钢结构 课件 第一章 绪论(1-9).doc

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第一章 绪 论
§1-1 钢结构的特点
1、轻质高强
(1)混凝土C20 =11N/mm2； ※强度为十倍级的关系；
钢Q235 =215 N/mm2；
(2)混凝土 =2500kg/m3； ※钢材的密度为混凝土密度的3倍；
钢 =7850kg/m3；
同样的跨度承受同样荷载，钢屋架的重量是砼屋架的；冷弯薄壁型钢屋架甚至接近。
2、塑性、韧性好
(1)塑性：钢材抵抗变形的能力的大小；在一般情况下，钢结构不会因偶然超载或局部超载而突然破坏。
(2)韧性：钢材抵抗动荷载的能力；钢材在动力荷载作用下，吸收能量的能力的大小（与延性相关）。
3、材质均匀，符合力学假定
※材料力学基本假定：连续、均匀、各向同性。计算结果与实际受力情况吻合。
4、具有可焊性
可焊性是钢材经焊接而不开裂的性质。由于钢结构具有可焊性，使得结构的连接大大简化，并可根据需要，实现各种形状复杂结构的连接。但应注意焊接时产生的焊接残余应力和残余变形的问题。
5、工业化程度高，施工周期短
标准化：设计标准化、加工制作标准化、安装标准化；
装配化：采用螺栓连接时，钢结构可装可卸；
6、密闭性好（水密性和气密性）
焊接的钢结构(钢材及焊缝)密闭性好。
7、耐热不耐火
·耐热性：
0℃～200℃：力学性能影响不大，但强度随温度的升高，呈降低趋势；仅幅度不大而已；
200℃～250℃：材质变化较大，不仅强度逐步降低，而且伴有徐变现象；
250℃左右：强度增大，塑性韧性降低，钢材表面发蓝（蓝脆现象）；
250℃～600℃：强度为零，完全丧失承载能力（软化E→0）。
·不耐火性：
※无保护层的钢柱的耐火极限仅为0.25h。
因此，规范中规定，钢构件表面辐射温度大于150℃时，应采取有效的隔热防火措施。
8、抗腐蚀性能差
钢材的腐蚀有化学反应和原电池反应两种。钢材的生锈只是化学反应中的一种。
※ 关键词
钢结构——steel structure；强度——strength；塑性plasticity；
韧性——toughness；可焊性——weldability；

§1-2 钢结构的应用范围
1. 大跨度结构：梁、桁架、框架、拱、壳、空间网架、悬索等；
2. 轻型钢结构：轻型钢结构由圆钢，小角钢或薄壁型钢组成，以满足荷载小，跨度及高度均不大的轻型支架结构和屋盖结构的承载要求；现在包括门式刚架轻型房屋钢结构、冷弯薄壁型钢结构以及钢管结构；
3. 多层和高层结构：住宅、写字楼等；
4. 高耸结构：塔及桅杆；
5. 工业厂房结构：锻压车间等；
6. 可拆移或移动的结构；
7. 特种结构：栈桥、海上采油平台、容器、管道等；
8. 钢—砼组合结构：劲性混凝土。
※ 关键词
工业厂房——industrial factory building；
大跨结构——large span structure；
高层结构——high-rise structure；
高耸结构——towering structure；

§1-3 钢结构的设计方法
《钢结构设计规范GB50017—2003》已于2003年12月1日开始实施，规范总则中第一条“为做到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量，特制定本规范”。
结构设计准则：结构由各种荷载产生的效应（内力和变形）不大于结构（包括连接）由材料和几何因素等所决定的抗力或规定限值。
结构计算的目的是保证所设计的结构或结构构件在施工和工作过程中满足预期的安全性和使用性要求。
一、基本概念
1. 可靠性：结构或构件在使用期间安全性、适用性和耐久性的总称。它是指结构在规定的时间内、在规定的条件下完成预定功能的能力。
2. 可靠度：可靠性的概率度量，即结构在规定时间内、规定条件下，完成预定功能的概率。
3. 荷载：恒荷载、活荷载；风荷载、雪荷载、地震荷载等。
4. 作用：凡是使结构或构件产生内力或变形的因素，统称为作用。
5. 荷载效应(S)：荷载在结构或构件中产生的内力、应力、变形或裂缝等。
6. 抗力(R)：结构或构件抵抗外力的能力，通常为强度或承载力。
7. 功能函数
＞0安全可靠
Z(R,S)=g(x1, x2……xn)= R-S ＝0极限状态
＜0失效
8. 极限状态：当结构或其组成部分超过特定状态就不能满足设计规定的某一项功能要求时，此特定状态就称为该功能的极限状态。
(1)承载能力极限状态，是指当结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形时的极限状态。包括构件和连接的强度破坏、疲劳破坏和因过度变形而不适于继续承载，结构和构件丧失稳定，结构转变为机动体系和结构倾覆。
(2)正常使用极限状态，是指结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值时的极限状态。包括影响结构和非结构构件正常使用或外观的变形，影响正常使用的振动，影响正常使用或耐久性能的局部损坏(包括混凝土裂缝)。
二、设计方法
（一）容许应力法（安全系数法）
1. 定义：容许应力法是将影响结构安全的各种参数按经验取值，一般选用平均值或规范规定的标准值，在强度计算中采用安全系数K来考虑这些参数可能的变异对结构安全的影响。
容许应力法属定值法的一种，定值法包括最大荷载法和容许应力法。
2. 设计公式： ； 其中，K≥1
3. 特点：
表达形式简单，使用方便；
容易误解，以为该方法设计出的结构100％的安全；K的取值越大，结构越安全；（砌体结构的K最大，但不能说明砌体结构比其他结构安全）
静载和动载没有区分。
（二）概率极限状态设计法（风险设计法或不定值设计法）
1. 定义：概率极限状态设计法是将影响结构安全的各种参数作为随机变量用概率论和数理统计的方法，采用可靠度理论求出结构在使用期间满足基本功能的概率。
2. 设计公式：

3. 特点：该设计方法有特定的极限状态，又给出不超过该极限状态的概率（可靠度），是一种较为完善的设计方法。
（三）《钢结构设计规范 GB50017—2003》中，采用以上两种设计方法。
大多数情况采用概率极限状态设计法；对于疲劳设计或验算时，仍沿用容许应力法。
※ 关键词
容许应力法——allowable stress method
极限状态设计法——limit-state design method
可靠性——reliability
极限状态——limit state

§1-4 钢结构的发展
一、发展趋势
1. 高效钢材
（1）低合金钢
利用添加少量合金元素（锰、钒、钛、稀土等）提高钢材的强度和改善一些性能，从而达到降低钢材用量和延长钢材使用寿命等目的，以取得良好的经济效益。其中耐候钢（耐大气腐蚀钢）亦是低合金钢中大力发展的钢种。由于耐候钢暴露在大气条件下时，表面可形成一层非常致密且附着力很强的稳定锈层，从而阻止外界腐蚀介质的侵入，减缓金属继续腐蚀的速度。因此，耐候钢可大量节约涂漆和维护费用。
（2）热强化钢材——控制轧制（控制终轧温度及压缩率，加大轧制压力）、控制冷却（包括轧制候余热直接淬火）和热处理（淬火、淬火加回火、正火等）的各类钢材。由于经热强化后，钢材的内部组织经过调整，其强度、韧性等均有显著提高，如钢轨经热强化后，寿命可较一般钢延长1～2倍。
（3）经济截面钢材——H型钢、T型钢、异形型钢、钢管及冷弯型钢、压型钢板等。由于截面形状合理，故在用钢量相等的情况下，其截面惯性矩可比一般截面型材的大，且使用方便，能高效地发挥钢材的性能，节约钢材和降低钢结构制造费用。
（4）镀层、涂层、复合等表面处理钢材
镀层、涂层、复合等表面处理钢材包括镀保护金属（锌、铝或铝锌合金）的镀层钢板、涂有机物（油漆和塑料）的涂层钢材、表面复合不同钢种的复合钢材。它们亦可统称为覆层钢材。
（5）冷加工钢材——经过冷轧、冷拔和冷挤压的钢材。由于产生冷加工硬化，故其强度大为提高，可节约钢材，但应注意塑性、韧性会降低。目前应用较广的冷轧薄板，一般可节约钢材约为30％，而生产费用仅增加约10％。
（6）金属制品
金属制品一般是指钢铰线、钢丝、钢丝绳等。由于经冷拔的钢丝及其制品钢铰线、钢丝绳等有较高的抗拉强度，可比普通线材极大地节约钢材。钢丝、钢铰线除用于预应力结构中，钢铰线亦是钢结构中悬索结构的主要材料。
2. 新型结构
（1）轻型钢结构
（2）空间结构
（3）预应力结构
（4）组合结构
二、发展前景
1.物质基础：
1996年，中国钢产量首次突破1亿吨（1.01），居世界之首；
2003年，中国钢产量突破2亿吨（2.22）；
2005年，中国钢产量突破3亿吨（3.53）；
2006年，中国钢产量突破4亿吨（4.22）；
2008年，中国钢产量突破5亿吨（5.00）；
2009年全国生产粗钢56784.24万吨，比上年增长13.5%；
2010年全国生产粗钢62665.4万吨，比上年增长9.26%。
中国钢铁工业协会多次行业信息发布会中提到，“钢铁生产总量高增长，国内钢材市场供大于求”；
钢结构建筑所需的钢材规格，可以自给自足。
2. 政策支持
20世纪90年代，国家提出发展推广钢结构的政策，由原来的“节约用钢”改为“合理用钢”；
《钢铁工业“十二五”发展规划》，是根据《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》和《工业转型升级规划（2011~2015年）》而编制，下游行业主要用钢材产品升级方向： 01  建筑业
适应减量化用钢趋势，升级热轧螺纹钢标准，重点发展400兆帕及以上高强度 螺纹钢筋、抗震钢筋、高强度线材（硬线）；在钢结构建筑领域重点推广 高强度、抗震、耐火耐候钢板和H型钢的应用。
3.由于经济发展的需要，机场、剧院、体育馆等高层、大跨度、大空间的建筑工程与日俱增，这些建筑物大多采用钢结构；
钢结构建筑由于取材对环境破坏小，造型美观，施工周期短，抗震性能好，造价容易控制，适合不同气候条件和大气环境等优点，已经越来越受到业主青睐。目前主要应用于厂房、超市、展厅、体育馆、大跨(L≥60m)、多层、高层、桥梁等。
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