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讲 课 高飞
E-mail,hustgaofei@gmail.com
钢结构设计原理
Design Principles of Steel Structure
1、钢结构的定义
2、钢结构的特点
3、我国钢结构的发展概况
4、钢结构的主要结构形式
5、钢结构的设计方法
6、钢结构的新发展钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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。
1、什么是钢结构？
定义,由钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢以及钢索为主材建造的工程结构，
如房屋、桥梁等，称为钢结构。
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
1、强度高、重量轻
2、钢结构的特点第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
2、材质均匀，塑性、韧性好
3、良好的加工性能和焊接性能
4、密封性能好
5、可重复性使用性
6、耐热性较好,耐火性差
7、耐腐蚀性差
8、低温冷脆倾向钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
3、我国钢结构的发展概况
古代第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
公元前 200多年，秦始皇时代用铁建造了桥墩
公元 60年，汉明帝时代建造了铁链悬桥
山东济宁寺铁塔
江苏镇江甘露寺铁塔钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
18世纪欧洲工业革命后第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
3、我国钢结构的发展概况
钢结构在欧洲各国的应用逐渐增多，而我国钢结构的发展非常缓慢。
1927年建成的沈阳黄姑屯机车厂钢结构厂房。
1931年建成的广州中心纪念堂圆屋顶。
1937年建成的杭州钱塘江大桥等。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
新中国成立后第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
3、我国钢结构的发展概况
由于受到钢产量的制约，钢结构仅在 重型厂房、大跨度公共建筑、铁路桥梁以及塔桅结构 中采用。
几个大型的钢铁企业生产车间都采用钢结构。
1962年建成的北京工人体育馆采用圆形双层辐射式悬索结构，直径为 94米。
1975年建成的上海体育馆，采用三向网架，跨度达 110
米。
武汉和南京长江大桥都采用了公、铁两用的双层钢桁架桥。
广州上海等地都建造了高度超过 200米的多边形空间桁架钢质电视塔。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
改革开放以来第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
3、我国钢结构的发展概况
1996年我国的钢产量超过一亿吨，一直位于世界钢产量的首位
2003年达到创记录的 2.2亿吨
钢结构政策从限制使用改为积极合理的推广应用
钢结构在现代应用的领域更加多元化，包括 大跨结构、工业厂房、受动力荷载影响的结构、
多层和高层建筑、高耸结构、可拆卸结构、容器构筑物以及钢和混凝土的组合结构钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
网架结构是由许多杆件按一定规律布置，通过节点连接成空间杆系结构，其外形成平板状。
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
构成网架的基本单元有三角锥、三棱体、正方体、截头四角锥等。
一般而言，网架钢结构有下列三种节点形式：
螺 栓 球 节 点
焊接球节点
螺栓球节点
钢板节点平板网架钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
加拿大蒙特利尔世界博览会美国馆，直径为 76M,高 60M。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
网壳网壳结构同网架结构一样，
网壳也是由许多杆件按一定规律布置，通过节点连接成空间杆系结构,但网架的外形呈平板状，
而网壳的外形呈曲面状 。
一般为单层或双层，按其外形为单曲面或双曲面而构成网状穹顶、网状筒壳以及双曲抛物面网壳等多种形式。
网壳结构的特点：外形美观、
通透感好，建筑空间大、用材省，
设计施工较复杂。
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
苏州乐园宇宙大战馆球体屋面（穹顶）
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
上海商务中心
（
网状网壳
）
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
国家大剧院总建筑面积近 15万平方米，该工程外部围护结构为钢结构网壳，
是半椭圆球形，东西长轴 212.2m，南北短轴 143.64m，总高度
46.285m。设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，整体结构用钢量达 6750吨。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
纵向跨度为 240m，顶部高 55m，拱形骨架有 12度的倾角，其截面为 3.5m2。
香港大球场钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
国家体育场建筑体形上像鸟巢，建筑面积 25.8m2。可容纳 10万人。平面为椭圆形，长轴 340m，短轴 292m。屋盖中间有一个 146m× 76m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 16万吨。
国家体育馆钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
天津奥林匹克体育场体育场总建筑面积 15.8万 m2，屋顶结构采用钢桁架悬条结构，屋面桁架落地，形似露珠，与城市环境中的,绿,与,水,相呼应。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
公、铁路两用桥，铁路桥全长 7675m，公路桥全长 4460m，正桥 11孔，
全长 1806m，主跨 216m，采用连续钢桁梁结构。
九江长江大桥钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
平面桁架空间桁架桁架钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
该桥是一座公铁两用桥，铁路桥全长 10521m，公路桥全长 5681m，正桥钢梁长
2193.7m，大桥采用了连续钢桁梁结构，考虑到主跨达到了 312m，在桥上的低塔和钢桁梁之间设置了斜拉索参与受力，因此，芜湖长江大桥也叫做连续钢桁梁斜拉桥。
芜湖长江大桥钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
武汉军山长江大桥钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
斜拉桥钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
斜拉索在钢结构建筑物中的应用钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
明石海峡大桥 —— 日本神户市与淡路岛之间跨越明石海峡的一座特大跨径的悬索桥 。 1998年 建成 通车,大桥主桥全长 3910m,主跨 1990m,是目前世界上主跨最长的悬索桥,钢桥塔高 297m,也是世界上最高的桥塔 。 两根主缆各由 290根高强钢索构成,直径为 1.222m,主缆的极限强度为 1800MPa。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
以一系列拉索为主要承重构件，这些索按一定的规律组成各种不同的形式，悬挂于相应的支撑结构上，使材料强度在受拉情况下得到充分发挥的结构形式。
索 —— 索桁架、斜拉索、悬索钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
2003年建成通车，采用全钢结构，是世界上跨度最大的钢结构拱桥。施工过程中采用全钢结构焊接，使桥身显得简洁、轻盈、流畅，就像一道彩虹横跨于黄浦江上。
上海卢浦大桥钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
拱结构钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
钢拱桥钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
拱形桥梁钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
多层工业厂房工业厂房多层工业厂房单层工业厂房钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
门式钢架 横梁与柱子钢接；
门式排架 横梁与柱子铰接。
钢架结构与排架结构都是由基础、柱子和屋架梁组成。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
台北 101—— 楼高 101层，总高度 508米，世界第一高楼,26层以上以 8层为一单元。主要由巨柱、核心系统及外伸桁架梁。
有世界最大且最重的,风阻尼器,,直径 5.5m，重 670吨的阻尼器钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
上海金茂大厦位于上海浦东新区，陆家嘴金融贸易中心，采用钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱结构。
建筑面积 28.9万 m2，地下 3
层，地上 88层，建筑高度
420.5m，总用钢量 18000吨。
设计者为美国 S.O.M事务所。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
上海环球金融中心位于陆家嘴金融贸易区，毗邻金贸大厦，是以日本森大厦株式会社为中心，联合日本、
美国等 40多家企业投资兴建的项目。工程占地面积为 3万 m2，
总建筑面积达 38.16万 m2。该工程地上 101层，地下 3层，建筑主体高度达 492m，总用钢量
26000吨，采用钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱结构，目前正在施工中，预期
2008年竣工。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
上海环球金融中心和金贸大厦的相对位置和相对高度钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
深圳地王大厦深圳第一高层建筑，高
383.95m，共 81层，于
1996年完工，其建筑形体的设计灵感来源于中世纪西方的教堂和中国古代文化中通、透、瘦的精髓，
它的宽高比例为 1,9，创造了世界超高层建筑最扁最瘦的记录。地王大厦钢结构总量达 2.45万吨。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
于 1990年落成，由著名建筑学家贝聿铭负责设计
。大楼高 300多米，形状下面大上面小，顶端像针尖一样直刺云霄。
香港中国银行大楼钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
施工钢模钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
钢结构高层建筑钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
纯钢结构超高层钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
东方明珠电视塔东方明珠广播电视塔座落在上海浦东新区黄浦江畔，以其 468米的高度成为亚洲第一高 塔。她于 1994年 11月完工，
总重量达 12万吨。
东方明珠塔由三根直径为九米的擎天立柱、太空舱、上球体、下球体、五个小球、塔座和广场组成。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
巴黎埃菲尔铁塔建于 1886年，是为随后 1889万国博览会而建，以建筑师埃菲尔的名字命名。塔高 320m，
建筑设计中最著名的是防范强风吹袭的对称钢结构设计，集实用与美感于一体。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
多功能广播电视发射塔输电塔火箭发射塔钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
中国南极长城站综合仓库钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
兴建中的油罐 使用中的油罐钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
沿海采油平台钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
焊接管节点钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
柏林国家美术馆新馆德国 柏林 1968
建筑师：密斯（德）
密斯于 60年代应邀为当时的西柏林设计国家美术馆,1968年美术馆落成时密斯已去世。新美术馆平面为方形，一层在地上，一层在地下。地面上的展厅面积为 54m× 54m，四面都是大玻璃墙。结构的平屋顶每边长 64.8m，由外围 8根钢柱支承，
高 8.4m。这座建筑是密斯纯净风格的绝唱，被称为钢与玻璃的现代,帕提农神庙,。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
钢艺术结构
（汉城大学校门）
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
日本水户艺术馆钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
概率极限状态设计法
（ 1）承载能力极限状态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，包括以下几个方面：
1,结构的极限状态
5、钢结构的设计方法整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；
结构构件或连接因超过材料强度而破坏；
结构构件或连接在循环荷载作用下发生的疲劳破坏；
结构构件或连接因过度变形而不适于继续承载；
结构转变为机动体系；
结构或构件丧失稳定（如压屈等）。
结构内力分析法钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
（ 2）正常使用极限状态结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定值：
影响正常使用或外观的变形；
影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；
影响正常使用的振动；
影响正常使用的其它特定状态。
承载力极限状态与正常使用极限状态相比，前者可能导致人身伤亡和大量的财产损失，而后者对生命的危害则较小，主要是引起人们的不适，所以也应该给予足够的重视。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
2,概率极限状态设计原理设计基本原则：技术先进、经济合理、安全适用、确保质量
>0，结构处于可靠状态功能函数 Z=R-S =0，结构处于极限状态
<0，结构处于失效状态失效概率
0)(0 zpdzZfP f
（ 1.3.3）
可靠指标
22
SR
SR
Z
Z
（ 1.3.9）
一次二阶矩的近似概率方法钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
2.5 2.7 3.2 3.7 4.2
Pf 5× 10-3 3.5× 10-3 6.9× 10-4 1.1× 10-4 1.3× 10-5
失效概率和可靠指标的对应关系钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
3,设计表达式
GB50068-2001,建筑结构可靠度设计统一标准,规定结构构件的极限状态设计表达式，应根据各种极限状态的设计要求，采用有关的荷载代表值、材料性能标准值、几何参数标准值以及各种分项系数等表达。
为了便于应用并符合人们长期以来的习惯,规范并不直接使用?进行设计,而利用式,来完成 。 就设计而言,问题被转化为计算效应 S和抗力 R。
RS?
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
在荷载效应的基本组合条件下,式 （ 1.3.11） 可转化为等效的以基本变量标准值,分项系数和组合系数,并以应力形式表达的极限状态公式 。
101 2( ) 1,3,1 2
n
G k Q k Q ikG Q c i di Qi f （ ）
1
( ) ( 1,3,1 3 )nG k Q iko G Q i c i d
i
f
可变荷载起控制作用时：
永久荷载 起控制作用时：
1）承载能力极限状态分项系数表达式对于一般排架和框架结构：
0
1
()
n
G G k Q i Q ik
i
f
（ 1.3.14）
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
（ 2） 可变荷载的分项系数 （?Q）
--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。
（ 1）永久荷载分项系数 （?G）
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。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
fd 或 f——钢材或连接材料强度 设计值 。
k
d
R
f Rf
A
fk——钢材或连接材料强度 标准值 。
R—— 钢材或连接材料抗力分项系数,对于 Q235
钢?R =1.087;Q345,Q390,Q420钢?R=1.111 。
钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值 。
（ P381－ 3页,附录 1）
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
对于正常使用极限状态，要求分别采用 荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计,并使变形等设计值不超过相应的规定限值。对于钢结构只考虑荷载的标准组合。
νGk --永久荷载标准值 在结构或构件中产生的变形值；
νQ1k— 起控制作用的 第 1个 可变荷载的标准值 在结构或结构构件中产生的变形值（该值使计算结果为最大）；
1
2
n
G k Q k c i Q i K
i
(1.3.15)
2）正常使用极限状态
νQik--其他第 i个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值。
[ν]--结构或结构构件的容许变形值。 (P384-5页，附录 2)
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
结构内力的分析方法
1,一阶弹性分析
3
II
22
3
Ph
EI
框架柱顶位移为：
固端弯矩为,IM Ph
（ 1.3.16）
（ 1.3.17）
图 1.3.2b,e框架和悬臂柱按一阶弹性分析：
力的平衡条件按变形前的结构杆件轴线建立，不考虑结构变形对内力的影响，可以利用叠加原理。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
2,框架结构的近似二阶弹性分析
（ 1）二阶弹性分析力的平衡条件是按发生变形后的杆件轴线建立的图 1.3.2c,f框架和悬臂柱按二阶弹性分析：
0E Iy P y P x （ 1.3.18）
3
3
3 ta n
3
uuPh
E I u
Ⅱ
3
3
3 ta n22
3
uuPh
E I u
Ⅱ Ⅱ
M P h PⅡ Ⅱ
Puh
EI?
（ 1.3.21）
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
2
1
1
1
i
ii
ii
P
hH
（ 2） 框架结构的近似二阶弹性分析
（ 1.3.22）
1
21
11
i
i i i
ii
ii
P
hH
2i称为考虑 P-Δ 二阶效应的侧移增大系数式中：
1
/i i i i i
ii
H H P h
该方法假设框架的刚度与轴力无关，将竖向力对框架产生的侧向位移用一假想水平力等效，再根据同一框架侧移刚度不变建立方程，故有：
可解出：
（ 1.3.24）（ 1.3.23）
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钢结构设计原理
Design Principles of Steel Structure
1、钢结构的定义
2、钢结构的特点
3、我国钢结构的发展概况
4、钢结构的主要结构形式
5、钢结构的设计方法
6、钢结构的新发展钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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。
1、什么是钢结构？
定义,由钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢以及钢索为主材建造的工程结构，
如房屋、桥梁等，称为钢结构。
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
1、强度高、重量轻
2、钢结构的特点第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
2、材质均匀，塑性、韧性好
3、良好的加工性能和焊接性能
4、密封性能好
5、可重复性使用性
6、耐热性较好,耐火性差
7、耐腐蚀性差
8、低温冷脆倾向钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
3、我国钢结构的发展概况
古代第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
公元前 200多年，秦始皇时代用铁建造了桥墩
公元 60年，汉明帝时代建造了铁链悬桥
山东济宁寺铁塔
江苏镇江甘露寺铁塔钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
18世纪欧洲工业革命后第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
3、我国钢结构的发展概况
钢结构在欧洲各国的应用逐渐增多，而我国钢结构的发展非常缓慢。
1927年建成的沈阳黄姑屯机车厂钢结构厂房。
1931年建成的广州中心纪念堂圆屋顶。
1937年建成的杭州钱塘江大桥等。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
新中国成立后第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
3、我国钢结构的发展概况
由于受到钢产量的制约，钢结构仅在 重型厂房、大跨度公共建筑、铁路桥梁以及塔桅结构 中采用。
几个大型的钢铁企业生产车间都采用钢结构。
1962年建成的北京工人体育馆采用圆形双层辐射式悬索结构，直径为 94米。
1975年建成的上海体育馆，采用三向网架，跨度达 110
米。
武汉和南京长江大桥都采用了公、铁两用的双层钢桁架桥。
广州上海等地都建造了高度超过 200米的多边形空间桁架钢质电视塔。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
改革开放以来第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
3、我国钢结构的发展概况
1996年我国的钢产量超过一亿吨，一直位于世界钢产量的首位
2003年达到创记录的 2.2亿吨
钢结构政策从限制使用改为积极合理的推广应用
钢结构在现代应用的领域更加多元化，包括 大跨结构、工业厂房、受动力荷载影响的结构、
多层和高层建筑、高耸结构、可拆卸结构、容器构筑物以及钢和混凝土的组合结构钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
网架结构是由许多杆件按一定规律布置，通过节点连接成空间杆系结构，其外形成平板状。
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
构成网架的基本单元有三角锥、三棱体、正方体、截头四角锥等。
一般而言，网架钢结构有下列三种节点形式：
螺 栓 球 节 点
焊接球节点
螺栓球节点
钢板节点平板网架钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
加拿大蒙特利尔世界博览会美国馆，直径为 76M,高 60M。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
网壳网壳结构同网架结构一样，
网壳也是由许多杆件按一定规律布置，通过节点连接成空间杆系结构,但网架的外形呈平板状，
而网壳的外形呈曲面状 。
一般为单层或双层，按其外形为单曲面或双曲面而构成网状穹顶、网状筒壳以及双曲抛物面网壳等多种形式。
网壳结构的特点：外形美观、
通透感好，建筑空间大、用材省，
设计施工较复杂。
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
苏州乐园宇宙大战馆球体屋面（穹顶）
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
上海商务中心
（
网状网壳
）
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
国家大剧院总建筑面积近 15万平方米，该工程外部围护结构为钢结构网壳，
是半椭圆球形，东西长轴 212.2m，南北短轴 143.64m，总高度
46.285m。设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，整体结构用钢量达 6750吨。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
纵向跨度为 240m，顶部高 55m，拱形骨架有 12度的倾角，其截面为 3.5m2。
香港大球场钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
Chapter 1 Preface to Steel Structure
国家体育场建筑体形上像鸟巢，建筑面积 25.8m2。可容纳 10万人。平面为椭圆形，长轴 340m，短轴 292m。屋盖中间有一个 146m× 76m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 16万吨。
国家体育馆钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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Chapter 1 Preface to Steel Structure
天津奥林匹克体育场体育场总建筑面积 15.8万 m2，屋顶结构采用钢桁架悬条结构，屋面桁架落地，形似露珠，与城市环境中的,绿,与,水,相呼应。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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Chapter 1 Preface to Steel Structure
公、铁路两用桥，铁路桥全长 7675m，公路桥全长 4460m，正桥 11孔，
全长 1806m，主跨 216m，采用连续钢桁梁结构。
九江长江大桥钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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平面桁架空间桁架桁架钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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该桥是一座公铁两用桥，铁路桥全长 10521m，公路桥全长 5681m，正桥钢梁长
2193.7m，大桥采用了连续钢桁梁结构，考虑到主跨达到了 312m，在桥上的低塔和钢桁梁之间设置了斜拉索参与受力，因此，芜湖长江大桥也叫做连续钢桁梁斜拉桥。
芜湖长江大桥钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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武汉军山长江大桥钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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斜拉桥钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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斜拉索在钢结构建筑物中的应用钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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明石海峡大桥 —— 日本神户市与淡路岛之间跨越明石海峡的一座特大跨径的悬索桥 。 1998年 建成 通车,大桥主桥全长 3910m,主跨 1990m,是目前世界上主跨最长的悬索桥,钢桥塔高 297m,也是世界上最高的桥塔 。 两根主缆各由 290根高强钢索构成,直径为 1.222m,主缆的极限强度为 1800MPa。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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以一系列拉索为主要承重构件，这些索按一定的规律组成各种不同的形式，悬挂于相应的支撑结构上，使材料强度在受拉情况下得到充分发挥的结构形式。
索 —— 索桁架、斜拉索、悬索钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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2003年建成通车，采用全钢结构，是世界上跨度最大的钢结构拱桥。施工过程中采用全钢结构焊接，使桥身显得简洁、轻盈、流畅，就像一道彩虹横跨于黄浦江上。
上海卢浦大桥钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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拱结构钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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钢拱桥钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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拱形桥梁钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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多层工业厂房工业厂房多层工业厂房单层工业厂房钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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门式钢架 横梁与柱子钢接；
门式排架 横梁与柱子铰接。
钢架结构与排架结构都是由基础、柱子和屋架梁组成。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第一章 绪 论
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钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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台北 101—— 楼高 101层，总高度 508米，世界第一高楼,26层以上以 8层为一单元。主要由巨柱、核心系统及外伸桁架梁。
有世界最大且最重的,风阻尼器,,直径 5.5m，重 670吨的阻尼器钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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上海金茂大厦位于上海浦东新区，陆家嘴金融贸易中心，采用钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱结构。
建筑面积 28.9万 m2，地下 3
层，地上 88层，建筑高度
420.5m，总用钢量 18000吨。
设计者为美国 S.O.M事务所。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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上海环球金融中心位于陆家嘴金融贸易区，毗邻金贸大厦，是以日本森大厦株式会社为中心，联合日本、
美国等 40多家企业投资兴建的项目。工程占地面积为 3万 m2，
总建筑面积达 38.16万 m2。该工程地上 101层，地下 3层，建筑主体高度达 492m，总用钢量
26000吨，采用钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱结构，目前正在施工中，预期
2008年竣工。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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上海环球金融中心和金贸大厦的相对位置和相对高度钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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深圳地王大厦深圳第一高层建筑，高
383.95m，共 81层，于
1996年完工，其建筑形体的设计灵感来源于中世纪西方的教堂和中国古代文化中通、透、瘦的精髓，
它的宽高比例为 1,9，创造了世界超高层建筑最扁最瘦的记录。地王大厦钢结构总量达 2.45万吨。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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于 1990年落成，由著名建筑学家贝聿铭负责设计
。大楼高 300多米，形状下面大上面小，顶端像针尖一样直刺云霄。
香港中国银行大楼钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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施工钢模钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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钢结构高层建筑钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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纯钢结构超高层钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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东方明珠电视塔东方明珠广播电视塔座落在上海浦东新区黄浦江畔，以其 468米的高度成为亚洲第一高 塔。她于 1994年 11月完工，
总重量达 12万吨。
东方明珠塔由三根直径为九米的擎天立柱、太空舱、上球体、下球体、五个小球、塔座和广场组成。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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巴黎埃菲尔铁塔建于 1886年，是为随后 1889万国博览会而建，以建筑师埃菲尔的名字命名。塔高 320m，
建筑设计中最著名的是防范强风吹袭的对称钢结构设计，集实用与美感于一体。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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多功能广播电视发射塔输电塔火箭发射塔钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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中国南极长城站综合仓库钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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兴建中的油罐 使用中的油罐钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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沿海采油平台钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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焊接管节点钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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柏林国家美术馆新馆德国 柏林 1968
建筑师：密斯（德）
密斯于 60年代应邀为当时的西柏林设计国家美术馆,1968年美术馆落成时密斯已去世。新美术馆平面为方形，一层在地上，一层在地下。地面上的展厅面积为 54m× 54m，四面都是大玻璃墙。结构的平屋顶每边长 64.8m，由外围 8根钢柱支承，
高 8.4m。这座建筑是密斯纯净风格的绝唱，被称为钢与玻璃的现代,帕提农神庙,。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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钢艺术结构
（汉城大学校门）
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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日本水户艺术馆钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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概率极限状态设计法
（ 1）承载能力极限状态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，包括以下几个方面：
1,结构的极限状态
5、钢结构的设计方法整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；
结构构件或连接因超过材料强度而破坏；
结构构件或连接在循环荷载作用下发生的疲劳破坏；
结构构件或连接因过度变形而不适于继续承载；
结构转变为机动体系；
结构或构件丧失稳定（如压屈等）。
结构内力分析法钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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（ 2）正常使用极限状态结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定值：
影响正常使用或外观的变形；
影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；
影响正常使用的振动；
影响正常使用的其它特定状态。
承载力极限状态与正常使用极限状态相比，前者可能导致人身伤亡和大量的财产损失，而后者对生命的危害则较小，主要是引起人们的不适，所以也应该给予足够的重视。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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2,概率极限状态设计原理设计基本原则：技术先进、经济合理、安全适用、确保质量
>0，结构处于可靠状态功能函数 Z=R-S =0，结构处于极限状态
<0，结构处于失效状态失效概率
0)(0 zpdzZfP f
（ 1.3.3）
可靠指标
22
SR
SR
Z
Z
（ 1.3.9）
一次二阶矩的近似概率方法钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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2.5 2.7 3.2 3.7 4.2
Pf 5× 10-3 3.5× 10-3 6.9× 10-4 1.1× 10-4 1.3× 10-5
失效概率和可靠指标的对应关系钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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3,设计表达式
GB50068-2001,建筑结构可靠度设计统一标准,规定结构构件的极限状态设计表达式，应根据各种极限状态的设计要求，采用有关的荷载代表值、材料性能标准值、几何参数标准值以及各种分项系数等表达。
为了便于应用并符合人们长期以来的习惯,规范并不直接使用?进行设计,而利用式,来完成 。 就设计而言,问题被转化为计算效应 S和抗力 R。
RS?
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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在荷载效应的基本组合条件下,式 （ 1.3.11） 可转化为等效的以基本变量标准值,分项系数和组合系数,并以应力形式表达的极限状态公式 。
101 2( ) 1,3,1 2
n
G k Q k Q ikG Q c i di Qi f （ ）
1
( ) ( 1,3,1 3 )nG k Q iko G Q i c i d
i
f
可变荷载起控制作用时：
永久荷载 起控制作用时：
1）承载能力极限状态分项系数表达式对于一般排架和框架结构：
0
1
()
n
G G k Q i Q ik
i
f
（ 1.3.14）
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（ 2） 可变荷载的分项系数 （?Q）
--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。
（ 1）永久荷载分项系数 （?G）
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。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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fd 或 f——钢材或连接材料强度 设计值 。
k
d
R
f Rf
A
fk——钢材或连接材料强度 标准值 。
R—— 钢材或连接材料抗力分项系数,对于 Q235
钢?R =1.087;Q345,Q390,Q420钢?R=1.111 。
钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值 。
（ P381－ 3页,附录 1）
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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Chapter 1 Preface to Steel Structure
对于正常使用极限状态，要求分别采用 荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计,并使变形等设计值不超过相应的规定限值。对于钢结构只考虑荷载的标准组合。
νGk --永久荷载标准值 在结构或构件中产生的变形值；
νQ1k— 起控制作用的 第 1个 可变荷载的标准值 在结构或结构构件中产生的变形值（该值使计算结果为最大）；
1
2
n
G k Q k c i Q i K
i
(1.3.15)
2）正常使用极限状态
νQik--其他第 i个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值。
[ν]--结构或结构构件的容许变形值。 (P384-5页，附录 2)
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
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结构内力的分析方法
1,一阶弹性分析
3
II
22
3
Ph
EI
框架柱顶位移为：
固端弯矩为,IM Ph
（ 1.3.16）
（ 1.3.17）
图 1.3.2b,e框架和悬臂柱按一阶弹性分析：
力的平衡条件按变形前的结构杆件轴线建立，不考虑结构变形对内力的影响，可以利用叠加原理。
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2,框架结构的近似二阶弹性分析
（ 1）二阶弹性分析力的平衡条件是按发生变形后的杆件轴线建立的图 1.3.2c,f框架和悬臂柱按二阶弹性分析：
0E Iy P y P x （ 1.3.18）
3
3
3 ta n
3
uuPh
E I u
Ⅱ
3
3
3 ta n22
3
uuPh
E I u
Ⅱ Ⅱ
M P h PⅡ Ⅱ
Puh
EI?
（ 1.3.21）
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2
1
1
1
i
ii
ii
P
hH
（ 2） 框架结构的近似二阶弹性分析
（ 1.3.22）
1
21
11
i
i i i
ii
ii
P
hH
2i称为考虑 P-Δ 二阶效应的侧移增大系数式中：
1
/i i i i i
ii
H H P h
该方法假设框架的刚度与轴力无关，将竖向力对框架产生的侧向位移用一假想水平力等效，再根据同一框架侧移刚度不变建立方程，故有：
可解出：
（ 1.3.24）（ 1.3.23）
