钢结构设计原理 绪论, 1.1 我国钢结构的发展概况,铁塔是我国古代的一种宗教建筑。如现存的建于宋代的湖北荆州玉泉寺13层铁塔，以及山东济宁铁塔寺铁塔和江苏镇江甘露寺铁塔等。,钢结构在我国古已有之。 据历史记载，远在汉明帝（公元60年前后）时，再我国西南地区要道的深山峡谷上建造了铁链桥。如：兰津桥。其后以明代建造的云南沅江桥、清代建造的贵州盘江桥和四川卢定大渡河桥最著名。,第一节, 1.1 我国钢结构的发展概况,我国进一步发展建筑钢结构已经具备了较充分的工程材料、设计、制造和施工优势等条件。,“九五计划”开始实施以来，情况有了根本的转变，“节约用钢”转变为“合理用钢”的政策。我国政府对原先钢结构行业采取限制使用的手段，已改为鼓励推广应用，并从规划、政策及具体推动等方面给予倾斜，估计2005年到2010年建筑钢结构用材分别达到全国钢材总产量的3%和6%的目标。钢结构有了发展的政策和物质基础。,钢结构在建筑工程中发挥着独特的日益重要的作用，无论是高层、超高层、轻型钢结构和大跨度空间结构等，都因其施工速度快、周期短、抗震性能好而被广泛运用。,第一节,国内钢结构设计的计算机软件不断涌现，它们各具特色，可分别适应我国普钢结构、高层钢结构、轻钢结构、网架结构、薄壁拱形结构的设计需要。八十年代以来我国建成了许多高层钢结构，在北京、上海、深圳、大连、天津等地建设已形成高潮，特别是上海金茂大厦（88层，总高度达420）及正在施工中的环球金融大厦使中国的高层建筑进入世界的前列。,发展钢结构，我们已基本具备了必要的物质基础、技术保障,第一节, 1.2钢结构的特点及应用范围,1钢材的强度高，塑性、韧性好,2材质均匀、工作可靠性高,3钢结构制造简便、施工周期短、具有良好的装配性,4钢材具有可焊性,5钢材具有不渗漏性，便于做成密闭结构,6钢结构建筑是绿色建筑，具备可持续发展的特性,钢结构与其他结构相比具有下列优点：,1.2.1 钢结构的应用范围,钢材也有它自身的不足：,1钢材耐腐蚀性差,2钢材耐热但不耐火,1.2.2 钢结构的应用范围,在土木工程中，钢结构有着广泛的应用。由于使用功能及结构组成方式不同，钢结构种类繁多，形式各异。,单层厂房结构,宝钢集团一钢公司不锈钢炼钢工程,2大跨结构 主要用于飞机库、汽车库、火车站、大会堂、体育馆、展览馆、影剧院等，其结构体系主要采用框架结构、网架结构、网壳结构、悬索结构、充气结构、张拉整体结构、膜结构、杂交结构及预应力钢结构等。,北京2008年奥运会为20项比赛项目建37座体育场馆其中32座在北京，19座为新建，13座为改建另 5座在外省，3座新建在天津，沈阳和青岛，2座改建在 上海和秦皇岛共新建22座，改建15座旧场馆，实为 我国当前一件非常具有挑战性的艰难任务现已确定 下来并已施工或准备施工的有9个场馆，为： 国家体育场，国家游泳中心，国家体育馆，天津 奥林匹克中心体育场，北京老山奥运自行车馆，2008 年奥运篮球馆（五棵松）， 2008年奥运羽毛球比赛馆（在北京工业大学内）， 2008年奥运会摔跤馆（在中 国农业大学内），2008年奥运会乒乓球馆（在北京大学内）,北京2008奥运场馆,北京2008奥运场馆,国家体育场-平面为椭圆形,长轴340m,短轴292m,屋盖中间开 口185.3mx127.5m ;由一系列空间刚架绕内环旋转而成，形成 三维空间承重体系，没一榀刚架由高12m的屋盖绗架组成，采 用加肋薄壁箱形截面总用钢量优化到41875t.,北京2008奥运场馆,北京2008奥运场馆,3多层、高层结构,北京金宸公寓（钢结构多层住宅）,4塔桅结构 用于高度较大的无线电桅杆、微波塔、电视塔、高压输电线路塔、化工排气塔、石油钻井架、大气监测塔、旅游瞭望塔、火箭发射塔等。我国在60-70年代建成的大型塔桅结构有200m广州电视塔、210m上海电视塔、194m南京跨越长江输电线路塔、325m北京环境气象桅杆。1990年落成的212m汕头电视塔、260m大庆电视塔等都是钢结构。,5桥梁结构 由于钢桥建造简便、迅速、易于修复，因此钢结构广泛用于中等跨度和大跨度桥梁。我国著名的杭州钱塘江大桥（1934-1937年）是最早自己设计的钢桥，在这之后的武汉长江大桥（1957年）、南京长江大桥（1968年）均为钢结构桥梁，其规模和难度都是举世闻名的，上海的黄浦江大桥也采用钢结构。这些标志着我国桥梁事业已进入世界先进的技术行列。,杭州湾大桥南航道桥A型独塔斜拉桥,香港岛屿的斜拉桥,6移动结构 用于装配式活动房屋、水工闸门、升船机、桥式吊车和各种塔式起重机、龙门起重机、缆索起重机等，这类结构随处可见。这几年来高层建筑的发展，也促使塔式起重机像雨后春笋般地矗立在街头。我国已制订了各种起重机系列规程、规范，促进了建筑机械的大发展。,7轻型钢结构 轻型钢结构通常指由圆钢、小角钢、薄壁型钢或薄钢板焊接而成的结构。轻型钢结构的优点是自重轻、造价低、生产制作工厂化程度高、现场安装工作量小、建设速度快，同时外型美观、内部空旷、建筑面积及空间利用率高，因此在建筑市场极具竞争力。近几年来轻型钢结构在我国发展迅速，其应用范围已从工业厂房、仓库、体育场馆等向住宅、别墅发展。,别墅（钢结构低层住宅）,别墅（钢结构低层住宅）, 1.3钢结构的主要结构特性,平面结构体系由承重体系及附加构件两部分组成，其中承重体系是一系列相互平行的平面结构组成，承担该结构平面内的竖向荷载和横向水平荷载，并传递到基础。附加构件由纵向构件及支撑组成，将各个平面结构连成整体，同时也承受结构平面外的纵向水平力。,1 平面结构体系,图1.1 平面结构体系,图1.2 门式刚架的结构体系,2空间受力结构体系 空间受力结构体系分为刚性空间结构、柔性空间结构 等： （1）刚性空间结构有网架结构和网壳结构等； （2）柔性空间结构有悬索结构、张拉整体结构及索膜 结构等。,图1.3 首都机场机库剖面图（单位：m）,图1.4 北京工人体育馆结构剖面图,广州会展中心就是典型工程（图1.5）。,图1.5 广州会展中心张弦立体桁架结构,广州国际会展中心,广州国际会展中心,威海体育场（膜结构）,郑州体育场（膜结构）,青岛体育场（膜结构）,3多层、高层及超高层建筑结构体系,多、高层钢结构体系主要有框架、框架支撑体系、框架内筒体系、带伸臂桁架的框架内筒体系、外筒体系、筒中筒及成束筒等结构体系。,图1.6 北京长富宫中心部分结构 图1.7 北京京广中心大厦R1轴剖面,金 茂 大 厦,金茂大厦,金 茂 大 厦,高层钢结构一般是指六层以上（或30以上），主要采用型钢、钢板连接或焊接成构件，再经连接、焊接而成的结构体系。高层钢结构常用钢框架结构、钢框架混凝土核心筒结构形式。后者在现代高层、超高层钢结构中应用较为广泛，事实上，它属于钢混凝土组合结构。,高层钢结构（补充）,特性 与混凝土高层相比： 自重轻，截面小，可降低基础造价，室内有效面积大，与玻璃幕墙结合，建成现代感很强的建筑外形； 施工速度快、工业化程度高，可降低人工费用，增加建筑的投资回报率； 抗震性能较好，利于向高层、超高层发展； 绿色环保、可持续发展； 1218层的高层钢结构造价可达到与混凝土结构持平，综合造价可望超过混凝土。,应用范围 现代高层、超高层公共建筑，标志性建筑，商业中心，如：北京国贸中心、环球金融大厦； 星级饭店，旅馆，如：北京香格里拉饭店、长富宫饭店； 商用写字楼，综合楼，办公楼如：长春光大银行、上海国际航运大厦； 民用住宅，高层公寓。民用住宅的开发与试点正在进行。如：天津市梨园小区等。,主要材料 型材：包括截面形式为：“”型钢，“十”字形钢、“口”字型钢。目前我国莱钢、马钢、鞍钢一厂自行生产的100mm700mm的热轧“”型钢，上海大通生产的高频焊接轻型H型钢 均已投放市场。 钢承板：或是压型钢板，我国已能生产各种型号的压型钢板。 政策指向 高层钢构的行业标准高层民用建筑钢结构技术规程已颁布，抗震规范已修订完。 高层建筑结构用钢国产化也已定了标准，并逐步实施。国家将进一步鼓励高层钢结构用国产热轧“”型钢。 高层钢结构的设计软件正在进一步布研究、开发、鉴定中。,发展、现状、前景 高层钢结构在我国最早应用于工业建筑中，如矿井塔架、海洋平台等。民用高层钢结构的应用起步较晚，我国最早的高层钢结构建筑为上海国际饭店（1932年，22层，82米），进入八、九十年代以后，高层钢结构获得了较快的发展，国内也出现了一批高层钢结构建筑（八十年代有11幢，九十年代至今有25幢，见下列）,八十年代的高层钢结构 序号 工程名称 地点 高度 层数 建筑面积(万平) 总用钢量(万吨) 结构形式 1 京广中心 北京 208 3+57 13.7 1.9 钢框架，带边框钢筋混凝土剪力墙 2 京城大厦 北京 182 4+52 11 1.2 钢框架钢支撑（外包钢筋混凝土） 3 深圳发展中心 深圳 165 2+48 5.6 0.9 钢结构混凝土核心筒，外框钢结构 4 北京国贸中心 北京 155.2 2+39 8.6 1.2 内外钢框架钢支撑筒体 5 上海锦江饭店 上海 153 1+46 4.8 0.75 钢框架钢支撑及钢板剪力墙 6 上海希尔顿饭店 上海 144 1+43 5.2 0.4 钢结构混凝土核心筒，外框钢结构 7 上海国贸中心 上海 142 2+37 9 1.074 钢框架钢支撑 8 上海瑞金大厦 上海 107 1+27 3.2 0.37 钢结构混凝土核心筒，外框钢结构 9 长富宫饭店 北京 90.9 3+26 5.05 0.53 纯钢框架及剪力墙 10 香格里拉饭店 北京 82.7 2+24 5.6 0.53 钢骨混凝土框架，钢框架梁、梁柱 钢接体系 11 上海金沙江饭店 上海 41.4 1+14 1.6 0.11 钢框架钢支撑 合计 73.35万平米 8.964万吨,九十年代的高层钢结构 序号 工程名称 地点 高度 层数 建筑面积(万平) 总用钢量(万吨) 结构形式 1 环球金融大厦 上海 4 95 460 33 2.6 钢混凝土核心筒，外框钢骨混凝土柱 及钢柱 （停工） 2 金茂大厦 上海 3 88 420 28.9 1.4 钢混凝土核心筒，外框钢骨混凝土柱及钢柱 3 赛格广场 深圳 4 70 278.6 15.8 1 钢混凝土核心筒，外框钢管混凝土结构 4 地王大厦 深圳 3 67 294.1 13.8 1.2 钢混凝土核心筒，外框钢结构 5 世界贸易中心 天津 3 64 266 10 1.6 钢结构框架斜撑核心筒，外框钢结构 6 上海浦东国际金融大厦上海 上海 3 53 230 12 1.1 钢结构混凝土核心筒，外框钢结构 7 大连云山大厦 大连 4 52 208 9.6 0.7 钢结构混凝土核心筒，外框钢结构 8 上海东海广场 上海 3 52 245 10 0.34 钢框架与钢混凝土中心筒 9 大连远洋大厦 大连 3 51 200.8 7 0.5 钢结构混凝土核心筒，外框钢结构 10 国际航运大厦 上海 3 48 210 10 0.95 钢结构混凝土核心筒，外框钢结构 11 森茂大厦 上海 3 48 198 11 0.8 钢混凝土核心筒，外框钢骨混凝土结构 12 长春光大银行 长春 3 26 99 3 0.4 钢框架斜撑钢筋混凝土筒 13 世界金融大厦 上海 2 43 166.5 8.3 0.33 钢混凝土核心筒，外框钢骨混凝土柱,14 云项花园 天津 3 43 165 6 1.3 钢结构混凝土核心筒，外框钢结构 15 期货大厦 上海 3 43 157.7 8.5 0.65 钢结构混凝土核心筒，外框钢结构 16 上海信息枢纽大楼 上海 4 41 184.5 8.7 0.8 钢结构混凝土筒体，巨型钢框 架结构 17 中国保险大厦 上海 3 39 154 6.6 0.12 钢筋混凝土筒体，钢珩架梁 18 北京国贸中心二期 北京 4 38 160 5.5 0.6 钢混凝土核心筒，外框钢结