钢结构课件第一章1绪论2014.4

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1870年生产型钢，标志着 人类社会开始由铸铁结构转为 钢结构。
1889 年为纪念法国大革命
绪 论
100 周年建造的艾菲尔铁塔。于
1887年11月26日动工1889年3月31 日竣工，历时 21 个月，铁塔占地
12.5公顷，高320.7m，重7000t,由
18038个优质钢铁部件和 250 万个 铆钉铆接而成，建筑设计中最著 名的是防范强风吹袭的对称钢结 构设计。以艾菲尔铁塔为标志， 钢结构应用有120多年的历史。 巴黎的标志——艾菲尔铁塔
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绪 论
钢结构
Steel Structure 讲 课 张卉 E-mail: zhangh0202@126.com
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绪 论
1 绪论
1.1 钢结构的发展概况 1.2 钢结构的特点及应用 1.3 钢结构的主要结构形式 1.4 钢结构的设计方法和发展趋势 1.5 钢结构课程的学习
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由钢板、热轧型钢或冷加
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绪 论
上海铁路南站
世界第一超大透光钢结构屋顶，直径278m，由54根钢柱支撑而起，最高处离地 面42m，安装总面积达6万多m2，屋面采用阳光板，可采光隔热。 采用钢结构结构构件的尺寸已经变得很小，换来的是大片的空透采 光空间，房屋失去了以前的厚重感觉——轻盈舒展
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绪 论
材质均匀——钢材组织均匀，接近于各向同性匀质体，为理想 的弹塑性材料，理论计算与实际结果吻合良好，更安全的结构。
钢结构被誉为21世纪“绿色建筑”
1.2 钢结构的特点及应用
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大跨度建筑
绪 论 绪 论
第一章
国家大剧院
总建筑面积近15万m2，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46.285m。设计为法 国巴黎机场公司安德鲁建筑师，整体结构用钢量达6750t。
1.2 钢结构的特点及应用
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建 设 中 的 鸟 巢
绪 论
世界跨度最大的钢结构建筑——鸟巢，建筑面积 25.8万m2，可容纳观众9.1万人，其中固定坐席8万座， 临时坐席1.1万座。平面为椭圆形，顶面呈鞍形，长轴 332.3m，短轴296.4m；最高点高度为68.5m，最低点 高度为42.8m。大跨度屋盖支撑在24根桁架柱上，主 桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置，有22榀主桁架 直通或接近直通，少量主桁架在内环附近截断。钢结 构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件，交叉布置的 主桁架与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的 特殊建筑造型。用钢4.2万t，钢结构焊缝总长300公 里 。主看台部分采用钢筋混凝土框架一剪力墙结构体 系，与大跨度钢结构完全脱开。
密闭性好；
抗震及抗动力性能好；
1.2
钢结构的特点及应用
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材料强度/MPa 1000 750
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轻质高强、塑性好——更大的跨越能力，更高的发展空间。
钢材极限强度
钢材屈服点 混凝土强度
500
250 0
60年代
80年代
90年代
未来
材料
钢筋混凝土 25 18×10-4
木材 5 5.4×10-4
钢 78 2.7×10-4
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绪 论
近代
• 十九世纪五十年代前为铸铁结 构，这是钢结构的前身结构。 • 1851 年英国伦敦第一届世博会 的水晶宫是铸铁结构的典型建 筑 (9 万 m2 ,6 个月，用 4500 吨铸 铁、 10t 玻璃建成， 1936 年火 毁 ) 。它是英国工业革命时期 的最具有代表性的建筑。
这是一座完全用钢铁和玻璃构造的 “功能主义”建筑，一改维多利亚时 代石头建筑庞大、笨重的建筑风格， 不管是从外面看还是从里面瞧，都非 常透亮，人们因此称它“水晶宫
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绪 论
• 我国钢结构应用现状，与发达国家比较
建筑用钢占各国钢材消费的比例都很高。 中国的建筑用钢总量约占全部钢产量的20％－25％； 中国用于钢结构房屋建筑仅占3%左右;2010年达到6%。 世界各国建筑业都是钢材的主要用户 欧盟15国占41%; 之一，工业发达国家在其建筑业的增长 美国占21%; 时期基本建设用钢量一般占钢材总量的 日本占43.2%。 30%以上。
RC桥墩的倒塌
钢桥墩的损伤 （局部屈曲）
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绪 论
塑性和韧性好——钢材良好的塑性，使结构在一般情况下不会 因超载而突然断裂，在破坏前变性增大，有明显征兆，易于补 救；良好的韧性是结构适于承受冲击荷载和动力荷载，具有良 好的抗震性能
抗震及抗动力性能好
1.2 钢结构的特点及应用
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化生产，施工周期短、效率高、质量好。

中外建筑钢结构应用比较
从发达国家来 看，钢结构建筑已 成为主流。
国家 钢结构建筑总量 /建筑总量 中国 6％ 韩国 20％
1.1
日本 50％
美国 68％
钢结构的发展概况
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我国各类钢结构工程建设消费钢材比例
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绪 论
我国建设部建筑用钢发展规划
“十五”期间建筑钢结构用钢达到总钢产量3％
2015年建筑钢结构用钢达到总钢产量6％

80-90年代后, 出现了新的发展时期（钢产量自1996年（实现1亿吨）
起连续多年超亿吨),国家鼓励建筑用钢。
20世纪80年代以来：飞速发展，广泛应用。
自1996年以后，钢产量世界第一；到2012年我国粗钢产量达7亿吨。
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绪 论
20世纪80年代以来：飞速发展，广泛应用。 自1996年以后，钢产量世界第一；如：网架结构的 飞速发展；如：轻型门式刚架结构的飞速发展。 应用范围扩张 高层建筑 体育场馆 机场航站楼 会展中心 剧院 火车站 飞机库 工业厂房 电视塔 结构体系丰富 纯框架 带支撑框架 框筒 网架网壳 空间桁架 刚架、拱架 悬索、张弦梁 索膜结构 塔桅结构
耐腐蚀性差——钢材在潮湿、腐蚀环境中易锈蚀，维护
费用高。
>>>> 耐候钢的开发与应用
1.2
钢结构的特点及应用
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为15～20分钟。
1851年世博会结束后 水晶宫移至伦敦南部的西 得汉姆，并以更大的规模 重新建造，1854年6月10日 由维多利亚女王主持向公 众开放。它作为伦敦的娱 乐中心存在了82年。1936 年11月30日晚上6点，在中 央大厅的员工厕所内突然 着火。很快大火烧遍了整 幢建筑，第二天早上，除 了一堆扭曲的金属和融化 的玻璃，其它什么都没有 留下。水晶宫的焚毁也宣 告了辉煌的维多利亚时代 结束。
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耐火性差——钢材虽为非燃烧体，但裸露钢结构耐火极限一般
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绪 论
纽约世界贸易中心大楼 1966年开工，历时7年， 1973年竣工以后，以411m 的高度作为110层的摩天巨 人而载入史册。大楼采用 钢结构，用钢7万8千吨， 楼的外围有密置的钢柱， 墙面由铝板和玻璃窗组成， 有“世界之窗”之称。 2001年9月11日纽约世 贸大楼双子塔遭受飞机撞 击后，挺立了近两个小时 之后突然坍塌。主要原因 是波音757载油35吨 ，波 音767载油51吨 ，大火燃 烧，钢材变软，引起坍塌。
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钢结构防火保护措施
绪 论
钢结构体系具有自重轻、安装容易、施工周期短、 抗震性能好、投资回收快、环境污染少等综合优势。
1.2
钢结构的特点及应用
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1.2.2 钢结构的应用
绪 论
A）恒载占比越大，采用钢结构越合理。 B）强震地区（受力小，延性好） C）劳动力价格高（工业化生产，现场劳动力少） D）软土地基（基础耗资小） E）大跨、超高结构（结构效应函数值大）
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钢结构的适用范围
大跨度建筑（体育馆、会展、机场、厂房）
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大跨度桥梁（公路桥、铁路桥）
多层与高层建筑（宾馆、办公楼、住宅等） 高耸构筑物（电视塔、发射塔、输电塔） 受动力荷载影响的结构（重工业厂房、钻井平台） 密闭结构（油罐、煤气罐、天然气管道） 可拆移结构 轻型钢结构 其它结构
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第一座依照现代钢结构框
绪 论
架结构设计原理建造起来的高
层建筑是芝加哥家庭保险公司 大厦（ 1883-1885 ）共十层。
这是真正意义上世界上建造的
第一座钢结构大厦。 芝加哥是美国摩天大楼的发 源地，从此人们建造的房屋越来 越高，结构和功能都同传统建筑 相比发生了非常大的改变。
芝加哥家庭保险公司大厦 Home Insurance Building
1.2
(kN/m3) = /f
= /f ——密度强度比 反映材料在承载 条件下的轻质性。 f——设计强度 (kN/m2)
钢结构的特点及应用
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绪 论
这样的桥型才显示了钢 材造桥的特点，但这还不 是钢桥最典型的特点。
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绪 论
钢桥墩和RC桥墩的设计截面比较
22 294
10125 20250 10125
单 根 桁 架 柱
立柱高70m!重600t!!
1.2 钢结构的特点及应用
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世 博 演 艺 中 心
绪 论
世博演艺中心作为上海世博会最重要的永久性场馆之一。世博演艺中心 的造型呈飞碟状，在不同角度与不同时间会呈现出不同形态。外观造型 宛如从天而降的太空“飞碟”。根据规划，该演艺中心建筑面积8万m2， 地上约4.5万m2 ，地下约3.5万m2，整个工程投资约合十一亿元人民币 。

1.1 钢结构的发展概况
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• 公元65 年，汉明帝时代建造了铁链悬 桥——云南“兰津桥” • 1705年建成的四川泸定大渡河桥，桥 宽 2.8m ，跨长 100m ，由 9 根桥面铁链 和 4 根桥栏铁链构成，两端系于直径 20cm、长4m的生铁铸成的锚桩上。
绪 论
• 公元1061年（宋 代）在湖北荆州 玉泉寺建成的13 层铁塔
绪 论
工成型的薄壁型钢以及钢索通
过连接而形成的能够承担预定 功能的结构体系。如房屋、桥 梁等，称为钢结构。
钢结构是土木工程 的主要结构形式之一。 钢结构与钢筋混凝土结 构、砌体结构等都属于 按材料划分的工程结构 的不同分支。
1.1 钢结构的发展概况
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1.1 钢结构的发展概况
绪 论
古代
钢(steel)是铁碳合金，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。
1949 1990 1995 1996 2000 2004 2006 2007 2008 2009 2011 2012 2013 十几万吨 5000万吨 7000万吨 1亿吨 1.285亿吨 2.72亿 4.62亿吨 4.89亿吨 5.84亿吨 6.92亿吨 6.83亿吨 7亿吨 7.8亿吨
2013年中国粗钢产量占全球48.5%,不锈钢产量占48.3%。
节约用钢
开始转向
鼓励用钢
钢结构建筑已经成为二十一世纪建筑结构的总趋势，成 为一个国家国力和建筑水平、文明水平的重要标志。
1.1 钢结构的发展概况
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1.2 钢结构的特点及应用
1.2.1 钢结构的特点
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轻质高强，塑性好； 材性均匀可靠；
稳定性问题突出； 耐火性较差； 易腐蚀； 单价高。
工业化程度高，施工工期短；
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我国钢结构的发展概况
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绪 论
刚解放时钢产量几乎是零
建国以来 我国钢结构应用发展的三个时期
20世纪50~70年代：应用较少

50年代, 为初盛时期（156项援建工程大部分为重型钢结构）。 60-70年代,为限制使用时期，当时中国钢产量仅1～2千万吨，主要
用于国防.机械业。当时国家政策建筑业中 “凡是可用其它材料代替的， 均不用钢结构建造”。由于受到钢产量的制约，钢结构仅在重型厂房、 大跨度公共建筑、铁路桥梁以及塔桅结构中采用。二十世纪钢筋混凝土 结构成为中国主导结构。
绪 论
工业化程度高——良好的加工性能和焊接性能，易于工厂
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钢结构的特点及应用
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绪 论
密闭性能好——钢材本身组织致密，焊接的钢结构可以做
到完全密闭，具有良好的气密性和水密性。（储存、运输）
拆迁方便，可重复性使用性——质量轻，连接简便，拆装
方便，灾后易修复、基础造价低、材料可回收和再生、节 能、省地、同时又是绿色环保可持续发展的建筑材料，符 合当前节地节能政策。
11 210 1 800 1 200 3 855
After reconstruction
Steel Pier
RC Pier
500 1800
3 000
10600
4000
6000
4000
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意大利罗马万神庙 墙厚5.9m， 从墙到穹顶均用混凝土浇筑，穹 顶从根部逐渐减薄，最薄处1.5m 厚。穹顶直径43.3m，顶部园洞 直径8.9m，穹顶高也是43.3m。

早在公元前2000年左右，在人类古代文明的发祥地之一的美索 不达米亚平原（位于现代伊拉克境内的幼发拉底河和底格里斯河 之间）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，在河南辉县等地出土的 大批战国时代（公元前475～前221年）的铁制生产工具说明，早在 战国时期，我国的炼铁技术已很盛行。 秦始皇年代已有铁桥墩，公元60～70年代，已建成铁链桥，此外 还建有不少铁塔。