034《建筑钢结构工程设计施工实例与图集》.pdf

!目目目目目目目目目目目目录录录录录录录录录录录录第一篇钢结构工程设计施工基础资料第一章概述（!）第一节钢结构的特点和应用（!）第二节钢结构的发展（）第三节钢结构体系及其组成的构件（#）第二章钢结构设计基本理论（$%）第一节概率极限状态设计法的基本概念（$%）第二节钢结构设计方法的发展（$#）第三节一次二阶矩概率极限状态设计法（&!）第四节钢材和连接的强度设计值（!#）第三章钢结构施工总则（!）第四章钢结构设计施工基本资料（%&）第一节钢结构工程常用图例（%&）第二节地基基础工程常用资料（）第三节钢结构工程施工常用数据（$!%）第四节新型轻钢结构（$($）第五节钢)混凝土组合结构（&!(）第六节建设施工安全常用技术数据（&）$目录!第二篇钢结构工程材料的选择检验与样图分析第一章建筑钢结构用钢材的分类（!#）第一节碳素结构钢的分类和性质（!#）第二节低合金高强度结构钢的分类和性质（$%&）第三节耐大气腐蚀用钢（耐候钢）（$%）第四节桥梁用结构钢（$%(）第五节其他建筑用材（铸钢、高强钢、不锈钢等）（$&）第二章钢结构材料的主要性能（$&$）第一节钢材在单向均匀受拉时的工作性能（$&）第二节钢材在单轴反复应力作用下的工作性能（$&(）第三节钢材在复杂应力作用下的工作性能（$&）第四节钢材抗冲击的性能及冷弯性能（$!）第五节钢材的可焊性（$!）第六节钢材的抗腐蚀性能（$!）第七节钢材的延性破坏、损伤累积破坏、脆性破坏和疲劳破坏（$!)）第八节影响钢材性能的一般因素（$）第三章结构钢材的品种、规格和标准（$）第一节钢板和钢带（$）第二节普通型材（工、槽、角钢）（$(）第三节轧制*型钢和焊接*型钢（$)）第四节冷弯型钢（$+!）第五节厚度方向性能钢板（$+)）第六节结构用钢管（$+(）第七节其他钢材制品（$+(）第四章钢材的材质检验（$#）!目录第一节钢材化学分析（!#）第二节钢材的力学性能试验（$%&）第三节试验取样要求与数量（$%）第五章建筑钢结构用钢材的技术标准及选用原则（$%(）第一节国内标准（$%(）第二节国外建筑钢结构用钢的概况（$)）第三节钢结构用钢材的选用原则（$!$!）第三篇钢结构设计计算及实例与图集第一章钢结构设计基础知识（$)）第一节建筑结构设计基本规定（$)）第二节钢结构设计计算基础（$#）第三节钢结构的设计方法（$）第二章轴心受力构件设计计算及实例与图集（$(&）第一节轴心受力构件的应用和截面形式（$(&）第二节轴心受力构件的强度和刚度（$($）第三节轴心受压构件的整体稳定（$(）第四节轴心受压构件的局部稳定（#)!）第五节实腹式轴心受压构件的截面设计和构造要求（#)(）第六节格构式轴心受压构件（#&#）第七节冷弯薄壁型钢轴心压杆计算（#$!）第八节梁与轴心受压柱的连接（#$*）第九节轴心受压柱柱脚（#)）第三章梁的设计计算及实例与图集（#）第一节梁的应用和型式（#）!目录第二节梁的强度（!）第三节梁的刚度（!#$）第四节梁的整体稳定（!#!）第五节型钢梁设计（!%&）第六节组合梁设计（!&）第七节梁的局部稳定和加劲肋设计（!&）第八节梁的拼接和连接（#(&）第九节吊车梁的设计特点（#)%）第十节钢与混凝土组合梁（#$*）第十一节梁的塑性设计（#$）第四章拉弯构件和压弯构件设计计算及实例与图集（#!）第一节概述（#!）第二节拉弯构件和压弯构件的强度计算（#%）第三节轴心受压构件的整体稳定（#）第四节实腹式单向压弯构件在弯矩作用平面内的稳定计算（#$）第五节实腹式单向压弯构件在弯矩作用平面外的整体稳定计算（#%$）第六节实腹式双向压弯构件的稳定计算（#%）第七节实腹式压弯构件的局部稳定（#%）第八节压弯构件的计算长度（#&*）第九节框架柱与梁和基础的连接（#&!）第五章桁架、单层刚架与拱（#*）第一节桁架（#*）第二节单层刚架（%(%）第三节拱（%*(）第六章平台钢结构设计计算及实例与图集（%*#）第一节概述（%*#）第二节平台结构构件的形式和计算（%*）目录第三节平台结构的连接和构造（!#）第四节栏杆和钢梯（!$）第七章钢屋盖结构设计计算实例与图集（!%#）第一节屋架形式和尺寸（!%&）第二节屋架杆件的内力计算（!%）第三节屋架杆件的截面设计（!%!）第四节钢屋架的支撑（!$）第五节普通钢屋架设计例题（!）第六节钢结构飞机库屋盖工程施工实例（!(）第八章单层厂房钢结构设计计算及实例与图集（(&）第一节单层厂房钢结构的组成（(&）第二节柱网布置（(&!）第三节厂房结构的横向框架（(&）第四节厂房屋盖结构（()）第五节柱间支撑和墙架（(%*）第六节吊车梁（(%$）第七节普通厂房钢结构设计施工图集（($）第八节钢结构单层工业厂房工程设计施工实例（)）第九节某加工车间设计施工实例（%!）第四篇钢结构的连接构造及实例与图集第一章钢结构的连接概述（(）第一节焊缝连接（(）第二节螺栓连接（*）第三节铆钉连接（&）%目录第二章钢结构的焊接及实例应用（!）第一节焊缝及其连接的型式（!）第二节对接焊缝的构造和计算（!#）第三节角焊缝的构造和计算（$%）第五节焊接应力和焊接变形（$%$）第五节建筑钢结构焊接工程实例（$%$&）第三章钢结构螺栓连接（$%#）第一节概述（$%#）第二节普通螺栓连接（$%(）第三节高强度螺栓连接（$%(）第四章钢结构铆钉连接（$%)）第一节铆钉连接的一般特性（$%)）第二节铆钉的规格（$%)）第三节铆钉的材料及机械性能（$）第四节铆钉机构造及使用（$)）第五节铆钉施工（$）第六节铆钉质量检验（$#）第五章多、高层建筑钢结构节点构造图集（$)$）多、高层民用建筑钢结构节点连接设计的一般规定及其构造要求（$)）附：建筑钢结构焊接技术规程（*+*&$,)%)）（$&!）第五篇钢结构地基基础工程设计施工技术与图集第一章地基基础工程设计施工基础知识（$%(）第一节地基（$%(）#目录第二节桩基础（!）第三节大体积基础承台施工（!#）第二章地基基础工程设计施工图集（!$）第一节扩展基础（!$）第二节筏形基础（!%!）第三节箱形基础（!%&）第四节桩箱或桩筏基础（!%）第五节桩基础（!%）第三章钢结构桩基工程设计施工实例（!(）金茂大厦地下连续墙设计与施工（!(）附录：建筑地基处理技术规范（)*)$+%,%）（!&!）第六篇钢结构工厂化生产组织设计施工技术与实例、图集第一章概述（!(!）第一节钢结构及其制造特点（!(!）第二节钢结构制造厂的生产布置（!(!(）第三节钢结构制作的安全与环境卫生（!(!&）第二章施工组织、常用量具与工具（!(!+）第一节概述（!(!+）第二节审查图纸（!(!+）第三节备料和核对（!(%,）第四节钢材的代用和变通办法（!(%）第五节钢材的检验和堆放（!(%(）第六节编制工艺规程（!(%#）第七节工艺装备技术（!(!）$目录第八节安排生产计划及生产的组织方式（!#$）第九节组织技术交底（!#）第十节构件检验、涂刷标号及装运（!#）第十一节常用量具与工具（!%）第三章放样、样板、样杆与切割、划线（!&）第一节放样、样板和样杆（!&）第二节划线和切割（!&%）第四章成形加工（!(）第一节概述（!(）第二节弯曲（!($）第三节卷板（滚圆）（!)%）第四节边缘加工（!)!)）第五节折边（!)$!）第六节模具压制（!)$）第五章钢结构构件制作实例（!)#）第一节钢球制作（!)#）第二节高层钢结构加工实例（!)）第三节焊接*型钢生产线（!)&）第四节箱型梁柱焊接生产线（!)$）附录：冷弯薄壁型钢结构技术规范（+,)%!$%$）（!)#!）第七篇钢结构工地安装设计施工实例与图集第一章钢结构构件安装（!&$)）第一节钢结构构件组装的规定（!&$)）第二节钢结构构件组装的方法（!&$&）目录第三节组装的常用夹具（!#）第四节组装（!#$）第五节典型结构组装（!%#）第六节钢结构安装程序（!%&）第二章钢结构工地安装（!%$）第一节起重机械、机具及吊索具（!%$）第二节施工准备（!#）第三节吊装（!）第四节工地连接（!）第三章轻型钢结构设计施工实例与图集（!$(）第一节轻型钢结构的范畴与种类（!$(）第二节轻型钢结构的施工概述（!$()）第三节轻型钢结构设计实例与图集（!$!(）第四章网架钢结构设计施工实例与图集（!*）第一节网架的制作、安装与检验（!*）第二节网架钢结构设计施工实例图案（!*)）第五章多层及高层钢结构设计施工实例与图集（#(）第一节多层及高层钢结构基本图集（#(）第二节高层钢结构建筑设计实例（#(*）第三节多屋及高层钢结构设计施工实例（#!#）第六章钢混凝土组合结构设计施工实例与图集（#!）第一节钢混凝土组合结构的施工要点（#!）第二节钢混凝土组合结构设计施工基本图集（#&）第三节钢混凝土组合结构设计施工实例（#)）*目录!第八篇钢结构工程施工质量控制第一章钢结构工程施工质量控制概述（!#）第一节钢结构工程的质量特点与质量控制（!#）第二节钢结构工程施工质量控制的过程（!$）第三节钢结构工程施工质量控制的要求和依据（!%）第四节钢结构工程施工质量控制的方法（!）第二章钢结构工程施工过程质量控制（!&#）第一节钢结构工程施工过程质量控制概述（!&#）第二节制作精度的质量控制（!$!）第三节焊接的质量控制（!$#$）第四节高强度螺栓连接的质量控制（!$!#）第五节安装工程质量控制（!$#）附录：房屋建筑制图统一标准（()*+,#!#）（!$-）总图制图标准（()*+,#$!#）（!$.&）建筑制图标准（()*+,#-!#）（!$&%）建筑结构制图标准（()*+,#,!#）（!-#-）#目录!第 一 篇钢结构工程设计施工基础资料第一章概述第一节钢结构的特点和应用一、钢结构的特点钢结构是用钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢制造而成的。和其它材料的结构相比，钢结构有如下一些特点：（一）材料的强度高，塑性和韧性好钢材和其它建筑材料诸如混凝土、砖石和木材相比，强度要高得多。因此，特别适用于跨度大或荷载很大的构件和结构。钢材还具有塑性和韧性好的特点。塑性好，结构在一般条件下不会因超载而突然断裂；韧性好，结构对动力荷载的适应性强。良好的吸能能力和延性还使钢结构具有优越的抗震性能。另一方面，由于钢材的强度高，做成的构件截面小而壁薄，受压时需要满足稳定的要求，强度有时不能充分发挥。图!给出同样断面的拉杆和压杆受力性能的比较：拉杆的极限承载能力高于压杆。这和混凝土抗压强度远远高于抗拉强度形成鲜明的对比。图!钢拉杆和压杆性能比较#第一章概述（二）材质均匀，和力学计算的假定比较符合钢材内部组织比较接近于匀质和各向同性体，而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。因此，钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合。钢材在冶炼和轧制过程中质量可以严格控制，材质波动的范围小。（三）钢结构制造简便，施工周期短钢结构所用的材料单纯而且是成材，加工比较简便，并能使用机械操作。因此，大量的钢结构一般在专业化的金属结构厂做成构件，精确度较高。构件在工地拼装，可以采用安设简便的普通螺栓和高强度螺栓，有时还可以在地面拼装和焊接成较大的单元再行吊装，以缩短施工周期。小量的钢结构和轻钢屋架，也可以在现场就地制造，随即用简便机具吊装。此外，对已建成的钢结构也比较容易进行改建和加固，用螺栓连接的结构还可以根据需要进行拆迁。（四）钢结构的质量轻钢材的密度虽比混凝土等建筑材料大，但钢结构却比钢筋混凝土结构轻，原因是钢材的强度与密度之比要比混凝土大得多。以同样的跨度承受同样荷载，钢屋架的质量最多不过钢筋混凝土屋架的!#至!$，冷弯薄壁型钢屋架甚至接近!%，为吊装提供了方便条件。对于需要远距离运输的结构，如建造在交通不便的山区和边远地区的工程，质量轻也是一个重要的有利条件。屋盖结构的质量轻，对抵抗地震作用有利。另一方面，质轻的屋盖结构对可变荷载的变动比较敏感，荷载超额的不利影响比较大。受有积灰荷载的结构如不注意及时清灰，可能会造成事故。风吸力可能造成钢屋架的拉、压杆反号，设计时不能忽视。这在钢筋混凝土屋盖结构中是不会出现的。（五）钢材耐腐蚀性差钢材耐腐蚀的性能比较差，必须对结构注意防护。这使维护费用比钢筋混凝土结构高。不过在没有侵蚀性介质的一般厂房中，构件经过彻底除锈并涂上合格的油漆，锈蚀问题并不严重。近年来出现的耐大气腐蚀的钢材具有较好的抗锈性能，已经逐步推广应用。（六）钢材耐热但不耐火钢材长期经受!%&辐射热时，强度没有多大变化，具有一定的耐热性能，但温度达!%&以上时，就须用隔热层加以保护。钢材不耐火，重要的结构必须注意采取防火措施。例如，利用蛭石板、蛭石喷涂层或石膏板等加以防护。二、钢结构的应用范围钢结构的合理应用范围不仅取决于钢结构本身的特性，还受到国民经济具体发展情$第一篇钢结构工程设计施工基础资料况的制约。解放以来，我国的钢产量有很大发展，!#年全国钢产量只有十几万吨，!$年年产量已达到%&万吨。但是我国社会主义现代化建设规模宏大，用钢量与日俱增。所以，供需相比之下钢材仍然是比较短缺的。为了早日实现农业、工业、国防和科学技术的现代化，一方面要根据钢结构的特点，充分利用它为现代化建设服务，另一方面也要十分注意节约钢材。凡能用其它建筑材料合理进行建设的工程，就不要用钢结构。这就是说，决定是否采用钢结构时要有全局观点。当前钢结构的适用范围，就民用建筑和工业企业范围来说，大致如下：（一）大跨度结构结构跨度越大，自重在全部荷载中所占比重也就越大，减轻自重可以获得明显的经济效果。因此，钢结构强度高而质量轻的优点对于大跨结构特别突出。我国人民大会堂的钢屋架、北京和上海等地体育馆的悬索结构和钢网架、陕西秦始皇墓陶俑陈列馆的三铰拱架都是大跨度屋盖的具体例子。大型体育馆屋盖结构的跨度已达!&。在工业建筑中，大跨屋盖结构不断增多，除飞机装配车间（跨度一般在(&以上）外，化肥厂有跨度)&*(&的散装仓库，电机工业有跨度约)&、高度约#&的大型试验室。今后随着现代化建设的进展，将会不断出现更多的大跨度结构。（二）重型厂房结构钢铁联合企业和重型机械制造业有许多车间属于重型厂房。所谓“重”，就是车间里吊车的起重质量大（常在!&吨以上，有的达到#&吨），有的作业也经常繁重（$#小时运转）。这些车间的主要承重骨架往往全部或部分采用钢结构。新建的宝山钢铁公司，主要厂房都是钢结构的。另外，有强烈辐射热的车间，也经常采用钢结构。（三）受动力荷载影响的结构由于钢材具有良好的韧性，设有较大锻锤或产生动力作用等其它设备的厂房，即使屋架跨度不很大，也往往用钢制成。对于抗震能力要求高的结构，用钢来做也是比较适宜的。（四）可拆卸的结构钢结构不仅质量轻，还可以用螺栓或其它便于拆装的手段来连接。需要搬迁的结构，如建筑工地生产和生活用房的骨架，临时性展览馆等，钢结构最为适宜。钢筋混凝土结构施工用的模板支架，现在也趋向于用工具式的钢桁架。（五）高耸结构和高层建筑高耸结构包括塔架和桅杆结构，如高压输电线路的塔架、广播和电视发射用的塔架和桅杆等。广州和上海的电视塔高度分别为$&和$&)米。!+年建成的北京环境气象塔高,$)米，是五层拉线的桅杆结构。高层建筑的骨架，也是钢结构应用范围的一个方)第一章概述面，目前北京和上海等地已在兴建!至#屋的宾馆、贸易中心一类的钢结构房屋。（六）容器和其它构筑物用钢板焊成的容器具有密封和耐高压的特点，广泛用于冶金、石油、化工企业中，包括油罐、煤气罐、高炉、热风炉等。此外，经常使用的还有皮带通廊栈桥、管道支架、钻井和采油塔架，以及海上采油平台等其它钢构筑物。（七）轻型钢结构钢结构质量轻不仅对大跨结构有利，对使用荷载特别轻的小跨结构也有优越性。因为使用荷载特别轻时，小跨结构的自重也就成了一个重要因素。冷弯薄壁型钢屋架在一定条件下的用钢量可以不超过钢筋混凝土屋架的用钢量。以上指出的是除桥梁以外的钢结构适用范围的一般情况，具体问题还要结合具体条件分析确定。例如，急需早日交付使用的重点工程，可以适当放宽钢结构的应用范围以争取时间。在有侵蚀性介质的环境里如果要用钢结构，则应采用耐大气腐蚀的钢种。第二节钢结构的发展钢结构是一种具有较大优势的建筑结构，近年来随着我国改革开放进程的加快和钢材产量的不断提高，钢结构发展迅速，钢材的开发、计算的改进、新结构体系的应用等方面都有很大进展。一、高强度钢材的研制开发我国目前普遍采用的钢材有$%!#（屈服强度为&(%!#)*+%）、$!,#钢（屈服强度为&(!,#)*+%）、$!-钢（屈服强度为&(!-)*+%）和$,%（屈服强度为&(,%)*+%）。第一种钢材是普通碳素结构钢，后三种是低合金高强度结构钢。这四种钢材均列入钢结构设计规范。其中$,%钢是新增加的钢种。采用高强度钢材可用较少的材料作成高效的结构，对特大跨度结构、超高层建筑和高耸结构极为有利。对于连接材料，配合高强度钢材的应用，钢结构设计规范也规定了与上述四种钢材相匹配的.,!型（&(!)*+%）、.#型（&(,/)*+%）和.#型（&(,)*+%）焊条。高强度螺栓应用!#号钢、,#号钢（屈服强度&(00)*+%）经热处理后制成 121级螺栓，%34567 钢（屈服强度&(-,)*+%）制成/2-级螺栓。还有尚未列入规范的 021 级高强度螺栓也在高耸结构安装中普遍使用。0第一篇钢结构工程设计施工基础资料二、结构和构件计算的研究改进现代钢结构已广泛应用新的计算技术和测试技术，对结构和构件进行深入计算和测试，为了解结构和构件的实际工作提供了有利条件，先进的计算和测试技术决定了材料的合理使用，从而保证了结构的安全，也增强了经济效益。新的钢结构规范中，反映了多年以来的研究成果，这些成果也是当前工程设计中经常遇到的问题，例如，钢管结构的杆件和节点承载力、增加了空间圆管节点强度计算公式和矩形管或方管结构设计计算方法，以及一些构造规定。钢与混凝土组合梁，增加了连续组合梁负弯矩部位的计算方法，楼板为压型组合板的组合梁计算和构造特点，以及部分抗剪连接的组合梁的设计规定。在构造要求中增加了大跨度屋盖结构的设计和构造要求，增加了提高寒冷地区抗脆断能力要求等。这些新规定是改进计算方法的一个重要方面。三、结构形式的革新和应用高强度钢材和新结构形式的应用是提高钢结构成效的重要因素，新结构形式有薄壁型钢结构、悬索结构、悬挂结构、网架结构和预应力钢结构等。这些结构均适用于轻型、大跨屋盖结构、高层建筑。对减少用钢量有重要意义。型钢截面除了传统的角钢、槽钢、工字钢外，!型钢（平行宽翼缘工字钢）也成为近年来常用的一种型钢截面。现在我国马鞍山钢铁股份有限公司等，已能轧制腹板高度为#$%#&的梁、柱、桩三种类型的优质!型钢。符合国家标准热轧!型钢和部分 型钢（()*+,-+./）规定的型号系列。填补了我国钢材产品的空白，为我国工业与民用建筑提供了可选材料。上海大通钢结构有限公司等生产的一系列符合上述标准的高频焊接轻型!型钢，其抗压、抗弯性能与轧制的!型钢完全相同，而强度略有提高。!型钢是一种经济断面钢材，与普通工字钢相比，翼缘要宽，侧向刚度较大，一般绕弱轴的惯性矩要大一倍以上，抗弯、抗压、抗扭、抗震能力强，翼缘内、外表面平行，便于机械加工，便于结构连接和安装，可使钢结构构件用钢量减少,0$+%0，我国新的钢结构构件设计规范已列入热轧!型钢。压型钢板是一种新产品，由厚度#12$+&的薄钢板模压成锯齿型。它具有一定的抗弯能力，作为非承重构件的压型钢板的模板使用，可兼作工作平台而不需脚手架，其经济性和安全性显而易见，还可大大缩短施工周期。保温材料（聚氨脂塑料）与压型钢板组成的合成板，其使用范围更广，作为外墙板、屋面板在轻型厂房中使用得非常广泛，其自重仅+#34*&。压型钢板上面浇灌混凝土后，可用做楼盖层，压型钢板既是楼板的抗拉筋，又替代了模板，而且可以作为无耐火被覆的耐火构件。压型钢板与混凝土组成的合成板，是一%第一章概述种施工性好、经济性好的楼板形式，目前已成为钢结构建筑楼面的主流。!年代金属拱形波纹屋盖结构在我国兴起，它是采用#$%&#(厚的彩色钢板轧制出)形或梯形波纹直槽板，然后再轧制出拱形槽板连成一片形成屋盖结构。这种预涂层钢板通常为热镀锌钢板，强度在*&%+,-之间，极限使用寿命.%年，最大跨度可达.(，钢板厚&#(，用钢指标仅*/01(*。它的优点是用钢省，施工速度快，跨越能力大，防水防腐好，造型美观，可作为厂房、仓库、加油站、体育场、展览厅等屋盖结构，是我国目前发展比较快的一种屋盖结构。四、钢和混凝土组合构件的应用钢和混凝土组合构件是一种各取所长的结合，钢的强度高，宜受拉，混凝土则宜受压，两种材料结合，都能充分发挥各自优势，是一种合理的结构。楼板采用混凝土翼板与钢梁通过抗剪连接件组成一体的组合结构，其组合梁的混凝土板受压，钢梁受拉，各得其所，是非常经济的结构形式。采用压型钢板作混凝土翼缘板底模的组合梁，也有同样的经济效益。高层建筑和多层住宅已广泛采用钢与混凝土组合梁，组合结构计算与构造已列入新修编的钢结构规范中。另一种钢与混凝土组合结构是钢管混凝土结构，这种结构是采用薄壁钢管（圆管或方管）内灌素混凝土。在压力作用下，钢管和混凝土之间产生相互作用的紧箍力，使混凝土处于三向受压的应力状态下工作，大大提高了混凝土抗压强度，改善了塑性，提高了抗震性能，而薄钢管在混凝土挤压下不易屈曲，提高了钢管局部稳定性，使钢材强度得到充分发挥。据试验研究，钢管混凝土强度比单钢管或同样截面混凝土强度提高了好几倍。钢管混凝土柱特别适用于轴心受压构件，在高层建筑、工业厂房及多层住宅已有很多应用，并有推荐性标准钢管混凝土结构设计与施工规程（2324*5：!）问世。钢管混凝土是一种具有承载力高、塑性、韧性好、节省材料、方便施工、较好经济效益等特点的新型组合结构，很有发展前景。第三节钢结构体系及其组成的构件钢结构的应用范围极其广泛。为了能更好发挥钢材的性能，有效地承担外荷载，不同的工程结构采用的结构形式也将有所不同。因此，钢结构的主要结构形式比较多一、用于房屋建筑的主要结构形式（&）单层工业厂房常用的结构形式是由一系列的平面承重结构用支撑构件联成空间整体（图&6&6*）。在这种结构形式中，外荷载主要由平面承重结构承担，纵向水平5第一篇钢结构工程设计施工基础资料荷载由支撑承受和传递。平面承重结构又可有多处形式。最常见的为横梁与柱刚接的门式刚架和横梁（桁架）与柱铰接的排架。图!#单层厂房常用结构形式图!$平板网架（#）大跨度单层房屋的结构形式众多，常用的有以下几种：!平板网架。图!$给出了两种双层平板网架，图!$（%）为由杆件形成的倒置四角锥组成，图!$（&）由三个方向交叉的桁架组成。这种结构形式目前也已在单层工业房屋中广泛应用。网壳。网壳的形式比较多，图!给出了常用的几种。图!（%）为筒状网壳，也称筒壳，可以是单层或双层的；双层时一般由倒置四角锥组成。图!（&）、（(）为球状网壳，也称球壳，无论是单层图（!&）或双层图（!(），其网格都可以有多种分格方式。#空间桁架或空间刚架体系。上海浦东国际机场航站楼的屋盖采用了这种体系。$悬索。悬索结构是一种极为活跃的结构，其形式之多可谓不胜枚举，图!)给出了少量的常用形式。图!)（%）和（&）是预应力双层悬索体系，图!)（(）和（*）是预应力鞍形索网体系。%杂交结构。杂+第一章概述图!#网壳图!$悬索结构交结构是指不同结构形式组合在一起的结构。图!%（&）是拱与索网组合在一起，图!%（）是拉索与平板网架组合在一起的斜拉网架。!张拉集成结构。张拉集成结构是一种主要用拉索通过预应力张拉与少量压杆组成的结构。这种结构形式可以跨越较大空间是目前空间结构中跨度最大的结构，具有极佳的经济指标。图!(所示是一种)#*+,!-.+椭圆形平面的张拉集成结构，这种形式也称索穹顶。索膜结构。索膜结构由索和膜组成，具有自重轻，体形灵活多样的优点，适宜用于大跨度公共建筑。图!/为一!*#+,%(+的溜水馆结构。（.）多层、高层及超高层建筑所承受的风荷载或地震作用随着房屋高度的增加而迅*!第一篇钢结构工程设计施工基础资料图!#杂交结构图!$张拉集成结构速增加，如何有效地承受水平力是考虑结构形式的一个重要问题。根据高度的不同，多层、高层及超高层建筑可采用以下合适的结构形式：!刚架结构，梁和柱刚性连接形成多层多跨刚架（图!%&），承受水平荷载，刚架支撑结构，即由刚架和支撑体系（包括抗剪桁架、剪力墙和核心筒）组成的结构，图!%（(）即为刚架抗剪桁架结构，#框筒、筒中筒、束筒等筒体结构，图!%（)）为一束筒结构形式，$巨型结构包括巨型桁架和巨型框架（图!%*）。!第一章概述图!#索膜结构二、用于桥梁的主要结构形式用于桥梁的主要结构形式有如下几种：!实腹板梁式结构，可以采用$形截面或箱形截面（图!%&）；桁架式结构，桁架可以是简支的也可以是连续的（图!%）；#拱或刚架式结构，图!%（(）是拱式结构的一种常见形式；拱和刚架可以做成实腹的，也可以是格构式的；$拱与梁桁架的组合结构，图!%（)）是用柔性拱与梁结合的形式；%斜拉结构，图!%（*）是斜拉结构的一种形式，斜拉索采用高强度预应力钢缆；&悬索结构，图!%（+）是悬索结构的一种形式。三、用于塔桅的主要结构形式塔桅的主要结构形式为：!桅杆结构（图!&），杆身依靠纤绳的牵拉而站,!第一篇钢结构工程设计施工基础资料图!#多层、高层及超高层建筑的结构形式立，杆身可采用圆管或三角形、四边形等格构杆件；!塔架结构，塔架立面轮廓线可采用直线形、单折线形、多折线形和带有拱形底座的多折线形（图!$）等，平面可分为三角形、四边形、六边形、八边形等。四、各种结构形式组成构件的分类从房屋建筑、桥梁、塔桅以及其他工程结构所采用的主要结构形式来看，除了容器（如储液罐、储气罐、囤仓、炉体等）和管道（如输油管、输气管、压力水管等）采用钢板壳体结构外，一般都由杆件系统和索组成。分析这些杆件的受力，可以归结为拉索、拉杆、压杆、受弯杆件、受拉受弯构件（简称拉弯构件）、受压受弯构件（简称压弯杆件）、拱、刚架等。有时钢构件还与混凝土组合在一起，形成组合构件，如钢管混凝土、型钢混凝土构件等。由于这些杆件是组成各种结构形式的最基本单元，因此成为钢结构的基本构件。为了能精确地掌握钢结构各种结构形式的受力性能，首先必须掌握钢结构基本构件的工作性能及其分析的基本理论。本教材钢结构基本原理的宗旨即在于此。在以下几章中，将对钢结构的材料、受拉构件、拉弯构件及索、轴心受压构件、受弯构件、压弯构件、桁架、单层刚架与拱以及组合构件等的受力性能及其分析的基本理论进行阐述。%!第一章概述图!#桥梁的主要结构形式图!塔桅结构$!第一篇钢结构工程设计施工基础资料第二章钢结构设计基本理论新颁布的钢结构设计规范!#$%&和冷弯薄壁型钢结构技术规范!#$&%中的设计原则都是根据建筑结构可靠度设计统一标准制订的，采用以概率为基础的极限状态设计法，用分项系数的设计表达式进行计算。因此本章内容主要包括：（$）一次二阶矩概率极限状态设计法；（(）分项系数表达的概率极限状态设计实用表达式以及钢结构习用的应力表达式；（)）规范!#$%&中钢材和连接的强度设计值。第一节概率极限状态设计法的基本概念为了便于后面讲述概率极限状态设计法，现对有关概念加以简介。一、结构的功能要求结构设计的目的是要使设计的结构能够满足各种预定功能要求。建筑结构设计统一标准规定，建筑结构必须满足下列功能要求：（一）安全性结构应能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种荷载及引起结构外加变形或约束变形的其它作用（如支座沉陷、温度变化），在偶然事件（如地震）发生时及发生后仍能保持必需的整体稳定，不致倒塌。（二）适用性结构在正常使用荷载作用下应具有良好工作性能，满足预定的使用要求，例如不产生影响正常使用的过大变形等。（三）耐久性结构在正常维护下，应随时间的变化仍能满足预定功能要求，例如不发生严重锈蚀而影响结构的使用寿命等。*$第二章钢结构设计基本理论二、结构的可靠性、可靠度、失效概率结构的可靠性是指结构在规定的时间（设计基准期，一般取!年）内，在规定的条件（正常设计、正常施工、正常使用和正常维护）下，完成预定的安全性、适用性和耐久性等功能的能力。显然，结构具有安全性、适用性和耐久性，即可认为结构具有可靠性；因而也可以说，结构可靠性是关于结构安全性、适用性和耐久性的概称。用来度量结构可靠性的指标称为可靠度。它是可靠性的定量描述，它表示可靠程度的大小。用来度量安全性的指标称为安全度。可靠度比安全度的含义更广泛，但安全度是可靠度最重要的内容。由于影响可靠性的各种因素存在着不定性，如荷载、材料性能等的变异、计算模型的不完善，制作、安装质量的差异等，而且这些因素都是随机的，因此度量可靠性比较科学的方法是用概率表示。可靠度是指结构在规定时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率，它是结构可靠性的概率度量。结构能够完成预定功能的概率称为可靠概率（#$），反之，结构不能完成预定功能的概率称为失效概率（#%），二者互补，即#$&#%(。在结构设计中，除了满足可靠性要求外，还必须考虑经济性。二者之间是经常互相矛盾的。结构设计要解决的基本问题，就是在结构的可靠与经济之间选择一种合理的平衡，力求以比较最经济的途径，使所设计的结构具有适当的可靠度，也就是以适当的可靠度来满足各种预定的功能要求。从概率的观点看，结构的安全可靠不可能是绝对的，即不可能是百分之百的，总是存在风险的。但只要结构的失效概率足够小，小到人们可以接受的程度，就可以认为这一结构设计是可靠的。根据这样的认识而得到的计算方法称为概率法。三、结构上的作用、作用效应、结构构件抗力结构上的作用是指使结构产生效应（即内力、变形、应力、应变等）的各种原因的总称。作用可分为直接作用和间接作用两类。直接作用是指直接施加于结构上的集中或分布的力，如结构自重、楼面活荷载、吊车荷载等，统称为荷载。间接作用是指引起结构外加变形或约束变形的其他作用，以变形形式作用于结构，如温度变化、基础沉降、焊接、地震等。作用按随时间的变异可分为永久作用、可变作用和偶然作用。永久作用指在设计基准期（结构使用期）内其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的，如结构自重、土压力、预加应力、基础沉降、焊接等。永久荷载习称恒荷载。可变作用指在设计基准期内其值随时间变化，且其变化与平均值比较不可忽略的，如安装荷载、楼面活荷载、风荷载、雪荷载、吊车荷载、温度变化、常遇地震等。可变荷载习称活荷载。偶然作用指在设计基准期内不一定出现，而一旦出现，其量值很大且持续时间较短)(第一篇钢结构工程设计施工基础资料的，如地震、爆炸力、撞击力等。作用效应（!）是指结构上的作用引起的结构或其构件的内力和变形，如轴力、弯矩、剪力、扭矩、应力和挠度、转角、应变等。当作用为荷载时，其效应也可称为荷载效应。本章主要讨论荷载效应。因为结构上的作用是不确定的随机变量，所以作用（荷载）效应!一般也是随机变量。作用在结构上的荷载 与荷载效应!之间，在简单情况下一般存在线性比例关系，即!#$（%&%）式中常数$称为荷载效应系数，与结构型式和荷载情况有关。例如一简支梁的跨中作用一集中荷载，计算最大弯矩时，$#!()，!为梁的跨度。在这种情况下，荷载效应的统计规律可按与荷载的统计规律一致来考虑。结构（构件）抗力（*）是指结构或构件承受内力和变形的能力，如构件的承载能力、刚度等。结构（构件）的抗力是结构（构件）材料性能（强度、弹性模量等）、几何参数和计算模式的函数。由于材料性能的变异性、构件几何特征的不定性和计算模式的不定性，结构（抗件）抗力也是随机变量。四、结构的极限状态和极限状态方程（一）结构的极限状态结构的极限状态可以这样来定义：整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。可见，结构或构件的极限状态是指结构或构件能够满足设计规定的某一功能要求的临界状态。结构的极限状态可分为下面两类：%+承载能力极限状态这种极限状态对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。当结构或构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态：（%）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡，如结构发生倾覆等；（）结构构件或连接因材料强度被超过而破坏（包括疲劳破坏），或因过度的塑性变形而不适于继续承载；（,）结构转变为机动体系；（)）结构或构件丧失稳定，如压杆屈曲等。+正常使用极限状态这种极限状态对应于结构或构件达到正常使用或耐久性的某项限值。当结构或构件出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态：（%）影响正常使用或外观的变形；（）影响正常使用的振动；-%第二章钢结构设计基本理论（!）影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；（）影响正常使用的其他特定状态。按照各种结构的特点和使用要求，对结构的各种极限状态均应规定明确的标志和具体限值。结构设计时，应考虑各种有关的极限状态。这样，以相应于结构或构件各种功能要求的极限状态作为结构设计依据的设计方法称为极限状态设计法。通常是按承载能力极限状态设计结构构件，再按正常使用极限状态进行校核。（二）极限状态方程和结构的功能函数结构或构件的极限状态可以用荷载（作用）效应#和结构或构件抗力$之间的关系来描述。结构或构件所处的状态可以概括为：$!#或写成%&$#!(（)*）显然，当%+(，即$+#，结构或构件处于可靠状态；当%,(，即$,#，结构或构件处于失效状态；当%&(，即$&#，结构或构件处于极限状态。%&$#&(称为极限状态方程。%&-（$，#）是反映结构完成功能状态的函数，称为结构功能函数或状态函数，也称为安全裕度。更一般的情况，极限状态方程%&-（$，#）&(可写成：%&-（.)，.*，./）&(（)*!）式中.0（0&)，*，/）称为基本变量，表示计算结构各种荷载（作用）效应时采用的各种荷载值及影响结构抗力的各种因素，如材料性能、几何参数、计算模式等。可见，通过%&-（）可以判断结构所处的状态；结构的极限状态可用极限状态方程来描述，它是结构可靠状态与失效状态的界限状态。因为结构功能函数中的基本变量都是随机的，所以结构可靠性用概率来度量不仅是可能的，而且是科学的、合理的。第二节钢结构设计方法的发展结构设计（计算）方法按力学计算可分为弹性设计法和塑性设计法；从可靠度观点看，则可分为安全系数（定值）设计法和概率设计法两大类。随着科学的进步和工程实践的进展，结构设计方法不断地发展。本节从可靠度角度介绍钢结构设计方法从较早的安全系数法向概率极限状态设计法的演变和发展。1)第一篇钢结构工程设计施工基础资料一、安全系数法从前节知道，影响结构可靠性的荷载效应和结构构件抗力的基本变量都具有不定性，最好采用统计数学来处理。但限于数学的进展和人们认识的局限，长期以来，结构设计的不定性问题是用定值（确定性）方法来处理的。最早的结构设计是以纯经验为依据的。到了!世纪，随着弹性体系力学的发展，提出了容许应力设计法，是安全系数法最早的一种。在!#$年以前，我国钢结构设计一直采用传统的容许应力设计法。在%&世纪&年代，随着对结构弹塑性和塑性受力及其破坏的研究的发展和深入，又提出了最大荷载设计法（也称极限荷载设计法、破坏荷载设计法、破坏强度设计法或极限设计法等）。这种设计法仍采用安全系数的表达形式，但考虑结构材料的破坏阶段，因而比传统的容许应力设计法前进一步。（一）传统的容许应力设计法这种方法的设计准则是：结构构件的计算应力!应不超过结构设计规范规定的容许应力!，其表达式为：!(!)*+!（!,%,-）式中#)为构件由各种标准荷载产生的总内力；+为构件的几何参数（截面面积或截面抵抗矩等）；构件应力!按弹性受力公式计算。容许应力是将构件材料的极限应力（钢材屈服点标准值./）除以大于!的安全系数0 而得，即：!(./*0（!,%,#）对于一般钢结构，采用 0(!1-2!1$；例如%&世纪#&年代初我国钢结构设计规范试行草案（规结-3#-）中 号钢在主要荷载作用时，取 0(!1#，即!(%#*!1#(!#$)*44%。取 0 值大于!是考虑到结构在使用过程中，作用于结构上的各种荷载可能大于标准值，钢材屈服点可能小于标准值，截面尺寸可能偏小，计算图形不够准确，制造、安装产生的偏差以及未认识到的其它偏差等。