钢结构设计原理课件

4.4.了解杆件和板件稳定的基本理论，理解影响稳定性了解杆件和板件稳定的基本理论，理解影响稳定性的主要因素及提高稳定性的措施；的主要因素及提高稳定性的措施；3.3.掌握钢结构用钢的主要性能及其主要影响因素，并能掌握钢结构用钢的主要性能及其主要影响因素，并能正确地选择钢材；正确地选择钢材；2.2.理解理解“钢结构钢结构”的计算方法；的计算方法；1.1.了解钢结构的应用和发展概况了解钢结构的应用和发展概况,掌握钢结构的特点；掌握钢结构的特点；本课程的基本要求本课程的基本要求5.5.掌握各种连接（焊接、螺栓连接）和各类构件掌握各种连接（焊接、螺栓连接）和各类构件(梁、梁、柱和屋架柱和屋架)的工作性能、破坏特征及其设计的基本方法。的工作性能、破坏特征及其设计的基本方法。6.6.理解构件间的连接方法、力的传递方式和过程以及理解构件间的连接方法、力的传递方式和过程以及构造原则；构造原则；教学参考书及规范教学参考书及规范:1.1.钢结构钢结构 魏明钟魏明钟 主编主编 武汉工业大学出版社武汉工业大学出版社2.2.钢结构设计规范钢结构设计规范 （50017-2003)50017-2003)7.7.熟悉与土木工程相关的钢结构设计规范。熟悉与土木工程相关的钢结构设计规范。3.3.钢结构工程施工质量验收规范钢结构工程施工质量验收规范 （50205-2001)50205-2001)第一章第一章 绪绪 论论()()学习要点学习要点掌握钢结构的特点和钢结构的应用范围。掌握钢结构的特点和钢结构的应用范围。()()2 2理解钢结构按极限状态的设计方法，掌握其设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。计表达式的应用。(,)(,)3 3了解钢结构在我国的发展趋势。了解钢结构在我国的发展趋势。1.1 1.1 钢结构的特点和应用范围钢结构的特点和应用范围1.1.轻质高强轻质高强;(,)(,)由于钢材强度高，结构需要的构件截面由于钢材强度高，结构需要的构件截面小小,结构自重轻。结构自重轻。容重容重/强度强度,a,a越小，结构相对越轻。越小，结构相对越轻。钢材：钢材：1.71.73.710-43.710-4；木材：木材：5.410-45.410-4；钢砼：钢砼：1810-4 1810-4；一、钢结构的特点一、钢结构的特点澳大利亚啤酒中心澳大利亚啤酒中心 2.2.钢材的塑性和韧性好；（钢材的塑性和韧性好；（,),)塑性和韧性是概念上完全不同的两个物理量。塑性和韧性是概念上完全不同的两个物理量。塑性塑性承受静力荷载时，材料吸收变形能的能力。承受静力荷载时，材料吸收变形能的能力。塑性好，会使结构一般情况下不会由于偶然超载而塑性好，会使结构一般情况下不会由于偶然超载而 突然断裂，给人以安全保证；突然断裂，给人以安全保证；韧性韧性承受动力荷载时，材料吸收能量的多少。承受动力荷载时，材料吸收能量的多少。韧性好，说明材料具有良好的动力工作性能。韧性好，说明材料具有良好的动力工作性能。3.3.材质均匀、各向同性，接近理想的弹塑性体，与力材质均匀、各向同性，接近理想的弹塑性体，与力 学假定符合较好学假定符合较好;();()钢材屈服前看作弹性材料钢材屈服前看作弹性材料,屈服以后看作塑性或屈服以后看作塑性或弹塑性材料弹塑性材料4.4.制作、安装简便，工期短，符合工业化要求制作、安装简便，工期短，符合工业化要求;国国家家大大剧剧院院屋屋架架安安装装钢结构住宅钢结构住宅5 5、密闭性好，不渗漏、密闭性好，不渗漏;便于做成密闭结构（气罐，液罐等）便于做成密闭结构（气罐，液罐等）6 6、钢材耐热性好，耐火性差、钢材耐热性好，耐火性差;低温易冷脆；低温易冷脆；当结构表面长期受辐射热达当结构表面长期受辐射热达 150 150 以上或在短时间内可以上或在短时间内可能受到火焰作用时，须采用隔热和防火措施。能受到火焰作用时，须采用隔热和防火措施。若发生火灾结构达到若发生火灾结构达到500500以上温度时，可能骤然崩溃。以上温度时，可能骤然崩溃。7 7、钢材耐腐蚀性差。（）、钢材耐腐蚀性差。（）镀锌或油漆，定期维护。维护费用比钢砼结构高。镀锌或油漆，定期维护。维护费用比钢砼结构高。1.1.撞机撞机1 12.2.撞机撞机2 2二、世界贸易中心倒塌过程网架结构拱结构桥梁二、钢结构的应用范围二、钢结构的应用范围1.大跨度结构大跨度结构（)国家体育场的“鸟巢”是由一系列辐射式门式钢桁架围绕碗状坐席区旋转而成，结构科学简洁，设计新颖独特，为国际上极富特色的巨型建筑。天津体育场天津体育场千千年年穹穹顶顶西班牙迪加航空港上海会展中心单层厂房单层厂房多多层层工工业业厂厂房房2.2.工业厂房工业厂房金陵石化总厂金陵石化总厂 厂厂 房房 结结 构构3.3.承受动力荷载及承受动力荷载及 地震作用的结构地震作用的结构 帝帝王王大大厦厦4.高层建筑与高耸结构高层建筑与高耸结构 金金茂茂大大厦厦8888层层420420米米北北京京财财富富中中心心东京千年塔东京千年塔高耸结构包括塔架以及桅杆等结构，如广播、电视发射塔架和高压输电线路等，高耸结构主要承受风荷载5.5.道路、桥梁结构道路、桥梁结构(,)(,)6.6.水利、水工结构水利、水工结构海上石油平台海上石油平台(1).(1).波纹拱壳结构波纹拱壳结构7.轻型房屋钢结构轻型房屋钢结构()v大跨度波纹拱屋盖v 我国东北、内蒙古、新疆曾有大量使用，用于仓库、临时罩棚等设施。但有些结构在大雪后倒塌。v破坏原因：波纹拱的畸变屈曲没有给予很好的考虑。结构形式上看，拱形波纹钢屋盖结构是一种薄壁钢拱壳结构，由于所用钢板很薄，（0.61.5），结构的截面高度受成型设备的限制又不能随意加大，因此当跨度较大时，这种结构刚度较低，在荷载作用下明显表现出二阶受力特征。结构组成板件上因结构成型需要而压出的横向小波纹，对板件的局部力学性能及结构整体受力性能影响很大，薄壁结构对缺陷也敏感。破坏后所有事故均与大雪有关，97年至今有10万平方米塌落。(2)(2)门式刚架结构门式刚架结构()()（5）轻型钢结构（3 3）多层轻型房屋建筑）多层轻型房屋建筑活动车库活动车库8.8.可拆卸及移动房屋可拆卸及移动房屋法尔科克转轮（法尔科克转轮（）会工作的雕塑）会工作的雕塑2002年5月24日，由 英女皇揭幕正式落成。建筑设计：其中，升降转轮部分由爱丁堡公司设计，游客接待中心由格拉斯高公司设计。结构设计：主要分析软件：建筑+机械的创举，多学科的融合也许是未来结构发展应用的一个方向。作为世界第一个旋转式船舶吊桥，耗资2600万美元的 的开通使苏格兰中部连接大西洋和北海的水道再度畅通。旋转吊桥的巨大起重机配备10个水压马达，能在15分钟内，将4艘船（包括水）起吊到33米高度。与此同时，另一只吊臂将4艘船放下。转轮位于格拉斯哥和爱丁堡两个城市的中央，一条100米水渠的顶端。工业技术的美停止状态，上部船只可以离开转轮。下部等待船只进入。工作中施工中1：游客中心背景施工中2：游客中心内部施工中3：游客中心另端运载船只的漕箱的腹部齿轮转轮全景上方沟渠桥渠底部施工的工人和转轮的尺寸使用中9.9.构筑物及容器构筑物及容器 壳壳体体结结构构壳 体 结 构1.2 钢结构的设计方法一、钢结构设计方法的演变一、钢结构设计方法的演变1957年以前年以前：采用总安全系数的容许应力计算法：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：采用三个系数的极限状态计算法19741989：采用以结构极限状态为依据，进行多：采用以结构极限状态为依据，进行多系系 数分析，用单一的系数表示的容许应力计算法数分析，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：采用以概率论为基础的极限状态设计法1.1.容许应力方法容许应力方法 从从2020世纪初到世纪初到2020世纪世纪5O5O年代，钢结构年代，钢结构采用安采用安 全系数法设计，即全系数法设计，即:构件截面的内力；构件截面几何特征；构件截面的内力；构件截面几何特征；钢材的最大强度；大于钢材的最大强度；大于1的安全系数；的安全系数；钢材的容许应力。钢材的容许应力。2.2.概率极限状态设计方法概率极限状态设计方法(1)极限状态：当结构或其组成部分超过某一特定状极限状态：当结构或其组成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，此特定态就不能满足设计规定的某一功能要求时，此特定状态称为结构的极限状态。状态称为结构的极限状态。(2)极限状态分为两类：极限状态分为两类：b.b.正常使用极限状态正常使用极限状态:包包括括：影影响响正正常常使使用用或或外外观观的的变变形形、影影响响正正常常使使用用的的振振动动、影影响响正正常常使使用用的的或或耐耐久久性性的的局局部部破破坏坏等等状态。状态。a.a.承载能力极限状态承载能力极限状态:包包括括：强强度度破破坏坏、疲疲劳劳破破坏坏、不不适适于于继继续续承承载载的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。(3)根据应用概率分析的程度不同，可分为三种水准：根据应用概率分析的程度不同，可分为三种水准：a.半概率极限状态设计方法半概率极限状态设计方法;b.近似概率极限状态设计方法近似概率极限状态设计方法;c.全概率设计方法。全概率设计方法。a.半概率极限状态设计方法半概率极限状态设计方法;1).三系数法（当时称为计算极限状态法）三系数法（当时称为计算极限状态法）:1957年至年至1973年我国钢结构设计采用半概率的分年我国钢结构设计采用半概率的分项系数法项系数法,结构设计中引入三个分项系数，即结构设计中引入三个分项系数，即:荷载分项系数考虑荷载的不定性荷载分项系数考虑荷载的不定性;材料分项系数考虑材料的不均性材料分项系数考虑材料的不均性;工作条件系数考虑结构及构件的工作特点以及某些假工作条件系数考虑结构及构件的工作特点以及某些假定的计算简图与实际情况不完全相符等因素。定的计算简图与实际情况不完全相符等因素。三系数极限状态设计法三系数极限状态设计法特点：明确提出了两种极限状态，特点：明确提出了两种极限状态，采用三个系数来考虑结构构件采用三个系数来考虑结构构件的安全储备问题，避免单一安的安全储备问题，避免单一安全系数的缺陷全系数的缺陷缺点：缺点：材质均匀系数概念重复。材质均匀系数概念重复。强度标准不是明确概率取值，而是取钢的强度标准不是明确概率取值，而是取钢的废品废品 限值，不符合概率方法限值，不符合概率方法2)2)半经验半概率极限状态设计法半经验半概率极限状态设计法(容许应力法）容许应力法）构件截面的内力；构件截面的内力；构件截面几何特征；构件截面几何特征；K1 K1荷载系数；荷载系数；K2 K2材料系数材料系数;K3 K3调整系数；调整系数；钢材的屈服强度标准值；钢材的屈服强度标准值；钢材容许应力钢材容许应力b b、近似概率极限状态设计法、近似概率极限状态设计法 （现行钢结构设计规范（现行钢结构设计规范(50017(500172003)2003)）结构的工作性能可用结构的结构的工作性能可用结构的“功能函数功能函数”来描述：来描述：Z Zg g（X1X1，X2X2，），）（1 1 3 3）式中：式中：g g（）结构的功能函数；）结构的功能函数；(i (i1 1，2,)2,)影响结构可靠性的各物理量。影响结构可靠性的各物理量。将各因素概括为两个综合随机变量结构的抗力R、作用效应S，则公式（1-3）可以写成：Zg（R，S）RS （1-4）在实际工程结构中，可能出现下列三种情况：Z0表示结构处于可靠状态；Z0表示结构处于极限状态 Z0表示结构处于失效状态；判断结构是否可靠，要看结构是否达到极限状态，为此，通常将下式：Zg(R，S)RS0 (1-5)称为极限状态方程。结构能完成预定功能的概率结构能完成预定功能的概率(可靠度可靠度)用表示，则：用表示，则：PZ0 PZ0 （1-61-6）结构不能完成预定功能的概率结构不能完成预定功能的概率(失效概率失效概率)用表示，则：用表示，则：PZ0PZ0 （1-71-7）由于事件由于事件Z0Z0与事件与事件ZZ0 0是对立事件，所以结是对立事件，所以结构的可靠度与结构的失效概率满足构的可靠度与结构的失效概率满足:1 1 或或 1-1-（1-81-8）因为因为R R和和S S都是随机变量，且假定都服从正都是随机变量，且假定都服从正态分布，由态分布，由 概率论原理知功能函数概率论原理知功能函数 也服从正态分布也服从正态分布,则则:f(z)f(z)P Pf fz zZ Z 的概率密度曲线的概率密度曲线Z=R-SZ=R-S 令：令：Z Z、R R、S S的平均值分别为的平均值分别为 z z、RR、ss，标准差，标准差分分 别为别为zz、RR、ss，则，则:因因zz0 0，故：，故：f(z)f(z)z zZ Z 的概率密度曲线的概率密度曲线P Pf fZ=R-SZ=R-S因因 服从标准正态分布，故上式又可写成：服从标准正态分布，故上式又可写成：式中式中:()()标准正态函数；标准正态函数；-1()-1()标准正态函数标准正态函数 的反函数。的反函数。从图中可以看出从图中可以看出与失效概率与失效概率 间存在着一一对应关间存在着一一对应关系系,即即:1).1).减小时，阴影部分的面减小时，阴影部分的面积增大，即失效概率增大；积增大，即失效概率增大；2).2).增大时，阴影部分的面增大时，阴影部分的面积减少，亦即失效概率减小。积减少，亦即失效概率减小。说明说明可以作为衡量结构可以作为衡量结构 可靠度的一个数量指标。可靠度的一个数量指标。可靠度指标可靠度指标f(z)f(z)z zZ Z 的概率密度曲线的概率密度曲线P Pf fZ=R-SZ=R-S标标准准正正态态分分布布时时 与与 的的对对应应值值 4.04.03.17X103.17X10-5-53.73.71.08X101.08X10-4-43.23.26.87X106.87X10-4-41.35X101.35X10-3-33.03.0 的计算的计算:将式将式(1-10)(1-10)、(1-11)(1-11)代入代入的定义式得：的定义式得：c.全概率设计法全概率设计法 对结构的各种基本变量均采用随机变量或随机过程来对结构的各种基本变量均采用随机变量或随机过程来描述，对结构进行精确的概率分析，求得结构最优失描述，对结构进行精确的概率分析，求得结构最优失效概率作为结构可靠度的直接度量。效概率作为结构可靠度的直接度量。三、钢结构设计表达式三、钢结构设计表达式 a.采用以概率理论为基础的极限状态设计方法采用以概率理论为基础的极限状态设计方法(疲劳问疲劳问题除外题除外)，用分项系数的表达式进行计算；，用分项系数的表达式进行计算；b.结构的可靠度用可靠度指标来度量，并以分项系数结构的可靠度用可靠度指标来度量，并以分项系数的形式考虑。的形式考虑。（一）按承载能力极限状态设计 应考虑荷载效应的基本组合或偶然组合进行荷 载（效应）组合，采用下列表达式设计：式中：结构重要性系数；S 荷载效应（组合）的设计值；R 钢结构构件或连接材料抗力的设计值。荷载效应组合如下：荷载效应组合如下：2.2.由永久荷载效应控制的组合：由永久荷载效应控制的组合：3.3.荷载分项系数取值如下：荷载分项系数取值如下：1.1.由可变荷载效应控制的组合：由可变荷载效应控制的组合：（1 1）永久荷载分项系数）永久荷载分项系数 当其效应对结构不利时当其效应对结构不利时 对可变荷载效应控制的组合，应取对可变荷载效应控制的组合，应取1.2;1.2;对永久荷载效应控制的组合，应取对永久荷载效应控制的组合，应取1.35;1.35;当其效应对结构有利时当其效应对结构有利时 一般情况下应取一般情况下应取1.01.0；对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.90.9。（2 2）可变荷载的分项系数）可变荷载的分项系数 一般情况下应取一般情况下应取1.41.4；对标准值大于对标准值大于4242的工业房屋楼面结构的的工业房屋楼面结构的 活荷载标准值应取活荷载标准值应取1.31.3。对对于于钢钢结结构构这这种种单单一一材材料料，可可以以将将荷荷载载效效应表达式用应力形式表示。应表达式用应力形式表示。可变荷载起控制作用时：可变荷载起控制作用时：永久荷载起控制作用时：永久荷载起控制作用时：式中：式中：4、钢结构构件承载能力极限状态设计表达式、钢结构构件承载能力极限状态设计表达式钢材或连接材料强度设计值。钢材或连接材料强度设计值。钢材或连接材料强度标准值。钢材或连接材料强度标准值。钢材或连接材料抗力分项系数，对于钢材或连接材料抗力分项系数，对于Q235Q235钢钢1.0873451.087345、Q390Q390、Q420Q420钢钢1.111 1.111。钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。(二二)正常使用极限状态正常使用极限状态1.1.对于正常使用极限状态，要求分别采用荷载的标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，并使变形等不超过准组合、频遇组合和准永久组合，并使变形等不超过相应的规定限值。相应的规定限值。永久荷载标准值在结构或结构构件中产生的永久荷载标准值在结构或结构构件中产生的 变形值；变形值；Q1第第1个可变荷载的标准值在结构或结构构件中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）；产生的变形值（该值使计算结果为最大）；其他第其他第i i个可变荷载标准值在结构或构件中产个可变荷载标准值在结构或构件中产 生的变形值。生的变形值。结构或结构构件的容许变形值。结构或结构构件的容许变形值。2.2.对于受压、受拉构件，规范规定应限制其长细比，对于受压、受拉构件，规范规定应限制其长细比，即即:(1-(1-2424）式中：式中：受压、受拉构件的计算长细比受压、受拉构件的计算长细比 ；规范规定的受拉、受压构件容许长规范规定的受拉、受压构件容许长 细比，按规范采用。细比，按规范采用。1.4 1.4 钢结构的发展研究钢结构的发展研究一、采用新的高性能钢材一、采用新的高性能钢材二、深入研究结构的真实极限状态二、深入研究结构的真实极限状态三、开发新的结构形式三、开发新的结构形式四、钢结构制造和施工技术的研究四、钢结构制造和施工技术的研究五、结构和构件计算的研究改进五、结构和构件计算的研究改进1.采用新的高性能钢材2002年新修订的钢结构设计规范（50017-2003）新增加了强度最高的Q420级钢，所以由钢结构品种不断更新发展的趋势来看，品种更新及强度更高的结构钢将会出现。钢材的高性能还表现在塑性和韧性上，即钢材的屈服强度不仅有下限，而且有上限，以及屈服强度不随厚度增大而下降等优良性能。2.深入研究结构的真实极限状态对于构件稳定问题或某一截面的强度问题，已经有了不少的理论分析和实验研究工作，但对结构的稳定理论计算方面还有待深入研究，也就是整体结构的极限状态有待深入研究，这就需要更加清楚地认识结构承载能力的表现形式，才能更加合理地利用钢材。压杆弯曲失稳压杆弯扭失稳工字界面压杆翼缘局部失稳3.开发新的结构形式钢和混凝土的组合结构是一种合理的结构形式，是将二者组合在一起取长补短发挥各自的长处取得相互协作的经济效果。如钢管混凝土柱构件，它的特点是：在压应力作用下，钢管由于有混凝土的支持，提高了稳定性，从而使钢材强度得到最大发挥；混凝土受到钢管的紧箍力作用，处于三向受压的应力状态，抗压强度大大提高。作为一个整体，钢管混凝土具有很好的塑性和韧性，抗震性能也得到了提高。4.钢结构制造和施工技术的研究钢结构制造的工业化程度会随着新技术的发展而提高。目前，钢结构制造业已趋向机电一体化，而且施工技术也在进一步提高。5.结构和构件计算的研究改进现代钢结构已广泛应用新的计算技术和测试技术，对结构和构件进行深入计算和测试，为了解结构和构件的实际工作提供了有利条件，先进的计算和测试技术决定了材料的合理使用，从而保证了结构的安全，也增强了经济效益。