钢 结 构Steel Structure 武汉工业学院 第 一 章 概 述 第一节 钢结构的特点及应用 第二节 钢结构的组成 第三节 钢结构的计算原理 第一节 钢结构的特点及应用 钢结构的特点 钢结构的应用范围 钢结构设计的基本要求 钢结构的特点 1、优点 1） 材料力学性能好 强度高 如： C20, fc=10N/mm2 钢Q235 f=215N/mm2 塑性好 韧性好 塑性和韧性是概念上完全不同的两个物理量 塑性——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突然断裂，给人以安全保证； 韧性——承受动力荷载时，材料吸收能 量的多少。开云APP 开云官网入口韧性好，说明材料 具有良好 的动力工作性能。 2)材质均匀，可靠性Kaiyun 开云高 可以直接应用力学中给出的结论，如叠 加原理等。 3)便于机加工，施工周期短 4)重量轻 如： 30M 钢 架 4T~5T 30MR.C屋架 14T~17T 5)密封性好 由于钢材的可焊性使连接简化，使结构应用范围增 大，容易做成复杂形状。 不易渗漏：各种压力容器 ※ 后果：存在残余应力 6)具有一定的耐热性 100℃以内 强度无影响 150℃以上 必须进行遮挡处理 钢结构的特点 2、缺点 1)耐火性差 当钢表面的温度达300oC~400oC以后，其强度，弹性模量显著下降，600oC时几乎为0。 措施： 防火涂料，防火漆，外包混凝土 2)耐锈蚀性差 需定期维护，增加了维护费用。 钢结构的应用范围 厂房结构 大跨度结度 多层、高层结构 塔桅结构 壳体结构 桥梁结构 各种轻钢结构房屋 厂 房 结 构 大跨度结度 大跨度结度 大跨度结度 多层房屋 多层房屋 高层结构 高层结构 高 层 结 构 武汉民生大厦 塔桅结构 壳体结构 壳 体 结 构 桥 梁 结 构 桥 梁 结 构 桥 梁 结 构 其 它 钢 结 构 其 它 钢 结 构 钢结构设计的基本要求 1.结构需有足够有强度、刚度和稳定性，安全可靠 2.要符合建筑物的使用要求，有良好的耐久性 3.尽可能节约钢材 4.尽可能缩短制造、安装周期 5.结构要便于运输、便于维护 6.在可能情况下，尽可能美观 总结 大——跨度大。 人民大会堂，西安兵马俑展厅，石景山体育馆，朝阳体育 馆等。 金门桥（Gordon Gate Bridge），西陵长江大 桥，徐浦大桥，汕头 海湾大桥等。 重——主要是重工业厂房，内有大吨位 重级工作制吊车 鞍钢，首钢，宝钢及一 些电厂的主厂房等。 高——高层建筑，塔桅 结构 地王大厦（84层），京广大厦（53层），广 州（上海 ，汕头）电视塔，北京气象 塔 （325米）等。 动——受动力作用的厂房，机座，地震 区内要求较高的建 筑。 轻——荷载较小的轻型结构，其用钢量 可能低于RC的用钢量 大棚等。 小——小型、可拆装结构，临时建筑等 塔吊，临时展 棚等。 设计图例如下 第二节 钢结构的组成 1、单层房屋钢结构 传统作法，将一系列竖向平面承重结构，用支撑构件将之联成空间整体 竖向荷载 竖向承重结构 水平荷载 竖向承重结构 支撑构件 2.多层房屋钢结构 刚架结构 由梁、柱组成的多层多跨刚架 承受水平，竖向荷栽 由于抗侧移刚度小，多用于≤30层建筑 带撑结构 设柱间支撑后形成竖向悬臂桁架，抗侧移刚度较高，适用于20~60层 筒式结构 由以上可以看出，结构必须形成空间整体，才能有效而经济地承受荷载，具有较高的强度、刚度和稳定性 第三节 钢结构的计算原理 一、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 1957~1974：采用三个系数的极限状态计算法 1974~1989：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 二 、 钢结构的设计原理与方法 结构设计基本规范《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068）规定：结构的可靠度应采用以概率论为基础的极限状态设计方法分析确定。 钢结构和其他建筑结构一样，遵循“统一标准”要求，采用的也是以概率论为基础，用分项系数表达的极限状态设j计方法。 极限状态设计方法，在其他课程（如荷载与结构设计、钢混结构、地基与基础等），对此均作详细介绍，本课程仅作简单介绍。 通过学习应掌握以下概念：结构的极限状态；结构的基本功能要求；结构的可靠度；失效概率；荷载及强度的标准值与设计值。 1、总安全系数容许应力法 2、三系数极限状态设计法 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的安全储备问题，避免单一安全系数的缺陷 3、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 4、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，迈入了国际先进水平。 三、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Kaiyun 开云能的概率。 可靠性——指结构在规定时间内、规定 条件下完成预定功能的能力 可靠度的制定要依赖于国民经济发展水 平和国家财富积累程度，随着国家的富 强 、国民经济的发展， 将逐渐减小 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—结构应能承受正常施工和正常使用使可能出现的各种荷载、外加变形 等的作用，在偶然事件发生后，能保证 整体稳定性，不致倒塌。 适用性—结构在正常使用荷载下，应具有良好的工作性能。如不发生影响结 构正常使用的过大的变形等。 耐久性—结构在正常维护下，随时间变化仍能满足预定功能要求，如锈蚀而影 响寿命等。 以上三方面的功能要求可以概括为结构 的可靠性 —可靠概率 —失效概率 2、结构作用 作用效应 结构构件抗力 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、基础Kaiyun 开云下沉、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。 ※ 作用是随机变量 ※由于作用是随机变量，所以作用效应也 是随机变量 3、结构的极限状态和极限状态方程 （1）结构的极限状态：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。 两种极限状态 承载能力极限状态（第一极限状态）——结构或构件达 到最大承载力（如强度、稳定、疲劳）或不适于继续 承载的巨大变性（如塑性变形） 正常使用极限状态（第二极限状态）——结构或构件 达到正常使用或耐久性的某项规定限值。如挠度等。 （2）极限状态方程 用RS R=S RS 来描述抗力与 作用效应的关系。 结构功能函数 Z=R-S Z=g(S,R)=R-S 显然 z0 结构处于可靠状态 z=0 结构处于极限状态 Z0 结构处于失效状态 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} 结构失效概率为 Ps=p{(R-S)0}且Ps+Pf=1 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 （3）可靠指标β 结构功能函数 Z=R-S 由于R和S均为正态分布的随机变量，其均值和标 准差分别为 失效概率 因此定义 为可靠指标。 Q235： =3～3.1， ≈0.001； 16Mn： =3.2～3.3， ≈0.0005 问题： R和S的分布非常复杂，一般假定 为正态 分布。另

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