【正文】 第一章 緒論 425130 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 不同材料形成的結(jié)構(gòu)有各自的特點。鋼結(jié)構(gòu) (steel structure)是由鋼板或型鋼制造而成的結(jié)構(gòu)，其主要特點如下： (strength)高 與其他材料諸如木材、磚石、混凝土相比，鋼材的容重雖然大，但強度高很多?，F(xiàn)舉例說明， 《 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 》 （ GB500172022）中，強度最低的鋼材為 Q235，其抗拉、抗壓強度設(shè)計值為 215N/mm2， 《 混凝土設(shè)計規(guī)范 》 （ GB500102022 ）中標號最高的為 C80，其抗拉、抗壓強度設(shè)計值分別為 、 ,由此可見，前者抗拉強度為后者的 97倍，而抗壓強度為 6倍。因此，在相同的荷載和條件下，鋼結(jié)構(gòu)的重量輕。 425130 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 (plasticity)、韌性 (toughness)好 由于鋼材的塑性好，一 般情況下，鋼結(jié)構(gòu)不會因偶然或局部超載而發(fā)生突然斷裂，而是以事先有較大變形為先兆。鋼材的韌性好，則使鋼結(jié)構(gòu)能很好地承受動力荷載，這些性能均對鋼結(jié)構(gòu)的安全提供了可靠保證。 鋼材的內(nèi)部組織均勻，非常接近于各向同性體，在使用應力階段，鋼材為理想彈性工作，符合工程力學的基本假定。因此，鋼結(jié)構(gòu)實際受力情況與力學計算結(jié)果吻合好，可根據(jù)力學原理建立鋼結(jié)構(gòu)的計算方法。 425130 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 可焊性是鋼結(jié)構(gòu)的獨特優(yōu)點。由于鋼材的可焊性解決了鋼結(jié)構(gòu)的制作問題，致使鋼結(jié)構(gòu)連接大為簡化，可制造各種復雜形狀的結(jié)構(gòu)。當然焊接也將產(chǎn)生殘余應力、殘余變形以及熱影響區(qū)脆性等問題。 鋼結(jié)構(gòu)采用的型鋼和鋼板，經(jīng)專業(yè)廠家制作為鋼構(gòu)件，然后運至工地安裝。型鋼的大量采用再加上專業(yè)化的生產(chǎn)，故精度高、制作周期短。工地安裝廣泛采用螺栓連接，良好的裝配性使工期大為縮短。此外，已建鋼結(jié)構(gòu)也易于拆卸。 (weldability)好 425130 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 鋼材本身組織致密，焊接的鋼結(jié)構(gòu)可以做到完全密閉，甚至鉚接或螺栓連接都可以做到。因此，可用于建造氣密性和水密性要求高的氣罐、油罐和高壓容器。 鋼材在濕度大和有腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境中容易銹蝕。因此，為確保鋼結(jié)構(gòu)的耐久性，必須采用油漆、鍍鋅等防護措施，故維護費用較高。 鋼材當輻射熱溫度低于 150℃ 時，鋼材的主要性能變化很小。因此，其耐熱性能較好。當溫度超過 150℃ 時，材質(zhì)性能有所變化，需采取隔熱措施，當溫度達到 600℃ 左右，鋼結(jié)構(gòu)會瞬間崩潰，完全喪失承載力。因此，耐火性能差，必須采取一定的防火措施。美國世貿(mào)大樓的坍塌充分 說明了鋼結(jié)構(gòu)耐火性能差是一致命缺憾。 站在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展前沿，可以說世界上沒有不能實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，只有不合理的結(jié)構(gòu)。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)本身的特點，結(jié)合我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在土木工程領(lǐng)域合理的應用范圍大致如下： 425130 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 (industrial factory building) 工業(yè)廠房可分為輕型、中型和重型工業(yè)廠房，主要根據(jù)是否設(shè)置吊車以及吊車噸位的大小和運行頻繁程度而定。例如，煉鋼車間、鍛壓車間等。近年來，輕型門式剛架結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房中的應用十分普遍。 (large span structure) 大跨結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)強度高、自重輕的優(yōu)點。比如，體育館、會展中心、飛機庫、劇場等。尤其在懸索橋、斜拉橋等橋梁工程中的應用。 425130 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 (highrise structure) 高層結(jié)構(gòu)，尤其是超高層結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)強度高，塑性、韌性好，抗震性能優(yōu)越等優(yōu)點。例如，辦公樓、賓館、住宅等。近年來，隨著我國鋼產(chǎn)量的逐年增加，鋼結(jié)構(gòu)在多層、高層、超高層建筑中的應用將會更加廣泛。 (towering structure) 高聳結(jié)構(gòu)主要包括塔架和桅桿結(jié)構(gòu)。如電視塔、輸電線塔、鉆井塔、環(huán)境大氣監(jiān)測塔、廣播發(fā)射桅桿等。 425130 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 貯罐、管道 如大型油庫、油罐、氣罐、煤氣庫、輸油管等。 如建筑工地的活動房，臨時的商業(yè)或旅游業(yè)建筑，塔式起重機，龍門吊等。此類結(jié)構(gòu)多為輕鋼結(jié)構(gòu)并采用螺栓或扣件連接。 如高爐、運輸通廊、棧橋、管道支架等。 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計應遵循的一般原則是“技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全適用、確保質(zhì)量”。鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法可分為容許應力法和極限狀態(tài)設(shè)計法兩種。分述如下： 一 容許應力法 (allowable stress method) “容許應力法 ” 也稱為 “ 安全系數(shù)法 ” 或 “ 定值法 ” 。即將影響結(jié)構(gòu)設(shè)計的諸因素取為定值，采用一個憑經(jīng)驗選定的安全系數(shù)來考慮設(shè)計諸因素變異的影響，以衡量結(jié)構(gòu)的安全度。其表達式為： (11) ? ??? ?425130 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 容許應力法，作為一種傳統(tǒng)的設(shè)計方法計算簡便，目前許多國家在不同的規(guī)范中仍在采用。但此設(shè)計方法采用定值的安全系數(shù)考慮不確定諸因素的影響不科學，不能定量度量結(jié)構(gòu)的可靠度，而且給人一種誤導，只要有安全系數(shù)結(jié)構(gòu)就百分之百可靠。目前，我國 《 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 》 （ GB500172022）中，只有結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接的疲勞強度計算采用此方法。 式中： —由標準荷載與構(gòu)件截面尺寸所計算的應力； ?? ?? —容許應力 ??? = kfkkf—材料的標準強度，對于鋼材為屈服點 ； yfk—安全系數(shù)。 425130 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1二 極限狀態(tài)設(shè)計法 (limitstate design method) 極限狀態(tài)設(shè)計法問世于 20世紀 50年代。它將變異性的設(shè)計參數(shù)采用概率分析引入結(jié)構(gòu)設(shè)計中。根據(jù)應用概率分析的程度分為三種水準。即半概率極限狀態(tài)設(shè)計法、近似概率極限狀態(tài)設(shè)計法和全概率極限狀態(tài)設(shè)計法。目前，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法采用的是近似概率極限狀態(tài)設(shè)計法，有時也稱為概率極限狀態(tài)設(shè)計法。 (reliability)定義 按照概率極限狀態(tài)設(shè)計法，結(jié)構(gòu)可靠度定義為：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預定功能的概率。是結(jié)構(gòu)安全性、適用性和耐久性的總稱。 425130 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 (limit state)定義及分類 當結(jié)構(gòu)或其組成部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要求時，此特定狀態(tài)就稱為該功能的極限狀態(tài)。結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)可分為兩類： (1)承載能力極限狀態(tài) 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載能力或達到不適于繼續(xù)承載的變形 時的極限狀態(tài)，它包括強度、穩(wěn)定和疲勞等計算。 425130 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到正常使用的某項規(guī)定極限值時的極限狀態(tài)。包括靜載下的過大變形、動載下的劇烈振動及耐久性問題。 結(jié)構(gòu)的工作性能可用結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)來描述，若結(jié)構(gòu)設(shè)計時需考慮影響結(jié)構(gòu)可靠性的隨機變量有 n個，即x1,x2,… ,xn,則在 n個隨機變量間通?？山⒑瘮?shù)關(guān)系，若僅考慮 R,S兩個參數(shù)，則結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)為： Z=(R,S)=RS (12) (2)正常使用極限狀態(tài) 425130 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1式中： R—結(jié)構(gòu)的抗力； S—荷載效應。 實際工程中，隨著條件的不同， Z有三種可能性： 當 Z﹥ 0 結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)； 當 Z=0 結(jié)構(gòu)達到臨界狀態(tài)，即極限狀態(tài)； 當 Z﹤ 0 結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)。 結(jié)構(gòu)的可靠度及失效概率為： 結(jié)構(gòu)的可靠度： Ps=P(Z≥0) (13) 結(jié)構(gòu)的失效概率： Pf=P(Z≤0) (14) 兩者關(guān)系： Ps+Pf=1 (15) 425130 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 現(xiàn)行 《 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 》 （ GB500172022）中除疲勞計算外，都采用廣大設(shè)計人員熟悉的分項系數(shù)設(shè)計表達式表示以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法。 (1) 對于承載能力極限狀態(tài)，應按荷載效應的基本組合或偶然組合進行荷載組合，基本組合按下列設(shè)計表達式中最不利值確定 425130 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1(i)由可變荷載效應控制的組合： 式中： —結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)； —永久荷載的分項系數(shù)； —第個可變荷載的分項系數(shù)，其中為可變荷載的分項系數(shù)； —按永久荷載標準值計算的荷載效應值； —按可變荷載標準值計算的荷載效應值，其中為諸可變荷載效應中起 ?????? ?? ??niQciQGG ikikk SSS20 11 ????? f≤ (ii)由永久荷載效應控制的組合： ?????? ? ??niQciQGG ikik SS10 ???? f≤ 0?G?iQ?kGSikQS (16) (17) 425130 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1控制作用者； —可變荷載的組合值系數(shù)； —參與組合的可變荷載數(shù)； —鋼材的強度設(shè)計值。 ，為鋼材屈服點，為抗力分項系數(shù)，對于 Q235鋼： ；對于Q34 Q390和 Q420鋼： =。但對于端面承壓和連接，則 ，其中為極限強度， = (2) 對于正常使用極限狀態(tài)，應據(jù)不同的設(shè)計要求，采用荷載的標準組合、頻遇組合或準永久組合。鋼結(jié)構(gòu)通常只考慮荷載的標準組合，其設(shè)計式為： ci?nfRyff ?? R??R?R?uRuff ?? uR????? ni QciQG ikkk 21???? ???≤ （ 19） 425130 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1式中： —永久荷載標準值在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值； —超控制作用的第一個可變荷載的標準值在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值； —其他第個可變荷載標準值在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值； —結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的容許應力值 。 kG?kQ1?ikQ???? 鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展經(jīng)歷了一個漫長的歷程。從古至今，煉鐵、煉鋼以及每一項新技術(shù)的問世都極大地推動了鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。 我國的歷史最為悠久，是最早用鐵建造結(jié)構(gòu)的國家。其中以鐵鏈橋及鐵塔為典型代表。建于公元 58～75年的蘭津橋（圖 ）是最早的一座鐵鏈橋，比歐洲最早的鐵