1、水工钢结构水利建筑工程学院水利建筑工程学院姜海波姜海波第一章 绪论 1 1 、课程的性质和任务、课程的性质和任务 2 2 、钢结构的特点、钢结构的特点 3 3 、钢结构的应用、钢结构的应用 4 4 、钢结构设计的要求、钢结构设计的要求 5 5 、水工钢结构的发展、水工钢结构的发展课程内容体系介绍课程内容体系介绍结构结构轴心构件轴心构件 受弯构件受弯构件 偏心构件偏心构件材料材料发展发展构件构件厂房厂房高层建筑高层建筑桥梁结构桥梁结构 大跨度建筑大跨度建筑塔桅结构塔桅结构焊接焊接铆接铆接螺栓螺栓焊接焊接铆接铆接螺栓螺栓计算方法计算方法设计原理设计原理通过结通过结点连接点连接课程的主要内容课程的主
2、要内容 1. 基础（上篇）基础（上篇） 材料材料 连接连接 基本构件：轴心受力，受弯，拉（压）弯基本构件：轴心受力，受弯，拉（压）弯 2. 综合应用（下篇）综合应用（下篇） 结构设计：包括结构形式、结构布置、受力特点、计算简图、结构设计：包括结构形式、结构布置、受力特点、计算简图、荷载组合和内力分析以及构造要求荷载组合和内力分析以及构造要求。构件构件连接连接 设计连装连设计师钢钢结加工、接安、接建筑板材、型构件构国家体育馆国家体育馆国家体育场国家体育场“鸟巢鸟巢”外形结构主要是由巨大的门式钢架组成，共有外形结构主要是由巨大的门式钢架组成，共有24根桁架柱。主体钢根桁架柱。主体钢结构形成整体的巨
3、型空间马鞍形钢桁架编织式结构形成整体的巨型空间马鞍形钢桁架编织式“鸟巢鸟巢”结构，钢结构总用钢结构，钢结构总用钢量为量为4.2万吨，国家体育场建筑顶面呈鞍形，长轴为万吨，国家体育场建筑顶面呈鞍形，长轴为332.3米，短轴为米，短轴为296.4米，米，最高点高度为最高点高度为68.5米，最低点高度为米，最低点高度为42.8米。米。框架钢结构框架钢结构纯框架、中心支撑框架、偏心支撑框架纯框架、中心支撑框架、偏心支撑框架武汉火车站武汉火车站世博中心世博中心网架结构网架结构网架、网壳网架、网壳网架平面形状灵活，可设计成各种形状。按腹杆的设置不同可分为：交叉桁架网架平面形状灵活，可设计成各种形状。按腹杆
4、的设置不同可分为：交叉桁架体系、四角锥体系、三角锥体系和其它一些体系。网架的弦杆与边界相垂直时体系、四角锥体系、三角锥体系和其它一些体系。网架的弦杆与边界相垂直时称为正放网架，与边界斜交时称为斜放网架。称为正放网架，与边界斜交时称为斜放网架。美国芝加哥国会大厅美国芝加哥国会大厅索膜结构索膜结构悬索结构、膜结构，其中膜结构又包括张拉悬索结构、膜结构，其中膜结构又包括张拉式、骨架式和充气式膜结构式、骨架式和充气式膜结构悉尼歌剧院悉尼歌剧院一一 、课程的性质和任务、课程的性质和任务 钢结构是农业水利工程专业的主要专业课之一，也是水工、钢结构是农业水利工程专业的主要专业课之一，也是水工、港航、海工、等
5、水利类专业的专业基础课。钢结构是当前我港航、海工、等水利类专业的专业基础课。钢结构是当前我国重点推广和发展的结构形式。国重点推广和发展的结构形式。 钢结构是采用钢材制作而成的结构，是建筑工程的主要结构钢结构是采用钢材制作而成的结构，是建筑工程的主要结构 形式之一。形式之一。课程的主要内容包括材料、连接、基本构件三大课程的主要内容包括材料、连接、基本构件三大部分。部分。不同结构形式都是由基本构件联结而成，基本构件的不同结构形式都是由基本构件联结而成，基本构件的核心问题是稳定问题。核心问题是稳定问题。 课程特点与学习要求课程特点与学习要求本课程是结构工程中按材料划分出来的一门学科，先修课程有：材料
6、力本课程是结构工程中按材料划分出来的一门学科，先修课程有：材料力学、结构力学、弹性力学以及概率统计等。学、结构力学、弹性力学以及概率统计等。本课程的主要任务是：着重学习水工钢结构的基本理论与基本知识，掌本课程的主要任务是：着重学习水工钢结构的基本理论与基本知识，掌握水工钢结构的选材、构造原理、握水工钢结构的选材、构造原理、 计算方法与结构布置原则。能设计简计算方法与结构布置原则。能设计简单的水工钢结构构件，对水工钢结构的新发展有一定的了解。单的水工钢结构构件，对水工钢结构的新发展有一定的了解。 本课程的特点是：大家对钢结构的感性认识少，结构构造复杂，理论性本课程的特点是：大家对钢结构的感性认识
7、少，结构构造复杂，理论性强（特别是稳定理论）。强（特别是稳定理论）。多看书，搞清空间构造，加强感性认识；多作题，避免眼高手低。多看书，搞清空间构造，加强感性认识；多作题，避免眼高手低。 本课程的任务：结合农水专业的要求掌握钢结构的基本理论本课程的任务：结合农水专业的要求掌握钢结构的基本理论以及专业结构物的设计原理和方法。通过本课程的学习，以及专业结构物的设计原理和方法。通过本课程的学习，具具备钢结构的基本知识，掌握正确的设计原理和设计方法，备钢结构的基本知识，掌握正确的设计原理和设计方法，使使能够根据有关的资料和规范，按照专业需要分别掌握设计钢能够根据有关的资料和规范，按照专业需要分别掌握设计
8、钢闸门、船闸闸门、钢引桥等的能力，并为设计其他类型的钢闸门、船闸闸门、钢引桥等的能力，并为设计其他类型的钢结构打下基础。结构打下基础。水工水工钢结构设计的有关规范钢结构设计的有关规范 钢结构设计规范钢结构设计规范 GB50017-2003 建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准 GB50068-2001 建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范 GB50009-2001 水利水电工程结构可靠度设计统一标准水利水电工程结构可靠度设计统一标准 GB5019994 水工建筑物荷载设计规范水工建筑物荷载设计规范 DL5077-1997 水利水电工程钢闸门设计规范水利水电工程钢闸门设计规范 SL7
9、4-95 二、二、2. 塑性、韧性好，各向同性、力学性能与力学假定符合程度塑性、韧性好，各向同性、力学性能与力学假定符合程度好，抗震性能好好，抗震性能好 1. 强度强度/重量比大，稳定性较好重量比大，稳定性较好3. 具可焊性、易加工制造、具良好的装配性具可焊性、易加工制造、具良好的装配性4. 密封性好密封性好5. 可以重复利用可以重复利用6. 有一定的耐热性，但是耐火性较差有一定的耐热性，但是耐火性较差7. 易锈蚀、有焊接残余应力易锈蚀、有焊接残余应力8. 低温冷脆低温冷脆 密封性能好密封性能好耐火性不好，易锈蚀耐火性不好，易锈蚀钢结构通常在钢结构通常在450650 温度中就会失去承载能力温度
10、中就会失去承载能力发生很大的变形，导致钢发生很大的变形，导致钢柱、钢梁弯曲，因过大变形不柱、钢梁弯曲，因过大变形不能使用能使用一般不加保护的钢结构的一般不加保护的钢结构的耐火极限为耐火极限为15分钟左右。分钟左右。 A. 外包层外包层在钢结构外表添加外包层，在钢结构外表添加外包层，可以现浇成型，可以采用喷可以现浇成型，可以采用喷涂法涂法。 B. 充水充水(水套水套)空心型钢结构内充水是抵御空心型钢结构内充水是抵御火灾最有效的防护措施。火灾最有效的防护措施。 提高钢结构耐火性的措施提高钢结构耐火性的措施C. 屏蔽屏蔽钢结构设置在耐火材料组成的墙体或顶棚内，或将构件包藏钢结构设置在耐火材料组成的墙
11、体或顶棚内，或将构件包藏在两片墙之间的空隙里在两片墙之间的空隙里增加少许耐火材料或不增加即能达到防火的目的增加少许耐火材料或不增加即能达到防火的目的一种经济的防火方法。一种经济的防火方法。 D. 膨胀材料膨胀材料 采用钢结构防火涂料保护构件采用钢结构防火涂料保护构件 具有防火隔热性能好、施工不受钢结构几何形体限制等优具有防火隔热性能好、施工不受钢结构几何形体限制等优点。一般不需要添加辅助设施，涂层质量轻，美观。点。一般不需要添加辅助设施，涂层质量轻，美观。1.大跨度结构大跨度结构有空间桁架、网架、网壳、悬索、有空间桁架、网架、网壳、悬索、张弦梁、拱架和框架等张弦梁、拱架和框架等国家大剧院国家大
12、剧院北京中华世纪坛北京中华世纪坛 鞍钢鞍钢1700连连铸主厂房工程铸主厂房工程鞍钢大连镀锌线鞍钢大连镀锌线主厂房工程主厂房工程锦州9-3采油平台深圳地王大厦深圳地王大厦香港中银香港中银汇丰银行汇丰银行上海环球金融中心上海环球金融中心根据设计方案，大厦高根据设计方案，大厦高 492 米、米、 101 层，建成后其高层，建成后其高度将超过目前居世界第一的马来西亚大厦（高度将超过目前居世界第一的马来西亚大厦（高 452 米）。米）。 广州新电视塔广州新电视塔神州飞船发射塔神州飞船发射塔多伦多电视塔多伦多电视塔东方明珠电视塔东方明珠电视塔应用于建筑、铁路、公路应用于建筑、铁路、公路、水利、商业、旅游和
13、军事等、水利、商业、旅游和军事等领域的办公室、指挥部、宿舍领域的办公室、指挥部、宿舍、会议室、仓库、商店及各种、会议室、仓库、商店及各种临时用房。临时用房。南京扬子石化化工厂南京扬子石化化工厂 配以零件、扣件、门窗等形成比较完善的建筑体系，即轻配以零件、扣件、门窗等形成比较完善的建筑体系，即轻钢结构体系。体系由工厂制作，现场按要求拼装形成。具有自钢结构体系。体系由工厂制作，现场按要求拼装形成。具有自重轻，建设周期短，适应性强，外表美观，造价低，易维护等重轻，建设周期短，适应性强，外表美观，造价低，易维护等特点。由于自重轻，也降低了基础的造价。特点。由于自重轻，也降低了基础的造价。彩钢板作屋面和
14、墙面彩钢板作屋面和墙面 薄壁型钢作檩条和圈梁薄壁型钢作檩条和圈梁 H型截面做柱与梁型截面做柱与梁 现场用螺栓或焊接现场用螺栓或焊接门式钢架为主要结构的一种门式钢架为主要结构的一种建筑建筑厂房、厂房、库房、库房、体育馆体育馆展览馆展览馆机场机库机场机库 已建的浦东国际机场、首都国际机场、萧山国际机场、已建的浦东国际机场、首都国际机场、萧山国际机场、成都双流国际机场等成都双流国际机场等 重要工程。重要工程。多层循环类停车设备多层循环类停车设备黑龙江省联通大厦黑龙江省联通大厦 建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准(GB50068-2001)规定：规定：结构的可靠度应采用以概率论为基础
15、的结构的可靠度应采用以概率论为基础的极限状态设计方法极限状态设计方法分析确定。分析确定。 钢结构和其他建筑结构一样，遵循钢结构和其他建筑结构一样，遵循“统一标准统一标准”要求。除要求。除疲劳疲劳计算外，计算外， 钢结构设计规范钢结构设计规范(GB50017-2003)采用以采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数的设计的设计表达式进行计算。表达式进行计算。 水工钢结构的设计目前仍采用容许应力法。水工钢结构的设计目前仍采用容许应力法。四、钢结构的设计要求四、钢结构的设计要求钢结构设计规范钢结构设计规范(GB50017-2003)第第1 1章总
16、则第章总则第1.0.11.0.1条明确条明确指出：指出：“为在钢结构设计中贯彻执行国家的技术经济政策，为在钢结构设计中贯彻执行国家的技术经济政策，做到技术先进、经济合理、安全使用、确保质量，特制定本做到技术先进、经济合理、安全使用、确保质量，特制定本规范规范”。也就是说，力求用。也就是说，力求用最经济最经济的方法，使所建结构满足的方法，使所建结构满足下列下列基本功能基本功能要求：要求：（1 1）安全性）安全性 结构在正常施工和正常使用条件下，承受可能结构在正常施工和正常使用条件下，承受可能出现的各种作用的能力，以及在偶然事件（如地震、爆炸）出现的各种作用的能力，以及在偶然事件（如地震、爆炸）发
17、生时及发生后，仍保持必要的整体稳定性的能力。发生时及发生后，仍保持必要的整体稳定性的能力。（2 2）适用性）适用性 结构在正常使用条件下，满足预定使用要求的结构在正常使用条件下，满足预定使用要求的能力。能力。（3 3）耐久性）耐久性 结构在正常维护条件下，随时间变化而仍能满结构在正常维护条件下，随时间变化而仍能满足预定功能要求的能力。足预定功能要求的能力。结构的安全性、适用性和耐久性总称为结构的结构的安全性、适用性和耐久性总称为结构的可靠性可靠性。 五、水工钢结构的发展五、水工钢结构的发展中国钢结构的发展历史：中国钢结构的发展历史： 全国重点保护文物泸定铁索桥，建于全国重点保护文物泸定铁索桥，
18、建于17051706年，桥年，桥身共由身共由13根铁链组成；每根（铁链）由根铁链组成；每根（铁链）由862977节铁环相扣，节铁环相扣，每根铁链重每根铁链重13001800kg。 根据文献记载，中国早在公元前五十年就建成了跨度达根据文献记载，中国早在公元前五十年就建成了跨度达百米的铁索桥，而欧美直到十七世纪尚未出现铁索桥。百米的铁索桥，而欧美直到十七世纪尚未出现铁索桥。泸定铁索桥泸定铁索桥防腐问题防腐问题 我国古代金属结构建筑在世界上处于领先地位。我国古代金属结构建筑在世界上处于领先地位。 镇江甘露寺铁塔、荆州玉泉寺铁塔等等。镇江甘露寺铁塔、荆州玉泉寺铁塔等等。公元公元1061年（宋代）在湖北
19、荆州玉年（宋代）在湖北荆州玉泉寺建成的泉寺建成的13层铁塔，目前依然存层铁塔，目前依然存在。在。铁塔高铁塔高17.9米，八角十三级，重米，八角十三级，重53.3吨，为吨，为我国现存最高、最重、最大的铁塔。已有我国现存最高、最重、最大的铁塔。已有900多年的历史。多年的历史。建国前建国前 19271937年是我国土木工程及金属结构建设的黄年是我国土木工程及金属结构建设的黄金时代，代表作品有：金时代，代表作品有：沈阳皇姑屯机车厂钢结构厂房（沈阳皇姑屯机车厂钢结构厂房（1927）广州中山纪念堂圆屋顶（广州中山纪念堂圆屋顶（19281931）钱塘江大桥（钱塘江大桥（1937） 由茅以升先生主持兴建的杭
20、州钱塘江大桥。该桥由他带领一批由茅以升先生主持兴建的杭州钱塘江大桥。该桥由他带领一批留学生自行设计和监造留学生自行设计和监造( (实际施工由丹麦康益洋行承包下部结构和沉实际施工由丹麦康益洋行承包下部结构和沉箱基础工程，上部结构钢梁则由英商道门朗公司承包制造和安装箱基础工程，上部结构钢梁则由英商道门朗公司承包制造和安装) )。建国后建国后第一个五年计划：以工业厂房（第一个五年计划：以工业厂房（156个大型项目）、个大型项目）、交通工程为主。交通工程为主。第一重型机械厂第一重型机械厂第一汽车制造厂第一汽车制造厂人民大会堂人民大会堂第二第二第四个五年计划：以公共建筑为主。第四个五年计划：以公共建筑为
21、主。钢屋架钢屋架第五个五年计划第五个五年计划：以工业厂房、公共建筑、交通工程为主以工业厂房、公共建筑、交通工程为主宝钢厂区宝钢厂区芜湖长江大桥芜湖长江大桥九江长江大桥九江长江大桥(钢材钢材15MnVN)1997年，我国钢产量达年，我国钢产量达1亿吨亿吨,1998年投产的轧制年投产的轧制H型钢系列型钢系列1991年年2月月4日马鞍山钢铁公司轧制我日马鞍山钢铁公司轧制我国第一根国第一根H型钢型钢1996年建成的深圳地王大厦高度年建成的深圳地王大厦高度325米米1998年建成的大连远洋大厦，钢结构年建成的大连远洋大厦，钢结构高层建筑（高度高层建筑（高度201米，米，51层），全部由我层），全部由我国
22、自己完成国自己完成上海金茂大厦上海金茂大厦上海证券大厦上海证券大厦主跨主跨602米的结合梁斜拉桥在米的结合梁斜拉桥在1994年建成时居年建成时居世界斜拉桥跨度之首，现名列第三。世界斜拉桥跨度之首，现名列第三。上海杨浦大桥英国福斯桥英国福斯桥,建于建于1889年，是世界上第一座现代化钢桥。年，是世界上第一座现代化钢桥。计算简图计算简图现代高层钢结构体系：现代高层钢结构体系：框架结构体系框架结构体系框架支撑结构体系框架支撑结构体系框架剪力墙体系框架剪力墙体系框架框架-筒体结构体系筒体结构体系悬挂结构体系悬挂结构体系成束筒结构成束筒结构构件构件连接连接钢结构的发展趋势：钢结构的发展趋势：钢结构具有的
23、优越特点，使它成为一种比较理想的结构。随钢结构具有的优越特点，使它成为一种比较理想的结构。随着我国现代化建设的发展和钢产量的增加，钢结构的应用将着我国现代化建设的发展和钢产量的增加，钢结构的应用将会有很大发展，钢结构工程的科学技术水平也将进一步提高，会有很大发展，钢结构工程的科学技术水平也将进一步提高，其发展趋势为：其发展趋势为： 1. 1. 高性能钢材的研制高性能钢材的研制 2. 2. 设计方法和计算理论的改进设计方法和计算理论的改进 3. 3. 结构形式的革新结构形式的革新1. 高性能钢材的研制 钢结构的突出特点就是钢材的强度高，因此特别适用于大钢结构的突出特点就是钢材的强度高，因此特别适
24、用于大跨度和承受大的荷载，采用高强度钢材，更能发挥钢结构跨度和承受大的荷载，采用高强度钢材，更能发挥钢结构这一优势。为保证必要的塑性、韧性和可焊性，钢结构用这一优势。为保证必要的塑性、韧性和可焊性，钢结构用的高强度钢一般都是低合金钢。的高强度钢一般都是低合金钢。 我国高性能钢材的研制和应用我国高性能钢材的研制和应用 屈服点为屈服点为345N/mm345N/mm2 2的的1616锰钢锰钢南京长江大桥南京长江大桥 屈服点为屈服点为390N/mm390N/mm2 2的的1515锰钒钢锰钒钢 屈服点为屈服点为410N/mm410N/mm2 2的的1515锰钒氮钢锰钒氮钢九江长江大桥九江长江大桥 国外高
25、强度钢的发展国外高强度钢的发展 日本、美国、前苏联都已把屈服点为日本、美国、前苏联都已把屈服点为700N/mm700N/mm2 2以上的钢列入了规范，以上的钢列入了规范，如何研制高强度钢并合理应用是一个重要课题。如何研制高强度钢并合理应用是一个重要课题。 另外，耐腐蚀钢、宽翼缘工字型钢、方钢管、压型钢板、冷弯薄壁型另外，耐腐蚀钢、宽翼缘工字型钢、方钢管、压型钢板、冷弯薄壁型钢等都能较好发挥钢材的效能，得到较好的经济效果，有着广阔的发展钢等都能较好发挥钢材的效能，得到较好的经济效果，有着广阔的发展前景。前景。 2. 2. 设计方法和计算理论的改进设计方法和计算理论的改进 统一标准和现行钢规都要求
26、采用以概率论为基础的极限状态设统一标准和现行钢规都要求采用以概率论为基础的极限状态设计法，这是通过大量理论研究和试验分析取得的成果，但是还有很多问计法，这是通过大量理论研究和试验分析取得的成果，但是还有很多问题需要进一步研究和完善，有大量的工作需要继续完成。题需要进一步研究和完善，有大量的工作需要继续完成。 例如例如 实际构件和几何缺陷的统计分析，残余应力的分布，机会缺陷和残余实际构件和几何缺陷的统计分析，残余应力的分布，机会缺陷和残余应力对承载力继续状态的影响；应力对承载力继续状态的影响； 受压构件的极限承载力及其影响因素；受压构件的极限承载力及其影响因素； 多次重复荷载和动力作用下构件和结
27、构的极限状态；多次重复荷载和动力作用下构件和结构的极限状态； 钢材的塑性利用和板件屈服后的强度问题等等。钢材的塑性利用和板件屈服后的强度问题等等。 3. 结构形式的革新结构形式的革新 （1） 计算理论和计算手段的进步以及新材料新工艺的出现，为计算理论和计算手段的进步以及新材料新工艺的出现，为钢结构形式的革新提供了条件。钢结构形式的革新提供了条件。 网架一类的杆件多而超静定结构次数又多的空间结构 大跨度悬索结构和斜拉结构 预应力钢结构 钢和混凝土组合结构 （2） 结构形式革新的另一种形式是把梁、拱、悬索等不同受力结构形式革新的另一种形式是把梁、拱、悬索等不同受力类型的结构融于同一结构。类型的结构
28、融于同一结构。 九江长江大桥 北京北郊综合体育馆 亚运村游泳馆 （3 3） 随着高强度螺栓和焊接技术的发展，铆接结构已被栓焊或全焊结构随着高强度螺栓和焊接技术的发展，铆接结构已被栓焊或全焊结构代替。代替。 厂房钢结构、塔桅结构、网架结构中广泛应用了高强度螺栓连接；厂房钢结构、塔桅结构、网架结构中广泛应用了高强度螺栓连接； 西陵长江大桥的箱型加劲梁采用了全焊接结构；西陵长江大桥的箱型加劲梁采用了全焊接结构； 孙口黄河大桥桁梁采用了整体焊接节点、节点外拼接的新的型式。孙口黄河大桥桁梁采用了整体焊接节点、节点外拼接的新的型式。 （4 4） 高层建筑钢结构的研究高层建筑钢结构的研究 近年来，我国已建成
29、一批高层建筑，如：近年来，我国已建成一批高层建筑，如： 上海锦江饭店分馆上海锦江饭店分馆 （153m153m） 深圳发展中心大厦深圳发展中心大厦 （165m165m） 北京京广中心大厦北京京广中心大厦 （208m208m） 我国钢结构事业发展很快，结构革新在科研、设计、材料、制造加工、我国钢结构事业发展很快，结构革新在科研、设计、材料、制造加工、安装建设等方面还有许多工作要做。安装建设等方面还有许多工作要做。建议和要求：建议和要求：1.1.按时听课，及时完成作业。按时听课，及时完成作业。2.2.及时复习、多做习题、消化所学内容，避免考试前突击。及时复习、多做习题、消化所学内容，避免考试前突击。
30、3.3.提倡交流、讨论，共同提高。提倡交流、讨论，共同提高。4.4.课前预习，课前预习，重点内容做好笔记重点内容做好笔记（特别是重点强调的概念、习题和补（特别是重点强调的概念、习题和补充的例题），课下复习可以参考课件。充的例题），课下复习可以参考课件。5.5.期末考试前只串讲主要内容，不涉及考试范围和重点。期末考试前只串讲主要内容，不涉及考试范围和重点。6.6.测试方式为测试方式为A A卷（卷（B B卷）在学期末进行闭卷笔试形式考试，考试时间卷）在学期末进行闭卷笔试形式考试，考试时间120120分钟。分钟。成绩根据期末考试成绩成绩根据期末考试成绩70%70%、平时成绩、平时成绩30%30%综合评定。平时综合评定。平时成绩包括：提问、做业、测验等。成绩包括：提问、做业、测验等。
