钢结构原理与设计概述
钢结构原理与设计
钢结构原理与设计
钢结构是一种广泛应用于建筑工程和其他工业领域的结构形式。
它由钢材构成，具有高强度、耐久性和灵活性等优点。
钢结构的设计原理基于力学和结构力学的知识，以确保结构的稳定性和安全性。
在钢结构的设计过程中，首先需要进行荷载计算，包括静力荷载和动力荷载。
静力荷载可以分为永久荷载和可变荷载，永久荷载包括自重、设备重量等，可变荷载包括使用荷载、风荷载等。
动力荷载包括地震荷载、振动荷载等。
设计师根据荷载计算结果进行结构的初步设计，确定结构的形式和尺寸。
常见的钢结构形式包括桁架结构、悬挑结构、刚架结构等。
结构的尺寸设计需要考虑受力情况、材料的强度和刚度等因素。
在结构的详细设计过程中，需要进行核心部件的强度计算和连接件的设计。
核心部件包括梁、柱、板等，设计师需要根据受力情况和荷载计算结果，确定核心部件的截面尺寸和钢材的型号。
连接件的设计包括螺栓、焊接等方式，设计师需要考虑连接件的强度和刚度，确保连接的可靠性。
此外，钢结构的设计还需要考虑施工和防火等因素。
在施工中，设计师需要提供施工图纸和施工工艺，确保施工的安全和顺利进行。
防火设计包括结构的耐火性能和防火涂料的选择，以提高结构的防火性能。
总之，钢结构的设计需要综合考虑力学、结构力学、荷载计算、材料强度、连接件设计、施工工艺等方面的知识，以确保结构的安全和可靠性。
设计师在设计过程中需要进行详细的计算和分析，以制定合理的设计方案。
同时，设计师还需要密切与建筑师、工程师和施工人员等其他相关人员合作，确保设计的实施与要求相一致。
钢结构基本原理及设计
σ
fu
fy
fp
ε
设计以钢材的屈服点 f y 作为静力强度承载力极限
§2-3 钢材的主要性能
钢结构基本原理及设计
二. 理想弹塑性体
σ
fy
如果没有残余应力， 如果没有残余应力，比例 极限与屈服应力合为一点， 极限与屈服应力合为一点，弹塑 性阶段消失，为简化计算， 性阶段消失，为简化计算，将应 力应变关系简化为如图
§2-2 钢材的生产
钢结构基本原理及设计
淬火工艺是将钢件加热到 淬火工艺是将钢件加热到900℃以上，保温后快速在 工艺是将钢件加热到 ℃以上， 水中或油中冷却 增加了钢材强度和硬度， 增加了钢材强度和硬度，使塑性和韧性降低 回火工艺将淬火后的钢材加热到某一温度进行保温， 回火 工艺将淬火后的钢材加热到某一温度进行保温， 工艺将淬火后的钢材加热到某一温度进行保温 而后在空气中冷却 消除残余应力， 调整强度和硬度，减少脆性， 消除残余应力 ， 调整强度和硬度 ， 减少脆性 ， 增加 塑性和韧性，形成较稳定的组织。 塑性和韧性，形成较稳定的组织。 通常称淬火加高温回火的工艺为调质处理。 通常称淬火加高温回火的工艺为调质处理 。 强度较 高的钢材， 中的C、 、 级钢和高强度螺栓的钢 高的钢材，如Q420中的 、D、E级钢和高强度螺栓的钢 中的 材都要经过调质处理。 材都要经过调质处理。
§2-2 钢材的生产
钢结构基本原理及设计
三. 钢材的浇注和脱氧
按脱氧的方法和程度的不同， 按脱氧的方法和程度的不同，碳素结构钢可分为 沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢4类。 沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢4 沸腾钢采用脱氧能力较弱锰作脱氧剂，脱氧不完全。 沸腾钢采用脱氧能力较弱锰作脱氧剂，脱氧不完全。钢 采用脱氧能力较弱 中留有较多氧化铁夹杂和气孔。质量较差。 中留有较多氧化铁夹杂和气孔。质量较差。 镇静钢采用锰加硅作脱氧剂 脱氧较完全， 采用锰加硅作脱氧剂， 镇静钢采用锰加硅作脱氧剂，脱氧较完全，硅在还原氧 化铁过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢， 化铁过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢，使气体充分逸 浇注时不出现沸腾现象。质量好，成本高。 出，浇注时不出现沸腾现象。质量好，成本高。 半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间 的脱氧程度介于上述二者之间。 半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间。 特殊镇静钢是在锰硅脱氧后 再用铝补充脱氧， 是在锰硅脱氧后， 特殊镇静钢是在锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧，脱氧程 度高于镇静钢。 度高于镇静钢。 低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。 低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。
钢结构设计原理
钢结构设计原理钢结构作为一种常用于建筑和桥梁等工程中的结构形式，具有许多优点，如强度高、稳定性好、施工方便等特点。
钢结构设计的原理是通过合理的材料选取、结构配置和计算分析，使结构在承受外部荷载时能够保持稳定并达到设计要求。
1. 材料选取钢结构的设计原则首先是材料的选取。
常用的结构钢材料包括碳素钢、合金钢等，不同钢材具有不同的力学性能和耐久性。
在设计过程中，需要根据结构的要求和工程环境选择合适的材料，以保证结构的承载能力和使用寿命。
2. 结构配置钢结构设计还需要考虑结构的配置。
通过合理的构件布置和连接方式，可以提高结构的整体稳定性和承载能力。
结构配置包括构件截面形状、连接方式、支撑形式等方面的设计，需要充分考虑结构的受力性能和荷载传递路径。
3. 计算分析计算分析是钢结构设计的核心环节。
设计过程中需要进行结构的静力分析、动力分析和稳定性分析等计算，以确保结构在荷载作用下具有足够的承载能力和稳定性。
计算分析还包括结构的细部构造和连接设计，以保证结构的整体性能和安全性。
4. 结构优化钢结构设计的最终目的是实现结构的性能优化。
通过不断优化结构的材料、构件和连接方式，可以提高结构的承载能力、经济性和使用寿命。
结构优化需要综合考虑结构的承载性能、成本和施工方便性，以实现最佳的设计效果。
结语钢结构设计原理是一项复杂而重要的工程技术，需要设计人员具备扎实的工程知识和丰富的实践经验。
通过合理选材、优化配置和精确计算，可以设计出具有良好性能和安全性的钢结构工程。
钢结构设计的原理不仅涉及到结构工程领域，也体现了工程设计中的科学性和创新性。
钢结构设计基本原理
钢结构设计基本原理
1.强度原理
钢结构设计的首要原则是满足结构的强度要求。
强度主要包括抗弯强度、抗剪强度和抗轴向力强度等。
在设计过程中，需要根据结构受力状态
和受力形式，合理确定截面尺寸和钢材的强度指标。
同时，在力学上还需
要考虑局部变形和整体稳定性。
2.刚度原理
钢结构设计的第二个基本原理是满足结构的刚度要求。
刚度主要包括
抗水平位移和垂直位移的刚度。
钢结构一般采用刚性框架结构，通过合理
的柱、梁和节点布置，以及适当的截面形状和弹性模量，增加结构的刚度，提高结构的整体稳定性和工作性能。
3.抗震原理
钢结构设计的第三个基本原理是考虑结构的抗震要求。
钢结构的抗震
性能直接影响到结构的安全性和使用寿命。
在设计过程中，需要根据结构
的抗震等级、地震区位和设计地表加速度等参数，采用合适的抗震设计方
法和加固措施，以确保结构在地震作用下具有足够的抗震能力。
4.材料选择原理
钢结构设计的第四个基本原理是合理选择材料。
钢结构主要采用高强
度钢材，如Q235、Q345等，通过热轧、冷轧、焊接等工艺加工成型。
在
选择材料时，需要考虑到材料的强度、韧性、延展性和焊接性等性能，同
时还需要根据使用环境、抗腐蚀和阻燃要求等因素进行综合考虑。
5.工程经济原理
综上所述，钢结构设计的基本原理包括强度原理、刚度原理、抗震原理、材料选择原理和工程经济原理。
这些原理在钢结构设计中相互关联，需要综合考虑，以确保结构的安全性、稳定性和经济性。
钢结构设计的基本原理
钢结构设计的基本原理钢结构广泛应用于建筑、桥梁等工程领域，其设计的基本原理如下：1. 结构力学原理钢结构设计的基本原理之一是结构力学原理。
根据牛顿力学定律，结构中的力和力的分布决定着结构的响应和稳定性。
结构力学原理包括平衡条件、受力分析和内力计算等。
设计师需要合理使用力学理论，确定结构中的内力分布，从而满足结构的强度和稳定性要求。
2. 材料力学原理钢结构设计的基本原理之二是材料力学原理。
钢材具有高强度和良好的可塑性，其力学性能直接影响着结构的承载能力和安全性。
设计师需要了解钢材的强度、模量、屈服点等力学特性，并根据这些特性进行力学计算，以确定结构的材料使用要求。
3. 组件设计原理钢结构设计的基本原理之三是组件设计原理。
钢结构由多个组件组成，如梁、柱、横梁等。
设计师需要根据结构的荷载条件和要求，确定各个组件的尺寸、形状和连接方式。
组件设计原理包括强度校核、刚度控制和稳定性分析等方面，以确保结构的安全性和稳定性。
4. 构造系统原理钢结构设计的基本原理之四是构造系统原理。
不同的工程项目对钢结构的要求不同，因此设计师需要设计适应不同项目的构造系统。
构造系统原理包括选择合适的结构形式、优化结构构件的布置和设计适应性强的连接方式等。
通过合理选择构造系统，可以提高结构的承载能力和经济性。
5. 安全性原理钢结构设计的基本原理之五是安全性原理。
在设计过程中，设计师需要考虑结构的安全性，确保结构在正常使用和极限荷载条件下不发生失效。
安全性原理包括荷载分析、极限状态设计和疲劳分析等方面。
设计师需要根据不同的荷载情况和结构要求，进行合理的安全性计算和强度校核。
6. 规范和标准原则钢结构设计的基本原理之六是遵循规范和标准原则。
设计师在设计过程中应当遵守国家和行业规范，根据规范的要求进行设计计算和验算，以确保结构的合规性和安全性。
合理应用规范和标准可以提高设计效率和质量，减少结构失效的风险。
总结起来，钢结构设计的基本原理包括结构力学原理、材料力学原理、组件设计原理、构造系统原理、安全性原理以及规范和标准原则。
钢结构原理与设计教学大纲
钢结构原理与设计教学大纲一、课程概述本课程主要介绍钢结构的基本原理和设计方法，包括杆件和板件在内的结构体系的受力分析及其在设计中的应用。
通过本课程的学习，学生将掌握钢结构的基本知识和设计技术，为未来从事建筑和结构工程领域的工作打下坚实的基础。
二、课程目标本课程旨在：•使学生了解钢结构的基本原理和设计方法；•培养学生的结构分析和设计能力；•培养学生的解决实际工程问题的能力；•提高学生的团队协作和沟通能力。
三、教学内容1. 钢结构材料和组成•钢的种类和规格；•钢材的强度和应力；•螺栓连接和焊接。
2. 钢结构受力分析•静力学基础；•杆件的受力分析；•板件的受力分析。
3. 钢结构的设计基础•构件的稳定性；•弯矩和剪力的计算；•钢结构构件的焊接和螺栓连接。
4. 钢结构的设计方法•钢结构体系及其分类；•设计荷载和荷载组合；•构件的尺寸和构造。
5. 钢结构计算•抗震设计；•稳定性分析；•疲劳分析。
6. 钢结构安装和验收•钢结构的安装；•钢结构的验收。
四、教学方式及要求该课程采用传统课堂教学，结合案例分析进行。
教师应根据学生的掌握情况，灵活采用教材、讲解、讨论、案例分析等教学方法。
学生应及时完成课后作业和实验，积极参与课堂讨论，掌握基本理论和技术方法，培养实际解决问题的能力。
五、考核方式及标准本课程的考核方式分为笔试和实验两部分。
其中，笔试占总成绩的60%，实验占总成绩的40%。
考试内容涵盖本课程的全部知识点和相关应用实例。
六、参考教材1.《钢结构设计基础》；徐建明, 冯亚飞, 王兰, 刘连荣；中国建筑工业出版社；2011年版。
2.《构造原理——设计指导手册》；吴中林, 马元俊；清华大学出版社；2008年版。
3.《结构力学》；沈百荣, 潘克力；科学出版社；2012年版。
七、备注以上教学大纲仅供参考，具体教学内容和要求，以实际情况为准。
钢结构设计原理
钢结构设计原理
钢结构设计原理是指在钢材的力学性能和结构功能的基础上，根据力学原理和设计规范，合理选择构造方案、计算力学效应和确定材料的使用方式，从而实现结构稳定和安全的设计方法和原则。
钢结构设计的原理主要包括以下几个方面：
1. 强度原理：根据材料的受力性能和结构的要求，在计算和设计中保证结构的强度。
例如，通过计算结构的受力状态和受力部位，确定钢材的使用方式、截面尺寸和连接方式等。
2. 刚度原理：钢结构的刚度是指结构在受力作用下抵抗形变和位移的能力。
钢结构设计中应根据结构的使用要求和力学效应，合理确定构件的几何尺寸和材料的使用方式，以保证结构的刚度。
3. 稳定原理：钢结构在受力作用下必须保持稳定，不会出现整体失稳或局部失稳现象。
稳定原理包括稳定长度比、屈曲强度和支承条件等方面的分析和计算。
4. 可靠性原理：钢结构设计应具备安全性和可靠性，即在设计和施工中要保证结构在使用寿命内满足强度、刚度、稳定等要求。
设计中需要考虑荷载的不确定性、材料的不均匀性和施工质量等因素，确保结构的可靠性。
5. 简化原理：钢结构设计应尽量简化结构形式和构造方式，减
少不必要的材料和工艺，降低施工难度和成本。
通过结构的合理布置和尺寸优化，实现结构的简化设计。
总之，钢结构设计原理是根据力学原理和设计规范，保证结构的强度、刚度、稳定性和可靠性的设计方法和原则。
在设计中，需要综合考虑材料的力学性能、结构的使用要求和施工条件等因素，通过合理的计算和选择方案，实现结构的稳定和安全。
钢结构设计原理第章钢结构的特点应用和发展
-A b (f)
GB 50017-2003
-B b (f)
Q235 -C
-D
-A
-B
Q345
-C
(390、420)
-D
-E
（2）对结构承载能力的认识
从构件
整体
从弹性
弹塑性
应力蒙皮效应
计算手段的改进
（3）新型结构形式
— 高强钢索 — 钢和混凝土组合结构、混合结构 — 杂交结构 （索、拱配合）
钢结构的缺点有：
（1）钢材耐腐蚀性能差，维护费用高。 （2）耐热但不耐火
150℃时强度无变化，600 ℃时强度约为0。
1.1.2 钢结构的应用
（1）大跨度钢结构 钢屋架 网架、网壳结构 悬索结构 拱架结构 桥梁结构
国家体育场
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 146m×76 m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 。
＊几何不变 ＊在外载作用下保持稳定性承载力和刚度
○ 跨越式结构 跨越地面上的一定空间，包括桥梁和单层房屋结构。 ○ 高耸结构 从地面向上发展的结构，包括高层房屋、塔架和桅 杆结构。
1.4 钢结构设计方法
1.4.1钢结构的概率极限状态
（1）承载能力极限状态 对应于结构或结构构件达到最大承载能力或出现不适于继续
总用钢量26000t，钢筋混 凝土核心筒，外框钢骨混凝 土及钢柱。
上海金茂大厦
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。
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第一章 绪论
第一章 绪论
❖ 钢结构的特点 ❖ 钢结构应用情况 ❖ 钢结构的设计方法
中南大学桥梁工程系
第一章 绪论
1.1 钢结构的特点
（1）强度高，重量轻。
（2）材质均匀，塑性与韧性良好。
优பைடு நூலகம்
（3）施工质量好，工期短。
点
（4）密闭性好。
（5）耐热性能好。
（6）可拆卸，适用于移动性结构
第一章 绪论
6、可拆卸，适用于移动性结构
中南大学桥梁工程系
第一章 绪论
8、易腐蚀，维护费用大。 热浸锌（25年） 酸洗、清洗、干燥、热浸锌、后处理 质量稳定、工业化程度高，但构件尺寸受锌槽尺寸控制 热喷铝复合涂层（25年） 喷砂 、喷锌（铝）、喷铝、喷复合涂层 不受体型大小限制、无热影响，构件形状复杂时操作困难 普通防腐蚀方法（3～5年） 除锈、底漆、面漆 操作方便，防腐有效年限短
中南大学桥梁工程系
第一章 绪论
（1）强度高，重量轻。
（2）材质均匀，塑性与韧性良好。
优
（3）施工质量好，工期短。
点
（4）密闭性好。
（5）耐热性能好。
（6）可拆卸，适用于移动性结构
（7）不耐火。
缺 点
（8）易腐蚀，维护费用大。 （9）造价相对较高。
（10）噪音大。
中南大学桥梁工程系
第一章 绪论
1.2 钢结构的应用范围
中国钢材增长曲线
60000 50000 40000 30000 20000 10000
万吨
中国1990-2007年钢产量增长情况
48924 41878 34940
6535
7100
8093
8954
9261
9536
10124 10891 11459 12395 12849 15163 18225 22010 27280
中南大学桥梁工程系
第一章 绪论
2、材质均匀，塑性与韧性良好。 3、施工质量好，工期短。
埋弧自动焊 自动钢板切割
作业面多
现场基础施工
工厂钢构制作
中南大学桥梁工程系
第一章 绪论
4、密封性好
中南大学桥梁工程系
第一章 绪论
5、耐热性好；7、但不耐火
需采取防火对策
温度对钢材力学性能的影响
中南大学桥梁工程系
课程导言
一、钢结构在课程体系中的位置
❖ 数学 力学 钢结构 桥梁工程（房建）
❖ 钢结构与材料力学的关系
❖ 钢结构与桥梁工程（房建）的关系
中南大学桥梁工程系
课程导言
二、钢结构课程的主要内容
基（ 本理 原论 理）
（1）概述：发展、应用、设计方法等。 （2）钢材：力学性能、工艺性能、选用等。 （3）连接：焊接、铆钉连接、螺栓连接。
中南大学桥梁工程系
第一章 绪论
湖南国际会展中心 浦东国际机场
长沙火车南站
国家大剧院
中南大学桥梁工程系
第一章 绪论 （3）高层房屋结构
•上海环球金融中 心：设计高度492 米，楼层为地下3 层、地上101层， 结构形式为内砼外 框，预计钢结构量 约65000吨。
•金茂大厦：1998 年建成，88层， 420m，混凝土核心 筒，钢巨型外伸桁 架,钢骨混凝土巨 型柱
中南大学桥梁工程系
第一章 绪论 （4）高耸结构（电视塔、输电塔）
•广州电视塔：总投资 约22.15 亿人民币 ， 塔高达610米 ，用钢量 约10000吨
中南大学桥梁工程系
第一章 绪论
输电塔
通讯塔
中南大学桥梁工程系
第一章 绪论 （5）桥梁结构（主要用于大跨度桥梁）
“化整为零；删繁就简；解剖综合” 例如：三类基本杆件与五个问题。
❖ 加强自学能力培养
中南大学桥梁工程系
课程导言
❖ 教材特点
夏志斌，姚谏.钢结构-原理与设计.中国建筑工业出版 社.
行业不同，规范不同，教材有所不同
❖ 主要参考资料
1.王国周.钢结构设计原理.清华大学出版社. 2.钢结构设计规范及条文解释（建筑、公路、铁路） 3.铁摩辛柯.弹性稳定理论.科学出版社. 4.薄壁杆件弯曲、扭转及稳定性分析 5.沈祖炎.钢结构学.中国建筑工业出版社.
❖ 钢结构设计就是这样一个过程：板材——构件——结构。
❖ 《钢结构设计原理》是一门专业基础课，是搞钢结构设计的 工具，通过本课程的学习，要求培养以下能力：
1、选用合理的结构钢材； 2、设计钢结构基本构件； 3、设计构件间的连接； 4、为今后钢结构设计和研究打下必要的基础。
中南大学桥梁工程系
课程导言
中南大学桥梁工程系
第一章 绪论 （1）重型工业厂房、轻型钢结构
钢屋架结构
门式刚架
中南大学桥梁工程系
第一章 绪论
大连北良国储粮库 净跨60m
嘉兴电厂干煤棚
中南大学桥梁工程系
第一章 绪论
（2）大跨度房屋结构（体育场、飞机库、会展中心）
•鸟巢是一个大跨 度的曲线结构， 有大量的曲线箱 形结构,钢结构总 用钢量为4.2万吨。
（7）不耐火。
缺 点
（8）易腐蚀，维护费用大。 （9）造价相对较高。
（10）噪音大。
中南大学桥梁工程系
第一章 绪论
1、强度高，重量轻 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
0
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
2009年，中国产钢5.68亿吨；2010年，6.3亿吨； 2011年，6.83亿吨； 2012年，7.17亿吨； 2013年，7.86亿吨；首次超过全世界产量的一半。
课程导言
课程导言
❖ 《钢结构设计原理》是土木工程专业的一门主要专业课程， 是研究钢结构工作性能和合理设计的一门工程技术型课程。
❖ 主要包括两大部分：钢结构设计原理和钢结构设计。前者研 究钢结构材料、基本构件以及基本构件的连接，为钢结构设 计打下理论基础；后者设计结构，包括结构形式、结构体系 、分析计算及相关构造。
（4）杆件：轴心受力杆件、受弯杆件、拉(压） 弯杆件。重点在五个基本问题：强度、刚度、 整体稳定、局部稳定、疲劳及构造要求。
课（ 程实 设践 计）
（1）钢屋架设计 （2）吊车梁设计
中南大学桥梁工程系
课程导言
三、钢结构学习要求
❖ 理解基本概念 “基本概念与计算方法并重”
❖ 掌握课程的主线，条理要清晰