1、钢结构,任课教师：张美霞 中国地质大学（武汉）工程学院土木系Tel:13296696867,前言,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。 96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，对钢材的使用已由“节约使用”变为“合理用钢”、“加大建筑用钢”。 97年新发布的中国建筑技术政策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，要求扩大钢结构住宅的市场占有率。,课程简介续,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，发展钢结构以带动其它相关产业的发展，已
2、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较大发展趋势。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，从而日益显示出本课程学习的重要性和积极性。,课程性质和目的,钢结构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，了解钢结构的特点和计算方法，深刻理解钢材的基本性能，能较全面地掌握钢结构材料、构件和连接的基础知识，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 ；同时在掌握钢结构设计的基本原理
3、基础上，熟悉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。,前续课程,钢结构与材料力学联系最为紧密，但材料力学更侧重理论探讨，钢结构需站在设计角度来考虑，因此必须符合相应的规范要求。同时,由于钢材本身接近理想弹塑性体,所以钢结构课程的理论性强,许多内容要用到的知识。其前续课程主要为：建筑材料、钢筋混凝土结构设计、单层工业厂房、材料力学、结构力学、弹塑性力学等课程。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，以便于学习者对各种结构表达方法和构造形式的认识。,教材选择,钢结构第二版，魏明钟主编，武汉理工大学出版社2002年出版 ; 钢结构基本原理，同济大学 沈祖炎、陈扬
4、骥、陈以一编著，中国建筑工业出版社。学时：48课时平时成绩占20%。,钢结构设计的有关规范,GB50017-2003钢结构设计规范 TB1000202-99铁路桥梁钢结构设计规范 GB50009-2001建筑结构荷载规范 GB50018-2002冷弯薄壁型钢结构技术规范 GB50205-2001钢结构工程施工质量验收规范 JTJ025-86公路桥涵钢结构及木结构设计规范,教学要求,1、了解钢结构的特点、历史现状及应用、发展前景； 2、掌握钢结构材料的工作性能； 3、掌握钢结构基本构件及连接的性能、受力分析与设计计算方法； 4、掌握单层厂房屋盖结构的设计； 5、了解钢结构体系的组成原理和典型结构
5、形式的设计要点。 6、了解钢桥梁结构的组成形式。,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件、基本原理部分，对钢结构的设计做简要介绍； 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，理论性强（特别是稳定理论），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； 学习中要从机理理解一些理论问题，做到举一反三； 多做习题与思考题，避免眼高手低。,钢结构学习交流网址,晓东CAD家园 http:/ 中华钢结构论坛http:/okok.org/cgibin/ut/forum_show.cgi 中国钢结构网 http:/ 桥梁电算之家http:/ 绪论
6、 第二章 钢结构的材料 第三章 钢结构的连接 第四章 钢构件的稳定 第五章 轴心受力构件 第六章 受弯构件 第七章 拉弯与压弯构件 第八章 屋盖结构 第九章 钢结构设计,第一章 绪论,第一节 钢结构的特点 第二节 钢结构的主要结构形式 第三节 钢结构的设计方法 第四节 钢结构的应用和发展,第一节 钢结构的特点,钢与铁的区别含碳量小于2%的铁碳合金称作钢，含碳量大于2%时称作铁。 钢结构由钢材通过连接而成的能承担预定功能的体系称钢结构。,钢结构是由钢板、热轧型钢和冷加工成型的薄壁型钢制造而成。与其他材料的结构相比具有以下优点： （1）钢材强度高，韧性、塑性好适用于建大跨、高耸、高层、荷载大的、反
7、复荷载作用的结构； （2）质量轻，强重比大，可降低基础造价，方便施工吊装，对抗震有利大跨、抗震结构；对可变荷载敏感； （3）材质均匀，符合力学假定，计算结果比较可靠，安全可靠度高重要结构、对抗震要求较高的结构； （4）制造简单，工厂化生产，工业化程度高，施工速度快，施工周期短加固、改建、可拆卸结构； （5）钢结构密闭性好连接的水密性和气密性好，高压容器、油库、气罐、管道等； （6）钢材为可持续发展的材料。,钢结构的特点续,钢结构的特点续,钢结构的缺点有： （1）钢材耐热但不耐火150时强度无变化，600 时强度约为0；规范规定钢材表面温度超过150 后要加隔热防护措施；钢结构的防火应根据规范要
8、求进行设计（防火涂料、外包防火材料）实例； （2）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。 （4）钢材价格相对较贵高层建筑的上部结构造价：钢10%，混凝土2%，差价占总投资的少，但优势多（工期短、有效使用面积多、基础造价低、抗震好等）。,返回,世界贸易中心,1972年在纽约建造的世界贸易中心大楼(World Trade Center Towers)，110层，高402m，钢结构,2001.9.11事件 撞机1,撞机2,倒塌瞬间,倒塌过程
9、,原因分析,超高层建筑无法回避的固有缺陷:超高层建筑必须使用钢材建造，而钢材有一个致命的缺点，就是遇高温变软，丧失原有强度。大多数大楼会加强承重或耐震功能，不过无法做到防火或防爆。为避免因此引发灾难，建筑钢材上都涂有防火涂料等防护物，然而这样低水平的防护，对付一般的小灾小火还可以应付，可遇到如此猛烈的灾，钢材防火涂层根本不可能应付。 装满油的757客机，简直就是一颗超级大“飞弹”。根据换算，一架757客机，载重20吨，加上35吨的飞机总重量和油料，再加上900公里的飞行速度等于49.5万吨，总共相当于2万公斤的黄色炸药。而要摧毁50层的大楼，只要800公斤的黄色炸药，就已足够。因此，2万公斤的
10、炸弹威力，再加上高速冲击，所造成的损失更是难以估计。,原因分析续,大楼遭飞机撞击后，几十吨飞机汽油引起的失火，导致大楼钢结构软化甚至熔化，上层开始倒塌，往下逐层传递，形成“多米诺骨牌效应”，在钢铁与水泥重量压挤下，最后导致整座大楼坍塌。 虽然飞机冲撞对大楼确实造成了一定的破坏，但随后燃起的大火才是造成楼房倒塌的直接原因。,原因分析续,世贸中的坍塌，更象是一次“定向”爆破。世贸中心100多层的大楼，在突然袭击中，轰然倒下，几乎没有无规则的冲力而身首异处，与事情的突然性相比，世贸的倒下，更象一次定向爆破。爆破最根本的力学原理是引起偏心；一般是在建筑物上作斜切口，这样支点就落在切口连接处，使得重力形
11、成偏心力距，引起倒塌。上部倒塌拉扯下部向相同方向倒塌。 飞机在撞入世贸中心大楼时，速度极快，冲力大，引起的爆炸力大，“撕开”的口必然大。当飞机穿屋而出时，速度已消耗掉许多，所以与进入时相比，出口要小些，这就像收音机在“世贸“身上做了个斜切口，引起偏心力距。在几乎是装满的油箱（飞机内可能还装有炸弹）的巨大爆炸力作用下，世贸中心也就像经历了一次精心设计的定向爆破。,返回,第二节 钢结构的主要结构形式,一、用于房屋建筑的主要结构形式 1、单层工业厂房常用结构形式 受力特点：荷载以重力作用为主，水平荷载为辅；传统的结构 做法：形成一系列竖向的平面承重结构，通过纵向构件和支撑 构件连接成整体（图） 2、
12、大跨度单层房屋的结构形式 1）平板网架（例） 2）网壳（例） 3）空间桁架或空间刚架体系（例） 4）悬索（例） 5）杂交结构：不同结构形式组合在一起（例） 6）膜结构（例） 7）索膜结构：索和膜组成，自重轻，体形灵活多样,3、多、高层及超高层建筑的结构形式 受力特点：承受的水平荷载 （风和地震）随高度的增大越来越重要，重力荷载和水平荷载都重要。 1）刚架结构 梁和柱刚接形成的多层多跨刚架承受水平荷载，弯曲和剪切变 形较大。 适用范围：2030层。 2）刚架-支撑结构 由刚架和支撑体系（抗剪桁架、剪力墙、核心筒）组成。 适用范围：2560层。 3）框筒、筒中筒、束筒等筒体结构 侧移刚度较大，适用
13、范围：60110层。,第二节 钢结构的主要结构形式及组成构件,第二节 钢结构的主要结构形式及组成构件,4）巨型结构：巨型桁架和巨型框架 5）悬挂结构 位于房屋中心的内筒（钢筋混凝土或钢与钢筋混凝土的 组合结构）承受全部重力和水平荷载，筒顶有悬伸的桁 架，楼板用高强度钢材的拉杆挂在桁架上。利用高强度 钢丝受拉，混凝土受压，充分利用材料特性，受力非常 合理的。,二、用于桥梁的主要结构形式钢材是大跨度桥梁的理想材料，如大跨径斜拉桥、悬索桥中，斜拉索、主缆、吊杆均采用钢绞线或平行钢束，其主梁也往往采用钢筋梁或钢桁架的形式。 按结构体系分类 structure form 梁式桥 beam bridge（
14、例） 拱桥 arch bridge （例） 刚架桥 rigid bridge （例） 吊桥 suspension bridge （例） 斜拉桥（组合体系桥） cable stayed bridge （例） 拱与梁桁架的组合结构桥（例）,第二节 钢结构的主要结构形式及组成构件,三、用于塔桅的主要结构形式 1、桅杆结构 2、塔架结构 四、各种结构形式组成构件的分类 1、杆件系统：拉杆、压杆、受弯构件、拉弯构件、压弯构件、拱、刚架、钢与混凝土的混合构件（钢管混凝土、型钢混凝土等）； 2、索：拉索； 3、钢板壳结构：容器和管道类；,第二节 钢结构的主要结构形式及组成构件,返回,横梁（桁架）和柱铰接的排
15、架,第二节 钢结构的主要结构形式及组成构件,横梁和柱刚接的门式刚架,第二节 钢结构的主要结构形式及组成构件,门式刚架轻型钢结构厂房的组成,返回,第二节 钢结构的主要结构形式及组成构件,平板网架,第二节 钢结构的主要结构形式及组成构件,平板网架,返回,网壳,返回,北京工人体育馆平面图,1961年建成，能容纳15000名观众，比赛大厅屋盖采用车 轮形双层悬索结构，直径为94m，由索网、边缘构件(外环) 和内环三部分组成.,悬索结构,双层圆形悬索屋盖结构，上下两层索都是辐射状，锚固在钢筋混凝土外环和位于屋盖中心的钢内环上。下索为主要承重索，上索除直接承受屋面荷载外，还可以承受风吸力。上索必须事先张拉
16、，施加一定的预拉力，以增强屋盖结构的刚度和稳定性，并避免因其垂度过大而影响排水。,北京工人体育馆剖面图,返回,美国雷里体育馆 1953年建成，采用两个斜放的抛物线拱为边缘构件的鞍形正交索网，受力明确，充分发挥索拱的材料强度，被认为是世界上第一座优秀的现代大跨度索网结构屋盖建筑。,伦敦千年穹顶 索、杆、膜杂交（混合）体系，位于英国伦敦泰晤士河南岸格林尼治，直径320m，由12根包括10m支座在内的高100m桅杆塔柱（柱本身90m）通过总长度70km的钢缆绳悬挂，外形酷似飞碟，是目前世界上跨度最大的屋盖。,杂交结构,江西省体育馆 1987年建成，采用了拱、吊索和平板网架的组合结构。,返回,返回,上
17、海八万人体育馆 1997年竣工，看台挑蓬采用钢骨架支承的膜结构，总覆盖面积36100m2，是我国首次在大型建筑上采用膜结构。,膜结构,梁式桥 beam bridge,简支梁、连续梁、悬臂梁；按主梁形 式分：板桥梁、桁架桥、箱梁桥。,返回,第二节 钢结构的主要结构形式及组成构件,拱桥 arch bridge,有推力拱和无推力拱。目前世界最大的拱桥为重庆市万县长江大桥（420m），其拱圈为钢结构外包混凝土而成。,第二节 钢结构的主要结构形式及组成构件,返回,刚架桥 rigid bridge,第二节 钢结构的主要结构形式及组成构件,返回,吊桥 suspension bridge,吊桥利用高强钢索来承
18、重，可方便地在交通不便、施工 条件差的深山峡谷使用，根据所悬吊加劲梁的刚度不同分为 刚性吊桥和柔性吊桥，恒载较轻，跨越能力大。,第二节 钢结构的主要结构形式及组成构件,返回,组合体系桥斜拉桥 cable stayed bridge,斜拉桥用高强拉索和梁共同承重的，钢梁可为板式、桁式 或箱式的，重量相对较轻，竖向刚度大于吊桥，抗风性能 较好，应用非常广泛。,第二节 钢结构的主要结构形式及组成构件,返回,组合体系桥梁拱组合,第二节 钢结构的主要结构形式及组成构件,九江长江大桥钢桁梁和柔性拱组合结构,第二节 钢结构的主要结构形式及组成构件,九江长江大桥位于江西、湖北、安徽三省交界，座落在江西九江市和
19、湖北宽阔的古城浔阳江上，是两千多公里的京九铁路大干线上跨越千里长江的一座现代化的特大公铁两用桥梁，是继武汉长江大桥之后，我国在长江上建造的第八座大桥，也是我国目前最长、工程量最大的铁路、公路两用桥。大桥全长13941米，其中铁路桥全长7675米，公铁桥全长4460米，正桥钢梁1806米，铁路为双线，公路设四车道和两侧人行道。,九江长江大桥始建于1973年12月，由铁道部大桥工程局勘察设计，第215桥梁工程处组织施工（中铁大桥局集团第五工程有限公司 ）。无论是桥的设计、施工工艺，还是新型建筑材料的使用等方面，都反映了我国迄今最先进的建桥水平。整个大桥设计新颖，造型优美，工艺独特，雄伟壮观。九江大
20、桥墩顶到基础最低底面，相距64米，相当于一座22层高的楼房。从钢梁拱顶到基础最低底面，高达132米，相当于一座45层的特大高楼。,正桥共11孔钢梁，10个水中墩，最大跨度为216米，最小跨度126米。桥式组成 由北向南为（3162+3162）米连续钢桁梁+（180+216+180）米柔性拱刚桁梁+2126米连续钢桁梁；铁路引桥共144孔，均为跨度40米的无碴无枕预应力钢筋砼简支箱梁，每孔一个单箱；公路引桥共65孔，均为跨度40米的预应力钢筋砼T梁，每孔8片。下部结构为沉井基础，明挖扩大基础，管柱钻孔桩基础。九江水域地质情况复杂，水深流急，施工难度较大。施工单位在基础工程中采用了双壁钢围堰、泥浆
21、套下沉和空气幕等一系列新技术、新工艺，保证了工程质量，受到我国著名桥梁专家茅以升很高的评价。1973年12月26日正式动工修建，由于客观历史原因，至1992年底公路桥工程完成，1993年元月公路桥建成通车。1994年10月1日开通铁路，通过工程列车，加速京九铁路铺架和按期通车，为合九铁路通车创造了条件。,在九江长江大桥上采用了大量的先进技术，是荣获铁道部科技进步奖最多的一座桥梁，创造了十多项全国第一，为我国建桥事业和科技进步作出了显著的贡献：全桥长度铁路桥全长7675米，是长江上最长的桥。钢梁跨度钢梁跨度216米，是我国跨度最大的铁路、公路两用桥，也是我国最大的一座全栓焊桥梁。钢梁结构15锰钒
22、氮高强度钢、56毫米厚板焊接，高强厚板居我国之首，并达世界水平。钢梁连接大直径27毫米高强度螺栓，预张力30吨，第一次用于铁路桥上，为我国之最。钢梁安装采用双层吊索塔架全伸臂安装跨度180米钢梁，为我国首创，专家评定“具有国际先进水平”。跨度216米带加劲腿桁梁跨中合拢及三大柔性拱合拢，在国内均是第一次，亦达世界先进水平。,基础结构双壁钢围堰钻孔基础，为我国首创，荣获国家级优秀设计奖。个别地质复杂、软弱地层的浮式箱形基础，在我国首次采用。 基础施工泥浆套和空气幕下沉沉井50米，为我国桥梁之最，并首次用于水中基础。直径2.5米反循环旋转钻机，在我国桥梁上第一次使用。 引桥工程铁路40米跨度三段式
23、无碴无枕预应力箱梁，在我国第一次采用。特制箱梁架桥机吊重300吨，为我国之最。在大拱细长吊杆上安装了调谐质量阻尼器，解决了涡激共振问题。经过国内专家鉴定，达到了国内专家先进水平。在九江长江大桥上首次全桥铺设了国内最长（约8公里）的无碴无枕桥上无缝线路。这座桥使用的钢材、水泥、木材等建筑材料，创造了我国 建桥史上的最高纪录。九江长江大桥荣获1981年国家优秀设计一等奖、全国科技大会奖；1999年获中国建筑工程鲁班奖；1999年获国家科技进步一等奖；2000年荣获中国首届土木工程（詹天佑）。,返回,一、设计方法的分类： 设计基本原则：技术先进、经济合理、安全适用、确保质量 1、定值法：容许应力法（
24、钢结构疲劳破坏采用此法）取影响结构功能的各种因素为一定值，凭经验给定一安全系数来考虑变异的影响，属以经验为基础的定性分析阶段，无法定量地度量结构的可靠度。 2、半概率法（20世纪50年代） 考虑了荷载和材料强度的不确定性，用概率法确定其取 值，根据经验定分项安全系数，但仍没有将结构可靠度 与概率联系起来。我国的74规范（TJ17-74)采用此法。,第三节 钢结构的设计方法,3、近似概率设计法20世纪60年代末，采用一次二阶矩法，将确定的极限状态与其概率（可靠度)联系起来。实现了以概率论和数理统计为基础的定量分析阶段，但在分析过程中忽略或简化了基本变量随时间的变化关系，确定分布函数时有一定的近似
25、性，简化了计算关系。 钢结构设计规范（GBJ17-88）、钢结构设计规范 （GB50017-2003）采用此法。,钢结构的设计方法续,二、概率极限状态设计方法除疲劳计算外，钢结构设计规范采用以概率理论为基 础的极限状态设计方法，用分项系数的设计表达式进行计 算。 1、 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 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。分类：承载能力极限状态和正常使用极限状态。,钢结构的设计方法续,钢结构的设计方法续,承载能力极限状态： 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。 整个结构或结构的一部分作为刚体失
26、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），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）。 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； 影响正常使用的其它特定状态。,2、功能函数结构的工作性能可用结构的功能函数Z来描述，设计结构时可取荷载效应S 和结构抗力R 两个基本随机变量来表达结构的功能函数，即Z=g（R，S）RS 显然，Z是随机变量，有以下三种情况
27、：Z0 结构处于可靠状态；Z0 结构达到极限状态；Z0 结构处于失效状态。可见，结构的极限状态是结构由可靠转变为失效的临界状态。由于R和S受到许多随机性因素影响而具有不确定性， Z0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。,钢结构的设计方法续,3、可靠度按照概率极限状态设计法，结构的可靠度定义为结构在规定的时间内，规定的条件下，完成预定功能的概率。“完成预定功能”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有：(1) 在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用；(2) 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
28、久性；(4) 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。,钢结构的设计方法续,规定的设计使用年限（设计基准期）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。 大陆规范规定建筑结构的设计基准期为50年。若以Ps表示结构的可靠度，则有 Ps=P（Z0）记Pf为结构的失效概率，则有 Pf=P（Z0） 显然 Ps= 1Pf因此结构可靠度的计算可转换为失效概率的计算。可靠的结构设计指的是使失效概率小到可以接受程度的设计，绝对可靠的结构（失效概率等于零）是不存在的。,钢结构的设计方法续,Z的分布难求，实际计算困难。 20世纪60年代末，美国学者康奈尔(Cornel
29、l,C.A)提出一次二阶矩的设计 方法，使概率设计法进入实用阶段。,钢结构的设计方法续,如果Z的分布是正态分布，则,令,称作可靠指标,可靠指标 为了使结构达到安全可靠与经济上的最佳平衡，必须选择一个结构的最优失效概率或目标可靠指标。可采用“校准法”求得,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，确定设计规范采用的目标可靠指标值。建筑结构可靠度设计统一标准中明确规定各结构构件的可靠指标。钢结构的各种构件，其可靠指标在3.2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服，可靠指标应比构件为高，一般推荐用4.5。延性破坏，
30、可靠指标低，脆性破坏，可靠指标高。,钢结构的设计方法续,二阶矩的设计表达式： 由 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 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：,4、 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概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数的设计表达式进行计算 结构荷载术语 （1） 对于承载能力极限状态，结构构件应采用荷载效应的基本组合和偶然组合进行设计 。基本组合（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 由可变荷载效应控制的组合：由永久荷载效应控制的组合：,钢结构的设计方法续,钢结构的设计方法续,0结构重
31、要性系数，按下列规定采用：对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件，不应小于1.1；对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件，不应小于1.0；对安全等级为三级或设计使用年限为5年的结构构件，不应小于0.9； G永久荷载分项系数，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时，对由可变荷载效应控制的组合应取1.2，对由永久荷载效应控制的组合应取1.35；当永久荷载效应对结构构件的承载能力有利时，一般情况下取1.0，验算倾覆、滑移或漂浮时取0.9； Q1, Qi第1个和第i个可变荷载分项系数，应按下列规定采用：当可变荷载效应对结构构件的承载能力不利时，在一般情况
32、下应取1.4，对标准值大于4.0kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载取1.3；当可变荷载效应对结构构件的承载能力有利时，应取为0；,S永久荷载标准值的效应；SQ1k在基本组合中起控制作用的第1个可变荷载标准值的效应； SQik第i个可变荷载标准值的效应； ci第i个可变荷载的组合值系数，其值不应大于1；R结构构件的抗力设计值，R=Rk/R，Rk为结构构件抗力标准值，R为抗力分项系数，对于Q235钢，R=1.087；对于Q345、Q390和Q420钢，R=1.111。,钢结构的设计方法续,对于一般排架、框架结构，可以采用简化设计表达式：由可变荷载效应控制的组合：简化设计表达式中采用的荷载组合系数
33、，一般情况下可取=0.9，当只有一个可变荷载时，取=1.0。由永久荷载效应控制的组合仍按式计算。 永久荷载起控制作用的情况：第一个可变荷载的组合值系数为1的楼盖（仪器车间仓库、金工车间、轮胎厂准备车间等）或屋盖（高炉附近的屋面积灰），有大型混凝土屋面板的重型屋盖等。,钢结构的设计方法续,偶然组合（永久荷载、可变荷载和一个偶然作用的组合）：对于偶然组合，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以分项系数；与偶然作用同时出现的可变荷载，应根据观测资料和工作经验采用适当的代表值。 (2) 对于正常使用极限状态，结构构件根据不同设计目的，分别选用荷载效应的标准组合（采用标准值或组合值为
34、荷载代表值的组合）、频遇组合和准永久组合进行设计，使变形、裂缝等荷载效应的设计值符合下式的要求： SdC Sd变形、裂缝等荷载效应的设计值；C设计对变形、裂缝等规定的相应限值。 钢结构的正常使用极限状态只涉及变形验算，仅需考虑荷载的标准组合：,钢结构的设计方法续,荷载分类,1 永久荷载permanent load 在结构使用期间，其值不随时间变化，或其变化与平均值相 比可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。 如结构自重、土压力、预应力等。注:自重是指材料自身重量 产生的荷载(重力)。 2 可变荷载variable load在结构使用期间，其值随时间变化，且其变化与平均值相比 不可以
35、忽略不计的荷载。例如楼面活荷载、屋面活荷载和积灰 荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等。 3 偶然荷载accidental load 在结构使用期间不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时 间很短的荷载。例如爆炸力、撞击力等。,荷载代表值,4荷载代表值representative values of a load设计中用以验算极限状态所采用的荷载量值，例如标准值、 组合值、频遇值和准永久值。建筑结构设计时，对不同荷载应采用不同的代表值。对永久荷 载应采用标准值作为代表值。对可变荷载应根据设计要求采用标 准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值；对偶然荷载应按 建筑结构使用的特点确定其代表值。 5标准
36、值characteristic value/nominal value 荷载的基本代表值，为设计基准期内最大荷载统计分布的特 征值(例如均值、众值、中值或某个分位值)。,6 组合值combination value 对可变荷载，使组合后的荷载效应在设计基准期内的 超越概率，能与该荷载单独出现时的相应概率趋于一致 的荷载值；或使组合后的结构具有统一规定的可靠指标 的荷载值。 7 频遇值frequent value 对可变荷载，在设计基准期内，其超越的总时间为规 定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值。 8 准永久值quasi-permanent value 对可变荷载，在设计基准期内，其超越的
37、总时间约为设 计基准期一半的荷载值。 9 荷载设计值design value of a load 荷载代表值与荷载分项系数的乘积。,荷载组合,1荷载组合load combination 按极限状态设计时，为保证结构的可靠性而对同时出现的各种荷载设计值的规定。 2基本组合fundamental combination 承载能力极限状态计算时，永久作用和可变作用的组合。 3 偶然组合accidental combination 承载能力极限状态计算时，永久作用、可变作用和一个偶然作用的组合。 4 标准组合characteristic/nominal combination 正常使用极限状态计算时，
38、采用标准值或组合值为荷载代表值的组合。 5 频遇组合frequent combinations 正常使用极限状态计算时，对可变荷载采用频遇值或准永久值为荷载代表值的组合。 6 准永久组合quasi-permanent combinations 正常使用极限状态计算时，对可变荷载采用准永久值为荷载代表值的组合。,返回,桥梁结构的设计方法,公路桥涵钢结构及木结构设计规范（JTJ025-86）、公路 桥涵地基基础与基础设计规范（JTJ025-4-85）仍然采用容许 应力设计法。 结构内力计算原则： 1.2.13 结构构件的内力按弹性受力阶段确定。变形按构件的毛 截面计算，不考虑钉（栓）孔削弱的影响。
39、 1.2.14 为简化计算，可将桥跨结构划分为若干个平面系统分别 计算，但应考虑各个平面系统的共同作用和相互影响。 1.2.17 凡承受动应力的结构构件或连接件，应进行疲劳验算。 验算疲劳强度时。可根据桥梁实际行车情况，选用实际经常发 生的荷载组合中的车辆荷载进行计算。对只承受压力的构件和临时性结构物的构件，可不验算疲劳 强度。以压为主兼受拉力的构件，在验算疲劳强度的同时，还 应验算构件的总稳定性。,设计桥涵时，分别计算各种荷载在整个结构各控制截面上的效 应，并根据同时发生的可能性进行组合。经常作用的为主要组 合，加入其他荷载和外力的效应为附加组合。用结构各构件的 各种效应的最不利组合核算各个
40、构件。 计算桥梁结构的各种荷载效应时，可将桥梁结构划分为若干个 平面系统，按照线弹性理论，并可用毛截面几何特性求解内力， 利用材料力学公式计算各构件强度、刚度、变形和稳定性。 材料的容许应力，由规定的材料的弹性极限（或极限强度或流 限）除以（主要以经验确定的）大于1.0的安全系数（公路1.7 2.0）而得。核算主要组合的应力效应时，使用基本容许应力； 核算附加组合的应力时，其容许值可依照规范的规定提高25%50%。,桥梁的设计荷载 公路桥涵设计通用规范（JTJ021-89）,桥梁设计基本原则：实用、经济、安全、美观 1 桥梁设计荷载的分类 2 规范中有关设计荷载的规定 3 荷载组合,1 桥梁设
41、计荷载的分类,1永久荷载（恒载）：结构物自重，桥面铺装，附属设施，土重，土侧压力，基础 变位影响力，水浮力，预加应力，砼收缩徐变影响力。 2可变荷载： 基本可变荷载（活载）：汽车（含冲击力、离心力），平板挂 车，履带车，人群及其土侧压力其它可变荷载：汽车制动力， 支座摩阻力，温度影响力，风力，流水压力，冰压力，铁路桥：列车横向摇摆力，冻胀力 3偶然荷载地震力，船只、漂流物的撞击力，施工荷载等,2 规范中有关设计荷载的规定,1.永久荷载（恒载）跨径20150m，自重占全部设计荷载的3060%以上。跨径越 大，比例越高。 预应力：正常使用极限状态设计时计入承载能力极限状态设计时作为抗力 收缩徐变：
42、超静定混凝土桥梁 2.可变荷载 车辆荷载 计算荷载：公路桥涵设计的荷载标准中把大量、经常 出现的汽车荷载排列成车队形式； 汽车车队：荷载级别的数字表示一辆主车重量（以吨计），除了辆数不限的主车之外，每队车队中均规定有一辆重车,计算荷载的汽车车队汽车-10级，汽车-15级，汽车-20级， 汽车-超20级 在设计四车道桥涵时，考虑到四行车队单向并行通过的机率比较小，计算荷载可以折减30%，但不得小于按两行车队计算的结果。,验算荷载：偶然个别出现的平板挂车、履带车 验算荷载的等级：履带-50，挂车-80，挂车-100，挂车-120 履带车顺桥向可多辆行驶，净距不小于50m，平板挂车全桥只通过一辆。同
43、时不考虑冲击力、人群和其他外力。,城市道路车辆荷载,城市汽车荷载等级 城级汽车荷载 城级汽车荷载 汽车荷载： 车辆荷载 车道荷载 横隔梁、行车道板、桥台或挡土墙后土压力的计算应采用车辆荷载。 主梁、主拱和主桁架等的计算应采用车道荷载。 进行桥梁结构计算时不得将车辆荷载和车道荷载的作用叠加。,城级车辆荷载： 标准载重汽车采用五轴式货车加载，总重700kN,城级车辆荷载： 标准载重汽车应采用三轴式货车加载，总重300kN,城级车道荷载和城级车道荷载应按均布荷载加一个集中荷载计算。 均布荷载和集中荷载的标准值应按桥梁的跨径确定。 跨径2-m城级 计算弯矩，车道荷载的均布荷载标准值qM=22.5kN/
44、m； 计算剪力，均布荷载标准值qQ=37.5kN/m 集中荷载P=140kN 城B级 计算弯矩，车道荷载的均布荷载标准值qM=19.0kN/m； 计算剪力，均布荷载标准值qQ=25.0kN/m 集中荷载P=130kN,城级车道荷载城B级车道荷载,跨径m-150m 城级 计算弯矩，qM=10.0kN/m 计算剪力，qQ=15.0kN/m 集中荷载P=300kN 车道数等于或大于4条时，计算弯矩不乘增长系数。计算剪力乘增长系数1.25。 城B级 计算弯矩，qM=9.5kN/m 计算剪力，qQ=11.0kN/m 集中荷载P=160kN 车道数等于或大于4条时，计算弯矩不乘增长系数。计算剪力乘增长系数
45、1.30。,城级车道荷载城B级车道荷载,车道荷载的横向布置： 每车道为3m宽均布 或等效荷载车轮集中力形式布置 横向轮距同公路桥梁 设计车道数目与行车道总宽度，车道数的横向折减：按城市桥梁设计荷载标准（CJJ 7798）的有关规定执行。,车辆荷载的影响力,冲击力冲击作用：车辆以较高速度驶过桥梁时，由于桥面不平整、车轮不圆、发动机抖动等原因， 使桥梁结构引起振动。 冲击系数：1+ 制动力 制动力：汽车在桥上刹车时，为克服其惯性力而在车轮与路面之间发生的滑动摩擦力。12车道，按荷载长度内一行汽车车队总重的10%计算。但不小于一辆重车的30%。四车道增加一倍。 履带车、平板挂车不计制动力。,离心力
46、曲线桥梁， 时，须考虑。土侧压力按换算的等代均布土层厚度计算,铁路列车荷载,铁路列车荷载:中华人民共和国铁道标准活载（简称“中-活载”） 蒸汽机车,中-活载象征性地模拟列车载重的情况 左面的5个集中荷载相当于一台机车的重量 右侧一段30m长的均布荷载大致与两台煤水车及另一台机车相当 最右侧的均布载重表示列车的（货车）车辆载重，其长不限。 对于跨度很短的桥，往往由3个轴重所组成的特种荷载控制设计。,修订的新荷载标准:与国际铁路联盟（UIC）制订的活载标准相一致,人群荷载,设有人行道的桥梁，在以汽车荷载计算内力时，应同时考虑人行道上人群荷载所产生的内力。 一般公路桥梁的人群荷载规定为 城市郊区行人
47、密集地区一般为 可根据实际情况或参照所在地城市桥梁设计的规定予以确定。,偶然荷载,偶然荷载在设计使用期内不一定出现，但一旦出现，其持续时间较短而数值很大。 公路桥梁的抗震设防一般为设计地震烈度8度，连续梁桥、T形刚构桥等为7度。 公路工程抗震设计规范 通航河流、有漂流物的河流：桥梁墩台，应考虑船只或漂流物的撞击力。,3 荷载组合,组合一（主要设计组合）：基本可变荷载+永久荷载 组合二（附加设计组合）：基本可变荷载+永久荷载+其它可变荷载 组合三（验算组合）：平板挂车、履带车+自重、预应力、土重、土侧压力 组合四（撞击力组合）：基本可变荷载+永久荷载+撞击力 组合五（施工组合）： 施工荷载（自重
48、、脚手架、材料机具、人群、风力、拱的单向推力等） 组合六（地震力组合）： （自重、预应力、土重、土侧压力）+地震力,返回,第四节 钢结构的应用和发展,一、钢结构的应用 （1）大跨度和空间钢结构 钢屋架 网架、网壳结构 悬索结构 拱架结构 空间桁架或空间刚架体系 杂交结构 张拉集成结构 索膜结构 桥梁结构,上海体育馆又称为万人体育馆，坐落在漕溪北路。1976年建，占地10.6公顷。正门内大道两旁，耸立着30米高的两个照明塔内装一千瓦金属卤素放电灯18只。 体育馆的主体是圆形的比赛馆，直径110米，高33米，顶盖采用马鞍型环形大悬挑钢管网架结构，用9000多根无缝钢管和938只钢球拼焊而成，重达660吨，比赛馆的面积为31，000平方米，大厅有座位18000余个。设备新颖，有活动看吧，折迭式的篮球架，程序控制的调节设备，空气调节设备，光电控制系统控制的计时记分牌等，各种国际比赛经常在这里举行。,钢结构的应用和发展续,钢结构的应用和发展续,国家体育场,由瑞士赫尔佐格-德梅隆建筑事务所与中国建筑设计研究院联合提出的方案。,国家体育场建筑体形 上像鸟巢。可容纳10万 人。平面为椭圆形, 长轴340m，短轴292m。 屋盖中间有一个146m 76m的开口，这部分 设计成开合屋盖。 采用加肋薄壁箱形截 面 。,
