功能函数，即达结构的功能函数，即 Z Z=g g（R R，S S）R RS S 显然，显然，Z Z是随机变量，有以下三种情况：是随机变量，有以下三种情况：Z Z0 0 结构处于可靠状态；结构处于可靠状态；Z Z0 0 结构达到极限状态；结构达到极限状态；Z Z0 0 结构处于失效状态。结构处于失效状态。可见，可见，结构的极限状态是结构由可靠转变为失效的临界结构的极限状态是结构由可靠转变为失效的临界状态。状态。由于由于R R和和S S受到许多随机性因素影响而

43、具有不确定性，受到许多随机性因素影响而具有不确定性，Z Z00不是必然性的事件。因此科学的设计方法是以概率不是必然性的事件。因此科学的设计方法是以概率为基础来度量结构的可靠性。为基础来度量结构的可靠性。3、可靠度、可靠度 按照概率极限状态设计法，按照概率极限状态设计法，结构的可靠度定义结构的可靠度定义为结为结构在规定的时间内，规定的条件下，完成预定功能的构在规定的时间内，规定的条件下，完成预定功能的概率。概率。“完成预定功能完成预定功能”指对某项规定功能而言结构指对某项规定功能而言结构不失效。结构在规定的设计使用年限内应满足的功能不失效。结构在规定的设计使用年限内应满足的功能有：有：(1)在正

44、常施工和正常使用时，能承受可能出现的各在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用；种作用；(2)在正常使用时具有良好的工作性能；在正常使用时具有良好的工作性能；(3)在正常维护下具有足够的耐久性；在正常维护下具有足够的耐久性；(4)在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。持必需的整体稳定性。规定的规定的设计使用年限设计使用年限（设计基准期设计基准期）是指设计规定的结）是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目使用的年限。构或结构构件不需进行大修即可按其预定目使用的年限。大陆规范规定建筑结构的大陆规范规定建筑结构的

45、设计基准期为设计基准期为50年年。若以若以Ps表示结构的可靠度，则有表示结构的可靠度，则有 Ps=P（Z0）记记Pf为结构的失效概率，则有为结构的失效概率，则有Pf=P（Z0）显然显然 Ps=1Pf 因此结构可靠度的计算可转换为因此结构可靠度的计算可转换为失效概率失效概率的计算。的计算。可靠的结构设计指的是使失效概率小到可以接受程度可靠的结构设计指的是使失效概率小到可以接受程度的设计，绝对可靠的结构（失效概率等于零）是不存的设计，绝对可靠的结构（失效概率等于零）是不存在的。在的。Z的分布难求，实际计算困难。的分布难求，实际计算困难。20世纪世纪60年代末，美国学者康奈尔年代末，美国学者康奈尔(

46、Cornell,C.A)提出一次二阶矩的设计提出一次二阶矩的设计方法，使概率设计法进入实用阶段。方法，使概率设计法进入实用阶段。如果如果Z的分布是正态分布，则的分布是正态分布，则令令称作可靠指标称作可靠指标可靠指标可靠指标 为了使结构达到安全可靠与经济上的最佳平衡，必须选为了使结构达到安全可靠与经济上的最佳平衡，必须选择一个结构的最优失效概率或目标可靠指标。可采用择一个结构的最优失效概率或目标可靠指标。可采用“校校准法准法”求得求得,即通过对原有规范作反演分析，找出隐含在现即通过对原有规范作反演分析，找出隐含在现有工程中相应的可靠指标值，经过综合分析，确定设计规有工程中相应的可靠指标值，经过综

47、合分析，确定设计规范采用的目标可靠指标值。范采用的目标可靠指标值。建筑结构可靠度设计统一标建筑结构可靠度设计统一标准准中明确规定各结构构件的可靠指标。中明确规定各结构构件的可靠指标。钢结构的各种构钢结构的各种构件，其可靠指标在件，其可靠指标在3.23.2左右，属延性破坏，安全等级为二级。左右，属延性破坏，安全等级为二级。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，一般推荐用服，可靠指标应比构件为高，一般推荐用4.54.5。延性破坏，可靠指标低，脆性破坏，可靠指标高延性破坏，可靠指标低，脆性破坏，可靠指标高。二阶矩

48、的设计表达式：二阶矩的设计表达式：由由 可得：可得：由于统计参数不够完善，此计算式子跟以前用的计算方由于统计参数不够完善，此计算式子跟以前用的计算方法相差甚远，不易接受，故对其等效地转化为分项系数法相差甚远，不易接受，故对其等效地转化为分项系数表达式：表达式：22SRSRzz22222222SRSSRRSRSRRSRRSSSRSR2222RSSSRRSRRRSRSS引入不等号得：令2222,RkkSRS/4、极限状态设计表达式极限状态设计表达式 除疲劳计算外，钢结构设计规范采用以除疲劳计算外，钢结构设计规范采用以概率理论为基础概率理论为基础的极限状态设计方法的极限状态设计方法，用，用分项系数分

49、项系数的设计表达式进行计算的设计表达式进行计算 结构荷载术语结构荷载术语（1 1）对于承载能力极限状态，结构构件应采用荷载效应的基对于承载能力极限状态，结构构件应采用荷载效应的基本本组合和偶然组合进行设计组合和偶然组合进行设计。基本组合（基本组合（永久荷载和可变荷载的组合）：永久荷载和可变荷载的组合）：按下列极限状态设计表达式中最不利值确定按下列极限状态设计表达式中最不利值确定 由由可变荷载可变荷载效应控制的组合：效应控制的组合：由由永久荷载永久荷载效应控制的组合：效应控制的组合：RSSSniQciQQQGGikikk)(2011RSSniQciQGGikik)(10kkQkQGGRSSk 0

50、 0结构重要性系数结构重要性系数，按下列规定采用：对安全等级为一，按下列规定采用：对安全等级为一级或设计使用年限为级或设计使用年限为100100年及以上的结构构件，不应小于年及以上的结构构件，不应小于1.11.1；对安全等级为二级或设计使用年限为对安全等级为二级或设计使用年限为5050年的结构构件，不应年的结构构件，不应小于小于1.01.0；对安全等级为三级或设计使用年限为；对安全等级为三级或设计使用年限为5 5年的结构构年的结构构件，不应小于件，不应小于0.90.9；G G永久荷载分项系数永久荷载分项系数，应按下列规定采用：当永久荷载，应按下列规定采用：当永久荷载效应对结构构件的承载能力不利