第1章绪论3节.ppt

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1、钢结构设计原理 绪论,河北建筑工程学院 HeBei Institute of Architecture and Civil Engineering, 1.1 我国钢结构的发展概况,铁塔是我国古代的一种宗教建筑。如现存的建于宋代的湖北荆州玉泉寺13层铁塔，以及山东济宁铁塔寺铁塔和江苏镇江甘露寺铁塔等。,钢结构在我国古已有之。 据历史记载，远在汉明帝（公元60年前后）时，再我国西南地区要道的深山峡谷上建造了铁链桥。如：兰津桥。其后以明代建造的云南沅江桥、清代建造的贵州盘江桥和四川卢定大渡河桥最著名。,第一节, 1.1 我国钢结构的发展概况,我国进一步发展建筑钢结构已经具备了较充分的工程材料、设计、

2、制造和施工优势等条件。,“九五计划”开始实施以来，情况有了根本的转变，“节约用钢”转变为“合理用钢”的政策。我国政府对原先钢结构行业采取限制使用的手段，已改为鼓励推广应用，并从规划、政策及具体推动等方面给予倾斜，估计2005年到2010年建筑钢结构用材分别达到全国钢材总产量的3%和6%的目标。钢结构有了发展的政策和物质基础。,钢结构在建筑工程中发挥着独特的日益重要的作用，无论是高层、超高层、轻型钢结构和大跨度空间结构等，都因其施工速度快、周期短、抗震性能好而被广泛运用。,第一节,国内钢结构设计的计算机软件不断涌现，它们各具特色，可分别适应我国普钢结构、高层钢结构、轻钢结构、网架结构、薄壁拱形结

3、构的设计需要。八十年代以来我国建成了许多高层钢结构，在北京、上海、深圳、大连、天津等地建设已形成高潮，特别是上海金茂大厦（88层，总高度达420）及正在施工中的环球金融大厦使中国的高层建筑进入世界的前列。,发展钢结构，我们已基本具备了必要的物质基础、技术保障,第一节,钢结构发展的趋势,钢结构在中国的工程建设中日益得到重视,除上述的结构外，还有桥梁、塔桅、容器、管道及大型装备等。其他使用的钢材品种和数量都相当大。目前中国既是产钢大国，也是世界上消耗钢材最多的国家之一。可以肯定，随着中国经济进一步发展和改革的深入，将会有更多的重型、大跨、高耸、轻钢的钢结构工程和大量的住宅钢结构建筑出现，届时我们会

4、与世界各国的钢结构同行进行友好交流与合作。, 1.2钢结构的特点及应用范围,1钢材的强度高，塑性、韧性好,2材质均匀、工作可靠性高,3钢结构制造简便、施工周期短、具有良好的装配性,4钢材具有可焊性,5钢材具有不渗漏性，便于做成密闭结构,6钢结构建筑是绿色建筑，具备可持续发展的特性,钢结构与其他结构相比具有下列优点：,1.2.1 钢结构的应用范围,钢材也有它自身的不足：,1钢材耐腐蚀性差,2钢材耐热但不耐火,1.2.2 钢结构的应用范围,在土木工程中，钢结构有着广泛的应用。由于使用功能及结构组成方式不同，钢结构种类繁多，形式各异。,单层厂房结构,宝钢集团一钢公司不锈钢炼钢工程,2大跨结构 主要用

5、于飞机库、汽车库、火车站、大会堂、体育馆、展览馆、影剧院等，其结构体系主要采用框架结构、网架结构、网壳结构、悬索结构、充气结构、张拉整体结构、膜结构、杂交结构及预应力钢结构等。,北京2008年奥运会为20项比赛项目建37座体育场馆其中32座在北京，19座为新建，13座为改建另 5座在外省，3座新建在天津，沈阳和青岛，2座改建在 上海和秦皇岛共新建22座，改建15座旧场馆，实为 我国当前一件非常具有挑战性的艰难任务现已确定 下来并已施工或准备施工的有9个场馆，为： 国家体育场，国家游泳中心，国家体育馆，天津 奥林匹克中心体育场，北京老山奥运自行车馆，2008 年奥运篮球馆（五棵松）， 2008年

6、奥运羽毛球比赛馆（在北京工业大学内）， 2008年奥运会摔跤馆（在中 国农业大学内），2008年奥运会乒乓球馆（在北京大学内）,北京2008奥运场馆,北京2008奥运场馆,国家体育场-平面为椭圆形,长轴340m,短轴292m,屋盖中间开 口185.3mx127.5m ;由一系列空间刚架绕内环旋转而成，形成 三维空间承重体系，没一榀刚架由高12m的屋盖绗架组成，采 用加肋薄壁箱形截面总用钢量优化到41875t.,北京2008奥运场馆,北京2008奥运场馆,3多层、高层结构,北京金宸公寓（钢结构多层住宅）,4塔桅结构 用于高度较大的无线电桅杆、微波塔、电视塔、高压输电线路塔、化工排气塔、石油钻井架

7、、大气监测塔、旅游瞭望塔、火箭发射塔等。我国在60-70年代建成的大型塔桅结构有200m广州电视塔、210m上海电视塔、194m南京跨越长江输电线路塔、325m北京环境气象桅杆。1990年落成的212m汕头电视塔、260m大庆电视塔等都是钢结构。,5桥梁结构 由于钢桥建造简便、迅速、易于修复，因此钢结构广泛用于中等跨度和大跨度桥梁。我国著名的杭州钱塘江大桥（1934-1937年）是最早自己设计的钢桥，在这之后的武汉长江大桥（1957年）、南京长江大桥（1968年）均为钢结构桥梁，其规模和难度都是举世闻名的，上海的黄浦江大桥也采用钢结构。这些标志着我国桥梁事业已进入世界先进的技术行列。,杭州湾大

8、桥南航道桥A型独塔斜拉桥,香港岛屿的斜拉桥,6移动结构 用于装配式活动房屋、水工闸门、升船机、桥式吊车和各种塔式起重机、龙门起重机、缆索起重机等，这类结构随处可见。这几年来高层建筑的发展，也促使塔式起重机像雨后春笋般地矗立在街头。我国已制订了各种起重机系列规程、规范，促进了建筑机械的大发展。,7轻型钢结构 轻型钢结构通常指由圆钢、小角钢、薄壁型钢或薄钢板焊接而成的结构。轻型钢结构的优点是自重轻、造价低、生产制作工厂化程度高、现场安装工作量小、建设速度快，同时外型美观、内部空旷、建筑面积及空间利用率高，因此在建筑市场极具竞争力。近几年来轻型钢结构在我国发展迅速，其应用范围已从工业厂房、仓库、体育

9、场馆等向住宅、别墅发展。,别墅（钢结构低层住宅）,别墅（钢结构低层住宅）, 1.3钢结构的主要结构特性,平面结构体系由承重体系及附加构件两部分组成，其中承重体系是一系列相互平行的平面结构组成，承担该结构平面内的竖向荷载和横向水平荷载，并传递到基础。附加构件由纵向构件及支撑组成，将各个平面结构连成整体，同时也承受结构平面外的纵向水平力。,1 平面结构体系,图1.1 平面结构体系,图1.2 门式刚架的结构体系,2空间受力结构体系 空间受力结构体系分为刚性空间结构、柔性空间结构 等： （1）刚性空间结构有网架结构和网壳结构等； （2）柔性空间结构有悬索结构、张拉整体结构及索膜 结构等。,图1.3 首

10、都机场机库剖面图（单位：m）,图1.4 北京工人体育馆结构剖面图,广州会展中心就是典型工程（图1.5）。,图1.5 广州会展中心张弦立体桁架结构,广州国际会展中心,广州国际会展中心,威海体育场（膜结构）,郑州体育场（膜结构）,青岛体育场（膜结构）,3多层、高层及超高层建筑结构体系,多、高层钢结构体系主要有框架、框架支撑体系、框架内筒体系、带伸臂桁架的框架内筒体系、外筒体系、筒中筒及成束筒等结构体系。,图1.6 北京长富宫中心部分结构 图1.7 北京京广中心大厦R1轴剖面,金 茂 大 厦,金茂大厦,金 茂 大 厦,高层钢结构一般是指六层以上（或30以上），主要采用型钢、钢板连接或焊接成构件，再经

11、连接、焊接而成的结构体系。高层钢结构常用钢框架结构、钢框架混凝土核心筒结构形式。后者在现代高层、超高层钢结构中应用较为广泛，事实上，它属于钢混凝土组合结构。,高层钢结构（补充）,特性 与混凝土高层相比： 自重轻，截面小，可降低基础造价，室内有效面积大，与玻璃幕墙结合，建成现代感很强的建筑外形； 施工速度快、工业化程度高，可降低人工费用，增加建筑的投资回报率； 抗震性能较好，利于向高层、超高层发展； 绿色环保、可持续发展； 1218层的高层钢结构造价可达到与混凝土结构持平，综合造价可望超过混凝土。,应用范围 现代高层、超高层公共建筑，标志性建筑，商业中心，如：北京国贸中心、环球金融大厦； 星级饭

12、店，旅馆，如：北京香格里拉饭店、长富宫饭店； 商用写字楼，综合楼，办公楼 如：长春光大银行、上海国际航运大厦； 民用住宅，高层公寓。民用住宅的开发与试点正在进行。如：天津市梨园小区等。,主要材料 型材：包括截面形式为：“”型钢，“十”字形钢、“口”字型钢。目前我国莱钢、马钢、鞍钢一厂自行生产的100mm700mm的热轧“”型钢，上海大通生产的高频焊接轻型H型钢 均已投放市场。 钢承板：或是压型钢板，我国已能生产各种型号的压型钢板。 政策指向 高层钢构的行业标准高层民用建筑钢结构技术规程已颁布，抗震规范已修订完。 高层建筑结构用钢国产化也已定了标准，并逐步实施。国家将进一步鼓励高层钢结构用国产热

13、轧“”型钢。 高层钢结构的设计软件正在进一步布研究、开发、鉴定中。,发展、现状、前景 高层钢结构在我国最早应用于工业建筑中，如矿井塔架、海洋平台等。民用高层钢结构的应用起步较晚，我国最早的高层钢结构建筑为上海国际饭店（1932年，22层，82米），进入八、九十年代以后，高层钢结构获得了较快的发展，国内也出现了一批高层钢结构建筑（八十年代有11幢，九十年代至今有25幢，见下列）,八十年代的高层钢结构 序号 工程名称 地点 高度 层数 建筑面积(万平) 总用钢量(万吨) 结构形式 1 京广中心 北京 208 3+57 13.7 1.9 钢框架，带边框钢筋混凝土剪力墙 2 京城大厦 北京 182 4

14、+52 11 1.2 钢框架钢支撑（外包钢筋混凝土） 3 深圳发展中心 深圳 165 2+48 5.6 0.9 钢结构混凝土核心筒，外框钢结构 4 北京国贸中心 北京 155.2 2+39 8.6 1.2 内外钢框架钢支撑筒体 5 上海锦江饭店 上海 153 1+46 4.8 0.75 钢框架钢支撑及钢板剪力墙 6 上海希尔顿饭店 上海 144 1+43 5.2 0.4 钢结构混凝土核心筒，外框钢结构 7 上海国贸中心 上海 142 2+37 9 1.074 钢框架钢支撑 8 上海瑞金大厦 上海 107 1+27 3.2 0.37 钢结构混凝土核心筒，外框钢结构 9 长富宫饭店 北京 90.9

15、 3+26 5.05 0.53 纯钢框架及剪力墙 10 香格里拉饭店 北京 82.7 2+24 5.6 0.53 钢骨混凝土框架，钢框架梁、梁柱 钢接体系 11 上海金沙江饭店 上海 41.4 1+14 1.6 0.11 钢框架钢支撑 合计 73.35万平米 8.964万吨,九十年代的高层钢结构 序号 工程名称 地点 高度 层数 建筑面积(万平) 总用钢量(万吨) 结构形式 1 环球金融大厦 上海 4 95 460 33 2.6 钢混凝土核心筒，外框钢骨混凝土柱 及钢柱 （停工） 2 金茂大厦 上海 3 88 420 28.9 1.4 钢混凝土核心筒，外框钢骨混凝土柱及钢柱 3 赛格广场 深圳

16、 4 70 278.6 15.8 1 钢混凝土核心筒，外框钢管混凝土结构 4 地王大厦 深圳 3 67 294.1 13.8 1.2 钢混凝土核心筒，外框钢结构 5 世界贸易中心 天津 3 64 266 10 1.6 钢结构框架斜撑核心筒，外框钢结构 6 上海浦东国际金融大厦上海 上海 3 53 230 12 1.1 钢结构混凝土核心筒，外框钢结构 7 大连云山大厦 大连 4 52 208 9.6 0.7 钢结构混凝土核心筒，外框钢结构 8 上海东海广场 上海 3 52 245 10 0.34 钢框架与钢混凝土中心筒 9 大连远洋大厦 大连 3 51 200.8 7 0.5 钢结构混凝土核心筒

17、，外框钢结构 10 国际航运大厦 上海 3 48 210 10 0.95 钢结构混凝土核心筒，外框钢结构 11 森茂大厦 上海 3 48 198 11 0.8 钢混凝土核心筒，外框钢骨混凝土结构 12 长春光大银行 长春 3 26 99 3 0.4 钢框架斜撑钢筋混凝土筒 13 世界金融大厦 上海 2 43 166.5 8.3 0.33 钢混凝土核心筒，外框钢骨混凝土柱,14 云项花园 天津 3 43 165 6 1.3 钢结构混凝土核心筒，外框钢结构 15 期货大厦 上海 3 43 157.7 8.5 0.65 钢结构混凝土核心筒，外框钢结构 16 上海信息枢纽大楼 上海 4 41 184.

18、5 8.7 0.8 钢结构混凝土筒体，巨型钢框 架结构 17 中国保险大厦 上海 3 39 154 6.6 0.12 钢筋混凝土筒体，钢珩架梁 18 北京国贸中心二期 北京 4 38 160 5.5 0.6 钢混凝土核心筒，外框钢结构 19 新金桥大厦 上海 2 38 157 4 0.7 钢结构混凝土核心筒，外框钢结构 20 远洋公寓 广州 3 30 103 2 0.18 钢筋混凝土筒体，外框钢结构 21 世界广场 上海 2 38 150 10 1.1 钢框架一钢支撑 22 上海证券大厦 上海 2 27 120.9 9.8 0.9 钢混凝上筒体，巨型钢框架一钢支撑 23 九州大厦 厦门 2 2

19、5 90 6.26 0.54 钢框架一钢支撑 24 大连森茂大厦 大连 2 24 109 4.6 0.353 钢框架钢支撑 25 中国工商银行总行 北京 3 10 48.3 6.8 0.4 钢框架钢偏心支撑 合计 224.96万平米 18.043 万吨,高层（超高层）钢构的发展一直随结构形式的发展而发展，由原来的框架支撑体系、巨型框支支撑体系到正被越来越多用于超高层的钢结构混凝土核心筒、外框钢骨混凝土及钢柱体系（如：金贸大厦，420m；环球金融大厦，460m）其构件的截面形式应用了钢骨混凝土与钢管混凝土（如图示为常用截面图）。,SRC柱截面,当前问题及解决办法 我国目前应用最多的钢框架一混凝土

20、核心筒，造价低、用钢省、但在应用范围和技术还欠缺完善。 对高层钢结构体系特别是钢框架-混凝土核心筒的合理应用范围和抗震措施进行研究，提出设计规定； 高层钢结构的设计和制图方面，静力弹塑性分析还很少采用；弹塑性动力时程分析仍是难点。 制订弹塑性动力分析标准 一些企业设计动力分析和作图软件只用于委托使用 高层钢结构的设计软件正在进一步布研究、开发、鉴定 设计所需要的节点构造参考图，国内出版了一些，但不多。 充实和完善设计参考资料和图集,纽约世贸中心双塔图片专辑,1973年在纽约建成世界贸易中心大厦设计人（Minoru Yamasaky）,两个塔的结构设计是按承受风荷载的方法来确定。 立面空腹梁式墙

21、体由间距1.02m的59根箱形截面柱形成。 楼盖处柱子与窗下墙墙板刚结，楼盖跨于外柱与井筒之间，没有中间柱。 建筑转角处墙互相连接可传递剪力，墙与楼盖一起构成一个抗扭的刚构筒体，嵌固在基础中并传递全部风荷载。 井筒的44根箱形截面柱仅承受垂直荷载,外柱的壁厚和钢号由下往上逐步变化：壁厚由12.5mm减到7.5mm，钢材的屈服点由70.0降到29.5kg/mm2。外柱利用钢号的逐步变化而得到强度储备。 外骨架重量随高度减轻，用高强度螺栓连接。 楼盖钢桁架和在多槽压型钢衬板上浇10cm的轻混凝土。 基础岩层深22.5m，容许承载力为39kg/cm。开挖面积为440000m的地下室和基础时，采用90cm厚的钢筋混凝土隔墙，墙背锚定在四周地层中。柱基由两层格排组成，通过2.1m厚的混凝土底版将荷载传到下面的岩层上。,