钢结构基本原理ppt
钢结构基本原理Primary of Steel Structures 2010 春季钢结构基本原理 绪论课程要求基本学习环节阅读和思考:教材-预习复习、专著、期刊论文、其他资讯 到课:出勤、笔记、参与讨论和提问 书面练习:习题作业、自由报告(不计分,不多于3人合作) 实验:观察性实验、自设计实验 答疑/质疑:周一19:30-21:00 / 土木楼 A713 考试 :试验10%, 作业和提问30%, 期末笔试60%(暂定)概论 钢结构材料 受拉构件 轴心受压构件 受弯构件 压弯构件 钢结构连接2 6* 3 7* 8* 7* 8** 41+习题课+试验拓展性学习提问:向自己提问并设法自己寻求答案 争取实践:参加结构竞赛、ISTP,参加科研/工程设计 课件下载:www.sals.org.cn/教学资料钢结构基本原理 绪论钢结构基本原理 绪论绪论课主要内容钢结构的初步概念 钢结构的应用范围 钢结构的主要结构形式 钢结构特点 钢结构发展现状和前景 结构设计概念 钢结构可能的破坏形式钢结构的初步概念以结构钢作为主要承重体系构件的工程结构称 为钢结构 本课程中特指建筑、桥梁及各类构筑物中的钢 结构主要承重体系 工程结构中也可子结构或部分构件采用钢结构 构件:承重体系中有着独立的力学功能的基本 单元,可以是杆件、板件、索等单元或这些单 元的组合钢结构基本原理 绪论钢结构基本原理 绪论钢结构的应用范围各类建筑物(楼房、公共建筑、工厂等) 桥梁(公路桥、铁路桥) 构筑物(塔、罐、管道) 水工结构(水闸) 轻型农业结构 可拆移、开合的结构 推而广之的“结构物”: 工程支护、机械(车辆) 、船舶 … …钢结构的主要结构形式桁架结构(杆系) 框架结构(杆系) 网架与网壳结构(杆系) 拱与拱架结构(曲杆) 板式结构(板) 预应力结构(柔性构件与刚性构件的组合)1
钢结构基本原理 绪论钢结构基本原理 绪论钢结构特点强度高、塑性好(相对混凝土、砌块、木材) 材性均匀稳定(相对其它材料) 易于产业化、产品化;施工便捷 稳定性问题突出(构件细柔) 有一定耐热性但耐火性较差(材料薄、热耗少) 易腐蚀(构件材料较薄使腐蚀危害加大) 综合效益钢结构发展前景技术:制造和安装精度(mm)、自动化、拉动相关产品 经济:缩短现场工期、加快资金周转、减轻结构重量 环境:水环境、大气环境(CO2) 资源:结构可拆、可移;材料再生发展预测国家战略、钢材市场和技术水平 材料、结构体系、制作和施工技术、设计理论钢结构基本原理 绪论钢结构基本原理 绪论钢结构发展前景市场建筑:多高层办公建筑、体育建筑和各类场馆建筑、 工业建筑 →高度、跨度、轻型、可重复利用 桥梁:跨海桥、跨山桥、普通江河桥 → 梁式桥、 桁架桥、拱桥、索桥 其他:工业和公共构筑物、交通设施、地下设施、水工 水利设施、农业设施结构设计概念结构必须保证安全性更广阔的发展领域广义的金属结构:不锈钢、铝合金等 组合或混合结构:S-RC组合结构,S-W组合结构 由土木和社会基础设施转向其他领域钢结构基本原理 绪论钢结构基本原理 绪论结构设计概念荷载 工程力学 结构力学 弹性力学 塑性力学 作用 制作 安装 (含连接) (含连接) 构件 抗力 R冶金 材料 钢结构 基本原理 工程力学 结构力学 弹性力学 塑性力学 荷载结构设计概念作用结构体系反应 S 荷载效应结构体系反应 S 荷载效应内力、变形、振动强度、稳定性、变形能力S≤R内力、变形、振动实际结构体系构件如何等效为力学单元?结构性能要求 安全性、使用性、耐久性结构设计 材料 施工 检测力学分析模型连接如何近似为约束条件? 作用如何模拟为模型荷载?2
钢结构基本原理 绪论钢结构基本原理 绪论结构设计概念荷载 工程力学 结构力学 弹性力学 塑性力学 作用结构设计概念荷载 工程力学 结构力学 弹性力学 塑性力学 作用 制作 安装 (含连接) (含连接) 构件 抗力 R冶金 材料 钢结构 基本原理结构体系反应 S 荷载效应结构体系反应 S 荷载效应内力、变形、振动结构体系原型刚架还是桁架? 依据是什么? 力学分析结果有何不同? 对设计和安全有何影响?力学分析模型内力、变形、振动S≤R强度、稳定性、变形能力性能要求 使用性、安全性、耐久性钢结构基本原理 绪论钢结构基本原理 绪论结构设计概念fs S≤R S Sa Sn Sn≤Rn Rn Ra fR结构设计概念结构设计方法R客观的——容许应力法(ASD) ∑ψSn≤Rn/K ——分项系数法(LRFD) ∑γSψSn≤Rn/γRSa Sn R nRafd主观的Sn R n fR-S Sd≤Rd Sn Rn可接受的安全性的可接受度 经济性的可接受度设计一个可接受的安全的结构与 设计一个在给定条件下最合理的结构0Rd-Sd钢结构基本原理 绪论钢结构基本原理 绪论结构设计概念结构设计与建造 材料标准 设计规范 制作标准 验收标准钢结构可能的破坏形式材料或构件(节点断裂)脆性断裂和塑性断裂 整体失稳(杆件、结构整体) 局部失稳 塑性过度发展 结构变成机构,失去静定的性质 疲劳破坏基本理论3
钢结构基本原理 绪论钢结构基本原理 绪论ENDQuestion钢结构与钢筋混凝土结构有何不同?钢结构、 钢筋混凝土结构、 钢骨钢筋混凝土结构、 钢管混凝土结构、 钢-钢筋混凝土组合结构 …… 雨棚、窗框、钢木家具、自行车棚是否钢结构? 当然是,如果这些结构采用钢材制造。 但是,建筑:上海大剧院钢结构基本原理 绪论高层建筑:金茂与环球金融中心钢结构基本原理 绪论600m高度 上海中心 2008年启 动2008年投入使用高层建筑:世界高楼与钢结构钢结构基本原理 绪论大跨建筑:上海体育场钢结构基本原理 绪论迪拜哈里发大厦,828m509m442m452m415m 421m381m2004统计数据? 上海环球金融中心492m——上人结构高度与桅杆高度之争4
大跨建筑:浦东国际机场航站楼钢结构基本原理 绪论大跨建筑:浦东国际机场航站楼钢结构基本原理 绪论大跨建筑:工业厂房钢结构基本原理 绪论大跨桥梁:索桥钢结构基本原理 绪论大跨桥梁:金门桥(悬索桥)钢结构基本原理 绪论大跨桥梁:东海大桥钢结构基本原理 绪论5
高耸构筑物:埃菲尔塔钢结构基本原理 绪论高耸构筑物:高塔钢结构基本原理 绪论黑龙江电视塔 336m广州新塔 610m工业设施:烟囱、设备架钢结构基本原理 绪论工业设施:油罐钢结构基本原理 绪论公共设施:共同沟中的管道钢结构基本原理 绪论公共雕塑:海河腾飞龙钢结构基本原理 绪论6
构筑物:摩天轮(横滨)钢结构基本原理 绪论水工结构:都江堰水闸钢结构基本原理 绪论农业设施:室内养殖场钢结构基本原理 绪论农业设施:松江温室钢结构钢结构基本原理 绪论可拆卸结构:国际网球大师杯赛看台钢结构基本原理 绪论开合结构:上海网球场钢结构基本原理 绪论阿加西微笑着走来7
开合结构:南通体育场钢结构基本原理 绪论开合结构:南通体育场钢结构基本原理 绪论风能结构钢结构基本原理 绪论其他:地下工程支护结构钢结构基本原理 绪论其他:车辆、船舶、海洋平台、机械 … … 钢结构基本原理 绪论桁架结构钢结构基本原理 绪论8
框架结构钢结构基本原理 绪论网架与网壳结构钢结构基本原理 绪论拱与拱架结构钢结构基本原理 绪论板式结构钢结构基本原理 绪论预应力钢结构钢结构基本原理 绪论钢材强度 材料强度/MPa1000 750 500 250 0 60年代 80年代 90年代 未来钢结构基本原理 绪论钢材屈服点 钢材极限强度 混凝土2008 Dec. Available in the world Plate: S600, S800, S900, S1130 Wires: S1570, 1760, 18609
钢材塑性钢结构基本原理 绪论火灾钢结构基本原理 绪论应对能源、环境、气候问题的钢结构环 能源(资源)纪元前 工业革命 1960s 产 1980s 太阳能 风能 潮汐能 节能 减排 土 地 矿 木 材煤 炭 石 油 天 然 气 清洁 再生烟雾5天致死4000/伦敦 燃煤污染,1952 水俣病/熊本 化工污染,1956 寂静的春天/美国 农药污染,1962L / 15钢结构基本原理 绪论应对能源、环境、气候问题的钢结构钢结构基本原理 绪论境气候与减排个 体 生 存为什么应用钢结构有利于节能、减排、应对气候问题?材料高强度 降低用材,减少采矿、冶金生产耗能与碳排 轻量化,减少运输、建造的耗能与碳排族 群 生 存 减小建筑结构构件尺度,节约土地面积 材料可循环,结构可拆装 重复使用中的节能、节材、减排 减少废弃物对环境污染………汽车尾气 工业废弃物和生活垃圾 水体富氧化水 2000s大气环境 土地环境 水环境2005京都议定书 2009哥本哈根红线………资源节约型环境友好型可持续发展种 群 延 续工业化制造 减少湿作业对环境污染适应城镇化进程的钢结构中国城镇化目标钢结构基本原理 绪论体现力学性能优势的钢结构高层结构 (伴随城镇化的土地集约需求)钢结构基本原理 绪论城市化率由 2001 年37% 2050 年75%以上,2020年 达到60%左右 预期 2005~2020 年转移农村人口 3 亿以上,2050年累计 6~7 亿城镇化快速发展对工程建造速度的要求需求:新增建筑(住房、学校、医院、体育娱乐、商店等)、交通 (高铁、公路、地铁及桥梁、隧道、机场等)、产业设施等 特点:工程量大,建造期短 对策:标准化要求、工厂化制作、装配化建造 适合钢结构产业材料高强轻质:据统计,高层建筑中 S 结构 15 kN/m2 RC 结构 20kN/m2 楼层越高,S 结构设计总重力相对 RC 越小 结构构件面积↓, 基础结构造价↓ 结构延性韧性:适合柔性变形,减轻地震作用,增大耗能能力大跨度结构钢材受拉强度大、强重比大的优点可以实现轻质大跨结构10
钢产量的全球份额钢结构基本原理 绪论2006年世界 粗钢产量 12.442亿吨 2006年中国 粗钢产量突 破4亿吨 (4.2102亿吨)6亿吨中国钢结构建筑的市场潜力140000钢结构基本原理 绪论中国建筑业房屋竣工面积2004 128163万平米[***********]000 [**************]建筑钢结构2%→4%20000K㎡100,0000德国 韩国乌克兰 中国5 4 3日本SteelWooden R.C Steel R.C Others1985 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004印度 俄罗斯50,0002日本美国2007钢产量比例图 2008占全球 50%1 02000 1 01 2 02 3 03 4 04 5 05 6 06 7 07 8 08 9 09 100year[***********]00中国土木设施钢结构的潜力中国交通进展公路:五纵七横万公里 200钢结构基本原理 绪论Example2008年5月四川汶川地震中国交通--运输线路长度万公里 民航,205 20 公路,187 18 16150 内河,12 100 铁路,7.4 5014 12 10 8 6 管道,3.8 4 20 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 20060公路民航系列2铁路营业里程内河管道铁路:八纵八横中国桥梁进展悬索桥 斜拉桥 拱桥中国金属学会中国钢铁工业协会Example2008年5月四川汶川地震Example2008年1月中国南方雪灾11
Example2007年8月1日美国横跨密 西西比河的W35号桥垮塌Example2004年5月23日法国巴黎 戴高乐机场航站楼垮塌12