水工鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)課程簡介（水利類）

鋼結(jié)構(gòu)是土木工程專業(yè)的主要專業(yè)課之一，也是水工、港航、海工、農(nóng)水等水利類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課。鋼結(jié)構(gòu)是當前我國重點推廣和發(fā)展的結(jié)構(gòu)形式。鋼結(jié)構(gòu)是根據(jù)所用材料不同而劃分出來的工程結(jié)構(gòu)的一門分支。課程的主要內(nèi)容包括材料、連接、基本構(gòu)件三大部分。不同的鋼結(jié)構(gòu)物都是由基本構(gòu)件聯(lián)結(jié)而成，基本構(gòu)件的核心問題是穩(wěn)定問題。本課程為2學(xué)分,計劃授課32學(xué)時。本課程課堂授課結(jié)束后集中安排一周的課程設(shè)計?；疽笳n程成績由考試+平時成績給出。平時成績包括作業(yè)、課堂提問等。抄作業(yè)者和被抄作業(yè)者作業(yè)成績?yōu)榱惴帧２坏眠t到、曠課。為了不影響他人，遲到者須到課間休息時方可進入教室。曠課達1/3，取消考試資格。缺課累計達5節(jié)及以上，成績由口試+筆試+平時成績給出，且口試及格后方可參加筆試。

建議與希望學(xué)習時應(yīng)重點搞清基本概念與性能，掌握設(shè)計原理，熟悉構(gòu)造要求。

講課主要講述重點和難點，為了便于大家學(xué)習和復(fù)習，建議作好筆記。

我們采用的是最新版本（以新規(guī)范標準編寫）的教材，該教材反映了目前鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的最新成果和動向。歡迎同學(xué)們對教材的不足之處提出寶貴意見，以便進一步改進。鋼結(jié)構(gòu)課程的主要內(nèi)容鋼結(jié)構(gòu)課程的主要內(nèi)容包括：1、鋼結(jié)構(gòu)的特點、應(yīng)用和設(shè)計方法；2、鋼材的性能、影響因素及合理選擇；3、鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計與計算；4、軸心受力構(gòu)件的設(shè)計方法；5、實腹式受彎構(gòu)件——梁的設(shè)計方法；6、拉彎和壓彎構(gòu)件的設(shè)計方法7、平面鋼閘門設(shè)計根據(jù)教學(xué)安排，水利類本科專業(yè)所安排的鋼結(jié)構(gòu)課程學(xué)分較少，僅為2學(xué)分32個學(xué)時。講課教師可在上述基本內(nèi)容范圍內(nèi)分主、次講授。第一章概論

第一節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的特點和應(yīng)用

一.鋼結(jié)構(gòu)的特點:

鋼結(jié)構(gòu)是用鋼材制造而成的工程結(jié)構(gòu)。通常它采用鋼板、型鋼（有些結(jié)構(gòu)也可能采用鋼索）加工制造而成。鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)等都屬于按材料劃分的工程結(jié)構(gòu)的不同分支。鋼結(jié)構(gòu)與其它結(jié)構(gòu)相比，具有下列特點：1.可靠性高

鋼材在鋼廠生產(chǎn)時，整個過程可嚴格控制，質(zhì)量比較穩(wěn)定;鋼材組織均勻，接近于各向同性勻質(zhì)體；鋼材的物理力學(xué)特性與工程力學(xué)對材料性能所作的基本假定符合較好；鋼結(jié)構(gòu)的實際工作性能比較符合目前采用的理論計算結(jié)果。所以說鋼結(jié)構(gòu)的可靠性高。2.材料的強度高，鋼結(jié)構(gòu)自重輕。

鋼材與其它材料相比，它的強度與重力密度之比要高得多。在同樣的受力條件下，鋼結(jié)構(gòu)用材料少，自重輕。以24m跨度廠房屋架為例，當承受相同的荷載時，每榀鋼屋架的重量為2.1～2.7噸，而預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土屋架的重量為6.4～11.3噸，后者為前者的3～4倍。若采用冷彎薄壁型鋼屋架，其自重接近鋼筋混凝土屋架的1/10。鋼結(jié)構(gòu)自重輕，便于運輸和安裝，基礎(chǔ)費用低。3.鋼材的塑性和韌性好

鋼材的塑性好，鋼結(jié)構(gòu)破壞前一般都會產(chǎn)生顯著的變形，易于被發(fā)現(xiàn)，可及時采取補救措施，避免重大事故發(fā)生。鋼材的韌性好，鋼結(jié)構(gòu)對動力荷載的適應(yīng)性強，具有良好的吸能能力，抗震性能優(yōu)越。

4.鋼結(jié)構(gòu)制造簡便，施工工期短

鋼結(jié)構(gòu)一般在專業(yè)工廠制造，易實現(xiàn)機械化，是工程結(jié)構(gòu)中工業(yè)化程度最高的一種結(jié)構(gòu)。構(gòu)件制造完成后，運至施工現(xiàn)場拼裝成結(jié)構(gòu)。施工工期短，可盡快發(fā)揮投資的經(jīng)濟效益。我國已建成的某240m

315m全鋼結(jié)構(gòu)廠房，建筑面積達7.6萬m2，其結(jié)構(gòu)安裝僅用了98天。鋼結(jié)構(gòu)由于連接的特性，易于加固、改建和拆遷。5.鋼結(jié)構(gòu)密閉性好

鋼結(jié)構(gòu)采用焊接連接可制成水密性和氣密性較好的常壓和高壓容器結(jié)構(gòu)和管道。

6.鋼材的耐銹蝕性差

在沒有腐蝕性介質(zhì)的一般環(huán)境中，鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)除銹后再涂上合格的防銹涂料后，銹蝕問題并不嚴重。但在潮濕和有腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境中，鋼結(jié)構(gòu)容易銹蝕，需定期維護，增加了維護費用。我國已研究生產(chǎn)出抗銹蝕性能良好的耐大氣腐蝕鋼，并用于工程結(jié)構(gòu)。7.鋼結(jié)構(gòu)耐熱但不耐火

當鋼材受熱溫度在200oC以內(nèi)時，鋼材的主要性能變化很小，具有較好的耐熱性能。當溫度達600oC以上時，鋼材的承載力幾乎完全喪失，所以說鋼材不耐火。當溫度在250oC左右時，鋼材的塑性和韌性降低，破壞時常呈脆性斷裂。考慮一定的安全儲備，當結(jié)構(gòu)表面長期受輻射熱溫度不小于150oC時，需加以隔熱防護。當有防火要求時，要采取防火措施。8.鋼材在低溫時脆性增大

在負溫度區(qū)（0oC以下）,鋼材的塑性和韌性隨著溫度降低而變差。二、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍

應(yīng)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的特點，注意揚長避短，合理使用鋼結(jié)構(gòu)。在建筑工程和水利水電工程中，鋼結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)用范圍如下：

1.大跨度結(jié)構(gòu)

隨著結(jié)構(gòu)跨度增大，結(jié)構(gòu)自重在全部荷載中所占比重也就越大，減輕自重可獲得明顯的經(jīng)濟效益。對于大跨度結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)重量輕的優(yōu)點顯得特別突出。

上海8萬人體育館：徑向懸挑桁架和環(huán)向桁架組成的空間鋼屋蓋結(jié)構(gòu)。長軸為288.4m,短軸為274.4m，最大懸挑跨度達73.5m。

上海浦東機場英國倫敦的“世紀展覽館”：直徑365m鋼骨架膜結(jié)構(gòu)圓形建筑。2.高層建筑

高層建筑已成為現(xiàn)代化城市的一個標志。鋼材強度高和鋼結(jié)構(gòu)重量輕的特點對高層建筑具有重要意義。強度高則構(gòu)件截面尺寸小，可提高有效使用面積。重量輕可大大減輕構(gòu)件、基礎(chǔ)和地基所承受的荷載，降低基礎(chǔ)工程等的造價。當今世界上最高的50幢建筑中，鋼結(jié)構(gòu)和鋼—砼混合結(jié)構(gòu)占80%以上。1996年建成的吉隆坡佩重納斯大廈（雙塔），95層，高452米，是世界上目前最高的建筑。馬來西亞佩重納斯大廈

臺北金融中心大樓（TAIBPEI101）

101層，508m高，2.3萬平米，2004年9月營運。上海金茂大廈:

88+3層，88層為觀光廳,高度為340.1m，總高420.5m。

用鋼14000t，28.7萬m2。

大廈樁深83.5m，總投資＄5.4億。美國紐約的世界貿(mào)易中心大樓110層，高417m，100萬平米，兩樓共有239部電梯。辦公人員5萬，每日來訪和觀光8萬。施工期間無工人死亡。用鋼20多萬t。93年恐怖組織車載炸藥爆炸（地下可停車2000多輛），三層樓板被炸穿，無大影響。75年2月11層失火，三小時控制火勢，直接損失100萬美元。01年9月11日，北京時間20:45一757飛機（起飛重量達104t，可載油35t）撞擊北塔樓，94～99層直接受損，22:28倒塌；21:03一767飛機（起飛重量達156t，載油51t)撞擊南大樓，78～84層直接受損，22:05倒塌?？蜋C的起飛重量加上約1000公里的飛行速度，撞擊力總共相當于2萬多公斤的黃色炸藥。撞擊使世貿(mào)中心產(chǎn)生巨大晃動，但內(nèi)部和外部并沒有嚴重塌落，從撞到塌時間較長，樓內(nèi)人員可以逃生，世貿(mào)中心死亡人數(shù)2797人(其中失蹤59人，機組156人）。3.工業(yè)建筑

當工業(yè)建筑的跨度和柱距較大，或者設(shè)有大噸位吊車，結(jié)構(gòu)需承受大的動力荷載時，往往部分或全部采用鋼結(jié)構(gòu)。西安變壓器電爐廠的總裝車間，L

=36m，高30余米，Q=(400+50+1)t。為了盡快發(fā)揮投資效益，近年來我國的普通工業(yè)建筑大量采用了鋼結(jié)構(gòu)。馬鋼平（爐）改轉(zhuǎn)（爐）工程：占地面積1.98萬平米，鋼結(jié)構(gòu)總重量1.79萬噸。4.輕型結(jié)構(gòu)

稱使用荷載較小或跨度不大的結(jié)構(gòu)為輕型結(jié)構(gòu)。自重是這類結(jié)構(gòu)的主要荷載，常采用冷彎薄壁型鋼或小型鋼制成的輕型鋼結(jié)構(gòu)。國內(nèi)跨度最大的輕鋼結(jié)構(gòu)是大連某糧食倉庫，l=72m，建筑面積8000m2

，結(jié)構(gòu)用鋼量49.7kg/m2

。近年來金屬拱型波紋屋蓋已用于建筑工程。紹興郵電培訓(xùn)中心大堂青島海爾魯能集團東方航空公司華北制藥集團5.高聳結(jié)構(gòu)

如塔架和桅桿等，它們的高度大，橫截面尺寸較小，風荷載和地震作用常常起主要作用，自重對結(jié)構(gòu)的影響較大，常采用鋼結(jié)構(gòu)。加拿大多倫多電視塔高553.34米，目前世界第一。上海東方明珠電視塔

6.活動式結(jié)構(gòu)

如水工鋼閘門、升船機等，可充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)重量輕的特點，降低啟閉設(shè)備的造價和運轉(zhuǎn)所耗費的動力。我國三峽工程的永久船閘采用雙線五級連續(xù)梯級船閘，總水級差113m，閘門孔口凈寬34m，每級均采用人字鋼閘門，共有12道24扇閘門，每扇閘門高38.5m，寬20m，重864t。船過船閘一般需2小時35分鐘。三峽升船機承船箱長120m，總寬23m，總高10m,水深3.5m，提升重量可達1.18萬噸，提升高度113m。30分鐘過壩，計劃2009年建成。7.可拆卸或移動的結(jié)構(gòu)

如施工用建筑和鋼棧橋、流動式展覽館、移動式平臺等，可發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)重量輕，便于運輸和安裝方便的優(yōu)點。加拿大已建成120多萬噸重，可容5000多人工作的海上采油平臺。

海上采油平臺9.抗震要求高的結(jié)構(gòu)

可發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)動力性能好的優(yōu)點。10.急需早日交付使用的工程或運輸條件差的工程

可發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)施工工期短和重量輕便于運輸?shù)奶攸c。8.容器和大直徑管道

如貯液（氣）罐、輸油（氣、原料）管道、水工壓力管道等。三峽水利樞紐工程中的發(fā)電機組采用的壓力鋼管內(nèi)徑達12.4m，板厚達60mm。11.特種結(jié)構(gòu)

鋼煙囪（上海寶鋼燒結(jié)廠鋼煙囪高達200多米）、鋼水塔等。北京“中華世紀壇”該鋼結(jié)構(gòu)圓壇直徑47m，重達1400t，傾斜19.4度，轉(zhuǎn)一周時間為4～24小時。

重建的“雷峰塔”2002年10月25日在杭州落成。塔總高71.679米，塔身高45.809米，地上六層地下二層總共八層。采用鋼結(jié)構(gòu)框架，用鋼1400t?？偨ㄖ娣e6089平方米。造價1.5億元。12.鋼橋

國內(nèi)最大鋼桁架橋為九江長江大橋，l=216m(南京一橋為160m)。江陰長江大橋為懸索橋，l=1385m，主攬直徑866mm，由20320根直徑5.35mm的鋼絲組成，兩根主攬總重16800t，鋼絲總長10萬km。世界第一為日本明石海峽大橋，l=1991m(1990+1m)。南京二橋南汊主橋為鋼箱梁斜拉橋，主跨628m，中國第一，世界第三。橋全長21.197km。

江陰長江大橋：主跨1385米，主塔高193米，主纜直徑86.6厘米、長2200米，居懸索橋世界第四，國內(nèi)第一。

上海盧浦大橋目前世界上最大的中承式鋼結(jié)構(gòu)拱橋，總投資約24億元。該橋主跨550米，2002年10月12日合龍,03年8月完工。

倫敦的塔橋：1894年建成，此橋的邊跨為罕見的三鉸懸掛。懸掛單元于橋面之間是加勁桁架，一方面加強懸掛單元的剛度，另一方面抵抗橋面的彎矩和剪力。

加勁桁架近景中間鉸近景13.住宅

馬鋼光明新村住宅

18層，鋼框架-剪力墻-支撐結(jié)構(gòu)體系。上海中福城

1+17層，鋼框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。柱距7.8米。地下為車庫和設(shè)備用房，1～４為商場，５～17為住宅。采用馬鋼耐火H型鋼。

綜上所述可見，鋼結(jié)構(gòu)是在各種工程中廣泛應(yīng)用的一種重要的結(jié)構(gòu)形式。隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展和鋼產(chǎn)量的提高，鋼結(jié)構(gòu)將會發(fā)揮日益重要的作用。

第二節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法

一．結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的：任何結(jié)構(gòu)都是為了完成所要求的某些功能而設(shè)計的。工程結(jié)構(gòu)必須具備下列功能：

1．安全性：結(jié)構(gòu)在正常施工和正常使用條件下，承受可能出現(xiàn)的各種作用的能力，以及在偶然事件發(fā)生時和發(fā)生后，仍保持必要的整體穩(wěn)定性的能力。

2．適用性：結(jié)構(gòu)在正常使用條件下，滿足預(yù)定使用要求的能力。

3．耐久性：結(jié)構(gòu)在正常維護條件下，隨時間變化而仍能滿足預(yù)定功能要求的能力。

結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、耐久性總稱為結(jié)構(gòu)的可靠性。結(jié)構(gòu)設(shè)計（計算）的目的是在滿足各種預(yù)定功能的前提下，做到技術(shù)先進、安全適用、經(jīng)濟合理和確保質(zhì)量。要實現(xiàn)這一目的，必須借助于合理的設(shè)計方法。

二．設(shè)計方法1．影響結(jié)構(gòu)可靠性的因素對于一般的工程結(jié)構(gòu)，影響結(jié)構(gòu)可靠性的因素可以歸并為荷載效應(yīng)S（荷載作用引起的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的內(nèi)力、變形等）和結(jié)構(gòu)抗力R（結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受荷載效應(yīng)的能力，如承載力、剛度等）兩個基本變量。

Z=R-S

（1-1）

Z——結(jié)構(gòu)完成預(yù)定功能狀態(tài)的函數(shù)。

Z>0結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；

Z<0結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)；

Z＝0結(jié)構(gòu)處于臨界狀態(tài)，一旦超過這一狀態(tài)，結(jié)構(gòu)將不再能滿足設(shè)計要求。因此它也稱為極限狀態(tài)。2．概率極限狀態(tài)設(shè)計法1)結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮下列兩種極限狀態(tài)：（1）承載能力極限狀態(tài)：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載能力，或達到不適于繼續(xù)承載的變形的極限狀態(tài)。（2）正常使用極限狀態(tài)：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到使用功能上允許的某一限值的極限狀態(tài)。2)結(jié)構(gòu)可靠度結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率(Pr)

。

Pf=P(z<0)Pr=P(z≥0)=1-Pf

設(shè)計使用年限分類類別設(shè)計使用年限示例15臨時性結(jié)構(gòu)225易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件350普通房屋和構(gòu)筑物4100紀念性建筑和特別重要的結(jié)構(gòu)3）《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB50017)》設(shè)計方法對于承載能力極限狀態(tài)采用應(yīng)力表達式正常使用極限狀態(tài)4）現(xiàn)行水工、橋梁鋼結(jié)構(gòu)專門規(guī)范的設(shè)計方法—容許應(yīng)力法（如水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范SL74-95）

第三節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展我國的鋼產(chǎn)量從1996年起年產(chǎn)已突破1億噸,2001年1.57億噸，2002年預(yù)計可達1.8億噸。高的鋼產(chǎn)量為發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)提供了主要的物質(zhì)基礎(chǔ)。一系列的規(guī)范和規(guī)程的頒發(fā)及計算機技術(shù)的應(yīng)用，使我國的鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展具備了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。《中國建筑技術(shù)政策》（1996年

2010年）中具體地提出了發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)的要求，這是幾十年來第一次國家明確提出的政策支持。這些將會促進鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的進一步發(fā)展，必將對鋼結(jié)構(gòu)提出更多更高的要求。鋼結(jié)構(gòu)是環(huán)保型的、易于產(chǎn)業(yè)化和可再次利用或者說可持續(xù)發(fā)展的結(jié)構(gòu)，應(yīng)積極合理地擴大在工程中的應(yīng)用。一