本章内容：

第 1 章概述

钢结构基本原理（黄呈伟主编）

本章内容：1.1 钢结构的特点和应用范围1.2 钢结构的设计方法1.3 钢结构的发展

第 1 章概述


由钢板、热轧型钢、冷加工成型的薄壁型钢以及钢索制成的工程结构称之为钢结构。

钢结构（ steel structure ）有以下特点：

1.1 钢结构的特点和应用范围

(1) 钢材强度高结构重量轻（轻质高强）由于钢材强度高，结构需要的构件截面小 ,结构自重轻，运输和安装方便。 a= 容重 /屈服强度 , a 越小，结构就越轻。钢材： a=1.7 ～ 3.7×10-4/m ；钢砼： a= 18×10-4/m ；木材： a=5.4×10-4/m 。当跨度和荷载相同时，普通钢屋架的重量仅为钢筋混凝土屋架重量的 1／ 3～ 1／ 4。若采用薄壁型钢屋架则更轻。所以钢结构特别适用于跨度大、建筑物高、荷载重的结构，也适用于要求装拆和移动的结构。

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(2) 材质均匀有良好的塑性和韧性内部微观组织均匀，各向同性，具有良好的塑性 (plasticity) 和韧性 (toughness) 。这些物理力学性能，最符合目前所采用的计算方法（材料力学和结构力学）的基本假定。所以钢结构的实际受力情况与计算结果最吻合，精度可达 5%左右。

特点

(3) 安装方便施工周期短

制作、安装简便，施工精度高，工期短，符合工业化要求。因此，钢结构可以降低造价，节省投资，提高经济效益和资金周转率。(4) 密闭性好具有不渗漏性和可焊性 (weldability) 。常用于气密性

和

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(5) 钢结构耐热但不耐火温度 <150℃时，钢材的物理力学性能变化很小，温度达到 250℃左右时，钢材的抗拉强度提高而塑性降低，冲击韧性下降，材料变脆；当温度 >300 ℃时，钢材的屈服点和极限强度急剧下降；到达 600℃左右时，强度接近于零。故当结构表面长期受辐射热达 150℃以上或在短时间内可能受到火焰作用时，须采用隔热和防火措施。 (6) 钢结构易锈蚀维护费用大新建的钢结构必须先除锈，然后刷防锈涂料或镀锌，且每隔一段时间要重复一次，维护费用较大。若采用不易锈蚀的耐候钢，则可节省大量劳动力和维护费用，但材料一次投资成本高，目前还较少采用。

特点水密性要求较高的高压容器、大型油库、煤气柜、大型管道、船舶等板壳结构。

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应用范围：在房屋建筑中，以下情况宜采用钢结构：(1) 重型厂房结构：如冶炼厂的平炉车间、热轧车间、混铁炉车间；重型机械厂的铸钢车间、锻压车间、水压机车间；造船厂的船体车间；飞机制造厂的装配车间等。(2) 大跨度房屋的屋盖结构：如飞机库，体育馆，展览厅，影剧院，大型交易市场等屋盖结构。(3) 高层及多层建筑：钢结构由于结构自重轻、构件体积小、装配化程度高，对高层结构（ high-rise structure ）特别有利。此外，钢结构还适用于多层工业厂房（ industrial p

lant building ），如炼油工业中的多层多跨框架等。

应用范围

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(4) 轻型钢结构轻型钢结构（ light steel structure ）是由冷弯薄壁型钢、薄壁钢管或小角钢，圆钢等组成的结构。 (5)其他结构1）塔桅结构2）板壳结构3）桥梁结构4）移动式结构

《《返回

应用范围

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1.2 钢结构的设计方法 1.2.1 基本要求

1 ）保证结构安全可靠。构件在运输、安装和使用过程中具有足够的强度、刚度、整体稳定性和局部稳定性。2）满足建筑物的使用要求。建筑外形尽量简洁、美观。 3 ）在设计中采用先进的设计理论，新型的结构形式和连接方式。优先选用高强度低合金钢等优质钢材，减轻结构自重和节省钢材。4）设计时尽量使结构构造简单，制造、运输、安装方便，从而缩短施工周期，降低造价。5）采取有效措施，提高钢结构的防锈蚀能力和满足钢结构的防火要求。

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1.2.2 设计方法及其发展（ 1）容许应力设计法容许应力设计法（ allowable stress design method ），即把钢材可以使用的最大强度，除以一个安全系数，作为结构设计时容许达到的最大应力——容许应力。表达式为：

yi [ ]fN

S K （1. 1）

式中： σ——构件的设计应力；［σ］——钢材的容许应力； ∑ Ni——根据标准荷载求得的内力组合值 ; S——构件的几何特性 ; fy——钢材的屈服点 ; K——安全系数 .

设计方法

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式中： K1——荷载系数 ;K2——材料系数 ; K3——调整系数。其他符号同前。

y yi

1 2 3

[ ] 1.2f fN

S K K K K

（）

（ 3）近似概率极限状态设计法该方法简化了基本变量随时间变化的关系，同时，将一些复杂的关系进行了线性化。 1989 年实施的《钢结构设计规范（ code for design of steel structure ）》（ GBJI7－ 88 ）和现行的《钢结构设计规范》（ GB50017－ 2003 ）均采用此法。

设计方法（ 2）半概率极限状态设计法形式表示为：

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（ 4）全概率极限状态设计法即将影响结构安全的各种因素分别采用随机变量或随机过程的概率模型来描述，对整个结构体系进行精确的概率分析后，用求得的失效概率直接度量结构的安全性。此法需大量的技术资料，目前尚不具备条件，世界各国都还尚未列入规范。随着分析理论的发展和各种技术资料的丰富与积累，最终必将采用全概率设计法。

半概率极限状态设计法，近似概率极限状态设计法和全概率

极限状态设计法也称为概率极限状态设计法的三个水准。

设计方法

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1.2.3 概率极限状态设计法(1) 结构的极限状态：当结构或构件超过某个特定的状态，就不能满足设计规定的某一功能要求时，则此特定状态称为该功能的极限状态。极限状态分为两类： a.承载能力极限状态 :包括：强度破坏、疲劳破坏、不适于继续承载的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。 b.正常使用极限状态 :包括：影响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的局部破坏等状态。

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1, 2 n( , )Z g x x x （1. 3）

( , )Z g R S R S （1. 4）

极限状态设计法结构的工作性能可用结构的功能函数来描述，设 x1 ,x2,……， xn 为 n个随机变量，则 :

式中： Z——结构的功能函数，也可用结构的荷载效应 S和抗力 R 来表达，即 :

式中： R和 S为两个基本的随机变量， Z 是 R和 S的函数，也是一个随机变量。

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( , ) 0Z g R S R S （1. 5）

极限状态设计法在实际工程结构中，可能出现下列三种情况：当 Z ＞ 0 时，结构处于可靠状态；当 Z ＜ 0 时，结构处于失效状态；当 Z ＝ 0 时，结构处于极限状态。由此可见，结构的极限状态是结构由可靠转变为失效的临界状态。判断结构是否可靠，要看结构是否达到极限状态，为此，通常将下式：

称为极限状态方程。

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s ( 0) 1.6p p Z （）

极限状态设计法(2) 结构的可靠度结构的可靠性（ reliability ）包括结构的安全性（ safety ）、适用性（ usability ）和耐久性（ durability ）。而结构的可靠度则是结构可靠性的概率度量，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。用 ps 表示结构的可靠度（ degree of reliability ），则有：

当结构处于失效状态（ Z ＜ 0 ）时的概率，称为失效概率（ probability of failure ），用 pf 表示，即 :

spspspsp

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s ( 0)p p Z （1. 7）

s f1p p （1. 8）

极限状态设计法由于可靠度与失效概率是两个相反的概率，两者的关系应满足下式：

所以，结构可靠度的计算可以转化为结构失效率的计算。用概率的观点来观察结构是否可靠，是指失效概率是否已经达到可以接受的预定要求。在实际工程中绝对可靠的结构（ ps ＝ 1 ），即失效概率为零（ pf ＝ 0 ）的结构是没有的。

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已知功能函数设 fR(R) 和 fS(S)分别是结构的抗力 R 和荷载效应 S 的概率密度函数，为 R 和 S 的联合概率密度函数， R 和 S是相互独立的随机变量，则有 :

其失效概率为 :

( , ) 0Z g R S R S

R S( , ) ( ) ( ) (1.9)f R S f R f S

f R S

R S 0 R S 0

( 0) ( 0) ( , ) ( ) ( ) (1.10)p p Z p R S f R S dRdS f R f S dRdS

由于影响结构可靠度的因素很多，且极为复杂，求 R 和S 的理论概率密度困难很大，所以目前无法从上述理论公式直接求出结构的失效概率，这就是目前我们还不能采用全概率设计法的原因之一。

极限状态设计法

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0

f z{ 0} ( )p p z f z dz

（1. 11）

2 2z R S z R S, （1. 12）

R Sz

2 2z R S

（1. 13）

极限状态设计法(3) 可靠指标 β 在功能函数中， R 和 S是两个服从正态分布的随机变量，可分别求出它们的平均值和标准差，则功能函数 Z 也服从正态分布，有：

它的平均值和标准差分别为：

可以求出 β：

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功能函数 Z＝ R-S的正态分布图

f(z)

Pf ＝面积

μz Z=R-S

Z

失效可靠

极限状态设计法从图中可以看出， β与失效概率 pf 之间存在着对应关系。当 β值增大时，阴影面积减小，即失效概率 pf

减小；反之，当 β变小时，pf增大。

因此， β可以作为衡量结构可靠度的一个数量指标，称为可靠指标（ reliability index ）。

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f ( )p （1. 14）)( βφ

极限状态设计法式中 : 为标准正态函数，只要知道可靠指标 β的数值，即可查标准正态函数表，求出失效概率。表 1.１为 β与 pf 的对应值。

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为了使结构达到安全可靠与经济上的最佳平衡，必须选择一个结构的最优失效概率或目标可靠指标，但这是一个非常复杂而困难的工作。目前，我国与其他很多国家一样，采用“校准法”，就是以长期的工程实践为基础，通过对原有设计的反演分析，找出校准点，再经过综合分析后，确定设计采用的目标可靠指标。对钢结构各类主要构件校准的结果，一般在 3.16 ～ 3.62 之间。《建筑结构设计统一标准》规定各类构件的可靠指标见表 1.2 。用于一般工业与民用建筑物的钢结构，其构件设计的目标可靠指标一般为 3.2 ，钢结构连接的目标可靠指标比构件略高，一般推荐为 4.5 。


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设计钢结构时，应根据结构破坏可能产生的后果（危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等）的严重性，采用不同的安全等级。一般工业建筑钢结构的安全等级可取为二级，民用建筑钢结构的安全等级可按现行《民用建筑等级标准》划分。对于特殊建筑钢结构，其安全等级可根据具体情况另行确定。当按抗震要求设计时，建筑结构的安全等级应符合《建筑抗震设计规范》的规定。


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1.2.4 钢结构设计表达式

采用计算结构的失效概率或可靠指标与所定的最优失效概率或目标可靠指标相比较的设计方法较难掌握。现规范采用分项系数来表达的方式进行设计计算。

1）承载能力极限状态按承载能力极限状态设计时，应考虑荷载效应的基本组合，必要时尚应考虑荷载效应的偶然组合。

基本组合时按下列设计表达式中最不利值计算。

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由永久荷载效应控制的组合：

0 G Gk Q1 Q1k Q c Q k R k k2

) ( , , ......)n

i i ii

S S S R f

（（1. 15）

0 G Gk Q c Q k R k k1

) ( , , ......)n

i i ii

S S R f

（（1. 16）

对于一般排架及框架结构，可采用下列简化的设计表达式：

0 G Gi Q Q k R k k1

) ( , , ......)n

i ii

S S R f

（（1. 17）

设计表达式由可变荷载效应控制的组合：

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式中 g0 —— 结构重要性系数，对安全等级为一级和设计使用年限为 100年及以上的结构构件，不应小于 1.1 ，对安全等级为二级和设计使用年限为 50年的结构构件，不应小于 1.0 ，对安全等级为三级和设计使用年限 5年及以下的结构构件，不应小于 0.9； gG——永久荷载分项系数，一般情况下对式（ 1.15 ）、（ 1.17 ）取 1.2 ；对式（ 1.16 ）取 1.35 ；当作用效应对结构有利时取 1.0 ；对抗倾覆和滑移有利时可取 0.9； gQi——第一个和其它任意第个可变荷载的分项系数 ,一般情况取 1.4 （第一个可变荷载取可变荷载中最大者）；当楼面活荷载标准值≥ 4kN/m2 时取 1.3 ；

设计表达式

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SGK——按永久荷载标准值计算的荷载效应值；SQ1k、 SQik——按第一个和其它任意第个可变荷载标准值计算的可变荷载效应。 ψci——第 i个可变荷载的组合值系数 ,按《建筑结构荷载规范》的规定采用； ψ——简化设计表达式中采用的荷载组合系数，一般情况取 0.9，只有一个可变荷载时取 1.0 ； R(·)——结构构件的抗力函数 gR——结构构件的抗力分项系数，其值应符合相关《规范》对各类材料的规定；

fk——材料性能的标准值；

设计表达式

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αk——几何参数的标准值；当几何参数的变异性对结构性能有明显影响时，可另增减一个附加值∆ α考虑其不利影响。

对于荷载效应的偶然组合，应按现行《建筑结构设计荷载规范》确定。

设计表达式

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在工程应用中，考虑到钢结构主要为单一材料制成，而且设计人员习惯于用应力形式表达和计算，故也可将计算公式（ 1.15 ）写成应力表达式 :

0 k Q1 Q1k Q c Q k2

)n

G G i i ii

f

（（1. 18）

式中 f=fy/gR, 称为钢材强度设计值。

2 ）正常使用极限状态正常使用极限状态 (serviceability limit states) 为结构或结构构件达到正常使用的某项规定限值时的极限状态。按正常使用极限状态设计时，除钢与混凝土组合梁外，只考虑荷载短期效应组合。

设计表达式

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式中： C—— 结构或构件达到正常使用要求的规定限值，如变形、裂缝、振幅等，按相关《规范》的规定采用。

q1kG c Q k2

(1.19)n

i i ii

S S S S C

《《返回

设计表达式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，并使变形等不超过相应的规定限值。对钢结构设计只考虑荷载的标准组合，其表达式为：

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1.3 钢结构的发展

钢结构的发展，与钢铁产量和钢铁冶炼技术有着密切的关系。我国是最早用钢铁建造桥梁等承重结构的少数几个国家之一。公元前二百多年（秦始皇时代）→用铁建造桥墩公元 60年前后（汉明帝时代） →铁链悬桥

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世界上最古老的铁桥和我国古代的一些纪念性建筑

盘江桥大渡河桥

玉泉寺铁塔

铁塔寺铁塔甘露寺铁塔

钢结构的发展

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18世纪欧洲工业革命以后，我国由于长期受封建主义社会制度的束缚，特别是 1840年鸦片战争以后，钢结构发展非常缓慢，与欧美各国差距拉大。但在这段时期，也建造了一些钢结构厂房、桥梁等工程。

1931 年建成的广州中山纪念堂屋顶钢结构

1937 年建成的杭州钱塘江大桥

钢结构的发展

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1949 年新中国成立以后，钢结构的设计理论、学术水平、制造和安装技术都有了很大的提高，建造了大量的钢结构厂房和民用建筑，其规模和技术难度上都接近世界先进水平。

1961 年建成的北京工人体育馆 1967 年 9 月建成的北京首都体育馆

钢结构的发展

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钢结构的发展

1973 年建成的上海体育馆圆形屋盖

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1978年改革开放以来，经济发展迅速，钢产量迅速增长，钢结构得到了很大的发展和运用。

上海体育场屋盖结构

上海浦东金茂大厦

钢结构的发展

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国家体育馆 2008 奥运会国家体育场—鸟巢

水立方斜拉桥和悬索桥

钢结构的发展

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研究方向（ 1）低合金钢等优质高强钢材的研制和应用；（ 2）结构设计理论与方法的研究；（ 3）轻型钢结构的研究和应用；（ 4）钢与混凝土组合构件的研究和应用；（ 5）高层钢结构的研究；（ 6）空间结构的研究和应用。

钢结构的发展

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