钢结构设计原理.ppt
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2022/10/6,1,钢结构设计原理,2022/10/6,2,第1章绪论,本章问答:
钢结构?
哪里用?
如何用?
重点:
掌握钢结构的特点及应用范围,理解钢结构的计算方法。
难点:
理解钢结构的计算方法。
2022/10/6,3,本章提纲,1.1钢结构发展简史1.2钢结构的特点及应用1.3钢结构的设计方法1.4有关钢结构的规范、规程及标准简介1.5钢结构的新发展,2022/10/6,4,1.1钢结构发展简史(了解),钢结构?
钢结构是钢材制成的工程结构,通常由型钢和钢板等制成的梁、桁架、柱、板等构件组成,各部分之间用焊缝、螺栓或铆钉连接有些钢结构还部分采用钢丝绳或钢丝束。
含碳量小于2的铁碳合金称作钢,含碳量大于2时称作铁。
2022/10/6,5,1.1钢结构发展简史,钢是一种铁碳合金,人类采用钢结构的历史和炼铁、炼钢技术的发展是密不可分的。
最早在公元前2000年左右,在伊拉克两河流域就出现了早期的炼铁术。
我国也是较早发明炼铁技术的国家之一,早在战国时期,我国的炼铁技术已很盛行了。
公元65年(汉明帝时代),已成功地用锻铁为环,相扣成链,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(清康熙)建成的四川泸定大渡河桥,桥宽2.8m,跨长100m。
除铁链悬桥外,我国古代还建有许多铁建筑物,如铁塔等,目前依然存在。
所有这些都表明,我们中华民族对铁结构的应用,曾经居于世界领先地位。
2022/10/6,6,1.1钢结构发展简史,欧美等国家中最早将铁做为建筑材料的当属英国,但直到1840年以前,还只采用铸铁来建造拱桥。
1840年以后,随着铆钉连接和锻铁技术的发展,铸铁结构逐渐被锻铁结构取代,随着1855年英国人发明贝氏转炉炼钢法和1865年法国人发明平炉炼钢法,以及1870年成功轧制出工字钢之后,形成了工业化大批量生产钢材的能力,强度高且韧性好的钢材才开始在建筑领域逐渐取代锻铁材料,自1890年以后成为金属结构的主要材料。
20世纪初焊接技术的出现,以及1934年高强度螺栓连接的出现,极大地促进了钢结构的发展。
除西欧、北美之外,钢结构在前苏联和日本等国家也获得了广泛的应用,逐渐发展成为全世界所接受的重要结构体系。
2022/10/6,7,1.1钢结构发展简史,全国重点保护文物泸定铁索桥,建于17051706年,桥身共由13根铁链组成;每根(铁链)由862977节铁环相扣,每根铁链重13001800kg。
2022/10/6,8,1.1钢结构发展简史,公元1061年(宋代)湖北荆州玉泉寺建成的13层铁塔,目前依然存在。
铁塔高17.9米,八角十三级,重53.3吨,为我国现存最高、最重、最大的铁塔。
已有900多年的历史。
2022/10/6,9,1.1钢结构发展简史,甘露寺铁塔位于天王殿东北,实际上是唐宝历元年(八二五年)卫公李德裕建,故又称卫公塔。
宋代重铸为铁塔,原塔为七级。
十九世纪末又因大风疾雷,倾倒四层。
2022/10/6,10,1.1钢结构发展简史,鸦片战争后,中国沦为半殖民地半封建社会,经济停滞不前,钢结构的发展也比较缓慢。
这期间建造的桥梁大多为国外修筑。
值得一提的是,1937年建成的钱塘江大桥是由我国著名桥梁专家茅以升负责设计和监督施工的。
解放后,生产力得到大的发展,建成了大量的钢结构工程,其中不少在规模上和技术上已经达到世界先进水平。
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平板网架结构);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)。
2022/10/6,11,1.1钢结构发展简史,由茅以升先生主持兴建的杭州钱塘江大桥。
该桥由他带领一批留学生自行设计和监造(实际施工由丹麦康益洋行承包下部结构和沉箱基础工程,上部结构钢梁则由英商道门朗公司承包制造和安装)。
2022/10/6,12,1.1钢结构发展简史,广州中山纪念堂是为了纪念孙中山先生建造的,于1931年10月竣工。
厅内容积为33300立方米,容量为5000人。
建国后,广州市的标志性建筑,为国家一级文物。
2022/10/6,13,1.1钢结构发展简史,2022/10/6,14,1.1钢结构发展简史,2022/10/6,15,1.1钢结构发展简史,2022/10/6,16,1.1钢结构发展简史,2022/10/6,17,1.2钢结构的特点及应用(掌握)哪里用?
1.2.1钢结构特点
(1)钢材强度高,结构质量轻钢与砖石和混凝土相比,虽然密度较大,但强度更高,故其密度与强度的比值较小,承受同样荷载时,钢结构要比其他结构轻。
例如,当跨度和荷载均相同时,钢屋架的质量仅为钢混凝土屋架的1/31/4,冷弯薄壁型钢屋架甚至接近1/10,为运输和吊装提供了方便。
由于钢结构常较柔软细,因此稳定问题比较突出,应给予充分注意。
2022/10/6,18,1.2钢结构的特点及应用(掌握)哪里用?
钢材比重:
7850Kg/m3,抗拉设计强度(200)N/mm2重量/强度40混凝土比重:
2500Kg/m3,抗拉设计强度
(1)N/mm2重量/强度2500木材比重:
500Kg/m3,顺纹抗拉强度(10)N/mm2重量/强度50强度高,适用于建造跨度大、承载重的结构。
2022/10/6,19,
(2)材质均匀,且塑性韧性好钢材内部组织比较接近于匀质和各向同性体,而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。
因此,钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合,计算结果比较可靠,安全可靠度高。
钢材在冶炼和轧制过程中质量可以严格控制,材质波动的范围小。
塑性和韧性是概念上完全不同的两个物理量塑性承受静力荷载时,材料吸收变形能的能力。
塑性好,会使结构一般情况下不会由于偶然超载而突然断裂,给人以安全保证。
韧性承受动力荷载时,材料吸收能量的多少。
韧性好,说明材料具有良好的动力工作性能,适宜在动力荷载下工作。
适用于建造重要结构、对抗震要求较高的结构,1.2钢结构的特点及应用,2022/10/6,20,1.2钢结构的特点及应用,(3)良好的加工性能和焊接性能钢材具有良好的冷热加工性能和焊接性能,便于在专业化的金属结构厂大批量生产出精度较高的构件,然后运至现场,进行工地拼接和吊装,既可保证质量,又可缩短施工周期。
(4)密封性好采用焊接连接的钢板结构,具有较好的水密性和气密性,可用来制作压力容器、管道,甚至载人太空结构。
(5)钢材的可重复使用性钢结构加工制造过程中产生的余料和碎屑,以及废弃和破坏了的钢材或构件,均可回炉重新冶炼成钢材重复使用。
因此,钢材被称为绿色建筑材料或可持续发展的材料。
2022/10/6,21,1.2钢结构的特点及应用,(6)钢材耐热但不耐火100以内,强度无影响;150以上,必须进行遮挡处理600左右,钢材进入塑性,无承载能力温度在200以内时,钢材主要力学性能降低不多。
温度超过200后,不仅强度逐步降低,还会发生蓝脆和徐变现象。
温度达600时,钢材进入塑性状态不能继续承载裸钢的耐火极限通常只有1530分钟,根据我国有关建筑防火设计规范的要求,建筑的主要承重构件,如柱、梁、墙、楼板的耐火极限的要求,分别为0.53.0小时。
我们国家已经明文规定必须在钢结构上采取防火措施,而且要达到相应的国家标准才能通过验收。
措施:
防火涂料、防火漆、外包混凝土,2022/10/6,22,1.2钢结构的特点及应用,(7)耐腐蚀性差钢材耐腐蚀的性能比较差,必须对结构注意防护。
尤其是暴露在大气中的结构如桥梁,更应特别注意。
这使维护费用比钢筋混凝土结构高。
不过在没有侵蚀性介质的一般厂房中,构件经过彻底除锈并涂上合格的油漆,锈蚀问题并不严重。
近年来出现的耐候钢具有较好的抗锈性能,已经逐步推广应用。
容易腐蚀,处于较强腐蚀性介质内的建筑物不宜采用钢结构。
(8)钢结构的低温冷脆倾向在低温和其他条件下,可能发生脆性断裂。
2022/10/6,23,1.2钢结构的特点及应用,1.2.2钢结构的应用
(1)大跨结构钢材强度高结构重量轻的优势正好适合于大跨构,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如飞机库,体育馆,展览厅,影剧院,大型交易市场等屋盖结构。
国家体育场建筑体形上像鸟巢。
可容纳8万人。
平面为椭圆形,长轴340m短轴292m。
屋盖中间有一个146m76m的开口,这部分将设计成开合屋盖。
采用加肋薄壁箱形截面,总用钢量达16万t。
2022/10/6,24,1.2.2钢结构的应用,位于北京人民大会堂西侧,西长安街以南,总占地面积近12公顷,总建筑面积近15万平方米,总投资26.88亿元。
该工程外部围护结构为钢结构网壳,是半椭圆球形,东西长轴212.2m,南北短轴143.64m,总高度46.285。
屋面采用钛金属板,整个网壳外环绕人工湖(35500m2),各种通道及入口均设在水下。
设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师,北京市建筑设计研究院参与主体设计,整体结构用钢量达6750t,195kg/m。
国家大剧院,2022/10/6,25,1.2.2钢结构的应用,深圳会展中心,膜结构,2022/10/6,26,1.2.2钢结构的应用,
(2)工业厂房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。
结构形式多为由钢屋架和阶形柱组成的门式刚架或排架,也有采用网架做屋盖的结构形式。
如冶金工厂的平炉车间、初轧车间、混铁炉车间等;重型机器厂的铸钢车间,水压机车间、锻压车间等;造船厂的船台车间飞机制造厂的装配车间等。
这些车间的主要承重骨架往往全部或部分采用钢结构。
2022/10/6,27,1.2.2钢结构的应用,西安变压器厂(400t吊车),2022/10/6,28,1.2.2钢结构的应用,(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宜的。
(4)高耸和高层建筑高耸结构也包塔架和桅杆结构。
如高压输电线路的塔架、广播和电视发射用的塔架和桅杆等。
上海的东方明珠电视塔高度达到468m,高层建筑的骨架,也是钢结构应用范围的一个方面,目前国内最高的是上海环球金融中心,高度为492m。
2022/10/6,29,1.2.2钢结构的应用,金茂大厦是由中国上海对外贸易中心股份有限公司独家投资5.6亿美元建设的一座88层的超高层大厦,建筑高度420.5米,建筑面积28.9万平方米,于1998年8月28日竣工。
总用钢量14000t,钢筋混凝土核心筒,外框钢骨混凝土及钢柱。
央视新台址建设工程位于北京朝阳区东三环中路、北京商务中心区的核心地段,占地面积18.7万平方米,总建筑面积55万平方米,230m。
2022/10/6,30,1.2.2钢结构的应用,2022/10/6,31,1.2.2钢结构的应用,(5)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。
用于装配式活动房屋、临时性展览馆、舞台、施工时的临时房屋、温室大棚等,活动车库,活动桥,2022/10/6,32,1.2.2钢结构的应用,(6)容器和其他构筑物冶金、石油、化工企业中大量采用钢板做成的容器结构,包括油罐、煤气罐、高炉、热风炉等。
此外,经常使用的还有皮带通廊栈桥、管道支架、锅炉支架等其他钢构筑物,海上采油平台也大都采用钢结构。
大连西太平洋石化有限公司CF-62钢球罐,陕西铜川天然气公司1000立方米天然气球罐,2022/10/6,33,1.2.2钢结构的应用,(7)轻型钢结构轻型钢结构是一个很模糊的概念,没有严格的定义。
以下结构都可称为轻型钢结构:
由冷弯薄壁型钢组成的结构
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