1、河海大学钢结构课件,Steel Structure,钢结构（第三版） 多媒体课件,河海大学,河海大学钢结构课件,Steel Structure,第一章 概 论,第一节 钢结构的特点和应用,钢结构是用钢材制造而成的工程结构。通常它采用型钢、钢索、钢板加工制造而成。钢结构是土木工程的主要结构形式之一。钢结构与钢筋混凝土结构、砌体结构等都属于按材料划分的工程结构的不同分支。钢结构与其它结构相比，具有下列特点：,一. 钢结构的特点 :,河海大学钢结构课件,Steel Structure,1.可靠性高, 钢材在钢厂生产时，整个过程可严格控制，质量比较稳定;, 钢材组织均匀，接近于各向同性匀质体；钢材的物
2、理力学特性与工程力学对材料性能所作的基本假定符合较好；, 钢结构的实际工作性能比较符合目前采用的理论计算结果;, 钢结构通常是在工厂制作，现场安装，加工制作和安装可严格控制，施工质量有保证。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,2.材料的强度高，钢结构自重轻,钢材与其它材料相比，它的强度与重力密度之比要高得多 (混凝土：1.252.4106；钢：3.14.9106)。在同样的受力条件下，钢结构用材料少，自重轻。以24m跨度厂房屋架为例，当承受相同的荷载时，每榀钢屋架的重量为2.12.7t，而预应力钢筋混凝土屋架的重量为6.411.3t，后者为前者的34倍。若采用冷弯薄壁型钢屋架
3、，其自重接近钢筋混凝土屋架的1/10。,钢结构自重轻，便于运输和安装，基础费用低。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,3.钢材的塑性和韧性好,钢材的塑性好：钢结构破坏前一般都会产生显著的变形，易于被发现，可及时采取补救措施，避免重大事故发生。,钢材的韧性好：钢结构对动力荷载的适应性强，具有良好的吸能能力，抗震性能优越。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,4.钢结构制造简便，施工工期短,钢结构一般在专业工厂制造，易实现机械化，是工程结构中工业化程度最高的一种结构。构件制造完成后，运至施工现场拼装成结构。施工工期短，可尽快发挥投资的经济效益。钢结构由于连接的特性
4、，易于加固、改建和拆迁。例如，南京三桥实际建设工期2年零2个月，比核准工期4年提前了22个月。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,5.钢结构密闭性好,钢结构采用焊接连接可制成水密性和气密性较好的常压和高压容器结构和管道。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,6.钢材的耐锈蚀性差,在没有腐蚀性介质的一般环境中，钢结构经除锈后再涂上合格的防锈涂料后，锈蚀问题并不严重。但在潮湿和有腐蚀性介质的环境中，钢结构容易锈蚀，需定期维护，增加了维护费用。我国已研究生产出抗锈蚀性能良好的耐大气腐蚀钢，并用于工程结构。例如，南京长江三桥（设计寿命100年）选用氟碳涂料，可保持钢塔
5、 50年不生锈。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,7.钢结构耐热但不耐火,当普通钢材温度在200oC以内时，钢材的主要性能变化很小，具有较好的耐热性能。当温度达600oC以上时，钢材的承载力几乎完全丧失，所以说钢材不耐火。当温度在250oC左右时，钢材的塑性和韧性降低，破坏时常呈脆性断裂。,考虑一定的安全储备，当结构表面长期受辐射热温度不小于150oC时，需加以隔热防护。当有防火要求时，要采取防火措施。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,某38米钢塔过火后的脚手架,河海大学钢结构课件,Steel Structure,8.钢材在低温时脆性增大,在负温度区,钢
6、材的塑性和韧性随着温度降低 而变差。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,二、钢结构的应用范围,大跨度结构,1.,应根据钢结构的特点，注意扬长避短，合理使用钢结构。在建筑工程和水利水电工程中，钢结构的主要应用范围如下：,高层建筑,2.,轻型结构,4.,工业建筑,3.,活动式结构,6.,高耸结构,5.,可拆卸或移动的结构,7.,8.,容器和大直径管道,抗震要求高的结构,9.,10.,急需早日交付使用的工程或运输条件差的工程,特种结构,11.,12.,钢桥,住宅,13.,河海大学钢结构课件,Steel Structure,1.大跨度结构,随着结构跨度增大，结构自重在全部荷载中所占比
7、重也就越大，减轻自重可获得明显的经济效益。对于大跨度结构，钢结构重量轻的优点显得特别突出。,上海8万人体育馆,南京奥体中心主体育场,中国国家体育场,国家大剧院,上海浦东机场,英国伦敦的“世纪展览馆”,河海大学钢结构课件,Steel Structure,上海8万人体育馆：径向悬挑桁架和环向桁架组成的空间钢屋盖结构。长轴为288.4m, 短轴为274.4m，最大悬挑跨度达73.5m。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,中国国家体育场：体育场外观即结构，犹如树枝织成的鸟巢，其灰色矿质般的钢网以透明的膜材料覆盖，最长的钢梁达300米。可容纳10万人。,河海大学钢结构课件,Steel
8、Structure,南京奥体中心主体育场：屋盖为直径285.6m的圆，建筑面积13.6万m2，6万个座位。结构采用钢拱（钢管桁架，钢管直径1m）、钢箱梁（宽0.5m，高1.12.1m）、支撑杆件组合结构。钢拱跨度360.6m，45度斜放。形似飘动的皇冠。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,国家大剧院：位于人民大会堂西侧，大圆壳长218米、宽146米、高46米、厚3米。12万m2，由歌剧院（2500座）、音乐厅（2000座）、戏剧场（1200座）位和小剧场（300至500座）四大部分组成。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,上海浦东机场：设计体现了“人、建筑、
9、环境“和谐共存的主题，大面积醉人的绿地和碧波荡漾的环境水池，衬托着轻巧透亮得航站楼就像一只展翅翱翔的海鸥，寓意着上海的腾飞。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,英国伦敦的“世纪展览馆”：直径365m钢骨架膜结构圆形建筑。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,2.高层建筑,高层建筑已成为现代化城市的一个标志。钢材强度高和钢结构重量轻的特点对高层建筑具有重要意义。强度高则构件截面尺寸小，可提高有效使用面积。重量轻可大大减轻构件、基础和地基所承受的荷载，降低基础工程等的造价。当今世界上最高的50幢建筑中，钢结构和钢砼混合结构占80%以上。世界第一高楼将会越长越高。,
10、河海大学钢结构课件,Steel Structure,马来西亚吉隆坡佩重纳斯(石油)大厦： 也称双子塔，95层，高452米，在2004年10月以前是世界上最高的建筑。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,TAIPEI 101：高508m（天线60m），1015层，2.3万m2 。集办公、购物及观景为一体，2004年10月8日 注册世界第一高楼。101代表超越， “TAIPEI” 代表：科技(Technology)、艺术(Art)、创新(Innovation)、人性(People)、环保(Environment)和认同(Identity)六大特质。采用巨型框架结构，每8层设一或二层
11、楼高的巨型桁架。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,上海金茂大 厦：88+3层，88层为观光厅,主体高度为340.1m，总高420.5m。用钢14000t，28.7万m2。大厦桩深83.5m。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,上海环球金融中心：上海总想建世界第一高楼。上海环球金融中心97年7月和03年2月两次开工建设。 新方案把460m高的94层改为492m,101层，计划于2008年初建成。台北 101高508m，包括60m高的天线。该楼采用钢框架钢筋混凝土筒混合结构。在90-97层、距地面405m处，将出现世界最高的观光平台。圆形开口处设置了开放式的天
12、桥。总建筑面积37.7万m2。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,美国纽约的世界贸易中心大楼,110层，高417m，100万m2。办公人员5万，每日来访和观光8万。施工期间无工人死亡。,93年2月26日地下停车场发生爆炸，6人死亡，1000多人受伤。三层楼板被炸穿，无大影响。75年2月11层失火，三小时控制火势，直接损失100万美元。,01年9月11日，北京时间20:45一757飞机（起飞重量达104t，可载油35t）撞击北塔楼， 9499层直接受损，22:28倒塌；21:03一767飞机（起飞重量达156t，载油51t)撞击南大楼，7884层直接受损，22:05倒塌。客机的
13、起飞重量加上约1000公里的飞行速度，撞击力总共相当于2万多公斤的黄色炸药。撞击使世贸中心产生巨大晃动（1m），但内部和外部并没有严重塌落，从撞到塌时间较长，楼内人员可以逃生，世贸中心死亡人数2797人(其中失踪59人，机组156人）。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,撞！,烧！,塌！,河海大学钢结构课件,Steel Structure,紐約世貿中心重建設計方案：利贝斯金德设计為高度541m的螺旋高塔和頂端呈斜角狀的塔樓群，核心建筑是两座高达541米的大楼（ 1776英尺象征1776年美国独立的精神永远不死）。建筑群包括斜顶状塔楼、玻璃帷幕的“世界花园”和用以连接周边建筑的
14、弧形空中走廊等。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,3.工业建筑,当工业建筑的跨度和柱距较大，或者设有大吨位吊车，结构需承受大的动力荷载时，往往部分或全部采用钢结构。,西安变压器电炉厂的总装车间，l = 36m，高30余米，Q=(400+50+1)t。,为了尽快发挥投资效益，近年来我国的普通工业建筑大量采用了钢结构。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,马钢平改转工程：占地面积1.98万平米，钢结构总重量1.79万吨。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,马鞍山钢铁公司钢结构加工厂房,河海大学钢结构课件,Steel Structure,北京变压
15、器厂主厂房：跨度24m+18m+15m,河海大学钢结构课件,Steel Structure,4.轻型结构,称使用荷载较小或跨度不大的结构为轻型结构。自重是这类结构的主要荷载，常采用冷弯薄壁型钢或小型钢制成的轻型钢结构。,国内跨度最大的轻钢结构是大连某粮食仓库，l =72m，8000m2 ，结构用钢量49.7kg/m2 。近年来金属拱型波纹屋盖已用于建筑工程。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,南京铁路旅客主站房：2005年9月21日投入运行，主站房长279米、宽64.5米， 主站房的檐口标高30米左右。主站房前面东西各配置有行车天桥，以保证车辆穿行畅通，站台配备顶蓬，以方便旅
16、客乘车。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,游泳中心,安徽中州家具市场内景,河海大学钢结构课件,Steel Structure,5.高耸结构,如塔架和桅杆等，它们的高度大，横截面尺寸较小，风荷载和地震作用常常起主要作用，自重对结构的影响较大，常采用钢结构。加拿大多伦多电视塔高553.34米，目前世界第一。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,上海东方明珠电视塔：468米高,河海大学钢结构课件,Steel Structure,黑龙江广播电视塔：（龙塔）高336m，为正八边形抛物线型钢管塔。为多功能电视塔，兼具广播与电视发射、旅游观光、电信、科普教育等多项功能,
17、为哈尔滨市标志性景观。塔楼标高从181m到214m，8层 。井道为封闭式圆筒形，直径8.5m，内设三台电梯、两座消防楼梯、四个设备管道井。塔座共五层，地下一层，地上四层，为球冠形钢砼结构。其内部有直径40m、高27m的圆形共享大厅十分壮观。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,酒泉卫星发射中心火箭垂直总装测试厂房 集火箭、宇宙飞船总装和测试一体，高100m，钢结构工程施工技术获国家科技进步一等奖。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,发射“神舟”飞船的塔架,河海大学钢结构课件,Steel Structure,6.活动式结构,如水工钢闸门、升船机等，可充分发挥钢结
18、构重量轻的特点，降低启闭设备的造价和运转所耗费的动力。,我国三峡工程的永久船闸采用双线五级连续梯级船闸，总水级差113m，闸门孔口净宽34m，每级均采用人字钢闸门，共有12道24扇闸门，每扇闸门高38.5m，宽20m，重864t。船过船闸一般需2小时35分钟。三峡升船机承船箱长120m，宽18m，水深3.5m，提升重量可达1.18万吨，提升高度113m。30分钟过坝，计划2009年建成。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,河海大学钢结构课件,Steel Structure,河海大学钢结构课件,Steel Structure,7.可拆卸或移动的结构,如施工用建筑和钢栈桥、流动式
19、展览馆、移动式平台等，可发挥钢结构重量轻，便于运输和安装方便的优点。加拿大已建成120多万吨重，可容5000多人工作的海上采油平台。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,海上采油平台：东海平湖平台可供90人居住、工作、娱乐。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,8.容器和大直径管道,如贮液（气）罐、 输油（气、原料）管道、水工压力管道等。,三峡水利枢纽工程中的 发电机组采用的压力钢管内径达12.4m，板厚达60mm。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,9.抗震要求高的结构,可发挥钢结构动力性能好的优点。,10.急需早日交付使用的工程或运输条件差
20、的工程,可发挥钢结构施工工期短和重量轻便于运输的特点。,11.特种结构,钢烟囱（上海宝钢烧结厂钢烟囱高达200多米）、钢水塔等。北京“中华世纪坛” 该钢结构圆坛直径47m，重达 1400t，倾斜19.4度，转一周时间为424小时。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,河海大学钢结构课件,Steel Structure,重建的“雷峰塔”：2002年10月25日在杭州落成。 塔总高71.679米，塔身高45.809米，地上六层地下二层总共八层。采用钢结构框架，用钢1400t。总建筑面积6089平方米。造价1.5亿元。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,宝钢高炉,河
21、海大学钢结构课件,Steel Structure,12.钢桥,南京长江大桥：为钢桁架桥160m,河海大学钢结构课件,Steel Structure,江阴长江大桥：主跨1385米，主塔高193米，主缆直径86.6厘米、长2200 米，居悬索桥世界第五，国内第二。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,润扬大桥： 05年4月30日通车, 由斜拉桥和悬索桥两种桥型组合而成的桥 梁，南汊桥为跨径1490米的钢箱梁悬索桥，为中国第一，世界第三 的悬索桥, 索塔高215.58米 。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,南京长江三桥 05年10月7日通车。国内第一座钢塔（高21
22、5米）斜拉桥，也是世界上 第一座弧线形斜拉桥。跨江大桥长4744米,主桥跨径648m。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,上海卢浦大桥：目前世界上最大的中承式钢结构拱桥，总投资约24亿元。 该桥主跨550米，2002年10月12日合龙,03年8月完工。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,伦敦的塔桥：1894年建成，此桥的边跨为罕见的三铰悬挂。悬挂单元于桥面之 间是加劲桁架，一方面加强悬挂单元的刚度，另一方面抵抗桥面的弯 矩和剪力。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,伦敦的塔桥加劲桁架近景,河海大学钢结构课件,Steel Structure,
23、伦敦的塔桥中间铰近景,河海大学钢结构课件,Steel Structure,13.住宅,河海大学钢结构课件,Steel Structure,300平方米的住宅8人10个工作日 即可完成装配，2个月内交付使用。,钢结构住宅,河海大学钢结构课件,Steel Structure,马钢光明新村住宅施工阶段照片,河海大学钢结构课件,Steel Structure,马钢光明新村住宅 18层，钢框架-剪力墙-支撑结构体系,河海大学钢结构课件,Steel Structure,上海中福城 1+17层，钢框架-剪力墙结构体系。柱距7.8米。地下为车库和设备 用房，1为商场， 17为住宅。采用马钢耐火H型钢。,河海大
24、学钢结构课件,Steel Structure,总结： 综上所述可见，钢结构是在各种工程中广泛用 的一种重要的结构形式。随着我国经济建设的发展 和钢产量的提高，钢结构将会发挥日益重要的用。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,第二节 钢结构的设计方法,一结构设计的目的：,河海大学钢结构课件,Steel Structure,第二节 钢结构的设计方法,一结构设计的目的：,结构的安全性、适用性、耐久性总称为结构的可靠性。结构设计（计算）的目的是在满足各种预定功能的前提下，做到技术先进、安全适用、经济合理和确保质量。要实现这一目的，必须借助于合理的设计方法。,二设计方法：,荷载效应S （
25、荷载作用引起的结构或构件的内力、变形等）,结构抗力R （结构或构件承受荷载效应的能力，如承载力、刚度等）,1影响结构 可靠性的因素,Z = R- S Z结构完成预定功能状态的函数。 Z 0结构处于可靠状态； Z 0 结构处于失效状态； Z0结构处于临界状态，一旦超过这一状态，结构将不再能满足设计要求，因此它也称为极限状态。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,二设计方法：,2概率极限状态设计法,正常使用 极限状态,承载能力 极限状态,1)、结构设计应考虑下列两种极限状态,结构或构件达到最 大承载力，或不适 于继续承载的变形 的极限状态。,强度极限状态 出现全截面塑性,并形成机构
26、;,稳定状态 整体或局部失去稳定而不能承担更大的荷载;,设计用极限状态根据实际工程需要,约定没有达到极限承载力,设计需要的极限状态，如局部失稳极限状态等。,结构或构件达到使用功能上允许的某一限值的极限状态。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,二设计方法：,2概率极限状态设计法,1)、结构设计应考虑下列两种极限状态,2)、结构可靠度,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(Pr ),Pf =P (z0),Pr=P(z0)=1- Pf,设计使用年限分类,河海大学钢结构课件,Steel Structure,二设计方法：,2概率极限状态设计法,1)、结构设计应考虑
27、下列两种极限状态,2)、结构可靠度,3)、钢结构设计规范(GB50017)设计方法,对于承载能力极限状态 采用应力表达式,正常使用极限状态,4)、现行水工、桥梁钢结构专门规范的设计方法,河海大学钢结构课件,Steel Structure,第三节 钢结构的发展,一钢结构快速发展的条件：,1、我国96年钢产量突破1亿吨，03年突破2亿吨：2.2亿吨，增22.38。04年2.7亿吨，增23.2。 05年3.5亿吨，高的钢产量为发展钢结构提供了物质基础。,2.一系列的规范和规程的颁发为我国的钢结构发展提供了必要的技术 基础。,3.高的建设速度要求，需要大量采用钢结构。钢结构施工工期短。,4.人们追求低
28、强度劳动和好的工作环境，促使大量采用钢结构。钢结 构工厂化生产，现场安装，机械化程度高。,5.钢结构是环保型的、易于产业化和可再次利用或者说可持续发展的 结构，积极合理地扩大在工程中的应用是必然趋势。 随着我国经济建 设的发展和钢产量的提高，钢结构将会在土木工程建设中发挥日益重要 的作用。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,一钢结构快速发展的条件：,二钢结构发展的几个方面： 1. 设计方法和计算理论的改进,第三节 钢结构的发展,1,水工、桥梁钢结构应早日采用概率极限状态设计法。,2,(GB50017)向采用更为先进合理的全概率极限状态设计法的方向努力,3,设计由构件或某一截面
29、的可靠度，向以整个结构体系可靠度全过程分析,4,钢结构的计算理论，如稳定计算、塑性设计、优化设计、在动力荷载作用下的性能和抗灾（地震、风、火）新技术等，都需要进一步深入研究。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,一钢结构快速发展的条件：,第三节 钢结构的发展,二钢结构发展的几个方面：1. 设计方法和计算理论的改进,2. 高性能钢材的应用,高性能钢材主要是指高强度钢材和普通强度高性能钢材。高性能主要 体现在钢材的耐气候性能（抗腐蚀性能）、焊接性能、低温韧性、抗 脆断性能、高温蠕变、疲劳性能以及持久强度等方面。,高强度钢材,可以减小结构自重，对于跨度大、荷载大的结构和移动式结构极为
30、有利。日本的大阪港大桥大量使用了780N/mm2级高强钢板。在水电站已使用由780N/mm2和950 N/mm2级高强度钢板焊成的高强度钢板焊成的压力管。我国目前可采用的高强度结构钢主要有Q420，对于承受较大动力荷载的焊接钢结构。研究强度更高的钢材及其合理使用将是重要的课题。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,一钢结构快速发展的条件：,第三节 钢结构的发展,二钢结构发展的几个方面：1. 设计方法和计算理论的改进,2. 高性能钢材的应用,高性能钢材主要是指高强度钢材和普通强度高性能钢材。高性能主要 体现在钢材的耐气候性能（抗腐蚀性能）、焊接性能、低温韧性、抗 脆断性能、高温蠕
31、变、疲劳性能以及持久强度等方面。,高强度钢材,生产和推广应用 经济断面钢材,轧制H型钢、T型钢、冷弯型钢、压型钢板等。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,一钢结构快速发展的条件：,第三节 钢结构的发展,二钢结构发展的几个方面：1. 设计方法和计算理论的改进,2. 高性能钢材的应用,高性能钢材主要是指高强度钢材和普通强度高性能钢材。高性能主要 体现在钢材的耐气候性能（抗腐蚀性能）、焊接性能、低温韧性、抗 脆断性能、高温蠕变、疲劳性能以及持久强度等方面。,高强度钢材,生产和推广应用 经济断面钢材,研制和应用 高性能结构钢,（1）耐火钢：我国已生产耐火耐候钢并用于工程建设。 （2）
32、耐大气腐蚀钢（耐候钢）：在腐蚀较强的环境条件下,具有较强工作性能的钢材。使用可不涂装，使钢结构寿命期内的总费用降到最低。钢桥中耐候钢应用率日本为5%7%,美国约45%。 （3）低屈强比耐震结构钢：钢材的屈强比越低，材料破断前产生稳定塑性变形的能力越高，吸震性能越好。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,一钢结构快速发展的条件：,第三节 钢结构的发展,二钢结构发展的几个方面：1. 设计方法和计算理论的改进,2. 高性能钢材的应用,3. 结构形式的革新,新型结构：如网架和网壳结构、轻型和超轻型钢结构、预应力结构、悬挂结构、钢混凝土组合结构、钢混凝土混合结构、高层和超高层结构（筒中筒、束筒、巨型结构）、索膜结构、索网结构和其它杂交结构。,河海大学钢结构课件,Steel Structure,一钢结构快速发展的条件：,第三节 钢结构的发展,二钢结构发展的几个方面：1. 设计方法和计算理论的改进,2. 高性能钢材的应用,3. 结构形式的革新,4. 制造工业水平的提高,改进钢结构制造的工艺和进行设备更新，提高机械化和自动化水平。应促进一些结构形成系列化、标准化、产品化，实现工厂化批量生产，作为产品投放市场，降低造价。,
