第一章 概 述,1.1 钢结构的特点和应用 1.2 钢结构的建造过程和内在缺陷 1.3 钢结构的组成原理 1.4 钢结构的极限状态和概率极限状态法 1.5 钢结构的发展,1886年，为了纪念法国资产阶级大革命一百周年和迎接世界博览会，法国政府决定在巴黎建造一座标志性建筑。工程师古斯塔夫埃菲尔的建塔方案最终被选中。 该塔高320米，共用去钢铁7000吨，12000个金属部件，250万只铆钉。,钢结构：用型钢或钢板制成基本构件，根据使用要求，用焊接或螺栓连接等方法，按照一定规律组成的结构体系。,1.1钢结构的特点和应用,1.材料的强度高,塑性和韧性好 塑性：在应力超过一定限度的条件下，材料或物 体不断裂而继续变形的性质。在外力去掉 后还能保持一部分残余变形。 韧性：受外力作用时虽然变形而不易折断的性质。 良好的吸能能力和延性使得钢结构具有优越的抗震性能,1.1.1钢结构的特点,2.材质均匀, 符合力学假定 较接近各向同性体 3.钢结构制造简便,施工周期短 钢结构生产具备成批大件生产和高度准确性的 特点，可以采用工厂制作、工地安装的施工方 法，所以其生产作业面多，可缩短施工周期， 进而为降低造价、提高效益创造条件。 4.钢结构的质量轻 在承受相同的荷载时，钢结构比其它结构轻 5.钢材可以完全回收，对环境污染小,6.钢材耐腐蚀性差 钢结构的最大缺点是易于锈蚀。在空气中易被氧化，对暴露在空气中的建筑需要定期维护，维护费用较高。,7.钢材耐热但不耐火 温度在250以内，钢的性质变化很小，温度达到300以上，强度逐渐下降，达到450650时，强度降为零。,1.1.2钢结构的应用范围,大、重、特、高 1.大跨度结构 钢材强度高结构重量轻的优势正好适合于大跨结构，因此钢结构在大跨空间结构和大跨桥梁结构中得到了广泛的应用。,2.重型厂房结构 吊车起重量较大或者其工作较繁重的车间的主要承重骨架多采用钢结构。另外，有强烈辐射热的车间，也经常采用钢结构。,3.受动力荷载影响的结构 由于钢材具有良好的韧性，设有较大锻锤或产 生动力作用的其他设备的厂房，即使屋架跨度不 大，也往往由钢制成。对于抗震能力要求高的结 构，采用钢结构也是比较适宜的。,4.可拆卸的结构 钢结构不仅重量轻，还可以用螺栓或其他便于拆装的手段来连接，因此非常适用于需要搬迁的结构。,上海国际网球大师杯赛看台,5.高耸结构和高层建筑 扭动之躯 有西班牙鬼才建筑师之称的卡特拉特瓦的作品。扭动之躯楼如其名，是卡特拉特瓦看到人体雕塑产生的灵感。该建筑的九个块体彼此以极小的旋转角度差相接，由下往上总共旋转90 度。大楼外墙厚度隨高度逐减。,帝国大厦 建成于西方经济危机时期，成为美国经济复苏的象征，如今和自由女神一起成为纽约永远的标志。,6.容器和其他构筑物 由于焊接结构可以做到完全密封，一些要求气密性和水密性好的高压容器、大型油库、气柜、管道等板壳结构都采用钢结构。,管道,高耸建筑 电视塔、微波塔、通讯塔等 336m 高的黑龙江广播电视塔为亚洲第一高钢塔,构筑物：摩天轮,7.轻型钢结构 “轻钢结构”往往是荷载较轻，用的也是截面较小、厚度较薄的型钢。,轻钢小别墅一般23层。 造型多变、功能齐全、建造速度快、工业化程度高、造价略高。,国家大剧院,1998年4月，公开进行建筑设计国际招标。共收到69个方案。在此后一年零4个月的时间里经过两轮竞赛三次修改，多次评选和论证，最后选中法国人保罗-安德鲁的方案。2000年4月，工程动工。,几个有代表性的钢结构建筑,整个结构没有一根柱子支撑，全靠弧形钢梁承重。,歌剧院设有2416个观众席，舞台台口宽度 18.6米，台口高度14.2米,戏剧院设有1040个观众席，舞台台口宽度15m，舞台台口高度9m,音乐厅设有2017个观众席，舞台台口宽度24米，进深15米，可容纳120人演奏，180人合唱。,壳体钢结构长轴剖面,伦敦市政厅,巴黎的玻璃金字塔,是中国著名设计师贝聿铭设计的，贝聿铭说“这是一座为活人而建的金字塔”。,德国慕尼黑安联球场,这座球场以独特的外观、球场内壮观的场景而成为世界上最棒的球场之一。球场表面用透明的菱形膜结构，在阳光下闪耀着光芒，而在夜晚灯光的照射让其呈现出红蓝两种颜色。,国家游泳中心水立方,2005年开工，作为08年奥运电视报导的电视文化中心工程先行在07年底完工，其他部分2009年完工。完工后主楼高234米，地上52层、地下3层，另有10层裙楼，建筑面积47万平方米。,中央电视台新楼,“迪拜旋转摩天大楼”高约420米， 80层，每一层都错落开呈螺旋上升状，每一层都可以360度旋转。,迪拜旋转摩天大楼,这座大楼建造方法另类，大楼的每一层将在意大利预先做好，再运到迪拜组装。,每层楼之间都装有风力涡轮机提供动力。,大楼还装有太阳能板，为自己或邻近的建筑物提供电力。,1.2钢结构的建造过程和内在缺陷,1.2.1钢结构的建造过程,2.工地安装,1.工厂制造,验收、放样、加工、装配、矫正、除锈和涂漆,扩大拼装、吊装就位、临时固定、最后固定,1.2.2 钢结构的初始缺陷 1.几何缺陷 初弯曲 初倾斜 杆件长度误差 2.材料缺陷 钢材并非理想的匀质体和各向同性体,1.3 钢结构的组成原理,任何结构都必须是几何不变的空间整体，并且在各类作用的效应之下保持稳定性能，必要的承载能力和刚度。当结构的承重主体是桁架、刚架等平面体系时，需要设置一些辅助构件如支撑、横隔等把他们连成空间整体。,除容器外，一般将结构分为跨越结构和高耸结构，前者是跨越地面上一定空间的结构，包括桥梁和单层房屋结构；后者则是从地面向上发展的结构，包括高层房屋、塔架和桅杆结构。层数不多的房屋则介于两者之间。,1.3.1 跨越结构 1.平面体系加支撑 如：穿式桁架桥 单层厂房的屋盖 最典型的跨越结构桁架桥,2.空间体系 如：平板网架 穹顶结构 悬索屋盖结构 空间框架,1.3.2 高耸结构 高耸结构不同于跨越结构的一个重要特点是，水平荷载（风力、地震的水平作用）居于主导地位。 1.高层房屋结构 刚架(a)框架-支撑或剪力墙(b,c)重型支撑(d) 2.塔架本身就是一个空间桁架 3.桅杆用纤绳抵抗水平作用和保持稳定的结构。,1.4 钢结构的极限状态和概率极限状态法,1.4.1 钢结构的极限状态 和其他结构一样，钢结构的极限状态可分为两大类： 1.承载力极限状态 对应于结构或构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形，包括倾覆、强度破坏、丧失稳定、结构变为机动体系或出现过度的塑性变形。 2.正常使用极限状态 对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值，包括出现影响正常使用（或外观）的变形、振动和局部破坏等。,1.4.2 结构的荷载效应分析 设计钢结构需要处理两个方面的因素：一是结构和构件的抗力；二是荷载施加于结构的效应。 结构在荷载作用下必然有变形。当变形和构件的几何尺寸相比微不足道时，内力分析按结构的原始位形进行，即忽略变形的影响。这种做法称为一阶分析。 大跨度的钢拱桥，拱肋的柔度就比较大，变形影响不再能被忽略。考虑变形影响的内力分析称为二阶分析，属于几何非线性分析。,1.4.3 概率极限状态法 钢结构设计的基本原则是要做到技术先进、经济合理、安全适用和确保质量。因此，结构设计要解决的根本问题是在结构的可靠和经济之间选择一种最佳的平衡，使由最经济的途径建成的结构能以适当的可靠度满足各种预定的功能要求。,1.5 钢结构的发展,“建筑是用石头写成的史书”在雨果先生生活的那个时代是没有疑问的，然而当今世界的史书恐怕没有多少是用石头写的。在几千年的人类历史中，建筑结构经历了木结构、砖石结构、钢筋水泥结构、钢混结构及钢结构。 目前全球独领风骚的建筑材料是钢材，钢结构已是发达国家主导建筑结构，广泛应用于高层、超高层建筑、大跨大空间建筑、量大面广的中小型工业、商业、社区、文教卫生等建筑，以及大部分的低层非居住型建筑中。,历史,人类采用钢结构的历史和炼铁、炼钢的发展有密切的关系。钢结构是由生铁结构逐步发展起来的，中国是最早用铁制造承重结构的国家。远在秦始皇时代（公元前二百多年），就有了用铁建造的桥墩。 公元65年（汉明帝时代），已成功地用锻铁建成了世界上最早的铁链悬桥兰津桥。此后，为了便利交通，跨越深谷，曾陆续建造了数十座铁链桥。其中跨度最大的为1705年建成的四川泸定大渡河桥。该桥比美洲1801年才建造的跨长23m的铁索桥早近百年。,泸定桥位于县西之大渡河上，修建于清康熙四十四年(1705年)，桥宽2.8m，跨长100m，铁索桥由13根粗大的铁索构成。,由于我国长期处于封建主义统治之下，束缚了生产力的发展，1840年鸦片战争以后，更沦为半封建半殖民地国家，经济凋敝，工业落后，古代在钢铁方面的技术优势早已丧失殆尽。 新中国成立后，随着经济建设的发展，钢结构曾起过重要作用，如第一个五年计划期间，建设了一大批钢结构厂房、桥梁。 但由于受到钢产量的制约，在其后的很长一段时间内，钢结构被限制使用在其他结构不能代替的重大工程项目中，在一定程度上，影响了钢结构的发展。,现在,自1978年我国实行改革开放政策以来，经济建设获得了飞速的发展，钢产量逐年增加。自1996年超过1亿吨以来，一直位列世界钢产量的首位。我国的钢结构技术政策，也从“限制使用”改为积极合理地推广应用。 近年来，随着市场经济的不断完善，钢结构制作和安装企业像雨后春笋般在全国各地涌现。所有这些，为钢结构在我国的快速发展创造了条件。,发展,发展低合金高强度钢材和型钢品种 利用高强度钢材，可以用较少材料做成功效较高的结构，对跨度和荷载大以及高耸的结构极为有利。我国钢结构规范推荐的钢材有Q235钢、Q345钢、Q390钢、Q420钢。,奥运“鸟巢”用钢为邯郸钢铁集团舞阳钢铁公司自主研发生产的Q460钢。Q460是一种低合金的高强度钢 ，比通常的建筑用钢材强度超出1倍。,国内外在高性能钢材的应用方面取得不少新进展，其中包括高强度高性能钢、低屈服点钢和耐火钢的开发和应用等。 我国有些企业正在试生产屈服点达到100N/mm2的低屈服点钢材，可用于抗震结构的耗能部件。有的企业正在开发耐火钢，该钢即使加热到600也能保持常温2/3以上的强度。 相对来说，我国钢材的种类和质量均不及工业发达国家的。如何研制开发新型高效钢材是摆在我国冶金战线科技工作者面前的一项重要任务。,新型结构组合结构,钢管混凝土组合结构,