1、高等鋼結(jié)構(gòu)理論馬人樂 教授2004年9月13日11第一章 鋼材性質(zhì)與結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)綜述1.1 鋼材的特性及其對結(jié)構(gòu)的影響1.2 鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的主要四個(gè)領(lǐng)域及原因1.3 適于鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的重要影響因素1.4 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程1.5 鋼結(jié)構(gòu)驗(yàn)算的內(nèi)容1.6 鋼材的選擇1.7 鋼結(jié)構(gòu)布置-結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)1.8 鋼結(jié)構(gòu)體系受力狀況與連接設(shè)計(jì)的關(guān)系221.1 鋼材的特性及其對結(jié)構(gòu)的影響1、強(qiáng)度與重量之比 正面：輕質(zhì)高強(qiáng)，節(jié)約材料，減輕結(jié)構(gòu)自重； 負(fù)面：截面減少，穩(wěn)定問題、變形問題加重；2、材質(zhì)的均勻性 正面：均質(zhì)性好，各向受力同性好，提高結(jié)構(gòu) 安全度，便于節(jié)點(diǎn)受力轉(zhuǎn)換； 負(fù)面：當(dāng)鋼材厚度較大時(shí)，有橫向分層問

2、題；3、韌性 正面：一般條件下韌性好，能承受沖擊作用； 負(fù)面：在低溫條件下或焊接結(jié)構(gòu)下，韌性降低；4、塑性（延性） 正面：塑性（延性）好，使結(jié)構(gòu)超載時(shí)，可作 331.1 鋼材的特性及其對結(jié)構(gòu)的影響 應(yīng)力重分布，并增加耗能； 負(fù)面：結(jié)構(gòu)變形的非線性效應(yīng)明顯； 5、可加工性 正面：加工性能較穩(wěn)定，可成復(fù)雜形狀； 負(fù)面：對加工設(shè)備及技術(shù)要求高，專業(yè)化； 6、耐久性 正面：材料力學(xué)性能改變較少； 負(fù)面：防腐蝕處理要求高，有少量時(shí)效； 7、耐熱、耐火性 正面：耐熱較好（150以內(nèi)），材性不變； 負(fù)面：耐火性差，要求加防火涂料； 441.2 鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的主要四個(gè)領(lǐng)域及原因51、單層輕鋼廠房及倉庫 原因

3、：a 屋面活荷載與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)豎向荷載相比很??；b 跨度較大；51.2 鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的主要四個(gè)領(lǐng)域及原因6大眾汽車三期工程山東省日照市雙禾家紡輕鋼車間某輕鋼廠房現(xiàn)代輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房61.2 鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的主要四個(gè)領(lǐng)域及原因72、大跨度公共建筑 1）原因 同上，且造型要求多樣化 2）代表建筑物 江寧體育場 詳見幻燈片8 上海浦東國際機(jī)場 詳見幻燈片9 上海新國際博覽中心 詳見幻燈片10 南京奧林匹克體育中心 詳見幻燈片11 國家體育場的“鳥巢”方案 詳見幻燈片1271.2 鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的主要四個(gè)領(lǐng)域及原因8江寧體育場 大跨度公共建筑81.2 鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的主要四個(gè)領(lǐng)域及原因9 大跨度公共

4、建筑上海浦東國際機(jī)場91.2 鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的主要四個(gè)領(lǐng)域及原因10 大跨度公共建筑上海新國際博覽中心101.2 鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的主要四個(gè)領(lǐng)域及原因11 大跨度公共建筑 南京奧體中心主場館的整體雄姿111.2 鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的主要四個(gè)領(lǐng)域及原因12 大跨度公共建筑2008奧運(yùn)會(huì)國家體育場方案121.2 鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的主要四個(gè)領(lǐng)域及原因133、超高層建筑 1）原因 結(jié)構(gòu)重力累積效應(yīng)大，地震效應(yīng)大 2）代表建筑物 上海金貿(mào)大廈 詳見幻燈片14 浦東國際金融大廈 詳見幻燈片15 北京京廣中心 詳見幻燈片15 深圳地王大廈 詳見幻燈片16 廣州中信大廈 詳見幻燈片17131.2 鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的主要

5、四個(gè)領(lǐng)域及原因14 1998年 金茂大廈 88層 420m 混凝土核心筒:鋼巨型外伸桁架,鋼骨混凝土巨型柱 超高層建筑141.2 鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的主要四個(gè)領(lǐng)域及原因15 超高層建筑浦東國際金融大廈226m高，56層，12萬m2，2000年竣工。北京京廣中心208m高，52層151.2 鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的主要四個(gè)領(lǐng)域及原因16 超高層建筑1996年：深圳地王大廈混凝土核心筒，鋼框架81層，384m高，14.7萬m2，用鋼量為24500T。161.2 鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的主要四個(gè)領(lǐng)域及原因17 超高層建筑深圳發(fā)展中心大廈廣州中信大廈廣州中信大廈華南第一高樓，391m高，80層。171.2 鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展

6、的主要四個(gè)領(lǐng)域及原因184、高聳結(jié)構(gòu) 1）原因 同上，活荷載與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)豎向荷載相比很小 2）代表建筑物 巴黎埃菲爾鐵塔（300m高） 詳見幻燈片19 佛山廣播電視塔（230m高） 詳見幻燈片20 青島廣播電視塔（236m高） 詳見幻燈片21 黑龍江廣播電視塔（336m高）詳見幻燈片2218埃菲爾鐵塔法國 巴黎 1889工程師：埃菲爾（法） 鐵塔為紀(jì)念法國大革命100周年而建，由結(jié)構(gòu)工程師埃菲爾（18321923）設(shè)計(jì)，故此得名，又稱巴黎鐵塔。埃菲爾鐵塔高300米，有1.2萬個(gè)構(gòu)件組成，用25O萬個(gè)螺栓和鉚釘連結(jié)為整體，用去 7000噸優(yōu)質(zhì)鑄鐵。當(dāng)時(shí)裝有蒸氣動(dòng)力的升降機(jī)。鐵塔雖然不是實(shí)用的

7、建筑物，但它的出現(xiàn)顯示了鋼鐵結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性能，并預(yù)示著建筑增加高度、向上發(fā)展的可能性。埃菲爾鐵塔落成時(shí)，曾遭到包括法國大文豪雨果在內(nèi)的許多名人的強(qiáng)烈反對，被認(rèn)為是丑陋難看的怪物，要求立即拆除，但后來卻成了巴黎最有名的標(biāo)志。191.2 鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的主要四個(gè) 領(lǐng)域及原因 高聳結(jié)構(gòu)191.2 鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的主要四個(gè)領(lǐng)域及原因20高聳結(jié)構(gòu)230m高佛山廣播電視塔201.2 鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的主要四個(gè)領(lǐng)域及原因21高聳結(jié)構(gòu)236m高青島廣播電視塔211.2 鋼結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的主要四個(gè)領(lǐng)域及原因22高聳結(jié)構(gòu) 黑龍江廣播電視塔被稱為龍塔，坐落在哈爾濱高新技術(shù)開發(fā)區(qū)，高度為336米，亞洲第一鋼塔。電視塔集廣播

8、電視發(fā)射、旅游觀光、廣告?zhèn)鞑?、餐飲娛樂、科技樂園、無線通訊、環(huán)境氣象監(jiān)測等多種綜合性功能于一身，成為素有“東方莫斯科”美譽(yù)的北國名城哈爾濱市乃至黑龍江省新的標(biāo)志性景觀。336m高黑龍江廣播電視塔221.3 適于鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的重要影響因素231）活荷載與全部豎向荷載之比越小，采用鋼結(jié)構(gòu) 越優(yōu)越2）跨度大、結(jié)構(gòu)效應(yīng)大，采用鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)越3）地震烈度大，采用鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)越4）軟土地基條件，采用鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)越5）勞動(dòng)力價(jià)格高，采用鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)越6）造型越復(fù)雜，用鋼結(jié)構(gòu)越優(yōu)越231.4 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程24鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般流程圖（見圖1-1）。 設(shè)計(jì)準(zhǔn)備階段 設(shè)計(jì)階段圖1-1 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖 241.5 鋼結(jié)構(gòu)驗(yàn)算的內(nèi)

9、容25圖1-2 鋼結(jié)構(gòu)驗(yàn)算內(nèi)容圖 251.5 鋼結(jié)構(gòu)驗(yàn)算的內(nèi)容26 結(jié)構(gòu)效應(yīng)的分析可以應(yīng)用學(xué)過的力學(xué)與結(jié)構(gòu)知識(shí)來完成, 結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算內(nèi)容及對應(yīng)的公式如下所述： 式中： 0 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)； G 永久荷載分項(xiàng)系數(shù)；(1.1) (1.2) (1.3) (1.4) (1.5) 261.6 鋼材的選擇271）鋼材的品種及質(zhì)量等級(jí)2）鋼材強(qiáng)度選擇的原則 A. 變形控制選低強(qiáng)度鋼材； B. 強(qiáng)度控制選高強(qiáng)度鋼材； C.焊接量大、焊接條件較差，不宜用高強(qiáng)度鋼材；3）鋼材質(zhì)量等級(jí)選擇的實(shí)用方法（選擇因子乘積法） 詳見表1-1，表1-2；見幻燈片284）特殊品種鋼材的應(yīng)用 20無縫鋼管；35圓鋼錨栓；耐候鋼；耐火

10、鋼5）鋼材Z向性能要求及其適用范圍 t40mm及使用中或加工中受分層拉應(yīng)力271.6 鋼材的選擇28表1-1 鋼結(jié)構(gòu)影響因素及對應(yīng)的選擇因子表 表1-2 選擇因子之積與對應(yīng)的材料質(zhì)量等級(jí)關(guān)系表281.7 鋼結(jié)構(gòu)布置-結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)291）結(jié)構(gòu)體系應(yīng)滿足建筑使用的要求；其本身同時(shí)也 是一種建筑體系 2）結(jié)構(gòu)體系應(yīng)有明確合理的傳力途徑 如單層鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)體系的傳力途徑如圖1-31-5。單層廠房鋼結(jié)構(gòu)的受力主要有三類：吊車荷載、風(fēng)荷載、其它豎向荷載。地震區(qū)還有地震作用。 （一）吊車荷載的傳力過程如圖1-3所示圖1-3 吊車荷載傳力過程示意圖 291.7 鋼結(jié)構(gòu)布置-結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)30（二）風(fēng)荷載的傳力

11、過程如圖1-4所示 圖1-4 風(fēng)荷載傳力過程示意圖 （三）其它豎向荷載的傳力過程如圖1-5所示 圖1-5 其它豎向荷載傳力過程示意圖 301.7 鋼結(jié)構(gòu)布置-結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)31 3）構(gòu)件和連接是結(jié)構(gòu)體系的基本單元，為體系提供了強(qiáng)度和剛度；結(jié)構(gòu)體系的形式和剛度又對構(gòu)件的受力（如柱的穩(wěn)定、梁的穩(wěn)定等）產(chǎn)生重要影響（新規(guī)范關(guān)于三種不同框架的劃分及其對柱的穩(wěn)定計(jì)算長度的影響）。 311.7 鋼結(jié)構(gòu)布置-結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)31例（1）鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范關(guān)于三種不同剛度框架的劃分及其對柱的穩(wěn)定計(jì)算長度的影響：（5.3.3條）無支撐（有側(cè)移）純框架 有支撐的框架 強(qiáng)支撐：鑒別： 弱支撐： 其中： 為支撐產(chǎn)生單位傾角所需的水

12、平力； 為第I層所有框架柱用無側(cè)移框架和有側(cè)移框架柱計(jì)算長度系數(shù)算得軸壓穩(wěn)定承載力之和。 321.7 鋼結(jié)構(gòu)布置-結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)31例（2）輕鋼廠房（門式剛架柱腳，按不同結(jié)構(gòu)體系計(jì)算結(jié)果有區(qū)別： A、設(shè)柱腳為鉸接兩鉸門架： 變形大，乘修正系數(shù)驗(yàn)算 柱腳使用抗剪鍵傳遞剪力 柱腳無彎矩，對基礎(chǔ)彎矩小 錨栓無作用力B、設(shè)柱腳為剛接剛接門架：變形小柱腳有彎矩 不設(shè)抗剪鍵即可抗剪 錨栓有作用力 331.7 鋼結(jié)構(gòu)布置-結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)314）主要受力構(gòu)件，構(gòu)造構(gòu)架和建筑構(gòu)件在結(jié)構(gòu)體系中的相互依存和轉(zhuǎn)換關(guān)系：例1：徐州電視塔網(wǎng)殼、梁和梁板的相互關(guān)系；例2：輕鋼廠房中鋼結(jié)構(gòu)與屋面板、墻板的相互關(guān)系。5）結(jié)構(gòu)體系的

13、形成過程、穩(wěn)定狀態(tài)的變化與施工過程的關(guān)系。6）結(jié)構(gòu)體系的特殊受力狀態(tài)與穩(wěn)定的關(guān)系。341.8 鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系受力狀況與連接設(shè)計(jì)的關(guān)系 321.8.1 焊接 1）焊縫質(zhì)量要求 A.疲勞動(dòng)力荷載下受拉對接焊縫：一級(jí)（100超聲波探傷檢測） B. 確保等強(qiáng)度的其它對接焊縫：二級(jí)（70超聲波探傷檢測） C. 應(yīng)力水平較低的對接焊縫或工地施工的對接焊縫：三級(jí)（外 觀檢查，設(shè)計(jì)強(qiáng)度降低） D. 角焊縫（外觀檢查） 2）減少工地焊接，特別是高空焊接，代之以高強(qiáng)螺栓連接 3）在鋼管結(jié)構(gòu)相貫線焊接中，應(yīng)根據(jù)構(gòu)件不同的受力狀況 確定不同的坡口形狀及焊縫類型（見圖1-6詳見幻燈片33 圖1-7詳見幻燈片34 ）35

14、1.8 鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系受力狀況與連接設(shè)計(jì)的關(guān)系 33圖1-6 三分區(qū)連接方式示意圖（用于應(yīng)力水平不很高的桿件連接）（開坡口）361.8 鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系受力狀況與連接設(shè)計(jì)的關(guān)系 34圖1-7 四分區(qū)連接方式示意圖（用于應(yīng)力水平很高，受動(dòng)力荷載作用的桿件連接） （開坡口）371.8 鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系受力狀況與連接設(shè)計(jì)的關(guān)系 351.8.2 普通螺栓 1） 普通螺栓可以在靜荷載或一般動(dòng)力荷載作用下受剪， 但有動(dòng)力荷載作用時(shí)，要有防松措施（扣緊螺母或雙 螺母）。 2）普通螺栓一般用粗制螺栓（一個(gè)節(jié)點(diǎn)至少兩個(gè)螺栓）； 當(dāng)要求節(jié)點(diǎn)可轉(zhuǎn)動(dòng)而僅用一個(gè)螺栓受剪時(shí)，應(yīng)用精制 螺栓（銷連接）而且桿件能調(diào)節(jié)長度，雙剪節(jié)

15、點(diǎn)板要 一次套鉆成孔。381.8 鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系受力狀況與連接設(shè)計(jì)的關(guān)系 361.8.3 高強(qiáng)螺栓 1）對于疲勞動(dòng)力荷載，應(yīng)用摩擦型高強(qiáng)螺栓，應(yīng)當(dāng)測量摩擦系數(shù)、扭矩系數(shù)、終擰扭矩值，保證不發(fā)生相對滑動(dòng)。 2）對于一般動(dòng)力荷載下抗拉連接，可用承壓型高強(qiáng)螺栓抗拉，可按普通螺栓施工，按高強(qiáng)螺栓抗拉，但要有防松措施。 3）對于一般動(dòng)力荷載下抗剪連接，也可用承壓型高強(qiáng)螺栓，按普通螺栓施工，按高強(qiáng)度普通螺栓抗剪，且要有防松措施。按老規(guī)范，承壓型高強(qiáng)螺栓載荷在標(biāo)準(zhǔn)值作用下不會(huì)滑移；按新規(guī)范則無此驗(yàn)算規(guī)定，承壓型高強(qiáng)螺栓等同于高強(qiáng)度普通螺栓。但規(guī)范3.4.1條正文表3.4.1-4中規(guī)定8.8級(jí)高強(qiáng)螺栓fv=2

16、50N/mm2，而條文 說明中又說與8.8級(jí)普通螺栓同，即fv=320N/mm2，應(yīng)以正文為準(zhǔn)。391.8 鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系受力狀況與連接設(shè)計(jì)的關(guān)系 371.8.4 錨栓 1）錨栓在鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)合部，其埋設(shè)精度要同時(shí)與兩種結(jié)構(gòu)匹配。 2）為達(dá)到兩種結(jié)構(gòu)均能接受的埋設(shè)精度，要求混凝土施工中對錨栓固定有具體施工措施，而鋼柱腳底板鉆孔應(yīng)大于螺桿直徑10mm。 3）錨栓螺孔增大后不能直接受剪，故要有技術(shù)措施（厚墊片焊死或澆鉛錫合金）提高其抗剪能力，然后用相關(guān)公式驗(yàn)算。 4）輕鋼廠房柱腳可考慮有一定抗彎剛度，用錨栓抗拉，柱腳一側(cè)翼緣抗壓，形成抵抗矩抗彎。同時(shí)壓力乘摩擦系數(shù)成為柱腳的抗剪承載力，可省去抗剪鍵，也使錨栓的選用有了依據(jù)。有關(guān)柱腳的設(shè)計(jì)計(jì)算如下所述（A詳見幻燈片38 、B、C見幻燈片39、40 、D見幻燈片40、41 ）。401.8 鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系受力狀況與連接設(shè)計(jì)的關(guān)系 38A. 柱腳簡圖（見圖1-8，1-9）1.8.4 錨栓柱腳設(shè)計(jì)計(jì)算A411.8 鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系受力狀況與連接設(shè)計(jì)的關(guān)系 39B. 柱腳設(shè)計(jì)框圖（見圖1-10）1.8.4 錨栓柱腳設(shè)計(jì)計(jì)算B,C圖1-10 柱腳設(shè)計(jì)框圖 求kb公式計(jì)算柱腳M,N,V求抗剪承載力公式?jīng)Q定是