钢 结 构
Steel Structure
上海理工大学城建学院本 课 件 内 容
概述
钢结构的材料
钢结构的连接
轴心受力构件
受弯构件
拉弯和压弯构件
桁架及房屋结构第 一 章 概 述第一节 钢结构的特点及应用第二节 钢结构的组成第三节 钢结构的计算原理
钢结构的特点
钢结构的应用范围
钢结构设计的基本要求第一节 钢结构的特点及应用钢结构的特点
1、优点
材料力学性能好
强度高 如,C20,fc=10N/mm2 钢 Q235 f=215N/mm2
塑性好
韧性好
材质均匀，可靠性高
便于机加工，施工周期短
重量轻如,30M钢架 4T~5T 30MR.C屋架 14T~17T
密封性好
具有一定的耐热性钢结构的特点
2、缺点
耐火性差当钢表面的温度达 300oC~400oC以后，其强度，弹性模量显著下降,600oC时几乎为 0。
耐锈蚀性差需定期维护，增加了维护费用。
钢结构的应用范围
厂房结构
大跨度结度
多层、高层结构
塔桅结构
壳体结构
桥梁结构
各种轻钢结构房屋厂 房 结 构厂 房 结 构大跨度结度大跨度结度大跨度结度多层房屋多层房屋高层结构高层结构高 层 结 构塔桅结构壳体结构壳 体 结 构桥 梁 结 构桥 梁 结 构桥 梁 结 构其 它 钢 结 构其 它 钢 结 构钢结构设计的基本要求
结构需有足够有强度、刚度和稳定性，
安全可靠
要符合建筑物的使用要求，有良好的耐久性
尽可能节约钢材
尽可能缩短制造、安装周期
结构要便于运输、便于维护
在可能情况下，尽可能美观塔科玛大桥坍塌过程第二节 钢结构的组成
1、单层房屋钢结构
传统作法，将一系列竖向平面承重结构，用支撑构件将之联成空间整体
竖向荷载
竖向承重结构
水平荷载
竖向承重结构
支撑构件
2.多层房屋钢结构
– 刚架结构
由梁、柱组成的多层多跨刚架 承受水平，竖向荷栽
由于抗侧移刚度小，多用于 ≤30层建筑
– 带撑结构
设柱间支撑后形成竖向悬臂桁架，抗侧移刚度较高，适用于 20~60层
– 筒式结构
由以上可以看出，结构必须形成空间整体，才能有效而经济地承受荷载，具有较高的强度、
刚度和稳定性第三节 钢结构的计算原理一、钢结构设计变迁
1957年以前,采用总安全系数的容许应力计算法
1957~1974：采用三个系数的极限状态计算法
1974~1989：采用以结构极状态为依据，
进行多系数分析，用单一的系数表示的容许应力计算法
1989~,采用以概率论为基础的极限状态设计法
1、总安全系数容许应力法
7.1~4.1 kkf y 安全系数实际应力
缺点,安全系数凭工程经验确定的一定值，这样，
各种构件的可靠性将不能保证比较一致的水平。
2、三系数极限状态设计法特点,明确提出了两种极限状态，采用三个系数来考虑结构构件的安全储备问题，避免单一安全系数的缺陷缺点：
材质均匀系数概念重复。
强度标准不是明确概率取值，而是取钢的废品限值，不符合概率方法构件的几何特性荷载引起的内力工作条件系数材料均匀系数超载系数
sN
kkk
sfkkNk
i
yi
321
321
3、以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一安全系数的容许应力计算法
321
][
kkkk
k
f
s
N yi
缺点,各种载荷并不相同，各种构件承受荷载的情 况也不一定相同，构件的几何尺寸变异并不完全一致，采用统一的安全系数显然不可能获得相同的安全度。
4、以概率为基础的极限状态设计法
把各种参数（载荷效应、结构抗力等）作随机变量，运用概率分析法并考虑变异性来确定设计采用值。
把概率分析引入结构设计方法，显然比容许应力法先进，标志我国在设计理论上前进了一大步，迈入了国际先进水平。
二、结构概率极限状态设计法 *
1、基本概念
结构可靠度,结构在规定的时间（ 50年），规定的条件（正常设计、正常施工、正常使用、正常维护）下，
完成预定功能的概率。
失效概率,结构不能完成预定功能的概率。
结构的功能要求
– 安全性
– 适用性
– 耐久性
2、结构作用 作用效应 结构构件抗力
结构作用,施加在结构上的各种荷载及引起外加变形或约束变形的原因（如荷载、基础下沉、温度变化、焊接等）
作用：
永久作用
可变作用
偶然作用
作用效应（ S）,结构作用引起结构或构件的内力（轴、
弯、剪）和变形（挠度、转角）。
结构抗力（ R）,结构或构件承受作用效应的能力。
3、结构的极限状态和极限状态方程
（ 1）结构的极限状态,整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，这一特定状态称为结构的极限状态。
两种极限状态
承载能力极限状态
正常使用极限状态
（ 2）极限状态方程
用 R>S R=S R<S 来描述抗力与作用效应的关系。
结构功能函数
Z=R-S
Z=g(S,R)=R-S
显然
z>0 结构处于可靠状态
z=0 结构处于极限状态
Z<0 结构处于失效状态
Z=R-S称为极限状态方程
这样，结构可靠概率为 Ps=p{(R-S)≥0}
结构失效概率为 Ps=p{(R-S)<0}且 Ps+Pf=1
绝对可靠的结构是不存在的，只要 Pf达到人们可以接受的程度是安全的
Z>0
Z<0
Z=0
R
s
（ 3）可靠指标 β
结构功能函数 Z=R-S
由于 R和 S均为正态分布的随机变量，其均值和标准差分别为
s s R R,和,
22
Z R S
Z R S
Z R S
由概率论知识有 也服从正态分布且
失效概率
0
0
)()(
)(
}0{
SR
SR
SR
f
d R d SSfRf
d R d Szf
SRZpP
Z=R-S
P
f
)(Zf
Z?
Z?
Z
Z?
f(z)概率密度函数
由于计算复杂，且必须知道 R,S的分布密度函数，
故用可靠性指标 来度量结构可靠性可见,?大则 Pf小；?与 Pf有一一对应关系
称结构可靠性指标
R S
2
Z
RZ
Z
μZ
μμ
设则? Sμ 2?
（ 4）概率极限状态设计表达式
22
22
22
22
2 2 2 2
RSZ
Z
RS
RS
R S R S S
RS
SR
RS
R S R S
R R R S S S
令将 改写为结构抗力 结构作用效应若规定了 β，并有 μR,μS,σR,σS，就可利用上式进行设计或验算。
三、钢结构设计的基本规定
1、承载能力极限状态
01
1
0
1
1,1 1,0 0,9
0,6
./
n
G d Q d c i Q id
i
Gd
Qd
Q id
ci
kD
f
i
i
f f f
（）
— 结构重要性系数：安全等级为一、二、三级时分别取,,
— 永久荷载设计值在构件截面中产生应力
— 第一个可变荷载设计值在结构构件截面中产生应力
— 第 个可变荷载设计值在结松构件截面中产生应力
— 第 个可变荷载的组合系数，可取值
— 结构构件和连接的强度设计值对一般排件及框架结构，可采用简化计算式
0
1
0,8,1
n
G d Q id
i
f
（）
荷载组合系数：
两个或两个以上的荷载组合时,其它情况?=0.9，其它情况取?=1。
2、正常使用极限状态（如变形验算，按荷载短期效应组合）
1
2
[]
n
G k Q k c i Q ik
i
w w w w w?
四、钢结构的发展
高强度钢材的应用
构件和结构极限状态的深入了解
结构的革新
最优化原则的应用
Steel Structure
上海理工大学城建学院本 课 件 内 容
概述
钢结构的材料
钢结构的连接
轴心受力构件
受弯构件
拉弯和压弯构件
桁架及房屋结构第 一 章 概 述第一节 钢结构的特点及应用第二节 钢结构的组成第三节 钢结构的计算原理
钢结构的特点
钢结构的应用范围
钢结构设计的基本要求第一节 钢结构的特点及应用钢结构的特点
1、优点
材料力学性能好
强度高 如,C20,fc=10N/mm2 钢 Q235 f=215N/mm2
塑性好
韧性好
材质均匀，可靠性高
便于机加工，施工周期短
重量轻如,30M钢架 4T~5T 30MR.C屋架 14T~17T
密封性好
具有一定的耐热性钢结构的特点
2、缺点
耐火性差当钢表面的温度达 300oC~400oC以后，其强度，弹性模量显著下降,600oC时几乎为 0。
耐锈蚀性差需定期维护，增加了维护费用。
钢结构的应用范围
厂房结构
大跨度结度
多层、高层结构
塔桅结构
壳体结构
桥梁结构
各种轻钢结构房屋厂 房 结 构厂 房 结 构大跨度结度大跨度结度大跨度结度多层房屋多层房屋高层结构高层结构高 层 结 构塔桅结构壳体结构壳 体 结 构桥 梁 结 构桥 梁 结 构桥 梁 结 构其 它 钢 结 构其 它 钢 结 构钢结构设计的基本要求
结构需有足够有强度、刚度和稳定性，
安全可靠
要符合建筑物的使用要求，有良好的耐久性
尽可能节约钢材
尽可能缩短制造、安装周期
结构要便于运输、便于维护
在可能情况下，尽可能美观塔科玛大桥坍塌过程第二节 钢结构的组成
1、单层房屋钢结构
传统作法，将一系列竖向平面承重结构，用支撑构件将之联成空间整体
竖向荷载
竖向承重结构
水平荷载
竖向承重结构
支撑构件
2.多层房屋钢结构
– 刚架结构
由梁、柱组成的多层多跨刚架 承受水平，竖向荷栽
由于抗侧移刚度小，多用于 ≤30层建筑
– 带撑结构
设柱间支撑后形成竖向悬臂桁架，抗侧移刚度较高，适用于 20~60层
– 筒式结构
由以上可以看出，结构必须形成空间整体，才能有效而经济地承受荷载，具有较高的强度、
刚度和稳定性第三节 钢结构的计算原理一、钢结构设计变迁
1957年以前,采用总安全系数的容许应力计算法
1957~1974：采用三个系数的极限状态计算法
1974~1989：采用以结构极状态为依据，
进行多系数分析，用单一的系数表示的容许应力计算法
1989~,采用以概率论为基础的极限状态设计法
1、总安全系数容许应力法
7.1~4.1 kkf y 安全系数实际应力
缺点,安全系数凭工程经验确定的一定值，这样，
各种构件的可靠性将不能保证比较一致的水平。
2、三系数极限状态设计法特点,明确提出了两种极限状态，采用三个系数来考虑结构构件的安全储备问题，避免单一安全系数的缺陷缺点：
材质均匀系数概念重复。
强度标准不是明确概率取值，而是取钢的废品限值，不符合概率方法构件的几何特性荷载引起的内力工作条件系数材料均匀系数超载系数
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3、以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一安全系数的容许应力计算法
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缺点,各种载荷并不相同，各种构件承受荷载的情 况也不一定相同，构件的几何尺寸变异并不完全一致，采用统一的安全系数显然不可能获得相同的安全度。
4、以概率为基础的极限状态设计法
把各种参数（载荷效应、结构抗力等）作随机变量，运用概率分析法并考虑变异性来确定设计采用值。
把概率分析引入结构设计方法，显然比容许应力法先进，标志我国在设计理论上前进了一大步，迈入了国际先进水平。
二、结构概率极限状态设计法 *
1、基本概念
结构可靠度,结构在规定的时间（ 50年），规定的条件（正常设计、正常施工、正常使用、正常维护）下，
完成预定功能的概率。
失效概率,结构不能完成预定功能的概率。
结构的功能要求
– 安全性
– 适用性
– 耐久性
2、结构作用 作用效应 结构构件抗力
结构作用,施加在结构上的各种荷载及引起外加变形或约束变形的原因（如荷载、基础下沉、温度变化、焊接等）
作用：
永久作用
可变作用
偶然作用
作用效应（ S）,结构作用引起结构或构件的内力（轴、
弯、剪）和变形（挠度、转角）。
结构抗力（ R）,结构或构件承受作用效应的能力。
3、结构的极限状态和极限状态方程
（ 1）结构的极限状态,整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，这一特定状态称为结构的极限状态。
两种极限状态
承载能力极限状态
正常使用极限状态
（ 2）极限状态方程
用 R>S R=S R<S 来描述抗力与作用效应的关系。
结构功能函数
Z=R-S
Z=g(S,R)=R-S
显然
z>0 结构处于可靠状态
z=0 结构处于极限状态
Z<0 结构处于失效状态
Z=R-S称为极限状态方程
这样，结构可靠概率为 Ps=p{(R-S)≥0}
结构失效概率为 Ps=p{(R-S)<0}且 Ps+Pf=1
绝对可靠的结构是不存在的，只要 Pf达到人们可以接受的程度是安全的
Z>0
Z<0
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（ 3）可靠指标 β
结构功能函数 Z=R-S
由于 R和 S均为正态分布的随机变量，其均值和标准差分别为
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Z R S
Z R S
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由概率论知识有 也服从正态分布且
失效概率
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由于计算复杂，且必须知道 R,S的分布密度函数，
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称结构可靠性指标
R S
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（ 4）概率极限状态设计表达式
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令将 改写为结构抗力 结构作用效应若规定了 β，并有 μR,μS,σR,σS，就可利用上式进行设计或验算。
三、钢结构设计的基本规定
1、承载能力极限状态
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— 结构重要性系数：安全等级为一、二、三级时分别取,,
— 永久荷载设计值在构件截面中产生应力
— 第一个可变荷载设计值在结构构件截面中产生应力
— 第 个可变荷载设计值在结松构件截面中产生应力
— 第 个可变荷载的组合系数，可取值
— 结构构件和连接的强度设计值对一般排件及框架结构，可采用简化计算式
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荷载组合系数：
两个或两个以上的荷载组合时,其它情况?=0.9，其它情况取?=1。
2、正常使用极限状态（如变形验算，按荷载短期效应组合）
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四、钢结构的发展
高强度钢材的应用
构件和结构极限状态的深入了解
结构的革新
最优化原则的应用
