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1、第四篇 钢结构第18章 钢结构的基本概念18.1钢结构的特点及应用钢结构是土木工程的主要结构形式之一，通常由型钢和钢板等制作成的桁架、梁、柱、板等构件组成，有些钢结构还采用钢绞线和高强钢丝，各部分之间一般采用焊缝、螺栓连接。钢结构与其他材料的结构相比较，具有如下特点：（1）材质均匀，可靠性高钢材组织均匀，接近于各向同性匀质体，为理想的弹塑性材料。目前采用的计算理论能够较好地反映钢结构的实际工作性能，因此其可靠性高。（2）强度高，重量轻钢材与混凝土、木材相比较，其强度高，并且弹性模量也高。钢材虽然比其它建筑材料的容重大，但其容重与强度的比值一般比混凝土和木材小，因此在同样受力的情况下，钢结构与钢
2、筋混凝土结构和木结构相比，构件截面较小，重量较轻，可用于跨度较大的结构，且便于运输和安装。（3）塑性和韧性好钢材的良好塑性，使结构在一般条件下不会因超载而突然断裂，在破坏之前变形增大，有明显的征兆，易于被发现，并且有利于局部应力重分布。钢材的良好韧性，使结构适于承受冲击荷载和动力荷载，具有良好的抗震性能。在国内外的历次地震中，钢结构是损坏最轻的结构，被认为是抗震设防地区特别是强震区的最合适结构。（4） 制造与安装方便钢结构一般在工厂制作，工业化程度高，具备成批大量生产和精度高等特点；采用工厂制造、工地安装的施工方法，可有效地缩短工期，为降低造价、发挥投资效益创造了条件。由于钢结构具有连接方便的
3、特点，易于加固、改建和拆迁。（5） 具有可焊性和密封性由于钢材具有可焊性，使钢结构的连接大为简化，不仅可适用于各种复杂结构形状的需要，而且采用焊接连接后可以做到安全密封，适用于对气密性和水密性要求较高的结构。（6） 耐热性较好结构表面温度在200以内时，钢材的屈服强度和弹性模量变化很小。钢结构的主要缺点是：（1） 耐火性差钢材的耐火性较差，当温度超过200时，钢材材质变化较大，不仅强度降低，而且产生蓝脆和徐变现象。当钢材表面温度达300400以后，其强度和弹性模量显著下降。达到600时，钢材进入塑性状态并丧失了承载能力。（2）耐腐蚀性差钢结构耐腐蚀性较差，特别在潮湿和有腐蚀介质的环境中，容易腐
4、蚀，需要定期维护。因此钢结构的维修养护费用比钢筋混凝土结构高。由于钢结构具有上述特点，因此广泛应用于土木工程中。尤其是钢结构材料强度高而重量轻的优点，在大跨度结构中尤为突出，因为结构跨度越大，恒载效应在全部荷载效应中所占的比重就越大，减轻恒载，特别是减轻自重荷载可以获得明显的经济效果。随着钢结构计算理论以及新技术的发展，尤其是对钢桥结构的腐蚀环境的研究和桥梁防腐工程对策的研究，除了防腐蚀涂料及涂装技术外，还发展了钢桥自动工装电弧喷铝、电弧喷锌长效防腐技术，这些都促进了桥梁钢结构的发展与应用。18.2钢结构的计算原则18.2.1 钢结构设计的基本要求钢结构设计要做到技术先进、经济合理、便于加工、
5、方便运输安装和检查养护，以确保质量。因此，在设计中应满足下列基本要求：（1）钢结构在运输、安装和使用过程中，必须具有足够的承载能力、刚度和稳定性，整个结构必须安全可靠；（2）要从工程实际出发，合理选用材料、结构设计方案和构造措施。要符合桥梁结构的使用要求，要具有良好的耐久性；（3）尽可能地节约钢材，减轻钢结构重量；（4）尽可能缩短制造、安装时间，以缩短工期；（5）所选结构要便于运输，构造设计要便于检查与养护。18.2.2 钢结构的计算方法1）计算方法概述结构计算的目的是保证结构构件在使用荷载作用下能安全可靠地工作，既要满足使用要求，又要符合经济要求。钢结构计算是根据拟定的结构方案和构造，由各杆
6、件的作用效应（荷载效应），再根据所用钢材的特性，对整个结构和构件及其连接进行核算，判断其是否符合经济、安全、适用等方面的要求。但是计算中所采用的作用（或荷载）标准值和结构实际承受的作用（或荷载）之间、钢材力学性能的取值和材料实际数值之间、计算截面和实际尺寸之间、计算所得的应力值和实际应力数值之间，都存在着一定的差异，所以，计算的结果不一定很安全可靠。为了保证安全，结构设计计算时就必须留有余地，也就是要求具有一定的安全度。结构的安全度是保证工程结构物在一定使用条件下，连续正常工作的安全储备。有了这个储备，才能保证结构在各种不利条件下的正常使用。下面简单介绍几种钢结构计算方法。（1）总安全系数的容
7、许应力计算法考虑到各种不利因素影响，将钢材可以使用的强度（如屈服强度）除以一个笼统的总安全系数，作为结构计算时容许达到的最大应力容许应力。采用材料力学或弹性力学方法计算构件在荷载标准值作用下的应力，使任一截面的计算应力不超过材料的容许应力，这种计算方法称为容许应力计算法，表达式为： （18-1） 式中 构件的内力； 构件的几何特性； 钢材的屈服强度； 总安全系数； 材料的容许应力； 构件的计算应力。这种总安全系数的容许应力计算的缺点是笼统地采用了一个安全系数，将使各构件的安全度各不相同，而整个结构的安全度一般取决于安全度最小的构件。其优点是表达式简单、概念明确、应用方便。（2）三个系数的极限状
8、态计算方法根据结构使用上的要求，在结构中规定两种极限状态，即承载能力极限状态和变形极限状态。同时引入三个系数，即：以荷载系数考虑荷载可能的变化，以匀质系数考虑钢材性质的不一致，以工作条件系数考虑结构及构件的工作特点，以及某些假定的计算图式与实际情况不完全相同等因素。这种方法比按容许应力计算法考虑得细致一些，但某些系数（如工作条件系数）的确定还缺乏客观依据和科学方法，同时，它的表达式较为繁琐，其表达式为： （18-2）式中 超载系数； 匀质系数； 工作条件系数；荷载引起的内力；构件几何特性。 钢材的屈服强度；（3）多系数分析后用单一安全系数的容许应力计算法在确定安全度方面与早期容许应力计算法有所
9、不同。它是以结构的强度、稳定、疲劳、变形等为依据，对影响结构安全度的诸因素以数理统计的方法，并结合工程实践经验进行多系数分析，求出单一的设计安全系数，以简单的容许应力形式表达，其按承载能力计算的一般表达式为： （18-3）式中 根据标准荷载效应组合求得的内力；构件几何特性； 荷载系数； 材料系数； 调整系数，一般结构。荷载系数是用以考虑实际荷载可能有变化而给结构物留有一定的安全储备的系数。材料系数是用以考虑钢材强度变异的系数。在结构计算中取钢材生产废品限值作为钢材的标准强度。但是，钢铁厂产品质量是不均匀的，厂与厂之间，甚至在同一厂内，产品质量也存在差异，同时，各厂对产品质量的验收又是采取抽样检
10、验的方式，这就不可避免地会有屈服强度低于标准强度的钢材混杂其间，作为正式产品供应。根据对大、中、小有代表性的钢铁厂的钢材强度统计分析结果，并考虑以往设计经验而定出的钢材材料强度系数。在设计计算中，仅考虑单一的平均荷载系数和材料强度系数还是不够完备的。例如，对可变荷载（例如汽车荷载）所占比重较大的构件，或施工条件较差的连接构造等都与一般条件等同看待，其安全度就显得偏低。调整系数就是用以考虑这些特殊的变异因素（荷载的特殊变异、结构受力状况和工作条件等）的系数。其数值主要是根据实践经验确定。系数、综合确定后的安全表达式为： （18-4）式中单一安全系数。对钢结构这种单一材料组成的结构，采用容许应力法
11、，不但可以减少计算工作量，同时也因为疲劳强度的验算又用容许应力进行，这样可以使整个结构设计在计算方法上得到协调统一。在结构设计时，除了必须保证结构或构件的承载能力满足要求外，还应保证结构或构件的正常使用，所以必须对结构或构件的变形有所限制，以免因变形过大，或因过于柔细而易下垂、振动，甚至在运输和施工过程中受到损坏。因此，还应验算结构或构件的变形和长细比，即： （18-5） （18-6）式中 结构或构件在荷载作用下产生的最大挠度； 规定的容许挠度；构件的长细比；规定的容许长细比。这种计算方法虽然简单方便，但也存在着一些缺点。因为各种荷载的变异性并不相同，不同构件的几何尺寸的变异性也不完全一致，采
12、用统一的安全系数，显然不可能获得相同的安全度。有的结构或构件会过分安全，个别结构或构件则可能不够安全。（4）以概率论为基础的极限状态设计法极限状态的概率设计法是把各种参数（荷载效应，材料抗力等）作为随机变量，运用概率分析法并考虑其变异性来确定设计采用值。这种把概率分析引入结构设计的方法显然比容许应力设计法先进，故近年来世界各国逐渐采用此法。在结构设计中采用概率设计法时，从结构的整体性出发，运用概率论的观点，对结构的可靠度提出了明确的科学定义，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，称为结构可靠度。钢结构计算采用以概率理论为基础的极限状态设计方法（疲劳强度除外），用分项系数的表
13、达式进行计算。结构可靠度用可靠指标度量，并已在分项系数中考虑。各种承重结构均应按承载能力极限状态和正常使用极限状态设计，承载能力极限状态为结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形的极限状态；正常使用极限状态为结构或结构构件达到正常使用（变形或耐久性能）的某项规定限值的极限状态。以概率理论为基础的极限状态计算的基本概念参见第2章内容。2）公路桥规（JTJ 025-86）的计算方法我国现行的公路桥规（JTJ 025-86）对公路桥涵钢结构的设计计算，要求对构件必须进行承载能力和刚度的计算。（1）承载能力计算公路桥涵钢结构的基本构件承载能力计算是采用多系数分析后用单一安全系数的容许应力计
14、算法，基本表达式与式（18-4）相同。由于采用了容许应力计算法，故对基本构件承载能力计算称为构件强度计算。公路桥规（JTJ 025-86）对钢结构计算采用的单一安全系数是由、和综合组成，其中称为材料的匀质系数，称为超载系数，而称为工作条件系数。公路桥规（JTJ 025-86）根据不同的钢材材料、受力特征等制订了设计计算用的材料容许应力值，详见附表4-1附表4-4。（2）刚度验算公路桥规（JTJ 025-86）规定公路钢桥的桥跨结构必须进行挠度验算，结果应满足式（18-5）的要求。式（18-5）中的称为桥跨竖向挠度的容许值，公路桥规（JTJ 025-86）规定的竖向挠度容许值是：简支或连续桁架为
15、；简支或连续板梁为；梁的悬臂端部为；悬索桥为，其中为计算跨度；为悬臂长度。式（18-5）中的称为由汽车荷载（不计冲击力）所引起的竖向挠度计算值，如果车辆荷载在一个桥跨范围内移动，产生正负两方向的挠度时，计算挠度应为其正负最大挠度的绝对值之和。式（18-6）是针对轴心受力构件和偏心受力构件的刚度计算要求，采用构件的长细比来衡量。长细比是构件的计算长度与构件截面的回转半径的比值，即。计算构件长细比时，应分别考虑绕截面的两个主轴即轴和轴的长细比和，均不能超过规定的容许长细比： （18-7）式中 、分别为绕截面主轴即轴和轴的构件计算长度和截面回转半径；公路桥规（JTJ 025-86）对杆件容许长细比的规定值参见附表4-9。复习思考题与习题18-1桥梁钢结构设计有哪些基本要求？18-2桥梁钢结构承载能力计算采用容许应力法，其中的安全系数的物理意义是什么？18-3桥梁钢结构计算方法的发展演变经过哪几个阶段？18-4桥梁钢结构计算中为什么要对构件的长细比或变形进行限制？18-5