1、鋼結構設計原理Design Principles of Steel Structure教學計劃 緒論2學時 結構鋼材6學時 連接14學時 軸心受壓構件8學時 受彎構件7學時 拉彎和壓彎構件8學時 課程總結1學時4.了解桿件和板件穩(wěn)定的基本理論，理解影響穩(wěn)定性的主要因素及提高穩(wěn)定性的措施；3.掌握鋼結構用鋼的主要性能及其主要影響因素，并能正確地選擇鋼材；2.理解“鋼結構”的計算方法；1.了解鋼結構的應用和發(fā)展概況,掌握鋼結構的特點；本課程的基本要求5. 掌握各種連接（焊接、螺栓連接）和各類構件(梁、柱和屋架)的工作性能、破壞特征及其設計的基本方法。教學參考書及規(guī)范:1.鋼結構 戴國欣 主編 武漢

2、理工業(yè)大學出版社2.鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范 （GB50205-2001)3.鋼結構設計規(guī)范 （GB50017-2003)4.鋼結構設計標準 （GB50017-2017)6.理解構件間的連接方法、力的傳遞方式和過程以及構造原則； 7.熟悉與土木工程相關的鋼結構設計規(guī)范。1.1 鋼結構特點與應用1.2 鋼結構設計基本方法第一章 緒論(Chapter 1 Preface to Steel Structure)1.1 鋼結構特點與應用 一、什么是鋼結構鋼材經(jīng)過設計、制作和安裝而形成的工程結構形式。定義由鋼板、熱軋型鋼或冷加工成型的薄壁型鋼以及 鋼索為主材建造的工程結構，如房屋、橋梁等。鋼與鐵的區(qū)別

3、含碳量小于2的鐵碳合金稱作鋼，含碳量大于2時稱作鐵?？v向跨度為240m，頂部高55m，拱形骨架有12度的傾角，其截面為3.5m2。 香港大球場 公、鐵路兩用橋，鐵路橋全長7675m，公路橋全長4460m，正橋11孔，全長1806m，主跨216m，采用連續(xù)鋼桁梁結構。 九江長江大橋 二、鋼結構的特點 材質均勻，可靠性高這表現(xiàn)在：鋼材在使用階段接近理想彈塑性體,這使得理論計算與實際情況相吻合; 鋼材具有良好的塑性和韌性，不會因偶然的超載而破壞，對動力荷載適應性強。 強度高，重量輕在結構重量相同時，鋼結構的承載能力更大，因而可達到其他建筑材料難以達到的跨越能力。 塑性韌性、抗震性能好 便于機械化制造

4、，施工期短鋼結構構件一般可以在專業(yè)化工廠由專門機具加工，生產(chǎn)效率高，且不受氣候影響。 可回收，建筑造型美觀 耐火性和耐腐蝕性差鋼材在表面溫度不超過200時，其性能變化很小，因而適合于熱車間。溫度達到200300以后,強度和彈性模量顯著下降?？梢圆扇〉膶Σ呤牵河没炷粱蚰突鸫u將其包裹起來。三、鋼結構的應用范圍（1）工業(yè)廠房鋼鐵、化工、機械、發(fā)電電 上海浦東國際機場候機樓屋架梁跨度83m，跨中高度超過11m，單榀屋架梁重55噸。 為了增加屋架結構的剛度，同時為保證屋架梁在風吸力作用下始終處于受拉狀態(tài)，下弦布置了一根預應力鋼索，對下弦施加足夠的預應力。（2）大跨度建筑物體育館、展覽館、影劇院、會議中

5、心、機庫 （3）大跨度橋梁公路，鐵路，跨江，跨海海 （4）多層和高層建筑香港中國銀行大樓 于1990年落成，由著名建筑學家貝聿銘負責設計。 高300多米，是結構美和建筑美的統(tǒng)一。建筑即結構，結構即建筑。三角形的受力簡潔明快，巨型立柱對角布置，使得抗傾覆力臂達到最大，而從底到頂不斷縮進，使得結構受力極為合理。頂端像針尖一樣直刺云霄。巴黎埃菲爾鐵塔 建于1886年,是為隨后1889萬國博覽會而建,以建筑師埃菲爾的名字命名。塔高320m,建筑設計中最著名的是防范強風吹襲的對稱鋼結構設計,集實用與美感于一體。（5）塔桅結構電視塔、天線、發(fā)射架、管道支架 東方明珠電視塔 東方明珠廣播電視塔座落在上海浦東

6、新區(qū)黃浦江畔，以其468米的高度成為亞洲第一高 塔。她于1994年11月完工，總重量達12萬噸。 東方明珠塔由三根直徑為九米的擎天立柱、太空艙、上球體、下球體、五個小球、塔座和廣場組成。多功能廣播電視發(fā)射塔輸電塔火箭發(fā)射塔（6）容器和管道： 油罐、儲氣罐 （7）可拆卸、移動的結構舞臺、展棚、軍用設施、溫室、水閘門 （8）輕型結構廠房、住宅、公共建筑 （9）在地震區(qū)抗震要求高的工程結構（10）海洋平臺沿海采油平臺四、鋼結構體系桿：受拉,受壓桁架、支撐、網(wǎng)架梁：受彎框架、樓層梁桁架：整體受彎、桿件受拉受壓屋架、支撐平面桁架空間桁架框架：梁受彎，柱受壓彎單層、多高層建筑拱：受壓為主，局部受彎桁架拱、

7、薄板拱 鋼拱橋空間（剛性）：整體受彎、局部受拉壓 網(wǎng)架、網(wǎng)殼、拱殼 總建筑面積近15萬平方米，外部圍護結構為鋼結構半橢圓球形網(wǎng)殼，東西長軸212.2m，南北短軸143.64m，總高度46.285m。設計為法國巴黎機場公司安德魯建筑師，整體結構用鋼量達6750噸。 國家大劇院 張力(非線性）：整體受彎、局部桿件受拉為主 索、網(wǎng)、膜明石海峽大橋1998年建成通車，大橋主橋全長3910m，主跨1990m，是目前世界上主跨最長的懸索橋，鋼橋塔高297m，是世界上最高的橋塔。兩根主纜各由290根直徑1.222m的高強鋼索構成，主纜的極限強度為1800MPa。五、我國鋼結構的應用前景（1）我國鋼產(chǎn)量10億

8、多噸，質量可靠；（2）擴大鋼材建筑市場：目前僅5%；（3）擴大應用范圍：住宅、公共、商業(yè)；（4）開發(fā)新材料：不銹鋼，耐候鋼，耐火鋼，高強鋼；（5）新體系、新理論：組合結構，預應力，索膜；（6）建筑結構一體化：新穎結構形式表現(xiàn)建筑。六、鋼結構基本內容理論基礎+工程經(jīng)驗復雜結構分解成單個構件，構件間連接整體結構分析結構力學為基礎單個構件分析材料力學為基礎連接分析結合工程實際鋼結構(I)-鋼結構設計基本原理 鋼結構的材料 鋼結構的連接 軸心受力構件（桿） 受彎構件（梁）拉彎和壓彎構件（柱）節(jié)點構造鋼結構(II)鋼結構工程 單層廠房鋼結構（輕鋼） 大跨房屋鋼結構 多高層房屋鋼結構 鋼結構制作和安裝七、

9、預備知識高等數(shù)學，材料力學，結構力學八、考核方式出勤 10%課堂討論和作業(yè) 10%期中考試10%期末考試70%1.2 鋼結構設計基本方法【鋼結構設計的基本要求】鋼規(guī)(GB500172003):“為在鋼結構設計中貫徹執(zhí)行國家的技術經(jīng)濟政策,做到技術先進、經(jīng)濟合理、安全使用、確保質量,特制定本規(guī)范”。即力求用最經(jīng)濟的方法,使所建結構滿足基本功能要求：（1）安全性:結構在正常施工和正常使用條件下，承受可能出現(xiàn)的各種作用的能力，以及在偶然事件（如地震、爆炸）發(fā)生時及發(fā)生后，仍保持必要的整體穩(wěn)定性的能力。（2）適用性:結構在正常使用條件下,滿足預定使用要求的能力。（3）耐久性:結構在正常維護條件下，隨時

10、間變化而仍能滿足預定功能要求的能力。結構的安全性、適用性、耐久性總稱結構的可靠性。一、結構設計的原則1、目標（1）承受各種作用，滿足功能要求；（2）技術先進，經(jīng)濟合理，安全適用，確保質量。（1）使結構產(chǎn)生內力和變形, 作用效應，外部因素；2、作用（S）（2）荷載：恒載(G)，活載(Q)，風載(W)靜載，動載，溫度, 沉降，地震，可變作用，永久作用。3、抗力（R）（1）結構承受作用的能力，結構特性；（2）與結構形式、尺寸、材料性能有關。 為了便于應用并符合人們長期以來的習慣，規(guī)范并不直接使用進行設計，而利用式: 來完成。就設計而言，問題被轉化為計算效應S和抗力R。4、功能（1）設計基準期內（一般

11、50年），（2）安全性(S0，或RS，安全狀態(tài)；Z0，或RS，失效狀態(tài)；Z=0，或R=S，極限狀態(tài)（2）承載能力極限狀態(tài)：結構或構件達到最大承載能力或出現(xiàn)不適于繼續(xù)承載的變形。 承載能力極限狀態(tài)包括： 整個結構或結構的一部分作為剛體失去平衡(如傾覆); 結構構件或連接在循環(huán)荷載作用下發(fā)生的疲勞破壞； 結構構件或連接因超過材料強度而破壞； 結構構件或連接因過度變形而不適于繼續(xù)承載； 結構轉變?yōu)闄C動體系； 結構或構件喪失穩(wěn)定（如壓屈等）。（3）正常使用極限狀態(tài)：結構或構件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定值。 (Limit Status for Normally Used Steel Structu

12、re) 正常使用極限狀態(tài)包括： 影響正常使用或外觀的變形；影響正常使用或耐久性能的局部損壞（包括裂縫）；影響正常使用的振動；影響正常使用的其它特定狀態(tài)?！咀ⅰ砍休d力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)相比，前者可能導致人身傷亡和大量的財產(chǎn)損失,而后者對生命的危害則較小,主要是引起人們的不適,故也應該給予足夠的重視。 7、隨機變量作用、作用效應和抗力隨機分布；標準值，設計值。8、可靠度指標（b=3.2）可靠概率（Ps），失效概率（Pf），校準法, 計算復雜。失效概率可靠指標9、結構安全等級結構重要性分三級： 重要、一般、次要1、統(tǒng)計變量：標準值，設計值，分項系數(shù)；恒載SG=gGSGk；活載SQ=gQSQk

13、；抗力R=Rk/gR a. 采用以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計方法(疲勞問題除外)，用分項系數(shù)的表達式進行計算； b. 結構的可靠度用可靠度指標來度量，并以分項系數(shù)的形式考慮。二、鋼結構設計表達式 ？ 1957年至1973年我國鋼結構設計采用半概率的分項系數(shù)法,結構設計中引入三個分項系數(shù)，即: 荷載分項系數(shù)-考慮荷載的不定性; 材料分項系數(shù)-考慮材料的不均性; 工作條件系數(shù)-考慮結構及構件的工作特點以及某些假定的計算簡圖與實際情況不完全相符等因素。 2、荷載組合承載能力極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)設計基準期內最不利組合 3、一般表達式（承載能力極限狀態(tài)）：gG=1.2；gQ=1.4；gR=1.1y

14、ci為荷載組合系數(shù)； ak為結構幾何特性； f為材料強度設計值。go為結構重要性系數(shù), go=1.1(一級)；go=1.0 (二級)； go=0.9 (三級)； 4、框架結構：承載能力極限狀態(tài):正常使用極限狀態(tài):有風載參與組合時荷載組合系數(shù)取0.85；w為限制值（變形、剛度）。三、結構設計規(guī)范碳素結構鋼(GB700-2006),低合金高強度結構鋼 (GB/T1591)：材料性能指標；建筑結構荷載規(guī)范(GB50009-2010)：活載、風載、 雪載標準值、材料自重(實測統(tǒng)計值)；建筑抗震設計規(guī)范(GB50011-2010)：地震烈度、地 震作用標準值計算、抗震設計； 鋼結構設計規(guī)范(GB5001

15、7-2003)/鋼結構設計標準(GB50017-2003) ：熱軋和焊接結構，材料強度、構件設計、連接設計、構造要求； 冷彎薄壁型鋼結構技術規(guī)范(GB50018-2002):冷彎薄壁結構,材料強度、構件設計、連接設計、構造要求； 鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范(GB50205-2001)：制作、安裝工藝和質量控制要求；正常設計、正常施工、正常使用、 正常維護。四、鋼結構設計基本過程1、結構方案:結構體系，材料，構件布置；2、荷載計算:恒、活、風、雪、吊車、地震等；3、荷載組合:恒+活、恒+活+風、恒+活+地震等， 地震和風作用的方向，吊車不同的位置；4、內力分析:截面估算,結構力學,彈性分析,變形計算；5、構件設計:驗算兩種極限狀態(tài)，優(yōu)化設計；6、構造要求:考慮