钢结构 建筑工程学院

发展 材料 构件 结构 焊接 焊接 铆接 铆接 螺栓 螺栓 轴心构件 受弯构件 厂房 拉弯和压弯构件 大跨度建筑 高层建筑 塔桅结构 课程内容体系介绍 结构 发展 材料 构件 轴心构件 受弯构件 拉弯和压弯构件 厂房 大跨度建筑 高层建筑 塔桅结构 桥梁结构 计算方法 设计原理

第1章 绪 论 §1-1 钢结构的特点 §1-2 钢结构的设计方法 §1-3 钢结构的应用和发展

§1-2 钢结构特点及应用 一、钢结构的特点 1.建筑钢材强度高、塑性、韧性好; 2. 钢结构的质量轻; 质量密度/强度比小； 3.材质均匀、其实际受力情况与力学计算的假定比较符合; 4. 钢结构制作简便、施工工期短 5.钢结构密封性较好； 6. 钢结构耐腐蚀性差; 7. 钢结构耐热但不耐火; 8. 钢结构在低温和其他条件下、可能发生脆性断裂;

工业化程度高 （具可焊性、易加工制造、具良好的装配性）

密封性能好

耐火性不好，易锈蚀 钢结构通常在450～650℃ 温度中就会失去承载能力 发生很大的变形，导致钢柱、钢梁弯曲，因过大变形不能使用 一般不加保护的钢结构的耐火极限为15分钟左右。

提高钢结构耐火性的措施 A. 外包层 在钢结构外表添加外包层，可以现浇成型，可以采用喷涂法。 B. 充水(水套) 空心型钢结构内充水是抵御火灾最有效的防护措施。

屏蔽 钢结构设置在耐火材料组成的墙体或顶棚内，或将构件包藏在两片墙之间的空隙里 增加少许耐火材料或不增加即能达到防火的目的 一种经济的防火方法。  D. 膨胀材料 采用钢结构防火涂料保护构件 具有防火隔热性能好、施工不受钢结构几何形体限制等优点 一般不需要添加辅助设施，涂层质量轻，美观 先进防火技术措施。

§1-2钢结构的设计方法 一、概述 1. 传统的容许应力法和最大荷载法（统 称单系数法）20世纪初~五十年代 最大荷载法也称极限荷载法 SK是容许荷载产生的荷载效应； R b是结构构件的破坏抗力。

2. 三系数极限状态设计法 五十年代~七十年代 特点------------提出两种极限状态： （1）承载力极限； （2）正常使用极限状态。 将一个安全系数分解为三个系数： 超载系数 材料均质系数 工作条件系数

3. 半概率极限状态设计法 八十年代~ K1 荷载系数（1.23) K2材料系数(3号钢K2为 1.143，16Mn钢为 1.175) K3调整系数(一般等于1) SK是荷载效应标准值； R k是结构构件抗力标准值。 令 是构件截面的几何特征

公式形为容许应力法表达式，实为半概率半经验的极限状态设计法。 缺点： 系数大小并不反映可靠度，例如3号钢K=1.41，16Mn钢K=1.45，并不说明用16Mn的结构比3号钢安全。

二、 概率极限状态设计方法 半概率法 近似概率法 全概率法 思想： 半概率法 近似概率法 全概率法 思想： 将影响结构功能的诸因素作为随机变量，认为任何设计都不能保证绝对安全，而是存在一定风险，只要失效概率小到可接受的程度，可认为结构是安全的。

1、结构的功能要求 结构在规定的设计使用年限内应满足的功能有： (1) 正常施工和正常使用时，能承受可能出现各种作用； (2) 正常使用时具有良好的工作性能； (3) 正常维护下具有足够的耐久性； (4) 在设计规定的偶然事件（如地震、火灾、爆炸、撞击等）发生时及发生后，仍能保持必须的整体稳定性。

2. 结构的可靠度 3. 结构的极限状态 结构在规定的时间内，规定的条件下，完成预定功能的概率。 一般建筑物的设计基准期为50年。 极限状态-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。 承载力极限状态 强度破坏、疲劳破坏、结构和构件丧失稳定。 (2) 正常使用极限状态 影响结构、构件和非结构构件正常使用或耐久性能的局部损坏。

> 0 可靠 4. 概率极限状态设计原理 (1). 结构功能函数 Z=R - S = 0 达极限状态 荷载对结构的综合效应 结构抗力 > 0 可靠 (1). 结构功能函数 Z=R - S = 0 达极限状态 < 0 失效状态 R、S受许多随机因素影响而不具确定性。 结构可靠度定义：结构在规定时间内，在规定条件下，完成预定功能的概率。

(2). 失效概率可靠指标 结构可靠度 失效概率 归并R、S两个基本变量，设二者都服从正态分布，这样Z也是正态随机变量。 平均值 标准差

β指标确定了 f (z)的分布，由其可确定失效概率Pf 可靠指标 f (z) μ表示平均值，确定曲线位置； σ表示离散程度，确定形状。只要二者确定，正态分布 f (z)就确定 令： Z β指标确定了 f (z)的分布，由其可确定失效概率Pf

Z=R－S 三. 设计表达式 1. 承载力极限状态表达式 半概率法是分别考虑荷载效应与抗力的变异性，概率法是用可靠指标将荷载与抗力的变异性对结构的影响联合考虑。 三. 设计表达式 1. 承载力极限状态表达式 按照概率表达式不符合人们习惯 将公式转化为设计人员熟悉的分项系数设计式： Z=R－S

分项系数 组合值系数 结构重要性系数 荷载效应值 根据结构功能要求，进行承载能力极限状态设计时，应考虑作用效应的基本组合，必要时应考虑作用效应的偶然性（如火灾、爆炸、撞击、地震等偶然事件的组合） (1)    基本组合 可变荷载效应控制的组合： 分项系数 组合值系数 结构重要性系数 荷载效应值

构件本身的承载能力（抗力）R是材料性能和构件几何因素的函数： 材料强度的标准值 抗力分项系数 几何因素（截面积或截面抵抗矩） 材料或连接设计强度

由永久荷载效应控制的组合，仍按上式进行计算 永久荷载效应控制的组合： 对于一般排架、框架结构，可采用简化式计算： 由可变荷载效应控制的组合： 由永久荷载效应控制的组合，仍按上式进行计算

(2)  偶然组合 极限状态设计表达式宜按下列原则确定： 偶然作用的代表值不乘分项系数；与偶然作用同时出现的可变荷载，应根据观测资料和工程经验采用适当的代表值 具体的设计表达式及各种系数，应符合专门规范的规定。 2. 正常使用极限状态表达式 结构只考虑荷载的标准组合，其设计式为：

§1-3 、钢结构的应用和发展 一、 钢结构的应用 1.大跨度结构 有空间桁架、网架、网壳、悬索、张弦梁、拱架和框架等 国家大剧院

北京中华世纪坛

2.工业厂房 鞍钢大连镀锌线主厂房工程 鞍钢1700连铸主厂房工程

3. 受动力荷载作用的结构（桥梁、吊车梁）

4.多层与高层结构 香港中银 汇丰银行 深圳地王大厦

上海环球金融中心 大厦高 492 米、 101 层， 其高度将超过目前居世界第一的马来西亚大厦（高 452 米）。

5.高耸结构 青岛电视塔 神州飞船发射塔

多伦多电视塔 东方明珠 多伦多电视塔

6. 可拆卸移动结构 应用于建筑、铁路、公路、水利、商业、旅游和军事等领域的办公室、指挥部、宿舍、会议室、仓库、商店及各种临时用房。

7. 容器和管道

南京扬子石化化工厂 各种筒仓

8. 轻型钢结构 彩钢板作屋面和墙面 薄壁型钢作檩条和圈梁 H型截面做柱与梁 现场用螺栓或焊接 门式钢架为主要结构的一种建筑 配以零件、扣件、门窗等形成比较完善的建筑体系，即轻钢结构体系。体系由工厂制作，现场按要求拼装形成。具有自重轻，建设周期短，适应性强，外表美观，造价低，易维护等特点。由于自重轻，也降低了基础的造价。

已建和在建的浦东国际机场、首都国际机场、萧山国际机场、成都双流国际机场等 重要工程。 厂房、 库房、 体育馆 展览馆 机场机库

全钢结构无吊车 砼柱+钢屋盖排架结构

多层循环类停车设备

9. 钢与混凝土组合结构 黑龙江省联通大厦

二、钢结构的发展 1. 古代发展 全国重点保护文物－泸定铁索桥，建于1705－1706年，桥身共由13根铁链组成；每根（铁链）由862－977节铁环相扣，每根铁链重1300－1800kg。

根据文献记载，中国早在公元前五十年就建成了跨度达百米的铁索桥，而欧美直到十七世纪尚未出现铁索桥。 防腐问题 泸定铁索桥

我国古代金属结构建筑在世界上处于领先地位。 镇江甘露寺铁塔、荆州玉泉寺铁塔等等。 我国古代金属结构建筑在世界上处于领先地位。 镇江甘露寺铁塔、荆州玉泉寺铁塔等等。 公元1061年（宋代）在湖北荆州玉泉寺建成的13层铁塔，目前依然存在。 铁塔高17.9米，八角十三级，重53.3吨，为我国现存最高、最重、最大的铁塔。已有900多年的历史。

甘露寺铁塔位于天王殿东北，实际上是唐宝历元年(八二五年)卫公李德裕建，故又称卫公塔。宋代重铸为铁塔，原塔为七级。十九世纪末又因大风疾雷，倾倒四层。

2. 现代 建国前 1927~1937年是我国土木工程及金属结构建设的黄金时代，代表作品有： 沈阳皇姑屯机车厂钢结构厂房（1927） 2. 现代 建国前 1927~1937年是我国土木工程及金属结构建设的黄金时代，代表作品有： 沈阳皇姑屯机车厂钢结构厂房（1927） 广州中山纪念堂圆屋顶（1928~1931） 钱塘江大桥（1937）

广州中山纪念堂是为了纪念孙中山先生建造的，于1931年10月竣工。厅内容积为33300立方米，容量为5000人。建国后，广州市的标志性建筑，为国家一级文物。

由茅以升先生主持兴建的杭州钱塘江大桥。该桥由他带领一批留学生自行设计和监造(实际施工由丹麦康益洋行承包下部结构和沉箱基础工程，上部结构钢梁则由英商道门朗公司承包制造和安装)。

建国后 第一个五年计划：以工业厂房（156个大型项目）、交通工程为主。 第一重型机械厂 第一汽车制造厂

第二~第四个五年计划：以公共建筑为主。 钢屋架 跨度61米 高度7米 人民大会堂

第五个五年计划~： 以工业厂房、公共建筑、交通工程为主 宝钢厂区

芜湖长江大桥 九江长江大桥 (钢材15MnVN)

瑞金饭店 27 层 107米 金沙江大酒店 14 层 41.4米 锦江宾馆 43 层 153.21米 静安希尔顿宾馆 京广中心 53层 208米 京城大厦 52层 国贸中心 40层 长富宫 25层

1997年，我国钢产量达1亿吨, 1998年投产的轧制H型钢系列 1991年2月4日马鞍山钢铁公司轧制我国第一根H型钢 1996年建成的深圳地王大厦高度325米 1998年建成的大连远洋大厦，钢结构高层建筑（高度201米，51层），全部由我国自己完成

上海证券大厦 上海金茂大厦

上海杨浦大桥 主跨602米的结合梁斜拉桥在1994年建成时居世界斜拉桥跨度之首，现名列第三。

自1996年超过1亿吨以来，一直位列世界钢产量的首位，2006年更达到创纪录的3.8亿吨。 我国新的《钢结构设计规范》GB50017-2003和《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018-2002也已发布实施。所有这些，为钢结构在我国的快速发展创造了条件。

3. 钢结构在国外的发展史简介 由建筑师T·F·普里查德 协助设计。这座桥横跨塞文河，跨度为30.5米。 3. 钢结构在国外的发展史简介 于1777-1781年，世界上第一座铸铁桥。它的建造者是钢铁大王亚伯拉罕·达比。 由建筑师T·F·普里查德 协助设计。这座桥横跨塞文河，跨度为30.5米。

框架结构最初在美国得到发展，其主要特点是以生铁框架代替承重墙。1858--1868年建造的巴黎圣日内维夫图书馆，是初期生铁框架形式的代表。

英国利兹货币交易所 伦敦老火车站 美国1850-1880 年间“生铁时代”建造的大量商店、仓库和政府大厦多应用生铁构件门面或框架。

第一座依照现代钢框架结构原理建造起来的高层建筑是芝加哥家庭保险公司大厦。 （1883-1885，William Le Baron Jenney）,共十层 外形仍然保持着古典的比例

巴黎的埃菲尔铁塔，在1889年为纪念法国大革命一百周年而建造，落成之日，设计者埃菲尔骄傲地向世人宣称，世界上只有法国的国旗具有 300 米高的旗杆。

计算简图 英国福斯桥,建于1889年，是世界上第一座现代化钢桥。

钢拱桥是二十世纪早期常见的桥梁形式。

美国旧金山的金门大桥，建于20世纪30年代 用了二万多根钢丝缆绳组成

纽约帝国大厦 马来西亚石油大厦

纽约帝国大厦 1931年 102层 381米 芝加哥汉考克大厦 1970年 100层 337米 纽约世界贸易中心 1973年 110层 411米 芝加哥西尔斯大厦 1974年 109层 442米 马来西亚石油大厦 1996年 88层 450米 金茂大厦 88层 421米

芝加哥西尔斯大厦

柳京饭店，它有一百零五层，高三百八十 米，约有三千个房间， 朝鲜最高的建筑，朝鲜建筑史上的奇迹。 平壤古代又名柳京。 介绍一座混凝土建筑： 柳京饭店，它有一百零五层，高三百八十 米，约有三千个房间， 朝鲜最高的建筑，朝鲜建筑史上的奇迹。 平壤古代又名柳京。

4. 高层钢结构结构体系 框架结构体系 框架支撑结构体系 框架剪力墙体系 框架---筒体结构体系 悬挂结构体系 成束筒结构 构件 连接

三、 钢结构的新发展 1 、结构用钢的新发展 2、 新型结构体系的应用和发展 高强度高性能钢、低屈服点钢和耐火钢的开发和应用 Q420钢，该钢材(15MnVN)已应用在九江长江大桥建设 压型钢板 薄壁型钢应用 2、 新型结构体系的应用和发展 网架和网壳结构 张弦桁架 悬挂结构 变截面轻钢门式刚架 金属拱型波纹屋盖 钢-混凝土组合结构和混合结构

3、 设计方法的新发展 设计方法还有待发展 开展整个框架结构体系为对象的二阶非弹性分析 预应力钢结构 计算机应用 结构优化