钢结构设计原理第章钢结构的特点应用和发展

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1、钢钢 结结 构构济南大学济南大学土木工程学院土木工程学院第第 一一 章章 钢钢 结结 构构 概概 述述1.1 钢结构的特点和应用钢结构的特点和应用1.2 钢结构的建造过程和内在缺陷钢结构的建造过程和内在缺陷1.3 钢结构的组成原理钢结构的组成原理1.4 钢结构的极限状态和概率极限状态法钢结构的极限状态和概率极限状态法1.5 钢结构的发展钢结构的发展 本章内容：本章内容：1.1 钢结构的特点和应用钢结构的特点和应用1.1.1 钢结构的特点钢结构的特点 钢结构是由钢结构是由钢板、热轧型钢和冷加工成型的钢板、热轧型钢和冷加工成型的薄壁型钢制造薄壁型钢制造而成。与其他材料的结构相比具有而成。与其他材料

2、的结构相比具有以下以下优点优点：（1）材料强度高，韧性、塑性好。）材料强度高，韧性、塑性好。（2）材质均匀，比较符合力学计算假定。）材质均匀，比较符合力学计算假定。（3）制造简单，施工周期短。）制造简单，施工周期短。（4）钢材质量轻。）钢材质量轻。（5）密封性好。）密封性好。（1）钢材耐腐蚀性能差，维护费用高。）钢材耐腐蚀性能差，维护费用高。（2）耐热但不耐火）耐热但不耐火 150时强度无变化，时强度无变化，600 时强度约为时强度约为0。钢结构的钢结构的缺点缺点有有：1.1.2 钢结构的应用钢结构的应用（1 1）大跨度钢结构）大跨度钢结构o 钢屋架钢屋架o 网架、网壳结构网架、网壳结构o 悬

3、索结构悬索结构o 拱架结构拱架结构o 桥梁结构桥梁结构国家体育场国家体育场国家体育场国家体育场建筑体形上建筑体形上像鸟巢。可像鸟巢。可容纳容纳8 8万人。万人。平面为椭圆平面为椭圆形形,长轴长轴340m340m短轴短轴292m292m。屋盖中间有屋盖中间有146m146m76m76m的的开口，这部开口，这部分将设计成分将设计成开合屋盖。开合屋盖。采用加肋薄采用加肋薄壁箱形截面壁箱形截面.总用钢量达总用钢量达1616万万t t。天天津津奥奥林林匹匹克克体体育育场场建筑底面面积为建筑底面面积为80,000m80,000m2 2，屋顶面积，屋顶面积76,719m76,719m2 2，地上层数，地上层

4、数6 6层，层，最高点高度最高点高度53m53m，可容纳观众数，可容纳观众数60,00060,000。屋顶采用钢桁架悬。屋顶采用钢桁架悬挑结构挑结构 。屋面桁架落地，形似露珠。屋面桁架落地，形似露珠 。“绿色奥运绿色奥运”、“科技奥运科技奥运”、“人文奥运人文奥运”国家大剧院国家大剧院 位于北京人民大会堂西侧，西长安街以南，总占地面积近位于北京人民大会堂西侧，西长安街以南，总占地面积近12公顷，公顷，总建筑面积近总建筑面积近15万平方米，总投资万平方米，总投资26.88亿元亿元.该工程外部围护结构为钢结构网壳，是半椭圆球形，东西长轴该工程外部围护结构为钢结构网壳，是半椭圆球形，东西长轴212.

5、2m，南北短轴，南北短轴143.64m，总高度，总高度46.285m。内设歌剧院（。内设歌剧院（2416席）、席）、音乐厅（音乐厅（2017席）及戏剧院（席）及戏剧院（1040席）及公共大厅等。屋面采用钛金席）及公共大厅等。屋面采用钛金属板，整个网壳外环绕人工湖（属板，整个网壳外环绕人工湖（35500m2）,各种通道及入口均设在水各种通道及入口均设在水下下。设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，北京市建筑设计研究院。设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，北京市建筑设计研究院参与主体设计参与主体设计，整体结构用钢量达，整体结构用钢量达6750t，195kg/m。（2）重型厂房结构）重型厂房结构 西安

6、变压器厂（西安变压器厂（400t吊车）吊车）80 80年代我国建造的年代我国建造的1111栋高层钢结构基本上栋高层钢结构基本上都是国外设计、施工承建。都是国外设计、施工承建。目前我国已建和在建的高度超过目前我国已建和在建的高度超过100m100m的钢的钢结构有结构有4848栋。栋。（3）高层建筑）高层建筑上海环球金融中心上海环球金融中心 由日本森大厦株式会社的由日本森大厦株式会社的全额子公司森海外株式会社全额子公司森海外株式会社及日本具有代表性的银行、及日本具有代表性的银行、保险公司、商社等保险公司、商社等3636家企业，家企业，偕同政府系统机构日本海外偕同政府系统机构日本海外经济协力基金经济

7、协力基金(OECF)(OECF)联合投联合投资的上海环球金融中心，总资的上海环球金融中心，总投资逾投资逾750750亿日元。位于陆亿日元。位于陆家嘴金融贸易区，建筑总面家嘴金融贸易区，建筑总面积积335,420335,420平方米，地下平方米，地下3 3层，层，地上地上9494层。建成后的高度达层。建成后的高度达460460米米 。总用钢量总用钢量26000t26000t，钢筋混凝，钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱。及钢柱。上海金茂大厦上海金茂大厦 金茂大厦是由中国上金茂大厦是由中国上海对外贸易中心股份有海对外贸易中心股份有限公司独家投资限公司独家投资5.65.6

8、亿美亿美元建设的一座元建设的一座8888层的超层的超高层大厦，建筑高度高层大厦，建筑高度420.5420.5米，建筑面积米，建筑面积28.928.9万平方米，于万平方米，于19981998年年8 8月月2828日竣工。日竣工。总用钢量总用钢量14000t14000t，钢，钢筋混凝土核心筒，外框筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱。设钢骨混凝土及钢柱。设计者为美国计者为美国S.O.MS.O.M事务所。事务所。央央视视新新台台址址 央视新台址建设工程位于北京朝阳区东三环中路、北央视新台址建设工程位于北京朝阳区东三环中路、北京商务中心区的核心地段，占地面积京商务中心区的核心地段，占地面积18.7万平

9、方米，总建万平方米，总建筑面积筑面积55万平方米万平方米,230m高。央视新台址建设工程总投资高。央视新台址建设工程总投资约约50亿元人民币，亿元人民币，2003年年10月开工建设，月开工建设，2008年正式运行年正式运行。大连远洋大厦大连远洋大厦 大连远洋大厦由大连远大连远洋大厦由大连远洋运输公司、中远房地产洋运输公司、中远房地产开发公司与美国开发公司与美国ESPIRIT公司联合投资公司联合投资14.8亿人民币亿人民币开发的集五星级酒店和甲开发的集五星级酒店和甲级写字楼为一体的智能大级写字楼为一体的智能大厦。厦。总建筑面积总建筑面积14.8万平万平方米。其中：方米。其中：A座为五星级座为五星

10、级酒店，地上酒店，地上51层，总高层，总高200.8m。钢筋混凝土核心。钢筋混凝土核心筒，外框钢框架。设计、筒，外框钢框架。设计、加工、安装全部国产化。加工、安装全部国产化。台北台北101 101 长宽各长宽各150m，总面积，总面积30277m2塔高塔高508m，世界第一高，世界第一高，26层层以上以以上以8层为一单元。主要由巨层为一单元。主要由巨柱、核心系统及外伸桁架梁。柱、核心系统及外伸桁架梁。巨柱自地下巨柱自地下5层至地上层至地上90层，最层，最大尺寸为大尺寸为2.4mx3m。直径直径5.5m5.5m，重，重670t670t的阻尼器的阻尼器（4 4）高耸建筑）高耸建筑 电视塔、微波塔、

11、通讯塔等电视塔、微波塔、通讯塔等东方明珠电视塔东方明珠电视塔 东方明珠广播电视塔座东方明珠广播电视塔座落在上海浦东新区黄浦江畔，落在上海浦东新区黄浦江畔，以其以其468米的高度成为亚洲第米的高度成为亚洲第一高一高 塔。她于塔。她于1991年年3月开月开始建造，始建造，1994年年11 月完工，月完工，总重量达总重量达12万吨，总投资万吨，总投资8.3亿元人民币。亿元人民币。东方明珠塔由三根直径为东方明珠塔由三根直径为7米的擎天立柱、太空舱、上米的擎天立柱、太空舱、上球体、下球体、五个小球、球体、下球体、五个小球、塔座和广场组成。塔座和广场组成。（5）轻型钢结构）轻型钢结构（6 6）容器和其他构

12、筑物）容器和其他构筑物陕西铜川天然气公司陕西铜川天然气公司1000立方米天然气球罐立方米天然气球罐大连西太平洋石化有限公司大连西太平洋石化有限公司1500立方米立方米CF-62钢球罐钢球罐（7）可拆卸结构）可拆卸结构 1.2 钢结构的建造过程和内在缺陷钢结构的建造过程和内在缺陷1.2.1 钢结构的建造过程钢结构的建造过程1.工厂制造工厂制造钢材验收、放样、加工、装配、矫正、除锈和钢材验收、放样、加工、装配、矫正、除锈和涂漆涂漆 2.工地安装工地安装扩大拼装、吊装就位、临时固定、最后固定扩大拼装、吊装就位、临时固定、最后固定1.2.2 钢结构的初始缺陷钢结构的初始缺陷 1.几何缺陷几何缺陷 初弯

13、曲、初倾斜、杆件长度误差初弯曲、初倾斜、杆件长度误差 2.材料缺陷材料缺陷 钢材并非理想的匀质体和各向同性体钢材并非理想的匀质体和各向同性体1.3 钢结构的组成原理钢结构的组成原理几何不变几何不变在外载作用下保持稳定性承载力和刚度在外载作用下保持稳定性承载力和刚度 跨越式结构跨越式结构 跨越地面上的一定空间，包括桥梁和单层房屋结构。跨越地面上的一定空间，包括桥梁和单层房屋结构。高耸结构高耸结构 从地面向上发展的结构，包括高层房屋、塔架和桅从地面向上发展的结构，包括高层房屋、塔架和桅 杆结构。杆结构。1.4 钢结构设计方法钢结构设计方法1.4.1（1）承载能力极限状态）承载能力极限状态 对应于结

14、构或结构构件达到最大承载能力或出现不适于继续对应于结构或结构构件达到最大承载能力或出现不适于继续 承载的变形，包括以下几个方面：承载的变形，包括以下几个方面：整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；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（包括疲劳破坏），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；或因过度变形而不适于继续承载；结构转变为机动体系；结构转变为机动体系；结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）；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）。地基丧失承载能力而破坏（如

15、失稳等）。（2）正常使用极限状态）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：规定限值：影响正常使用或外观的变形；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；影响正常使用的振动；影响正常使用的其它特定状态。影响正常使用的其它特定状态。设计基本原则：技术先进、经济合理、安全适用、设计基本原则：技术先进、经济合理、安全适用、确保质量确保质量 0，结构处于可靠状态，结构处于可靠状态 Z=R-S =0，结构处于极限状态，结构处于

16、极限状态 0,结构处于失效状态结构处于失效状态 除除疲劳疲劳计算外，钢结构设计规范采用以计算外，钢结构设计规范采用以概率理概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数论为基础的极限状态设计方法，用分项系数的设计的设计表达式进行计算。表达式进行计算。0SRGGKQ1Q1KcQQ K2niiiiSSSS 由可变荷载效应控制的组合：由可变荷载效应控制的组合：由永久荷载效应控制的组合：由永久荷载效应控制的组合：GGKcQQ K1niiiiSSS 由可变荷载效应控制的组合：由可变荷载效应控制的组合：由永久荷载效应控制的组合由永久荷载效应控制的组合：KQQGKGSSS11QiKniQiGKGSSS19.0

17、GGKcQQ K1niiiiSSS 1.5 钢结构的发展钢结构的发展（1）高性能钢材（强度、塑性和韧性、耐火、耐候等）高性能钢材（强度、塑性和韧性、耐火、耐候等）-A b(f)GB 50017-2003 -B b(f)Q235 -C -D -A -B Q345 -C (390、420)-D -E 从构件从构件 整体整体 从弹性从弹性 弹塑性弹塑性 应力蒙皮效应应力蒙皮效应 计算手段的改进计算手段的改进（2）对结构承载能力的认识）对结构承载能力的认识 高强钢索高强钢索 钢和混凝土组合结构、混合结构钢和混凝土组合结构、混合结构 杂交结构杂交结构 （索、拱配合）（索、拱配合）（3）新型结构形式）新型结构形式 机电一体化，用软件把钢材切割、焊接技术机电一体化，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。和焊接标准集成一起，保证质量又节省劳动力。（4）制造和安装）制造和安装