水 工 钢 结 构 Hydraulic Steel Structures,可再生能源学院 许桂生,华北电力大学 钢结构,绪论(Introduction),1 课程的性质和任务 2 钢结构的特点 3 钢结构的应用 4 钢结构设计的要求 5 水工钢结构的发展,主要内容：,华北电力大学 钢结构,课程概况,钢结构是土木工程专业的主要专业课之一，也是水工、港航、海工、农水等水利类专业的专业基础课。钢结构是当前我国重点推广和发展的结构形式。 钢结构是采用钢材制作而成的结构，是建筑工程的主要结构 形式之一。课程的主要内容包括材料、连接、基本构件三大部分。不同结构形式都是由基本构件联结而成，基本构件的核心问题是稳定问题。 本课程为2学分,计划 授课32学时。本课程课堂授课结束后集中安排一周的课程设计。,1 课程的性质和任务,华北电力大学 钢结构,课程特点与学习要求,本课程是结构工程中按材料划分出来的一门学科，先修课程有：材料力学、结构力学以及概率统计等。 本课程的主要任务是：着重学习（水工）钢结构的基本理论与基本知识，掌握（水工）钢结构的选材、构造原理、 计算方法与结构布置原则。能设计简单的（水工）钢结构构件，对（水工）钢结构的新发展有一定的了解。 本课程的特点是：大家对钢结构的感性认识少，结构构造复杂，理论性强（特别是稳定理论）。 多看书，搞清空间构造，加强感性认识；多作题，避免眼高手低。,1 课程的性质和任务,华北电力大学 钢结构,平时成绩占30 期末考试占70，其中平时成绩主要包括作业、考勤、课堂表现等方面； 许桂生 水利水电教研室 主楼B620 TEL: 61772453 E-mail: xu_guishengsina.com,课程的意义、成绩评定,1 课程的性质和任务,华北电力大学 钢结构,水工钢结构设计的有关规范,钢结构设计规范 GB50017-2003 建筑结构可靠度设计统一标准 GB50068-2001 建筑结构荷载规范 GB50009-2001 水利水电工程结构可靠度设计统一标准 GB5019994 水工建筑物荷载设计规范 DL5077-1997 水利水电工程钢闸门设计规范 SL74-95,1 课程的性质和任务,华北电力大学 钢结构,钢结构基本概念,钢结构：由钢材通过连接而成的承载结构。 钢材：通常指型钢和钢板；钢丝绳或钢丝束。 型钢：具有一定几何尺寸等级规格的轧制钢材，比较常见的角钢、工字钢、槽钢、T型钢等 ( P26 )。 连接：焊缝连接、螺栓连接、铆钉连接等 ( Ch3 )。,1 课程的性质和任务,华北电力大学 钢结构,钢与铁,钢是一种铁碳合金，为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过2%。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。,一般生铁的含碳量大于2，钢的含碳量小于2。,1 课程的性质和任务,华北电力大学 钢结构,1 承载能力大钢材强度高，重量轻，在结构重量相同时，钢结构的承载能力更大。2 稳妥可靠(1) 钢材在使用阶段接近理想弹塑性体，这使得理论计算与实际情况相吻合。(2) 钢材具有良好的塑性和韧性，不会因偶然的超载而破坏，对动力荷载适应性强。,2 钢结构的特点,华北电力大学 钢结构,3 工业化生产，施工周期短钢结构构件一般可以在工厂由专门机具加工，生产效率高，且不受气候影响。4 密闭性好钢材本身组织致密，因而具有良好的气密性和水密性。5 耐热不耐火钢材在200oC以下时性能变化很小，但在温度超过300oC后强度和弹性模量会显著下降。6 耐腐蚀性差新建钢结构，一般都需要采用油漆、喷铝、镀锌等进行防绣涂装，在涂装前需认真除锈，以后定期涂装，所以维护费用较高，这是钢结构的主要缺点。,2 钢结构的特点,华北电力大学 钢结构,活动式结构：闸门、升船机等； 装拆式结构：钢模板、砼搅拌楼等； 密封结构：压力管道、贮液罐、贮气罐等； 高耸结构：电视塔、微波塔等； 大跨度结构：桥梁、体育馆等； 海工钢结构：钻井、采油平台等。,3 钢结构的应用,华北电力大学 钢结构,泸定桥位于四川省泸定县境内，始建于1705，桥身由13根铁索组成，东西桥台之间净跨100米、铁索长101.67米、桥宽2.7米。,泸定桥,华北电力大学 钢结构,玉泉寺在湖北省当阳城西15公里的玉泉山东麓，始建于东汉末年，为我国历代著名的佛教寺院之一。,玉泉寺铁塔,华北电力大学 钢结构,艾菲尔铁塔,华北电力大学 钢结构,陕西铜川天然气公司 1000立方米天然气球罐,大连西太平洋石化有限公司 1500立方米CF-62钢球罐,华北电力大学 钢结构,三峡挡水闸门吊装,华北电力大学 钢结构,桥,华北电力大学 钢结构,武汉长江大桥,华北电力大学 钢结构,武汉长江二桥,华北电力大学 钢结构,汉诺威AWD球场,华北电力大学 钢结构,国家体育场(鸟巢）全景效果图,华北电力大学 钢结构,建筑结构可靠度设计统一标准(GB50068-2001)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。除疲劳计算外， 钢结构设计规范(GB50017-2003)采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数的设计表达式进行计算。 水工钢结构的设计目前仍采用容许应力法。,4 钢结构设计的要求,华北电力大学 钢结构,钢结构设计规范(GB50017-2003)第1章总则第1.0.1条明确指出：“为在钢结构设计中贯彻执行国家的技术经济政策，做到技术先进、经济合理、安全使用、确保质量，特制定本规范”。也就是说，力求用最经济的方法，使所建结构满足下列基本功能要求：,4 钢结构设计的要求,华北电力大学 钢结构,（1）安全性 结构在正常施工和正常使用条件下，承受可能出现的各种作用的能力，以及在偶然事件（如地震、爆炸）发生时及发生后，仍保持必要的整体稳定性的能力。 （2）适用性 结构在正常使用条件下，满足预定使用要求的能力。 （3）耐久性 结构在正常维护条件下，随时间变化而仍能满足预定功能要求的能力。结构的安全性、适用性和耐久性总称为结构的可靠性。,4 钢结构设计的要求,华北电力大学 钢结构,我国钢结构的发展概况,根据考古发现，我国在春秋时期已经开始使用人工制铁。公元前6070年，已建成铁链桥。比较著名的铁链桥有云南的沅江桥、贵州的盘江桥、四川的泸定桥。此外，还建有不少铁塔，如湖北荆州的玉泉寺铁塔、江苏镇江的甘露寺铁塔等。,5 钢结构的发展,华北电力大学 钢结构,新中国钢结构的发展,桥梁方面：1957年的武汉长江大桥；1968年的南京长江大桥；1992年的九江长江大桥；1993年的上海杨浦大桥；1996年的西陵长江大桥等。 公用与民用建筑：首都体育馆（跨度99m平板）；上海体育馆（直径110m平板网架结构）；秦俑陈列馆（跨度70m的三铰拱钢结构） 。 塔桅结构：北京环境气象桅杆（ 1977，325m ）；上海东方明珠电视塔（1995，468m）。 水工结构：葛洲坝2号船闸人字钢闸门（ 349.72.5m，重600t ）；三峡永久船闸人字钢闸门（ 38.520.23.0m，重1904t ） ；三峡升船机承船厢 （钢质开口槽形梁格结构，1322310m，过船吨位3000t） 。,5 钢结构的发展,华北电力大学 钢结构,钢结构的发展趋势,1. 高性能钢材的研制2. 设计方法和计算理论的改进3. 结构形式的革新,5 钢结构的发展,钢结构具有的优越特点，使它成为一种比较理想的结构。随着我国现代化建设的发展和钢产量的增加，钢结构的应用将会有很大发展，钢结构工程的科学技术水平也将进一步提高，其发展趋势为：,华北电力大学 钢结构,1. 高性能钢材的研制钢结构的突出特点就是钢材的强度高，因此特别适用于大跨度和承受大的荷载，采用高强度钢材，更能发挥钢结构这一优势。为保证必要的塑性、韧性和可焊性，钢结构用的高强度钢一般都是低合金钢。,5 钢结构的发展,华北电力大学 钢结构,我国高性能钢材的研制和应用屈服点为345N/mm2的16锰钢南京长江大桥屈服点为390N/mm2的15锰钒钢屈服点为410N/mm2的15锰钒氮钢九江长江大桥国外高强度钢的发展日本、美国、前苏联都已把屈服点为700N/mm2以上的钢列入了规范，如何研制高强度钢并合理应用是一个重要课题。另外，耐腐蚀钢、宽翼缘工字型钢、方钢管、压型钢板、冷弯薄壁型钢等都能较好发挥钢材的效能，得到较好的经济效果，有着广阔的发展前景。,5 钢结构的发展,华北电力大学 钢结构,2. 设计方法和计算理论的改进统一标准和现行钢规都要求采用以概率论为基础的极限状态设计法，这是通过大量理论研究和试验分析取得的成果，但是还有很多问题需要进一步研究和完善，有大量的工作需要继续完成。例如实际构件和几何缺陷的统计分析，残余应力的分布，机会缺陷和残余应力对承载力继续状态的影响；受压构件的极限承载力及其影响因素；多次重复荷载和动力作用下构件和结构的极限状态；钢材的塑性利用和板件屈服后的强度问题等等。,5 钢结构的发展,华北电力大学 钢结构,3. 结构形式的革新（1） 计算理论和计算手段的进步以及新材料新工艺的出现，为钢结构形式的革新提供了条件。网架一类的杆件多而超静定结构次数又多的空间结构大跨度悬索结构和斜拉结构预应力钢结构钢和混凝土组合结构（2） 结构形式革新的另一种形式是把梁、拱、悬索等不同受力类型的结构融于同一结构。九江长江大桥北京北郊综合体育馆亚运村游泳馆,5 钢结构的发展,华北电力大学 钢结构,（3） 随着高强度螺栓和焊接技术的发展，铆接结构已被栓焊或全焊结构代替。厂房钢结构、塔桅结构、网架结构中广泛应用了高强度螺栓连接；西陵长江大桥的箱型加劲梁采用了全焊接结构；孙口黄河大桥桁梁采用了整体焊接节点、节点外拼接的新的型式。（4） 高层建筑钢结构的研究近年来，我国已建成一批高层建筑，如：上海锦江饭店分馆 （153m）深圳发展中心大厦 （165m）北京京广中心大厦 （208m）我国钢结构事业发展很快，结构革新在科研、设计、材料、制造加工、安装建设等方面还有许多工作要做。,5 钢结构的发展,华北电力大学 钢结构,CH1 绪论 CH2 钢结构的材料和计算方法 CH3 钢结构的连接 CH4 钢梁 CH5 钢柱与钢压杆 CH6 钢桁架 CH7 平面钢闸门,水 工 钢 结 构,华北电力大学 钢结构,Ch2 钢结构的材料和计算方法,1 钢材的主要性能 2 影响钢材机械性能的主要因素 3 钢材的疲劳 4 建筑钢的种类、牌号及选用 5 轧成钢材的规格及用途 6 钢结构的计算方法,华北电力大学 钢结构,1 钢材的主要性能,一、一次单向拉伸试验曲线,f,B,A,C,D,华北电力大学 钢结构,钢材的两种破坏形式：,脆性破坏在一定条件下，未产生警示性的塑性变形而突然发生的脆性断裂。塑性破坏在应力达到抗拉强度fu后产生很大的塑性变形而发生的断裂。,1 钢材的主要性能,华北电力大学 钢结构,二、钢材的主要性能强度 fy 强度设计标准值，设计依据；fu钢材的最大承载强度，安全储备。 塑性u，钢材产生塑变时而不发生脆性断裂的能力，便于内力重分布，吸收能量，重要指标。 冷弯性能90o、180o，在冷加工过程中产生塑性变形时，对产生裂纹的敏感性，是判别钢材塑性及冶金质量的综合指标。 韧性冲击韧性k，钢材在一定温度下塑变及断裂过程中吸收能量的能力，用于表征钢材承受动力荷载的能力（动力指标），按常温（20o）、零温（0o） 、负温（-20o、-40o）区分 。,1 钢材的主要性能,华北电力大学 钢结构,