第一章钢结构设计原理绪论.ppt
1,包括两部分:钢结构原理建筑钢结构设计,钢结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,1、钢结构的定义2、钢结构的特点3、我国钢结构的发展概况4、钢结构的设计方法5、钢结构的新发展,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,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。,1、什么是钢结构？,定义：由钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢 以及钢索为主材建造的工程结构，如房屋、桥梁等，称为钢结构。,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,1、强度高、重量轻,2、钢结构的特点,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,2、材质均匀，塑性、韧性好,3、良好的加工性能和焊接性能,4、密封性能好,5、可重复性使用性,6、耐热性较好，耐火性差,7、耐腐蚀性差,8、低温冷脆倾向,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,举例：C30 Q235,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,3、我国钢结构的发展概况,古代,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,公元前200多年，秦始皇时代用铁建造了桥墩,公元60年，汉明帝时代建造了铁链悬桥,山东济宁寺铁塔江苏镇江甘露寺铁塔,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,18世纪欧洲工业革命后,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,3、我国钢结构的发展概况,钢结构在欧洲各国的应用逐渐增多，而我国钢结构的发展非常缓慢。,1927年建成的沈阳黄姑屯机车厂钢结构厂房。1931年建成的广州中心纪念堂圆屋顶。1937年建成的杭州钱塘江大桥等。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,新中国成立后,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,3、我国钢结构的发展概况,由于受到钢产量的制约，钢结构仅在重型厂房、大跨度公共建筑、铁路桥梁以及塔桅结构中采用。,几个大型的钢铁企业生产车间都采用钢结构。,1962年建成的北京工人体育馆采用圆形双层辐射式悬索结构，直径为94米。1975年建成的上海体育馆，采用三向网架，跨度达110米。,武汉和南京长江大桥都采用了公、铁两用的双层钢桁架桥。,广州上海等地都建造了高度超过200米的多边形空间桁架钢质电视塔。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,改革开放以来,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,3、我国钢结构的发展概况,1996年我国的钢产量超过一亿吨，一直位于世界钢产量的首位2003年达到创记录的2.2亿吨,钢结构政策从限制使用改为积极合理的推广应用,钢结构在现代应用的领域更加多元化，包括大跨结构、工业厂房、受动力荷载影响的结构、多层和高层建筑、高耸结构、可拆卸结构、容器构筑物以及钢和混凝土的组合结构,应用:体育馆、展览馆、影剧院、会议中心、机库等,结构形式:钢屋架、网架、网壳、悬索、拱架等,浦东机场,第一章 绪 论,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,(1)大跨结构,广东省会展中心,第一章 绪 论,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,(1)大跨结构,上海八万人体育场,第一章 绪 论,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,(1)大跨结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,网架结构是由许多杆件按一定规律布置，通过节点连接成空间杆系结构，其外形成平板状。,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,(1)大跨结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,加拿大蒙特利尔世界博览会美国馆，直径为76M，高60M。,(1)大跨结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,苏州乐园宇宙大战馆球体屋面（穹顶）,(1)大跨结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,上海商务中心（网状网壳）,(1)大跨结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,国家大剧院,总建筑面积近15万平方米，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212.2m，南北短轴143.64m，总高度46.285m。设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，整体结构用钢量达6750吨。,(1)大跨结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,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,(1)大跨结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,国家体育场建筑体形上像鸟巢，建筑面积25.8m2。可容纳10万人。平面为椭圆形，长轴340m，短轴292m。屋盖中间有一个146m76m的开口,总用钢量达16万吨。,国家体育馆,(1)大跨结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,天津奥林匹克体育场,体育场总建筑面积15.8万m2，屋顶结构采用钢桁架悬条结构，屋面桁架落地，形似露珠，与城市环境中的“绿”与“水”相呼应。,(1)大跨结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,公、铁路两用桥，铁路桥全长7675m，公路桥全长4460m，正桥11孔，全长1806m，主跨216m，采用连续钢桁梁结构。,九江长江大桥,(1)大跨结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,该桥是一座公铁两用桥，铁路桥全长10521m，公路桥全长5681m，正桥钢梁长2193.7m，大桥采用了连续钢桁梁结构，考虑到主跨达到了312m，在桥上的低塔和钢桁梁之间设置了斜拉索参与受力，因此，芜湖长江大桥也叫做连续钢桁梁斜拉桥。,芜湖长江大桥,(1)大跨结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,武汉军山长江大桥,(1)大跨结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,斜拉桥,(1)大跨结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,斜拉索在钢结构建筑物中的应用,(1)大跨结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,明石海峡大桥日本神户市与淡路岛之间跨越明石海峡的一座特大跨径的悬索桥。1998年建成通车，大桥主桥全长3910m，主跨1990m，是目前世界上主跨最长的悬索桥，钢桥塔高297m，也是世界上最高的桥塔。两根主缆各由290根高强钢索构成，直径为1.222m，主缆的极限强度为1800MPa。,(1)大跨结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,2003年建成通车，采用全钢结构，是世界上跨度最大的钢结构拱桥。施工过程中采用全钢结构焊接，使桥身显得简洁、轻盈、流畅，就像一道彩虹横跨于黄浦江上。,上海卢浦大桥,(1)大跨结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,钢拱桥,(1)大跨结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,拱形桥梁,(1)大跨结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,多层工业厂房,(2)工业厂房,多层工业厂房,单层工业厂房,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,门式钢架 横梁与柱子钢接；门式排架 横梁与柱子铰接。,钢架结构与排架结构都是由基础、柱子和屋架梁组成。,(2)工业厂房,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,(2)工业厂房,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,(2)工业厂房,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,台北101楼高101层，总高度508米，世界第一高楼，26层以上以8层为一单元。主要由巨柱、核心系统及外伸桁架梁。,有世界最大且最重的“风阻尼器”，直径5.5m，重670吨的阻尼器,(3)高层结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,上海金茂大厦,位于上海浦东新区，陆家嘴金融贸易中心，采用钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱结构。建筑面积28.9万m2，地下3层，地上88层，建筑高度420.5m，总用钢量18000吨。设计者为美国S.O.M事务所。,(3)高层结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,上海环球金融中心,位于陆家嘴金融贸易区，毗邻金贸大厦，是以日本森大厦株式会社为中心，联合日本、美国等40多家企业投资兴建的项目。工程占地面积为3万m2，总建筑面积达38.16万m2。该工程地上101层，地下3层，建筑主体高度达492m，总用钢量26000吨，采用钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱结构，目前正在施工中，预期2008年竣工。,(3)高层结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,上海环球金融中心和金贸大厦的相对位置和相对高度,(3)高层结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,深圳地王大厦,深圳第一高层建筑，高383.95m，共81层，于1996年完工，其建筑形体的设计灵感来源于中世纪西方的教堂和中国古代文化中通、透、瘦的精髓，它的宽高比例为1：9，创造了世界超高层建筑最扁最瘦的记录。地王大厦钢结构总量达2.45万吨。,(3)高层结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,于1990年落成，由著名建筑学家贝聿铭负责设计。大楼高300多米，形状下面大上面小，顶端像针尖一样直刺云霄。,香港中国银行大楼,(3)高层结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,(3)高层结构,中央电视台新楼效果图,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,钢结构高层建筑,(3)高层结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,纯钢结构超高层,(3)高层结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,东方明珠电视塔,东方明珠广播电视塔座落在上海浦东新区黄浦江畔，以其468米的高度成为亚洲第一高 塔。她于1994年11月完工，总重量达12万吨。东方明珠塔由三根直径为九米的擎天立柱、太空舱、上球体、下球体、五个小球、塔座和广场组成。,(4)高耸结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,巴黎埃菲尔铁塔,建于1886年，是为随后1889万国博览会而建，以建筑师埃菲尔的名字命名。塔高320m，建筑设计中最著名的是防范强风吹袭的对称钢结构设计，集实用与美感于一体。,(4)高耸结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,多功能广播电视发射塔,输电塔,火箭发射塔,(4)高耸结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,中国南极长城站综合仓库,(5)临时结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,兴建中的油罐,使用中的油罐,(6)容器结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,沿海采油平台,(7)承受动载结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,柏林国家美术馆新馆,德国 柏林 1968建筑师：密斯（德）密斯于60年代应邀为当时的西柏林设计国家美术馆，1968年美术馆落成时密斯已去世。新美术馆平面为方形，一层在地上，一层在地下。地面上的展厅面积为54m54m，四面都是大玻璃墙。结构的平屋顶每边长64.8m，由外围8根钢柱支承，高8.4m。这座建筑是密斯纯净风格的绝唱，被称为钢与玻璃的现代“帕提农神庙”。,(8)艺术结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,钢艺术结构,（汉城大学校门）,(8)艺术结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,日本水户艺术馆,(8)艺术结构,广泛应用于仓库,办公室,工业厂房,并向住宅楼和别墅发展.,第一章 绪 论,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,(9)轻钢结构,例如:组合梁和钢管混凝土柱等.,钢混凝土组合梁板,第一章 绪 论,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,(10)组合结构,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,1.结构的极限状态,4、钢结构的设计方法,安全性 Safety,适用性 Serviceability,耐久性 Durability,1)结构的功能,结构的可靠性 reliability 可靠性安全性、适用性和耐久性的总称指结构在规定的使用期限内，在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护），完成预定结构功能的能力。设计基准期：指一个工程结构在正常使用和正常维护条件下，能够满足其可靠度的时间。结构可靠性越高，建设造价投资越大。如何在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计方法要解决的问题。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,1.结构的极限状态,4、钢结构的设计方法,2)结构的极限状态Limit State,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，这个特定状态称为该功能的极限状态。,能完成预定的各项功能时，结构处于有效状态；反之，则处于失效状态，有效状态和失效状态的分界，称为极限状态，是结构开始失效的标志。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,a.承载力能力极限状态 Ultimate Limit State结构或构件达到最大承载能力或者达到不适于继续承载的变形状态。构件的截面因强度不足而发生破坏（包括疲劳破坏）结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移）结构塑性变形过大而不适于继续使用 结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰）结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）,4、钢结构的设计方法,2)结构的极限状态Limit State,1.结构的极限状态,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,4、钢结构的设计方法,2)结构的极限状态Limit State,1.结构的极限状态,b.正常使用极限状态 Serviceability Limit State结构或构件达到影响正常使用或耐久性能的某项规定限值的状态。过大的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、等）；过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）；过大的振动（影响使用、不舒适）；局部损坏。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,2.概率极限状态设计原理,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,失效概率和可靠指标的对应关系,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,3.设计表达式,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。,承载力能力极限状态,结构的安全性,正常使用极限状态,结构的适用性和耐久性,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,基本组合：荷载效应组合的设计值应从下列组合中取最不利值确定：,可变荷载效应控制组合,永久荷载效应控制组合,1 承载能力极限状态设计表达式,3.设计表达式,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,2 正常使用极限状态设计表达式,按荷载效应的标准组合、频遇组合、准永久组合或标准组合并考虑长期作用影响，采用下列极限状态设计表达式：,正常使用极限状态的荷载效应组合值。,结构构件达到正常使用要求所规定的变形、裂缝宽度、应力等的限值；,标准组合：,3.设计表达式,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,第一章 绪 论,Chapter 1 Preface to Steel Structure,5、钢结构的发展,发展低合金高强度钢材和型钢品种结构和构件设计计算方法的深入研究结构形式的革新结构优化设计,
