钢结构设计原理 石建军 CH01.docx
《钢结构设计原理 石建军 CH01.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钢结构设计原理 石建军 CH01.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
钢结构设计原理石建军CH01
钢结构设计原理石建军CH01.txt45想洗澡吗？
不要到外面等待下雨；想成功吗？
不要空等机遇的到来。
摘下的一瓣花能美丽多久？
一时的放纵又能快乐多久？
有志者要为一生的目标孜孜以求。
少年自有少年狂，藐昆仑，笑吕梁；磨剑数年，今将试锋芒。
自命不凡不可取，妄自菲薄更不宜。
本文由tumuguan贡献
pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。
建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。
第1章
绪
论
教学提示：
本章摘要介绍了钢结构的特点、钢结构的发展、钢结构的构件组成和主要结构形式以及钢结构的计算方法。
教学目标：
本章让学生熟练掌握钢结构的特点，了解钢结构的发展，掌握钢结构的构件组成并了解其主要结构形式，基本掌握钢结构的计算方法。
1.1
1.1.1钢结构的特点
钢结构的特点及应用
钢结构主要是指由钢板、热轧型钢、薄壁型钢和钢管等构件组合而成的结构，它是土木工程的主要结构形式之一。
目前，钢结构在房屋建筑、地下建筑、桥梁、塔桅和海洋平台中都得到广泛采用，这是由于钢结构与其他材料的结构相比，具有如下特点：
（1）建筑钢材强度高，塑性和韧性好。
强度高，钢与混凝土、木材相比，虽然密度较大，但其强度较混凝土和木材要高得多，其密度与强度的比值一般比混凝土和木材小，因此在同样受力的情况下，钢结构与钢筋混凝土结构和木结构相比，构件较小，质量较轻。
适用于建造跨度大、高度高和承载重的结构。
塑性好，钢结构在一般的条件下不会因超载而突然断裂，只会增大变形，故容易被发现。
此外，还能将局部高峰应力重分配，使应力变化趋于平缓。
韧性好，适宜在动力荷载下工作，因此在地震区采用钢结构较为有利。
（2）钢结构的质量轻。
钢材密度大，强度高，但做成的结构却比较轻。
结构的轻质性可用材料的密度ρ和强度f的比值密强化α来衡量，α值越小，结构相对越轻。
建筑钢材的
α值在（1.7～3.7）×104/m之间；木材的α值为5.4×104/m；钢筋混凝土的α值约为
18×104/m。
以同样的跨度承受同样的荷载，钢屋架的质量最多不过为钢筋混凝土屋架的1/4～1/3。
（3）材质均匀，和力学计算的假定比较符合。
钢材内部组织比较均匀，接近各向同性，可视为理想的弹—塑性体材料，因此，钢结构的实际受力情况和工程力学的计算结果比较符合，在计算中采用的经验公式不多，从而，计算的不确定性较小，计算结果比较可靠。
（4）工业化程度高，工期短。
钢结构所用材料皆可由专业化的金属结构厂轧制成各种型材，加工制作简便，准确度和精密度都较高。
制成的构件可运到现场拼装，采用焊接或螺栓连接。
因构件较轻，故安装方便，施工机械化程度高，工期短，为降低造价、发挥投资的经济效益创造了条件。
（5）密封性好。
钢结构采用焊接连接后可以做到安全密封，能够满足一些要求气密性和水密性好的高压容器、大型油库、气柜油罐和管道等的要求。
2
钢结构设计原理
（6）抗震性能好。
钢结构由于自重轻和结构体系相对较柔，所以受到的地震作用较小，钢材又具有较高的抗拉和抗压强度以及较好的塑性和韧性，因此在国内外的历次地震中，钢结构是损坏最轻的结构，已公认为是抗震设防地区特别是强震区的最合适结构。
（7）耐热性较好。
温度在200℃以内，钢材性质变化很小，当温度达到300℃以上时，强度逐渐下降，600℃时，强度几乎为零。
因此，钢结构可用于温度不高于200℃的场合。
在有特殊防火要求的建筑中，钢结构必须采取保护措施。
钢结构的下列缺点有时会影响钢结构的应用：
（1）耐腐蚀性差。
钢材在潮湿环境中，特别是在处于有腐蚀性介质的环境中容易锈蚀。
因此，新建造的钢结构应定期刷涂料加以保护，维护费用较高。
目前国内外正在发展各种高性能的涂料和不易锈蚀的耐候钢，钢结构耐锈蚀性差的问题有望得到解决。
（2）耐火性差。
钢结构耐火性较差，在火灾中，未加防护的钢结构一般只能维持20分钟左右。
因此在需要防火时，应采取防火措施，如在钢结构外面包混凝土或其他防火材料，或在构件表面喷涂防火涂料等。
（3）钢结构在低温条件下可能发生脆性断裂。
钢结构在低温和某些条件下，可能发生脆性断裂，还有厚板的层状撕裂等，都应引起设计者的特别注意。
现在钢材已经被认为是可以持续发展的材料，因此从长远发展的观点看，钢结构将有很好的应用发展前景。
1.1.2钢结构的应用
钢结构由于其自身的特点和结构形式的多样性，随着我国国民经济的迅速发展，应用范围越来越广。
根据我国的实践经验，工业与民用建筑钢结构的应用范围包括以下几方面：
（1）工业厂房。
吊车起重量很大（100t以上）或运行非常频繁的车间多采用钢骨架。
如冶炼厂的平炉、转炉车间，混铁炉车间和初轧车间；重型机械厂的铸钢车间、锻压车间和水压机车间等。
（2）大跨结构。
结构的跨度越大，自重在全部荷载中所占的比例越大。
由于钢结构具有强度高、自重轻的优点，最适用于大跨度结构，如飞机库、体育馆、展览厅、影剧院和大型交易市场等屋盖结构。
（3）高层及多层建筑。
高层建筑及超高层建筑中，宜采用钢结构或钢结构框架。
近年来，钢结构在此领域已逐步得到发展。
（4）轻型钢结构。
轻型钢结构是由弯曲薄壁型钢、薄壁钢管或小角钢、圆钢等组成的结构。
由于轻型钢结构具有建造速度快、用钢量省、综合经济效益好等优点，所以适用于吊车吨位不大于20t的中、小跨度厂房、仓库以及中、小型体育馆等大空间民用建筑。
此外，由于轻型钢结构装拆方便，宜用于需要拆迁的结构。
（5）钢-混凝土组合结构。
包括钢-混凝土组合梁和钢管混凝土柱等。
除房屋结构以外，钢结构还可用于下列结构：
（1）塔桅结构。
塔桅结构包括电视塔、微波塔、无线电桅杆、导航塔及火箭发射塔等，一般均宜采用钢结构。
2
第1章
绪
论
3
（2）板壳结构。
板壳结构包括大型储气柜和储液库等要求密闭的容器，以及大直径高压输油管和输气管等。
另外，还有高炉的炉壳和轮船的船体等均应采用钢结构。
（3）桥梁结构。
钢结构一般用于跨度大于40m的各种形式的大、中跨度桥梁。
（4）移动式结构。
包括桥式起重机、塔式起重机和龙门式起重机等起重运行机械。
1.2
钢结构发展的历史、现状和趋势
我国是最早用铁建造结构的国家之一，比较典型的应用是铁链桥，主要有云南省永平与保山之间跨越澜沧江的霁虹桥以及四川泸定大渡河上的泸定桥；其次是一些纪念性建筑，如建于967年的广州光孝寺的东铁塔和建于963年的西铁塔，以及建于1061年的湖北当阳玉泉寺的13层铁塔。
中国古代在钢铁结构方面虽然有所创建，但在封建制度下，生产力发展极其缓慢。
在半封建半殖民地的百年历史中，中国也曾建造过一些钢桥和钢结构高层建筑，但绝大多数是外国人设计的。
新中国成立以后，随着经济建设的发展，钢结构在重型厂房、大跨度公共建筑、铁路桥梁以及塔桅结构中得到一定程度的发展。
例如我国几个大型钢铁联合企业如鞍山、武汉和包头等钢厂的炼钢、轧钢和连铸车间等都采用钢结构；在公共建筑方面，1975年建成跨度达110m的三向网架上海体育馆、1962年建成直径为94m的圆形双层辐射式悬索结构北京工人体育馆、1967年建成的双曲抛物面正交索网的悬索结构浙江体育馆；桥梁方面，1957年建成的武汉长江大桥和1968年建成的南京长江大桥都采用了铁路公路两用双层钢桁架桥；在塔桅结构方面，广州、上海等地都建造了高度超过200m的多边形空间桁架钢电视塔。
1977年北京建成的环境气象塔是一个高达325m的5层纤绳三角形杆身的钢桅杆结构。
改革开放以后，我国经济建设有了突飞猛进的发展，钢结构也有了前所未有的发展，应用的领域有了较大的扩展。
高层和超高层房屋、多层房屋、单层轻型房屋、体育场馆、大跨度会展中心、大型客机检修库、自动化高架仓库、城市桥梁和大跨度公路桥梁、粮仓以及海上采油平台等都已采用钢结构。
目前已建和在建的高层和超高层钢结构已有30余幢，其中地上88层、地下3层、高421m的上海金茂大厦的建成，标志着我国的超高层钢结构已进入世界前列。
在大跨度建筑和单层工业厂房中，网架和网壳等结构的广泛应用，已受到世界各国的瞩目，其中上海体育馆马鞍型环形大悬挑空间钢结构屋盖和上海浦东国际机场航站楼张弦梁屋盖的建成，更标志着我国的大跨度空间钢结构已进入世界先进行列。
桥梁方面，九江长江大桥、上海市杨浦大桥和江阴长江大桥等桥梁的建成标志着我国已有能力建造任何现代化的桥梁。
2005年我国钢产量达到3.45亿吨，已连续多年高居世界各国钢铁年产量榜首。
钢材质量及钢材规格也已能满足建筑钢结构的要求。
市场经济的发展与不断成熟更为钢结构的发展创造了条件。
因此，我国钢结构正处于迅速发展的前期。
可以预期，今后我国钢结构的发展方向主要在以下几个方面：
（1）发展高强度低合金钢材。
逐步发展高强度低合金钢材，除Q235钢、Q345钢外，Q390钢和Q420钢在钢结构中的应用尚有待进一步研究。
（2）钢结构设计方法的改进。
概率极限状态设计方法还有待发展，因为它计算的可靠度还只是构件或某一截面的可靠度，而不是结构体系的可靠度，同时也不适用于疲劳计算的反复荷载作用下的结构。
另外，结构设计上考虑优化理论的应用与计算机辅助设计及绘图都得到很大的发展，
3
4
钢结构设计原理
今后还应继续研究和改进。
（3）结构形式的革新。
结构形式的革新也是今后值得研究的课题，如悬索结构、网架结构和超高层结构等近年来得到了很大的发展和应用。
钢-混凝土组合结构的应用也日益推广，但结构的革新仍有待进一步发展。
1.3
1.3.1
钢结构的构件组成和主要结构形式
钢结构的构件组成
从房屋建筑、桥梁、塔桅以及其他工程结构来看，除了容器（如储液罐、储气罐和囤仓等）和管道（如输油管、输气管和压力水管等）采用钢板壳体结构外，其他结构多由杆件系统和索组成。
分析杆件的受力，可以归结为拉索、拉杆、压杆、受弯杆件、拉弯构件、压弯杆件、拱和刚架等。
此外，钢构件还与混凝土组合在一起形成组合构件，如钢管混凝土、型钢混凝土构件等。
由于这些杆件是组成各种结构形式的最基本单元，因此成为钢结构的基本构件。
1.3.2钢结构的主要结构形式
钢结构的应用范围极其广泛，主要结构形式也多种多样。
1.用于房屋建筑的主要结构形式
（1）单层工业厂房常用的结构形式。
是指由一系列的平面承重结构通过支撑构件联结而成的空间整体。
这种结构形式的特点是：
外荷载主要由平面承重结构承担，纵向水平荷载由支撑承受和传递。
而常见的平面承重结构有横梁与柱刚接的门式刚架和横梁与柱铰接的排架等。
（2）大跨度单层房屋的结构形式。
目前，大跨度结构形式主要有以下几种：
①网架结构。
有平板网架、网壳、球状网壳等，这种结构形式目前也已在单层工业房屋中被广泛应用。
如图1.1所示为空间网架结构，采用椭圆双曲面螺栓球节点网架构成。
图1.1
空间网架结构
②空间桁架或空间刚架体系。
上海浦东国际机场航站楼的屋盖就采用了这种体系。
③悬索结构。
悬索结构形式多种多样，图1.2所示的预应力鞍形索网体系是悬索结构的一种。
4
第1章
绪
论
5
图1.2
预应力鞍形索网体系
④张拉集成结构。
张拉集成结构是指少数间断受压构件与一组连续的受拉单元组成的由预应力提供刚度并自支承、自平衡的空间结构体系。
此种结构形式可以跨越较大空间是目前空间结构中跨度最大的结构，具有极佳的经济指标。
⑤索膜结构。
索膜结构由索和膜组成，自重轻，体形灵活多样，多用于大跨度公共建筑。
图1.3为深圳大梅沙海滨广场张拉索膜。
图1.3
索膜结构
（3）多层、高层及超高层建筑结构形式：
①刚架结构。
梁和柱刚性连接形成多层多跨刚架（图1.4（a）），承受水平荷载。
②刚架-支撑结构。
由刚架和支撑体系（包括抗剪桁架、剪力墙和核心筒）组成。
1.4（b）图所示为一刚架-抗剪桁架结构。
③框筒、筒中筒、束筒等筒体结构。
图1.4（c）所示为束筒结构形式。
（a）多层多跨刚架
（b）刚架-抗剪桁架结构
（c）束筒结构
图1.4
多层、高层及超高层建筑结构形式
5
6
钢结构设计原理
2.用于桥梁的主要结构形式
（1）
（2）（3）（4）（5）实腹板梁式结构（图1.5（a））。
桁架式结构（图1.5（b））。
拱或刚架式结构（图1.5（c））。
拱与梁桁架的组合结构。
图1.5（d）所示是用柔性拱与梁桁架结合的形式。
斜拉结构。
图1.5（e）所示是斜拉结构的一种形式，斜拉索采用高强度预应力钢缆。
（a）实腹板梁式结构
（b）桁架式结构
（c）拱结构
（d）拱与梁桁架组合结构
（e）斜拉结构
图1.5
桥梁的主要结构形式
3.用于塔桅的主要结构形式
（1）桅杆结构（图1.6（a））。
杆身依靠纤绳的牵拉而站立，杆身可采用圆管或三角形、四边形等结构杆件。
（2）塔架结构（图1.6（b））。
塔架立面轮廓线可采用直线形、单折线形、多折线形和带有拱形底座的多折线形等，平面可分为三角形、四边形、六边形和八边形等。
（a）桅杆结构
（b）塔架结构
图1.6
塔桅的主要结构形式
6
第1章
绪
论
7
1.4
1.4.1概述
钢结构的计算方法
结构计算的目的在于保证所设计的结构构件在施工和使用过程中能满足预期的安全性和使用性的要求。
因此，结构设计的准则为：
结构由各种荷载所产生的效应（内力和变形）不大于结构由材料性能和几何因素等所决定的抗力或规定限值。
影响结构功能的各种因素，如荷载的大小、材料强度的高低、截面的尺寸和施工的质量等都是随机变量（或随机过程），具有不定性，因此，荷载效应可能大于设计抗力，结构不可能百分百的可靠，而只能对其作出一定的概率保证，在设计中如何对待上述问题就出现了不同的设计方法。
很久以来，钢结构采用容许应力计算法，即把钢材可以使用的最大强度，除以一个安全系数，作为结构计算时容许达到的最大应力——容许应力。
设计应力必须小于或等于容许应力，表达式为
σ≤[σ]=
式中
fkk
（1-1）
σ——构件的设计应力。
fk——钢材的屈服点。
k——安全系数。
[σ]——钢材的容许应力。
容许应力法由于采用一个定值的安全系数来衡量结构的安全性，所以计算简单但不能从定量上度量结构的可靠度，更不能使各类结构的安全度达到同一水平，所以该方法对结构可靠度的研究是处于以经验为基础的定性分析阶段。
随着工程技术的发展，概率论在建筑结构中的应用越来越广泛和深入，结构设计的方法也开始由长期的定值法转向概率设计法。
在概率设计法的研究过程中，首先考虑荷载和材料强度的不定性，用概率的方法确定它们的取值，以经验确定分项系数，但仍没有将结构的可靠度与概率联系起来，故称为半概率法。
我国1974年修订的（TJ17—1974）《钢结构设计规范》就是这样决定的。
与前面所讲的容许应力法不同，它对影响结构可靠度的各种因素，以数理统计的方法，并结合我国几十年来所积累的工程实践经验和各种资料，进行多系数分析，求出单一的安全系数．其表达式为
σ≤[σ]=
式中
fykk
=
fykk1k2k3
（1-2）
k1——荷载系数。
k2——材料系数。
k3——调整系数。
k——安全系数。
fyk——钢材的屈服点。
7
8
钢结构设计原理
概率设计法的研究，在20世纪60年代末期有了重大突破，提出了以概率论为基础的一次二阶矩极限状态设计法，该方法简化了基本变量随时间变化的关系，同时，将一些复杂的关系进行了线性化，故称之为近似概率极限状态设计法。
完全的极限状态设计法，即全概率设计法，目前尚不具备条件。
随着分析理论的发展和各种技术资料的丰富与积累，我国还将不断地完善钢结构的设计方法，最终必将采用全概率设计法。
1.4.2概率极限状态设计方法
当结构或构件超过某一特定的状态，就不能满足设计规定的某一功能要求时，则此特定状态称为该功能的极限状态。
结构的极限状态可分为下列两类：
（1）承载能力极限状态。
结构和构件达到最大承载能力或是出现不适于继续承载的变形，包括倾覆、强度破坏、疲劳破坏、丧失稳定、结构变为机动体系或出现过度的塑性变形。
（2）正常使用极限状态。
结构和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影响外观的变形，出现影响正常使用或耐久性能的局部损坏以及影响正常使用的震动。
结构的工作性能可用结构的功能函数Z来描述。
设x1，x2，…，xn为n个随机变量，则在n个随机变量间通常可建立函数关系：
Z=g（x1,x2，,xn）
也可用结构的荷载效应S和抗力R来表达，即
（1-3）
Z=g（R,S）=RS
式中
（1-4）
R和S——两个基本的随机变量。
Z——一个随机变量，Z＞0时，当结构处于可靠状态；Z＜0时结构处于失效状态，当当Z=0时结构处于极限状态。
按照概率极限状态设计方法，结构的可靠度定义为：
结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。
这里所讲的完成预定功能的概率，就是对于规定的某种功能来说结构不失效（Z≥0），若以ps表示结构的可靠度，则ps=P（Z≥0）
结构的失效概率以pf表示为（1-5）
pf=P（Z＜0）
由于可靠度与失效概率是两个相反的概率，两者的关系应满足式（1-7）。
（1-6）
ps=1pf
（1-7）
则由式（1-7）可知，结构可靠度的计算可以转化为结构失效概率的计算。
用概率的观点
8
第1章
绪
论
9
来观察结构是否可靠，是指失效概率pf是否已经达到可以接受的预定要求。
在实际工程中绝对可靠的结构（ps=1），或失效概率为零（pf=0）的结构是没有的。
为了计算结构的失效概率pf，最好求得功能函数Z的分布。
图1.7为Z的概率密度函数曲线，由图可知，Z=0时，结构处于极限状态，Z<0时，结构处于失效状态，Z>0时，结构处于可靠状态。
图中阴影部分的面积就表示事件（Z<0）的概率，经积分可求得
pf=P（Z<0）=∫
0∞
fZ（Z）dZ
（1-8）
但一般而言，Z的分布是很难求出的。
因此失效概率的计算仅在理论上可行，而实际上很难解决。
20世纪60年代后期，美国学者康奈尔提出了一次二阶矩的设计方法，才使得概率设计方法进入了实际应用阶段。
一次二阶矩不直接计算结构的失效概率，而是将图1.7中Z的平均值μZ用Z的标准差
σz来衡量，如式（1-9）所示，即μZ=βσZ
式中（1-9）
β——可靠度指标。
显然由图可知，β与pf有一一对应的关系，即β增大pf减小，反之亦然。
f（Z）f（Z）βZZσβσ
pPff
OO失效
图1.7
可靠
μμZZ
Z=R-SZ=R-S
Z的概率密度f（Z）函数曲线
如果功能函数Z服从正态分布，则有
β=Φ1（1pf）
pf=Φ（β）
（1-10）（1-11）
Φ——标准正态分布函数。
Φ1——标准正态分布的反函数。
正态分布时，与Φ1的对应关系如表1-1所示，若为非正态分布，可用当量正态化的方法转化为正态分布。
而μZ和σZ又可按式（1-12）和式（1-13）求得，即
式中
μZ=μRμS
222σZ=σRσS
（1-12）（1-13）
9
10
钢结构设计原理
式中
μR、μS——抗力R和荷载效应S的平均值。
22σR、σS——抗力R和荷载效应S的方差。
表1-1正态分布时β与pf的对应关系可靠度指标/单位失效概率pf4.53.4×10-64.21.34×10-54.03.17×10-53.71.08×10-43.52.33×10-43.26.87×10-43.01.35×10-32.73.47×10-32.56.21×10-32.02.28×10-2
只要经过测试取得足够多的数据，并可由统计分析求得R和S的均值μ和方差σ2，如果Z为非线性函数，可将其展开为泰勒级数取线性项，由式（1-14）、式（1-15）和式（1-16）计算可得均值和方差：
Z=g（x1，x2，，xn）
（1-14）（1-15）（1-16）
μZ≈g（μx1,μx2,,μxn）
σz2≈∑
式中
g2μxii1xiμ
n
2
μxi——随机变量xi的均值。
由式（1-16）得
β=
将此式变换后得
μμSμz=R22σzσR+σS
（1-17）
22μR=μS+βσR+σS
（1-18）
由于
22σR+σS=22σR+σS22σR+σS
（1-19）
故得
R*=μRαRβσR≥μS+αSβσS=S*
（1-20）
式中
αR=
式中
10
σRσ+σ
2R2S
，αS=
σS
22σR+σS
（1-21）
R*、S*——分别为R和S的设计验算点的坐标。
第1章
绪
论
11
这就是采用概率方法的设计式。
由于这种设计不考虑Z的全分布而只考虑到二阶矩，对非线性函数又用泰勒级数展开取线性项，故此法称一次二阶矩法。
1.4.3设计表达式
现行钢结构设计规范除疲劳计算外，均采用以概率论为基础的极限状态设计法，用分项系数的设计表达式进行计算，但这与以往的设计方法不同，这里的分项系数不是凭经验也就是将式（1-20）转化为等效的以基确定，而是以可靠度指标β为基础用概率设计法求出，本变量标准值和分项系数形式表达的极限状态设计式。
以简单的荷载情况为例，分项系数设计式可写成
Rk
γR
式中
≥γGSGK+γQSQK
（1-22）
Rk——抗力标准值（由材料强度标准值和截面尺寸计算得到）。
SGK——按标准值计算的永久荷载效应值。
SQK——按标准值计算的可变荷载效应值。
γ——分项系数。
则式（1-20）可写成
R≥SG+SQ
（1-23）
要使式（1-21）和式（1-22）等价，必须有：
由式（1-20）可知，R、S*、S*不仅与可靠指标β有关，而且与各基本变量的统计参数QG值ρ=SQKSGF的变动而成为一系列的值，这对于设计是不方便的；如分别取γ
升级会员 