国家级精品课程—钢结构设计 钢 结 构 设 计 主讲人 : 王 燕 教 授 李 军 副教授 刁延松 教 授

课程简介 本课程是在《钢结构基本原理》基础上，进一步深入学习钢结构的设计方法。主要内容包括：轻钢结构、重钢结构、多层及高层钢结构。 国家级精品课程—钢结构设计 课程简介 本课程是在《钢结构基本原理》基础上，进一步深入学习钢结构的设计方法。主要内容包括：轻钢结构、重钢结构、多层及高层钢结构。 教材每章都有一定数量的习题和思考题，将有助于同学们课后理解和复习。 总学时：32 学时 课堂教学：30 学时 教学案例：2 学时

课程目录 （以下五章分为32个教学单元讲授） 第1章 绪 论 第2章 轻型门式刚架结构设计 第3章 重型单层工业厂房钢结构设计 国家级精品课程—钢结构设计 课程目录 （以下五章分为32个教学单元讲授） 第1章 绪 论 第2章 轻型门式刚架结构设计 第3章 重型单层工业厂房钢结构设计 第4章 多层房屋钢结构设计 第5章 高层房屋钢结构设计

第 1 讲 绪论 我国钢结构的发展现状及应用 基本设计原则 荷载及荷载组合 材料选用及设计指标 变形规定及构件的容许长细比 国家级精品课程—钢结构设计 第 1 讲 绪论 我国钢结构的发展现状及应用 基本设计原则 荷载及荷载组合 材料选用及设计指标 变形规定及构件的容许长细比 第1章 绪论

国家级精品课程—钢结构设计 第 1 讲 绪论 — 我国钢结构的发展现状及应用 进入21世纪以来，我国钢结构科学技术和工程建设得到了空前规模的发展，钢结构的设计、制造和安装已达到国际领先水平。大量超高层钢结构在各大城市中心地带拔地而起，成为各大城市的地标性建筑。 上海金茂大厦(1999年竣工) 420.5m 核心筒通过各楼层伸臂桁架与周边巨型 柱相连，形成了整体抗侧力体系 上海环球金融中心（2008竣工） 492.5m 由巨型柱、巨型斜撑、周边带状桁架共同构成巨型三重抗 侧力结构体系，抵抗风及地震引起的倾覆力矩

第 1 讲 绪论— 我国钢结构的发展现状及应用 正在建设中的---上海中心大厦 国家级精品课程—钢结构设计 环球金融中心 金茂大厦 上海中心 632米 总高度632米，是目前中国国内建设中的第二高楼（第一高楼为深圳平安中心，总高度660米）。上海中心大厦将于2015年全面建成并启用，与金茂大厦、环球金融中心共同构成上海浦东陆家嘴金三角。 492米 420.5米 第1章 绪论 6

第 1 讲 绪论 — 我国钢结构的发展现状及应用 中央电视台--CCTV大厦 国家级精品课程—钢结构设计 第 1 讲 绪论 — 我国钢结构的发展现状及应用 中央电视台--CCTV大厦 2009年1月建成投入使用中央电视台新大楼位于北京市朝阳区东三环中路，总建筑面积约55万平方米，高度为234米的钢框架结构。大楼主楼的两座塔楼双向内倾斜6度，在163米以上由“L”形悬臂结构连为一体。建筑外表面的玻璃幕墙由强烈的不规则几何图案组成，造型独特、结构新颖，在国内外均属“高、难、精、尖”的特大型钢结构建筑。 第1章 绪论

35层伸臂桁架 东北、东南切角45层起 35层避难层 西北切角35层起 22层避难层 东北切角10层起 12层避难层 青岛万邦中心，2010年竣工。高232.4米；采用带伸臂桁架并结合巨型支撑的型钢框架-混凝土筒体混合结构，35层以上为全钢结构体系。

第 1 讲 绪论 — 我国钢结构的发展现状及应用 广州电视塔 国家级精品课程—钢结构设计 第 1 讲 绪论 — 我国钢结构的发展现状及应用 广州电视塔 2009年9月竣工的广州电视塔位于广州市中心，是目前已建成的世界第一的钢结构高塔，塔高454米，天线桅杆156米，总高度达到610米。其独特的造型被广州市民称为“小蛮腰”， “小蛮腰”最细处在66层。 第1章 绪论

第 1 讲 绪论— 我国钢结构的发展现状及应用 机场航站楼 国家级精品课程—钢结构设计 第 1 讲 绪论— 我国钢结构的发展现状及应用 机场航站楼 2008年2月投入使用的北京首都国际机场3号（T3）航站楼主楼是全世界最大的单体航站楼，钢网架结构体系，外形如同彩色云霞托起腾飞的巨龙。年旅客吞吐人次达7600万人次，高峰期每小时飞机起降超过124架次，一分钟要起降2架次。总建筑面积98.6万平方米，相当于170个足球场那么大，整个工期仅为三年零九个月。 首都国际机场俯视图 首都国际机场照片 首都国际机场剖面图 第1章 绪论 10

第 1 讲 绪论— 我国钢结构的发展现状及应用 国家级精品课程—钢结构设计 第 1 讲 绪论— 我国钢结构的发展现状及应用 北京国际机场T3航站楼 （2008年1月竣工） 上海浦东国际机场 （1999年9月竣工） 上海浦东国际机场（414m×217m）以其独特的建筑造型吸引了全世界的目光。 在体育场馆建设中，国家体育场“鸟巢”主体结构呈空间马鞍形，交叉布置的主桁架与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。 国家体育场“鸟巢”（2008年6月28日竣工） 第1章 绪论 11

第 1 讲 绪论— 我国钢结构的发展现状及应用 大跨度空间钢结构体育馆 国家级精品课程—钢结构设计 第 1 讲 绪论— 我国钢结构的发展现状及应用 大跨度空间钢结构体育馆 北京工业大学奥运会羽毛球比赛馆，钢屋盖跨度93m，悬挑跨度15m， 2007竣工。主体结构采用上弦单层球面网壳、撑杆与预应力拉索组成的张弦梁穹顶结构。 外观图 张弦穹顶结构 下部撑杆和拉索 北京工业大学奥运会羽毛球馆 立面图 屋盖平面图 南京奥林匹克中心主体育场 南京奥林匹克中心体育场，2005年竣工。钢结构屋盖采用V形支撑，主拱跨度为360米，主拱采用空间管桁架结构，拱顶标高达65米。

第 1 讲 绪论— 我国钢结构的发展现状及应用 大型剧院、会展中心 国家级精品课程—钢结构设计 第 1 讲 绪论— 我国钢结构的发展现状及应用 大型剧院、会展中心 1998年建成的上海大剧院，平面尺寸为100.4m×90m的双向正交空间桁架结构。 2002年建成的广州国际会展中心，采用跨度为126m的张弦立体桁架结构。 2007年建成的国家大剧院，立面造型为椭圆半球体，长轴212m，短轴142m，采用双层钢网壳屋盖结构。 上海大剧院 广州国际会展中心 国家大剧院外观图 国家大剧院剖面图 第1章 绪论

第 1 讲 绪论— 我国钢结构的发展现状及应用 青岛世园会植物馆 国家级精品课程—钢结构设计 第 1 讲 绪论— 我国钢结构的发展现状及应用 青岛世园会植物馆 青岛植物馆是2014年青岛世界园艺博览会的主会馆。位于城阳区百果山森林公园内，主题馆的造型取自青岛市市花月季，4个场馆犹如月季的4片花瓣散落山间。承重结构采用钢结构，是全亚洲最大的钢结构植物馆。预计2013年12月竣工，2014年正式投入使用。 钢结构全部由异型构件焊接而成，用钢量高达4000多吨。 第1章 绪论

第 1 讲 绪论— 我国钢结构的发展现状及应用 世博会中国馆 国家级精品课程—钢结构设计 第 1 讲 绪论— 我国钢结构的发展现状及应用 世博会中国馆 2008年世博会中国馆。居中升起、层叠出挑，采用极富中国建筑文化元素的红色“斗冠”造型，外墙表面覆以“叠篆文字”，呈水平展开之势，形成建筑物稳定的基座，构造城市公共活动空间。 中国馆承重采用了大型空间钢桁架结构体系。 第1章 绪论

第 1 讲 — 我国钢结构的发展现状及应用 在工业建筑中，上海宝钢、武钢、鞍钢、邯钢等冶金联合企业的许多车间，都采用了规模巨大的钢结构厂房。 国家级精品课程—钢结构设计 第 1 讲 — 我国钢结构的发展现状及应用 在工业建筑中，上海宝钢、武钢、鞍钢、邯钢等冶金联合企业的许多车间，都采用了规模巨大的钢结构厂房。 第1章 绪论 16

第 1 讲 绪论— 我国钢结构的发展现状及应用 国家级精品课程—钢结构设计 韩国三荣化学开发区振鹏工业区 第 1 讲 绪论— 我国钢结构的发展现状及应用 韩国三荣化学开发区振鹏工业区 该工程位于大连经济技术开发区，工程总面积为28000平方米，工程总资金1568万，门式刚架厂房，墙体及屋面均采用保温复合压型板。 全盛业玉米种子基地 该工程位于大连普兰店市，工程总面积为26500平方米，门式刚架厂房结构体系。 第1章 绪论

第 1 讲 绪论— 我国钢结构的发展现状及应用 轻钢结构厂房 国家级精品课程—钢结构设计 第 1 讲 绪论— 我国钢结构的发展现状及应用 轻钢结构厂房 轻钢门式刚架结构由于结构构件和围护结构的系列化和定型化、用钢量省、制作工业化、施工周期短、经济效益高等特点，在单层轻型厂房、仓库、大型商场等得到了大量和迅速应用，目前国内每年都有几千万平方米的轻型门式刚架建筑物竣工。 第1章 绪论 18

第 1 讲 绪论— 我国钢结构的发展现状及应用 轻钢结构厂房 国家级精品课程—钢结构设计 大连海漫金属板材有限公司二期厂房 第 1 讲 绪论— 我国钢结构的发展现状及应用 轻钢结构厂房 大连海漫金属板材有限公司二期厂房 该工程位于大连开发区，轻型门式刚架结构体系，墙面采用彩色横向波纹的压型钢板。 大连金海漫重轻钢有限公司车间 该厂房总面积为6600平方米，轻钢门式刚架结构体系厂房。 第1章 绪论

第 1 讲 绪论— 我国钢结构的发展现状及应用 多层轻钢结构工业厂房 国家级精品课程—钢结构设计 第 1 讲 绪论— 我国钢结构的发展现状及应用 多层轻钢结构工业厂房 青岛永源体育用品有限公司加工车间为韩国投资建设的2万平方米三层工业厂房。主体结构采用轻钢结构框架体系。楼面板采用钢－混凝土组合楼板。屋面板采用压型钢板，屋面采用波浪造型，轻盈、活泼，克服了工业建筑外形盒子造型的单一模式。 第1章 绪论

国家级精品课程—钢结构设计 第 1 讲 绪论— 我国钢结构的发展现状及应用 以上情况说明，我国钢结构在各方面都取得了巨大成就，近年来建成的许多著名标志性的钢结构工程说明我国在钢结构设计、施工建造领域的技术已经达到了世界领先级的高超技术水平。 第1章 绪论

第 1 讲 绪论 —基本设计原则 房屋钢结构的设计原则：安全可靠、经济适用。 国家级精品课程—钢结构设计 第 1 讲 绪论 —基本设计原则 房屋钢结构的设计原则：安全可靠、经济适用。 结构设计要解决的根本问题是在结构的可靠性和经济性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以适当的可靠度满足结构的安全性、适用性及耐久性要求。 第1章 绪论

第 1 讲 绪论 —基本设计原则 钢结构的设计、施工应遵照现行国家规范和行业标准。 国家级精品课程—钢结构设计 第 1 讲 绪论 —基本设计原则 钢结构的设计、施工应遵照现行国家规范和行业标准。 《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012 《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010 《钢结构设计规范》GB 5001-2003 《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB 50018-2002 《钢结构工程施工规范》GB 50755-2012 《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS 102-2002 《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-1998 第1章 绪论

国家级精品课程—钢结构设计 第 1 讲 绪论—基本设计原则 承载能力极限状态 结构构件或连接因其应力超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏）或因过度的塑性变形而不适于继续承担荷载； 结构由几何不变体系转变为机动体系而丧失承载能力； 结构或构件因达到临界荷载而丧失稳定性； 第1章 绪论

第 1 讲 绪论 —基本设计原则 正常使用极限状态 超过正常使用极限状态 按正常使用极限状态设计钢结构时，应考虑荷载或荷载效应的标准组合。 国家级精品课程—钢结构设计 第 1 讲 绪论 —基本设计原则 正常使用极限状态 按正常使用极限状态设计钢结构时，应考虑荷载或荷载效应的标准组合。 影响正常使用或外观的变形； 影响正常使用的局部破坏； 影响正常使用的振动； 影响正常使用的其他特定状态。 超过正常使用极限状态 荷载设计值：强度、稳定性、连接 荷载标准值：疲劳、变形 第1章 绪论

第 1 讲 绪论 —基本设计原则 结构构件承载力极限状态的可靠指标 国家级精品课程—钢结构设计 破坏类型 安全等级 一级 二极 三级 第 1 讲 绪论 —基本设计原则 结构构件承载力极限状态的可靠指标 破坏类型 安全等级 一级 二极 三级 延性破坏 3.7 3.2 2.7 脆性破坏 4.2 一级：特殊建筑结构。大会堂、体育馆、飞机库跨度大于60米建筑结构。 二级：一般的工业与民用建筑结构。 三级：临建房屋。 第1章 绪论

第 1 讲 绪论—基本设计原则 设 计 使 用 年 限 国家级精品课程—钢结构设计 类 别 设计使用年限（年） 实 例 1 5 临时性结构 第 1 讲 绪论—基本设计原则 设 计 使 用 年 限 类 别 设计使用年限（年） 实 例 1 5 临时性结构 2 25 易于替换的结构构件 3 50 普通房屋和构筑物 4 100 纪念性建筑和特别重要的建筑结构 第1章 绪论

第 1 讲 绪论—基本设计原则 抗震设防类别 建筑类别 抗震设防标准 国家级精品课程—钢结构设计 第 1 讲 绪论—基本设计原则 抗震设防类别 建筑类别 抗震设防标准 甲类（特殊设防） 涉及国家公共安全的重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害后果，需进行特殊设防的建筑。应按高于本地区抗震设防烈度提高一度加强其抗震措施。 乙类（重点设防） 地震时使用功能不能中断或需要尽快恢复的生命线建筑以及地震可能导致大量人员伤亡重大灾害后果。应按高于本地区抗震设防烈度提高一度加强，抗震设防烈度高于9度，按比9度更高要求采取抗震措施。 丙类（标准设防） 除甲、乙、丁类以外的一般建筑。应按本地区抗震设防烈度确定抗震措施，在罕遇地震作用时不致倒塌的抗震设防目标。 丁类（适度设防） 人员稀少震损不致产生次生灾害，可适度降低要求。但抗震设防6度时不应降低。 房屋建筑工程分为特殊设防，重点设防，标准设防，适度设防四个抗震设防类别。执行标准： 1.《建筑工程抗震设防分类标准》（GB 50223-2008） 2.《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010） 第1章 绪论

第 1 讲 绪论—基本设计原则 荷 载 永久荷载：包括结构自重、预拉力及作用于结构上的设备、管道 自重等； 国家级精品课程—钢结构设计 第 1 讲 绪论—基本设计原则 荷 载 永久荷载：包括结构自重、预拉力及作用于结构上的设备、管道 自重等； 可变荷载：包括楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、风荷载、 雪荷载、吊车荷载、施工或检修荷载、地震作用、温 度作用等。 偶然荷载：爆炸力、撞击力等。 第1章 绪论

国家级精品课程—钢结构设计 第 1 讲 绪论— 荷载及荷载组合 荷载组合 按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载组合，取各自最不利的效应组合进行设计和计算。荷载效应组合原则： （1）屋面均布活荷载与雪荷载不同时考虑，设计时取两者中较大值； （2）积灰荷载与屋面均布活荷载或雪荷载两者中较大者同时考虑； （3）施工或检修荷载只与屋面材料及檩条自重荷载同时考虑； （4）对于自重较轻的屋盖，应验算在风吸力作用下屋架杆件、檩条等在永久 荷载与风荷载组合下杆件截面应力反号的影响，此时永久荷载的分项系 数取1.0。 第1章 绪论

第 1 讲 绪论— 荷载及荷载组合 承载能力极限状态表达式 不考虑地震作用时 考虑多遇地震作用时 国家级精品课程—钢结构设计 第 1 讲 绪论— 荷载及荷载组合 承载能力极限状态表达式 不考虑地震作用时，荷载效应组合设计值 结构重要性系数 不考虑地震作用时 承载力设计值 考虑多遇地震作用时，荷载和地震效应组合的设计值 承载力抗震调整系数 考虑多遇地震作用时 结构构件 柱、梁 支撑 节点板件、连接螺栓 连接焊缝 调整系数 0.75 0.80 0.85 0.90 第1章 绪论

第 1 讲 绪论— 荷载及荷载组合 结构用钢材 选择钢材 结构或构件的重要性 荷载性质（静力或动力荷载） 连接方法（焊接或栓接） 国家级精品课程—钢结构设计 第 1 讲 绪论— 荷载及荷载组合 结构用钢材 结构或构件的重要性 荷载性质（静力或动力荷载） 选择钢材 连接方法（焊接或栓接） 工作条件（温度及腐蚀介质） 第1章 绪论

第 1 讲 绪论—材料选用及设计指标 连 接 国家级精品课程—钢结构设计 焊接 第 1 讲 绪论—材料选用及设计指标 连 接 焊接 焊接连接是目前钢结构最主要的连接方法，它具有不削弱杆件截面、构造简单和加工方便等优点。钢结构的焊接方法有自动焊、半自动焊、手工焊。自动焊分为：电弧焊、电渣焊、气体保护焊和电阻焊等。结构钢材应与电弧焊焊条型号相匹配。 焊接材料的选用 焊条 Q235钢焊接采用E4315、E4316型号焊条，焊条性能符合《碳钢焊条》GB/T5117-95； Q345钢焊接采用E5015、E5016型号低氧焊条，焊条的性能符合《低合金钢焊条》（GB/T5118-95）的规定。 第1章 绪论

国家级精品课程—钢结构设计 第 1 讲 绪论—材料选用及设计指标 工厂自动焊 第1章 绪论 34

国家级精品课程—钢结构设计 第 1 讲 绪论—材料选用及设计指标 施工现场的手工焊接及焊缝的抛光处理 焊缝抛光前 第1章 绪论 35

第 1 讲 绪论—材料选用及设计指标 连 接 螺栓连接 普通螺栓 高强螺栓 A级 B级 C级 摩擦型高强螺栓 承压型高强螺栓 国家级精品课程—钢结构设计 第 1 讲 绪论—材料选用及设计指标 连 接 螺栓连接 区别 普通螺栓 高强螺栓 区别 摩擦型高强螺栓 承压型高强螺栓 A级 B级 C级 精制螺栓 粗制螺栓 较少采用 第1章 绪论

第 1 讲 绪论—材料选用及设计指标 国家级精品课程—钢结构设计 高强螺栓的临时固定→初拧→终拧。 高强螺栓的初拧 高强螺栓的临时固定 第 1 讲 绪论—材料选用及设计指标 高强螺栓的临时固定→初拧→终拧。 高强螺栓的初拧 高强螺栓的临时固定 高强螺栓的终拧

第 1 讲 绪论— 变形规定及构件容许长细比 受弯构件的挠度容许值 项次 构件类别 挠度容许值 国家级精品课程—钢结构设计 第1章 绪论 1 第 1 讲 绪论— 变形规定及构件容许长细比 受弯构件的挠度容许值 项次 构件类别 挠度容许值 1 吊车梁和吊车桁架（按自重和起重量最大的一台吊车计算挠度） （1）手动吊车和单梁吊车（含悬挂吊车） （2）轻级工作制桥式吊车 （3）中级工作制桥式吊车 （4）重级工作制桥式吊车 l / 500 l / 800 l / 1000 l / 1200 2 楼（屋）架梁或桁架、工作平台梁（第三项除外）和平台板 （1）主梁或桁架（包括设有悬挂起重设备的梁和桁架） （2）抹灰顶棚的次梁 （3）除（1）、（2）款外的其他梁（包括楼梯梁） （4）屋盖檩条 支承无积灰的瓦楞铁和石棉瓦屋面者 支承压型金属板、有积灰的瓦楞铁和石棉瓦等屋面者 支承其他屋面材料者 （5）平台板 l / 400 l / 250 l / 150 l / 200 3 刚架梁 （1）仅支承压型板屋面和檩条（承受活荷载或雪载） （2）同上并有吊顶 （3）同上吊顶并抹灰 （4）有悬挂起重机 l / 180 l / 240 l / 360 受弯构件:吊车梁、楼盖梁、屋盖梁、工作平台梁、屋盖檩条以及墙架构件等 第1章 绪论

第 1 讲 绪论— 变形规定及构件容许长细比 框架结构的水平位移容许值 国家级精品课程—钢结构设计 结 构 类 型 风荷载作用下 结 构 类 型 风荷载作用下 多遇地震作用下 罕遇地震作用下 门式刚架柱顶水平位移 （1）无吊车：当采用轻质墙板时 当采用砌体墙时 （2）有桥式吊车：当吊车有驾驶室时 当吊车由地面操纵时 H / 75 H / 100 H / 240 H / 150 — 单层框架柱顶水平位移 （1）无桥式吊车 （2）有桥式吊车 H / 400 多层、高层框架结构 （1）顶点位移 （2）层间相对位移 H / 500 h / 400 h / 300 h / 50 H--自基础顶面至柱顶的总高度；h--层高 第1章 绪论

第 1 讲 绪论— 变形规定及构件容许长细比 国家级精品课程—钢结构设计 受压构件的容许长细比 受拉构件的容许长细比 项次 构 件 名 称 第 1 讲 绪论— 变形规定及构件容许长细比 受压构件的容许长细比 项次 构 件 名 称 容许长细比 1 柱、桁架和天窗架中的杆件 150 柱的缀条、吊车梁或吊车桁架以下的柱间支撑 2 支撑（吊车梁或吊车桁架以下的柱间支撑除外） 200 用以减小受压构件长细比的杆件 受拉构件的容许长细比 项次 构件名称 承受静力荷载或间接承受动力荷载的结构 直接承受动力荷载的结构 一般建筑结构 有重级工作制吊车的厂房 1 桁架的杆件 350 250 2 吊车梁或吊车桁架以下的柱间支撑 300 200 — 3 其他拉杆﹑支撑﹑系杆等 （张紧的圆钢除外） 400

第1讲 绪论— 小 结 本章学习小结： 承载能力及正常使用极限状态 承载能力及正常使用极限状态 荷载及荷载组合原则 钢结构连接方法 国家级精品课程—钢结构设计 第1讲 绪论— 小 结 荷载及荷载组合原则 钢结构连接方法 框架结构水平位移容许值及构件长细比 本章学习小结： 承载能力及正常使用极限状态 承载能力及正常使用极限状态 第2章 轻型门式刚架结构设计