钢结构设计课程 第一章
《钢结构》第一章 钢结构绪论
抗层状撕裂性能，主要使用在如箱型柱的外部板材 等需要板厚方向性能（Z向性能）的构件和部位中。 SN B、C类钢材均对屈服点的上限值做出了规定，
以防构件需塑性变形耗能的部位不能进入塑性屈服； 并对碳当量及磷、硫的上限予以严格限制。
③不能精确地考虑结构体系与它的构件之间 的相互影响，无法在给定荷载下预测结构体 系的破坏模式；④需要花费大量时间进行各 构件的承载力验算，包括计算长度的计算； ⑤不便于基于计算机的分析和设计。
要克服上述问题，必须开展以整个框架结构 体系为对象的二阶非弹性分析，即所谓高等 分析和设计。此时，可求得在特定荷载作用 下框架体系的极限承载力和失效模态，而无 需对各个构件进行验算。
目前大多数国家(当然包括我国)采用计算长度法计 算钢结构的稳定问题。该方法的步骤是：采用一阶 分析求解结构内力，按各种荷载组合求出各杆件的 最不利内力，按第一类弹性稳定问题建立结构达临 界状态时的特征方程，确定各压杆的计算长度；将 各杆件隔离出来，按单独的压弯构件进行稳定承载 力验算，验算中考虑了弹塑性、残余应力和几何缺 陷等的影响。该方法的最大特点是采用计算长度系 数来考虑结构体系对被隔离出来的构件的影响，计 算比较简单，对比较规则的结构也可给出较好的结 果。
上述“各种作用”是指凡使结构产生内力或变形的各种原
因，如施加在结构上的集中荷载或分布荷载，以及引起结构外 加变形或约束变形的原因，例如地震、地基沉降、温度变化等。
二. 结构的可靠度 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，称为结构的可靠性(reliability)。结构 可靠度是对结构可靠性的定量描述，即结构在规定的 时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。对 结构可靠度的要求与结构的设计基准期长短有关，设 计基准期长，可靠度要求就高，反之则低。一般建筑 物的设计基准期为50年
(房屋钢结构设计课件)第一章—刚架设计
Wefnx 、Wefny—对主轴x和y的有效净截面抵抗矩；
M x 、M y —对主轴x和y的弯矩。
▪ 工字形截面受弯构件在剪力V和弯矩M
共同作用下的强度应符合下列要求：
当 V 0.5Vd 时 M M e
当 0.5Vd V Vd 时
M
Mf
Me M f
1
V 0.5Vd
2
1
当截面为双轴对称时 M f Af hw t f
注意：考虑屈曲后强度的相关公式，当剪力V大于0.5Vd时，腹板
所能承担的弯矩应乘以一个折减系数
1
V 0.5Vd
2 1
▪ 工字形截面受弯构件在剪力V、弯矩M和轴力N
共同作用下的强度应符合下列要求：
当 V 0.5Vd 时
M
M
N e
M
N e
Me
NWe
Ae
当 0.5Vd V Vd 时
1.3 刚架设计
❖ 1.3.1 荷载及荷载组合 ❖ 1.3.2 刚架的内力和侧移计算 ❖ 1.3.3 刚架柱和梁的设计
1.3.1荷载及荷载组合
➢ 永久荷载：包括结构构件的自重和悬挂在结构上 的非结构构件的重力荷载，如屋面、檩条、支撑、 吊顶、墙面构件和刚架自重等。
➢ 可变荷载：屋面活荷载 、屋面雪荷载和积灰荷载 吊车荷载 、地震作用 、风荷载。
宜取hw～2hw
当梁腹板在剪应力作用下发生屈曲后，将以拉力带的方式 承受继续增加的剪力，亦即起类似桁架斜腹杆的作用，而 横向加劲肋则相当于受压的桁架竖杆。因此，中间横向加 劲肋除承受集中荷载和翼缘转折产生的压力外，还要承受 拉力场产生的压力。
加劲肋的计算
▪ 加劲肋稳定性验算按规范规定进行，计算长度取腹板高度
《钢结构设计原理》课程教学大纲
《钢结构设计原理》课程教学大纲本科四年制《土木工程专业》适用（48学时）一、课程的目的和任务本课程是一门专业基础课，讲授钢结构的基本设计理论和方法。
课程的目的是培养学生掌握钢结构的特点、基本设计理论和方法，具有设计钢结构基本构件及其连接的能力。
二、课程的基本要求1．要求学生根据结构的具体设计条件、工作环境和不同种类钢材的性能，正确地选用钢材，并提出相应的性能指标要求。
2．要求学生掌握焊接和螺栓连接的特点，能正确地选用合理的连接方法，并准确地设计连接。
3．要求学生掌握钢结构基本受力构件（轴心受力构件、受弯构件、拉弯和压弯构件）的计算理论、设计方法和构造要求。
三、课程的安排说明本课程讲授过程中要求条理清楚、重点突出；结合多媒体教学，讲授实际工程中基本构件的设计和构造措施，增加学生的感性认识。
四、课程内容第一章绪论1. 钢结构的特点和目前钢结构的应用领域。
2. 钢结构的设计方法。
3. 钢结构发展过程中存在的问题和最新发展动态。
第二章钢结构的材料1.钢结构所用钢材的要求。
2.钢材的塑性破坏和脆性破坏两种破坏形式。
3.钢材的主要性能、影响钢材性能的主要因素。
4.复杂应力状态下钢材的屈服条件。
5.钢材的种类和钢材的规格。
第三章钢结构的连接1. 钢结构的连接方法以及各种连接方法的特点。
2. 焊缝的形式以及不同形式焊缝连接的构造要求和计算方法。
3. 焊接残余应力和残余变形产生的原因以及减少焊接残余应力和残余变形的措施。
4. 螺栓连接的构造要求、工作性能和计算方法。
第四章轴心受力构件1. 轴心受力构件的强度计算。
2. 轴心受压构件的屈曲形式、整体稳定的概念以及整体稳定的计算。
3. 轴心受压构件的局部稳定的概念以及局部稳定的计算。
4. 实腹式和格构式轴心受力构件的截面设计。
5. 轴心受力构件典型柱头和柱脚的设计。
第五章 受弯构件1. 受弯构件强度和刚度的计算。
2. 梁的整体稳定的概念、影响梁的整体稳定的因素以及整体稳定的计算。
钢结构钢结构快速入门教材第一、二章
第一章概论第一节钢结构的特点和应用钢结构的特点：钢结构构件较小，质量较轻，便于运输和安装，便于装拆、扩建。
适用于跨度大、高度高，承载重的结构。
1.钢材的材质均匀，质量稳定，可靠度高；2.钢材的强度高，塑性和韧性好，抗冲击和抗振动能力强；3.钢结构工业化程度高，工厂制造，工地安装，加工精度高，制造周期短，生产效率高，建造速度快；4.钢结构抗震性能好；5.耐腐蚀和耐火性差。
第二节钢结构的应用范围一、大跨度结构：体育场、馆、会展中心、会堂、剧场、飞机库、机车库等。
二、高层建筑：纽约的西尔斯大厦共110层，总高443m；深圳的地王商业大厦总高368m；上海金茂大厦共88层，总高420.5m。
三、工业建筑设有大吨位吊车，炼钢车间，船体车间，水压机车间。
四、轻钢结构后面重点讲解。
五、高耸结构(塔桅结构)高压输电塔，微波站，雷达站，火箭发射塔，海洋石油平台。
随着现代建筑技术发展，塔桅结构由单一功能向多功能方向发展，如加拿大多伦多的电视塔为全钢结构，我国黑龙江省336m高的全钢结构多功能电视塔。
六、活动式结构水工钢闸门，升船机，三峡的升船机120×18×3.5m，最大提升高度113m，重11800T。
七、可拆卸或移动的结构钢栈桥、移动式平台，发挥钢结构重量轻，便于运输和安装的优点。
加拿大已建成120多万吨，可容纳5000多人的海上采油平台。
八、高压容器和大直径管道三峡水利枢纽工程中的发电机组压力钢管内径达12.4m，钢管壁厚60mm。
九、抗震要求高的结构十、特种结构钢烟囱、钢水塔，纪念性建筑（北京的中华世纪坛）城市大型雕塑（南海大佛）。
第三节现代建筑钢材的发展一、高强度钢材随着人们对结构性能要求的提高，研制和应用高强度钢材、优质钢和各种低合金钢，如Q345（16锰钢）、Q390（15锰钒钢）、Q420（15锰钒氮钢），有些西方国家已把钢材的屈服强度为700～800Mpa或更高强度的低合金钢列入设计规范。
钢结构PPT
6、耐久性要求
第二章 钢结构的材料
2.1 建筑钢材在单轴应力作用下的工作性能 一、 六大性能要求 1、强度要求 （1）屈服强度和抗拉强 度必须得到保证
σ fy fp
上屈服点
fu
下屈服点 比例极限
图2-1 单轴应力 ① 屈服强度fy是钢结构强 度设计时，钢材的极限强度，其重要性可想而知。采 用高的屈服强度可减轻自重，节约钢材，降低造价。
第一章 钢结构的基本概念
1.1 钢结构特点及其应用 三、钢结构的发展 1、高效钢材 低合金钢材
利用添加少量合金元素提高钢材的强度，改善其他一些 性能，代替普通碳素钢，从而达到降低钢材用量和延长钢材 使用寿命等目的。结构上常用锰、钒低合金钢材。 以提高耐候性为主要目的发展起来的低合金钢为耐候钢 （耐大气腐蚀钢）
1 k 1.35 1.0 1.7 0.8
345 [ ] 200 MPa 1. 7
（2）钢材标准强度与设计强度
见教材附表4-1。
此外，钢材设计强度指标或允许应力指标的取值还
与如下因素有关：
钢材种类：
受力特点：受拉、剪切、弯曲等 钢材尺寸：同一种类钢材，厚度不同，屈服强度也 会不同。因此，对各类钢材给出了设计强度（或允 许应力）。对同一类钢材，又按照其厚度分组，给
第一章 钢结构的基本概念
1.1 钢结构特点及其应用 一、 特点 1、轻质高强
6、耐腐蚀性差
7、防火性差
2、塑性、韧性好
3、材质均匀
4、具有可焊性
5、制造简便
第一章 钢结构的基本概念
1.1 钢结构特点及其应用
二、钢结构的应用前景
1、钢结构发展的历史机遇 钢结构发展的基础 钢结构发展的技术政策 钢结构发展的市场需求 2、钢结构是一项绿色环保建筑产业 钢结树材料可再生利用，大气污染物少 工厂化生产，现场施工周期短，最大限度地减少了施工工地 对环境的影响 钢结构体系可以带动其他"节能环保"型建筑材料的推广应用Biblioteka f fy fpfu
全套课件 钢结构设计原理--胡习兵
➢ 耐热性好，防火性能差 ➢ 耐腐蚀性差 ➢ 造价相对较高
1.3 钢结构的工程应用
（1）大跨度结构 （2）高层建筑钢结构 （3）工业厂房钢结构 （4）高耸钢结构 （5）桥梁钢结构 （6）板壳钢结构 （7）索膜结构 （8）移动钢结构 （9）钢-混凝土组合结构
1.3 钢结构的工程应用
1.4 钢结构发展趋势
今后我国钢结构工程的发展方向主要在以下几个 方面： ➢ 提升钢产量，发展高强度低合金钢材
➢ 钢结构设计方法的改进 ➢ 结构形式的革新 ➢ 做好标准与规范衔接 ➢ 加强科研工作
第二章 钢结构材料
本章内容
2.1 钢材的力学性能 2.2 钢材的破坏形态 2.3 影响钢材性能的因素 2.4 钢材的分类 2.5 钢材的选用 2.6 钢材的规格
第一章 绪论
本章内容
1.1 钢结构概况 1.2 钢结构特点 1.3 钢结构的工程应用 1.4 钢结构的发展趋势
1.1 钢结构概况
一、什么是钢结构
➢ 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。
➢ 用H型钢（H Beam）、工字钢（I-beam）、槽钢（channel steel）、角
高420m，地上88层， 高234m，造型奇特， 地下3层， 1999年 2007年建成
建成
鸟巢 （北京）
最高点高度68.5m，最 低点高度42.8m， 2008奥运主场馆
1.2 钢结构特点
1.2.1 钢材的优点
➢ 重量轻而强度高 ➢ 塑性和韧性好 ➢ 材质均匀 ➢ 工业化程度高，工期短 ➢ 密闭性好 ➢ 绿色环保
（1）大跨与空间结构
某体育馆看台网架结构
钢结构设计原理——第一章
1.2 钢结构的特点及应用
钢结构的特点：
强度高，结构重量轻 材质均匀，且塑性和韧性好（最符合一般工程力学假定） 良好的加工性能和焊接性能 密封性好 钢材的可重复使用性 耐热不耐火 >200℃兰脆，500～600 ℃强度几乎为零，防 火处理：防火涂料、蛭石板、蛭石喷涂、石膏板等 耐腐蚀性差 低温冷脆 钢结构制造简便，施工周期短
产生的变形值（该值使计算结果为最大）；
1.4 钢结构的新发展
1.4.1 结构用钢的新发展
（1）高性能钢材（高强度、塑性和韧性），低屈服点钢，耐 火和耐候等） （2）更合理的型钢截面有H型钢和T型钢，可直接用作梁、柱 或屋架杆件，使制造简便，工期缩短，已列入我国钢结构 构件设计规范。 压型钢板也是一种新材料，在组合楼板中可兼作施工模板 使用，大大缩短施工周期。
Z
Pf
μz
Z=R-S
Z 的概率密度曲线
1.3 钢结构的设计方法 因为R和S都是随机变量，且假定都服从正态分布，由 概率论原理知功能函数 Z=R-S 也服从正态分布,则:
Pf P ( Z 0)
0
f ( Z ) dZ
f(z)
Z
令：Z、R、S的平均值分别为
μz、μR、μs，标准差分
n
S
G
S
Gk
Q1
S
Q 1k
i2
S
Qi ci
Qik
2.由永久荷载效应控制的组合：
S
G
S
Gk
i 1
n
S
Qi ci
Qik
1.3 钢结构的设计方法 3.荷载分项系数取值如下： （1）永久荷载分项系数 当其效应对结构不利时 --对可变荷载效应控制的组合，应取1.2; --对永久荷载效应控制的组合，应取1.35; 当其效应对结构有利时 --一般情况下应取1.0； --对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。 （2）可变荷载的分项系数 --一般情况下应取1.4； --对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的 活荷载标准值应取1.3。
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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1.6 钢结构课程的特点和学习建议
两个特点：现实性和综合性；源自四点建议：放开眼界；学思结合；领会创新；
广泛阅读。
第一章作业
进行调查，写一篇钢结构和钢筋混凝土结构的造 价比较分析报告；
具体要求：假定为6层框架结构，长方形布置，
进深9m，开间6m，4开间共24m。主要从材料费、
措施费、施工管理费、工期等项目进行比较分析。
钢结构的质量轻
钢材耐腐蚀性差
钢材耐热但不耐火
钢拉杆和压杆性能比较
世界贸易中心
柱子转换
1.1.2 钢结构的应用范围 大跨度钢结构 重型厂房钢结构
受动力荷载影响的结构
可拆卸的结构
高耸结构和高层建筑 容器和其他构筑物 轻型钢结构
杂交结构 高层钢结构建筑
1.2 钢结构的建造过程和内在缺陷
1
1.4.2 结构的荷载效应分析
结构和构件的抗力；荷载施加于结构的效应； 一阶分析；二阶分析（ P-deta 效应、几何非线性）； 弹性分析；非弹性分析；
1.5 钢结构的发展
发展低合金高强度钢材和型钢品种
结构和构件设计计算方法的深入研究
结构形式的革新
结构优化设计
1.5 钢结构的发展
平面体系加支撑如：穿式桁架桥、空间屋盖结 构
穿式桁架桥
空间屋盖结构
1.3.2 高耸结构
水平荷载可能居于主导地位。如：高层房屋结构、 塔架、桅杆
高层房屋结构
塔架结构
桅杆结构
1.4 钢结构的极限状态
1.4.1 极限状态
钢结构极限状态分为承载能力极限状态和正常使用 极限状态两大类。前者对应于结构或构件达到最大 承载能力或出现不适于继续承载的变形，包括倾覆、 强度破坏、疲劳破坏、丧失稳定、结构变为机动体 系或出现过度的塑性变形。后者对应于结构或构件 达到正常使用或耐久性能的某项规定限值，包括出 现影响正常使用（或外观）的变形、振动和局部破 坏。 强度破坏是指构件的某一截面或连接件因应力超过 材料强度而导致的破坏。钢结构在特定条件下还可 能出现低应力状态的脆性破坏。
第1 章
主要内容：
钢结构的特点和应用
概述
钢结构的建造过程和内在缺陷
钢结构的组成原理 钢结构的发展
重点：
钢结构的特点和应用
1.1 钢结构的特点和应用
1.1.1 钢结构的特点 材料的强度高，塑性和韧性好 材质均匀，和力学计算的假定比较符合
钢结构制造简便，施工周期短
1.2.1 钢结构的建造过程
工厂制造：验收、放样、加工、装配、矫正、除锈和涂 漆 工地安装：扩大拼装、吊装就位、临时固定、最后固定
1.2.2 钢结构的初始缺陷
几何缺陷：初弯曲 初倾斜 杆件长度误差 材料缺陷：钢材并非理想的匀质体和各向同性体
1.3 钢结构的组成原理
1.3.1 跨越结构
《钢结构设计规范》3.1.2条规定， 承重结构应按下列两种状态进行设计：
承载能力极限状态包括：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，结构或构件丧失稳定，结构转变为 机动体系和结构倾覆。 2 正常使用极限状态包括：影响结构、构件 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）。
采用新的高性能钢材，深入了解和掌握结构的真实极限状态， 开发新的结构形式和提高钢结构制造工业的技术水平。 钢材的高性能包括强度、塑性、韧性、耐腐蚀和耐火等方面 的性能。 高强度钢索应用于工程实践，新的大跨度结构形式如索膜结 构和张拉整体结构等不断出现。钢索需和刚性构件如桁架、 环和拱等配合使用。 钢和混凝土组合结构是使用两种不同性能的材料优势互补相 互协作而形成的结构。压型钢板组合楼板、钢梁和所承钢筋 混凝土楼板、钢和混凝土组合柱等形式广泛应用于多层和高 层建筑中。 索和拱配合使用称为杂交结构，其为结构形式杂交，而钢和 混凝土组合结构为材料杂交。 制造业正趋于一体化，工业软件把钢材切割、焊接技术和焊 接标准集成在一起，既保证质量又节省劳动力 。