1、拱结构,纵向跨度为240m，顶部高55m，拱形骨架有12度的倾角，其截面为3.5m2。,香港大球场,板式结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,以一系列拉索为主要承重构件，这些索按一定的规律组成各种不同的形式，悬挂于相应的支撑结构上，使材料强度在受拉情况下得到充分发挥的结构形式。,索索桁架、斜拉索、悬索,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,武汉军山长江大桥（斜拉）,美国旧金山大桥（悬索）,张拉结构索膜结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Struc
2、ture,斜拉索在钢结构建筑物中的应用,轴心受力构件拉杆、压杆,受弯构件梁,偏心受力构件拉弯杆（偏心受拉）压弯杆（偏心受压）,拱,索,结构中构件主要受力形式,1.4 钢结构的设计方法,1.4.1 钢结构设计变迁,1957年以前：采用总安全系数的容许应力计算法； 19571974：采用三个系数的极限状态计算法； 19741989：采用以结构极状态为依据，进行多系数分 析，用单一的系数表示的容许应力计算法； 1989 ：采用以概率论为基础的极限状态设计法。,缺点：安全系数凭工程经验确定的一定值，这样，各种构件的可靠性将不能保证比较一致的水平。,总安全系数容许应力法,三系数极限状态设计法,特点：明确
3、提出了两种极限状态，采用三个系数来考虑结构构件的安全储备问题，避免单一安全系数的缺陷。,缺点：材质均匀系数概念重复。强度标准不是明确概率取值，而是取钢的废品限值，不符合概率方法。,缺点：各种载荷并不相同，各种构件承受荷载的情 况也不一定相同，构件的几何尺寸变异并不完全一致，采用统一的安全系数显然不可能获得相同的安全度。,以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一安全系数的容许应力计算法,以概率为基础的极限状态设计法,把各种参数（载荷效应、结构抗力等）作随机变量，运用概率分析法并考虑变异性来确定设计采用值。把概率分析引入结构设计方法，显然比容许应力法先进，标志我国在设计理论上前进了一大步，迈入了国
4、际先进水平。,1.4.2 结构概率极限状态设计法,1. 基本概念 结构可靠度：结构在规定的时间（50年），规定的条件（正常设计、正常施工、正常使用、正常维护）下，完成预定功能的概率。 失效概率：结构不能完成预定功能的概率。 结构的功能要求：安全性，适用性，耐久性。 结构作用：施加在结构上的各种荷载及引起外加变形或约束变形的原因（如荷载、地震、基础下沉、温度变化、焊接等） 作用：永久作用，可变作用，偶然作用 作用效应（S）:结构作用引起结构或构件的内力（轴、弯、剪）和变形（挠度、转角）。 结构抗力（R）：结构或构件承受作用效应的能力。,（1）承载能力极限状态结构或构件达到最大承载能力或出现不适于
5、继续承载的变形，包括以下几个方面：,2. 结构的极限状态,整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；,结构构件或连接因超过材料强度而破坏；,结构构件或连接在循环荷载作用下发生的疲劳破坏；,结构构件或结构转变为机动体系；,结构或构件丧失稳定（如压屈等）。,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，这一特定状态称为结构的极限状态。,（2）正常使用极限状态结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定值：,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。,承载力极限状态与正常使用极限状态
6、相比，前者可能导致人身伤亡和大量的财产损失，而后者对生命的危害则较小，主要是引起人们的不适，所以也应该给予足够的重视。,3.概率极限状态设计原理,Z=R-S 称为极限状态方程。 这样，结构可靠概率为 Ps=p(R-S)0,且可靠度 Ps=1-Pf,绝对可靠的结构是不存在的，只要Pf达到人们可以接受的程度是安全的。,可靠指标的引入 结构功能函数 Z=R-S由于S和R均为正态分布的随机变量，其均值和标准差分别为s、s和 R、R。,（1.3.7）,功能函数Z的概率密度曲线,表1.3.1 失效概率和可靠指标的对应关系,值越大，Pf 就越小。 可以作为衡量结构可靠度的一个数量指 标。 可靠度指标,表1.
7、3.2 结构构建承载力极限状态的可靠指标,将 改写为,若规定了，并有R、 S、R、 S，就可利用上式进行设计或验算。,一次二阶矩的近似概率方法,GB50068-2001建筑结构可靠度设计统一标准规定结构构件的极限状态设计表达式，应根据各种极限状态的设计要求，采用有关的荷载代表值、材料性能标准值、几何参数标准值以及各种分项系数等表达。,为了便于应用并符合人们长期以来的习惯，规范并不直接使用进行设计，而利用式: 来完成。就设计而言，问题被转化为计算效应S和抗力R。,4.设计表达式,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,在荷载效应的基本组合条件下，
8、式（1.3.11）可转化为等效的以基本变量标准值、分项系数和组合系数，并以应力形式表达的极限状态公式。,可变荷载起控制作用时：,永久荷载起控制作用时：,1）承载能力极限状态分项系数表达式,对于一般排架和框架结构：,（1.3.14）,（2）可变荷载的分项系数 （gQ）-一般情况下应取1.4；-对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载标准值应取1.3。,（1）永久荷载分项系数 （gG）,当其效应对结构不利时-对可变荷载效应控制的组合，应取1.2;-对永久荷载效应控制的组合，应取1.35;,当其效应对结构有利时-一般情况下应取1.0；-对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。,fd 或f
9、钢材或连接材料强度设计值。,fk钢材或连接材料强度标准值。,R钢材或连接材料抗力分项系数，对于Q235 钢R =1.087；Q345、Q390、Q420钢R=1.111 。,钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。 （P3813页，附录1）,对于正常使用极限状态，要求分别采用荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计，并使变形等设计值不超过相应的规定限值。对于钢结构只考虑荷载的标准组合。,Gk -永久荷载标准值在结构或构件中产生的变形值； Q1k起控制作用的第1个可变荷载的标准值在结构或结构构件中产生的变形值（该值使计算结果为最大）；,(1.3.15),2）正常使用极限状态,Qik-其他
10、第i个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值。-结构或结构构件的容许变形值。(P384-5页，附录2),1.4.3 结构内力的分析方法,1. 一阶弹性分析,框架柱顶位移为：,固端弯矩为：,（1.3.16）,（1.3.17）,图1.3.2b，e框架和悬臂柱按一阶弹性分析：,力的平衡条件按变形前的结构杆件轴线建立，不考虑结构变形对内力的影响，可以利用叠加原理。,2. 框架结构的近似二阶弹性分析,（1）二阶弹性分析力的平衡条件是按发生变形后的杆件轴线建立的,图1.3.2c，f 框架和悬臂柱按二阶弹性分析：,（1.3.18）,（1.3.21）,（1.3.19）,（1.3.20）,（2） 框架结构的近
11、似二阶弹性分析,（1.3.25）,a2i称为考虑P-二阶效应的侧移增大系数。,式中：,框架二阶弹性分析的近似解是利用一阶弹性分析分析的结果乘以考虑P-二阶效应的侧移弯矩增大系数a2i计算。,（1.3.27）,钢结构设计规范GB50017-2003规定当 宜采用二阶弹性分析,采用二阶弹性分析荷载与位移呈非线性，叠加原理不再适用。,1.高性能钢材的研制与应用采用高强度钢材，可以达到节省钢材，减轻自重的目的；改进钢材的耐腐蚀和耐火性能。,2.结构计算理论的研究目前对于一般的钢结构计算问题已有成熟的计算方法。但对于某些特殊结构形态及荷载条件下的结构体系、构件、节点则还要进行深入的分析，这主要是动力问题
12、、非线性问题、稳定问题和疲劳问题的研究。研究的成果用于指导设计规范的编制。,1.5 钢结构的新发展,“鸟巢”结构中首次使用由河南舞阳特种钢厂研发生产Q460规格的钢材；钢板厚度达到110毫米。,3.新型钢结构建筑体系的研究与应用如轻钢结构、网架（网壳）结构、预应力钢结构、张拉结构、钢与混凝土组合结构的研究等。这是一类综合性的研究，涉及主体结构、节点、配套材料及施工工艺。这些研究成果可直接转换为社会生产力。,4.制造工艺和安装方法的研究钢结构的建造离不开良好的制造和安装技术。实现机电一体化，用软件把钢材切割、焊接技术和焊接标准集成一起，保证质量又节省劳动力。,1.6 本课程的学习,课程主要内容、
13、特点,钢结构设计原理 材料、连接、基本构件 结构设计,课程设计,授课计划,钢结构设计、施工基本框架,课程学习方式与要求,整体 局部 整体基本理论、基本概念、基本方法放在首位归纳、分析、比较，加深理解理论联系实际听课 出勤、笔记、复习、看课件读书 教材、规范、参考书作业 按时交，自己做成绩 平时20%+考试80,课堂纪律,请关闭手机或设置在振动,请不要将食物带入教室,请不要在座位上长时间交流,请准时到课堂,通过本章的学习，掌握钢结构的特点和钢结构的应用范围；理解钢结构按极限状态的设计方法，掌握其设计表达式的应用；初步了解钢结构的主要结构形式；了解钢结构在我国的发展趋势；为进一步深入学习钢结构知识打下基础。,
