钢结构设计原理
1.1 钢结构的特点
钢结构主要是指由钢板、热轧型钢、薄壁型钢或焊接型材等构件通过连接件连接组合而成的结构，它是土木工程的主要结构形式之一。目前，钢结构在工业厂房、大跨结构、房屋建筑、桥梁、塔桅和特种结构中都得到广泛采用，这是由于钢结构与其他材料的结构相比有如下特点：
(1) 建筑钢材强度高，塑性和韧性好
强度高，钢与混凝土、木材相比，虽密度较大，但其强度较混凝土和木材要高得多，其密度与强度的比值一般比混凝土和木材小，因此在同样受力的情况下，钢结构与钢筋混凝土结构和木结构相比，构件较小，质量较轻。适用于建造跨度大、高度高和承载重的结构。
塑性好，结构在一般条件下不会因超载而突然断裂，只会增大变形，因此容易被发现。此外，还能将局部高峰应力重分配，使应力变化趋于平缓。
韧性好，适宜在动力荷载下工作，因此在地震区采用钢结构较为有利。
(2) 钢结构的重量轻
钢材容重大，强度高，但做成的结构却比较轻。结构的轻质性可用材料的质量密度 和强度 的比值 来衡量， 值越小，结构相对越轻。建筑钢材的 值 在 之 间 ； 木 材 的 值 为 ； 钢 筋 混 凝 土 的 值 约 为 。以同样的跨度承受同样的荷载，钢屋架的质量最多不过为钢筋混凝土屋架的1/4～1/3，冷弯薄壁型钢钢屋架甚至接近1/10。
重量轻，可减小基础的负荷，降低地基、基础部分的造价，同时还方便运输和安装。
(3) 材质均匀，和力学计算的假定比较符合
钢材由于冶炼和轧制过程的严格控制，材质波动范围小，其内部组织比较均匀，接近各向同性，可视为理想的弹—塑性体，因此，钢结构的实际受力情况和工程力学的计算结果比较符合，在计算中采用的经验公式不多，从而，计算的不确定性较小，计算结果比较可靠。
(4) 钢结构制造简便，施工工期短
钢结构构件一般采用由专业化的金属结构厂轧制成型的各种型材，制作简便，准确度和精密度都较高。制成的构件可直接运到现场拼装，采用焊接或螺栓连接。钢构件重量较轻、连接简单、安装方便、施工机械化程度高、施工工期短、降低造价，综合经济效益较好。
(5) 钢结构密封性较好
钢结构采用焊接连接后，水密性和气密性较好，适用于做要求密闭的板壳结构，如高压容器、大型油库、油罐、气柜和管道等。
(6) 钢材耐热但不耐火
钢材受热温度在200℃以内，钢材主要性能（屈服强度和弹性模量）变化很小，当温度达到200℃以上时，强度逐渐下降，因此，规范规定钢材表面温度超过150℃时需用隔热层加以保护。钢材耐火性较差，在需要防火时，应采取防火措施，如在构件表面喷涂防火涂料等。
(7) 钢结构耐腐蚀性差
钢材在潮湿环境中，特别是在处于有腐蚀性介质的环境中容易锈蚀，耐腐蚀性能较差，因此，钢结构应定期刷涂料加以保护。。 (8) 钢结构在低温和其他条件下可能发生脆性断裂
钢结构在低温和某些条件下，可能发生脆性断裂，应引起设计者的特别注意。
1.2 钢结构的应用和发展
1.2.1 钢结构的应用
钢结构的合理应用范围不仅取决于钢结构本身的特性，还取决于国民经济的发展情况。过去由于我国钢产量较低，钢结构的应用受到了一定的限制。近年来，我国钢产量有了很大的提高。据统计，1996年我国钢产量已是世界第一，2004年钢产量达到2.7亿吨，2006年4.3亿吨，2008年5.0亿吨，2008年中国钢产量占世界粗钢总产量的38％，是排名第2位到第4位的日本（1.2亿吨）、美国（0.9亿吨）、俄罗斯（0.7亿吨）3国钢产量总和的1.8倍。随着我国钢产量的不断提高，建设部在1997年颁布的《中国建筑技术政策》（1996~2010）中提出了合理发展钢结构技术政策，加以钢结构的结构形式和设计手段不断推陈出新，使得钢结构的应用范围越来越广泛。
根据我国的实践经验，工业与民用建筑钢结构的合理应用范围大致如下（图1-1～1-20）：
(1) 工业厂房
重型车间的承重骨架，例如冶金工厂的平炉车间、初轧车间、混铁炉车间，重机厂的铸钢车间、锻压车间，造船厂的船台车间，飞机制造厂的装配车间，以及其他车间的屋架、柱、吊车梁等常用钢结构。我国几个著名的钢都——首钢、鞍钢、包钢、武钢以及上海的宝钢都有各种规模的钢结构厂房。
图1-1 重型工业厂房
(2) 大跨结构
钢结构由于具有强度高、自重轻的优点，最适用于建造大跨度结构，如飞机库、体育馆、火车站、展览厅、影剧院、会展中心等。
图1-2 国家游泳中心“水立方”
图1-3 国家体育场“鸟巢”
图1-4 网壳结构
图1-5平板网架
(3) 多层和高层建筑
多层和高层建筑的骨架可采用钢结构。近年来，钢结构在此领域已逐步得到较多应用。其结构形式主要有框架、框架－支撑结构、框筒、悬挂、巨型框架等。
图1-6 金茂大厦图
图1-7 上海环球金融中心
(4)轻型钢结构
轻型钢结构主要包括轻型门式刚架房屋钢结构、冷弯薄壁型钢结构和钢管结构。其中门式刚架轻型房屋钢结构由于具有建造快、用钢量省、综合经济效益好等优点，得到了广泛的应用。目前主要用于建造工业厂房、仓库和办公楼等，并向住宅和别墅发展。
图1-9 使用中的轻钢厂房
图1-10 兴建中的轻钢别墅
图1-11 使用中的轻钢别墅
(5)高耸结构
高耸结构包括桅杆和塔架结构，例如输电线路塔架、无线电广播发射桅杆、电视播映发射塔.环境气象塔、卫星或火箭发射塔等。
图1-12 法国埃菲尔铁塔
图1-13 多功能电视发射塔
(6)板壳结构
一般对气密性和液密性要求较高，如油库、油罐、水塔、输油管、输气管等。
图1-14 兴建中的油罐
图1-15 使用中的油罐
(7)可拆卸和移动式结构
建筑工地的生活、生产等临时房屋.流动式展览馆等，这些结构往往做成可拆卸的。移动式结构如塔式起重机和龙门式起重机等。
图1-16 钢结构临时用房
图1-17 龙门式起重机
(8) 承受振动荷载影响和地震作用的结构
设有较大锻锤的车间，其骨架直接承受的动力尽管不大，但间接的振动却较为强烈，尽量采用钢结构。对于抗震要求较高的结构宜采用钢结构。
(9) 其他特种结构
如管道支架、井架和海上采油平台等。
图1-18 输油管道支架
图1-19 海上采油平台
(10) 钢—混凝土组合结构
钢构件和板件受压时必须满足稳定性要求，往往不能充分发挥它的强度高的作用，而混凝土则最宜于受压不适于受拉，将钢材和混凝土并用，使两种材料都充分发挥它的长处，是一种很合理的结构。近年来这种结构在我国获得了长足的发展，广泛应用于高层建筑(如深圳的赛格广场)、大跨桥梁、工业厂房和地铁站台柱等。主要构件形式有钢与混凝土组合梁、钢骨混凝土柱和钢管混凝土柱等。
1.2.2 钢结构的发展
钢结构是由生铁结构逐步发展起来的，中国是最早用铁制造承重结构的国家。远在秦始皇时代（公元前二百多年），就有了用铁建造的桥墩，汉朝时期建造了铁链悬桥；公元58~75年建造了蓝津桥；1061年（宋代）建造了湖北荆州玉泉寺铁塔（13层），这些都表明我国古代在冶金技术方面具有较高的水平。
欧美等国家中最早将铁作为建筑材料的当属英国，但直到1840年以前，还只是采用铸铁来建造拱桥。1840年以后，随着铆钉连接和锻铁技术的发展，铸铁结构逐渐被锻铁结构取代，1846-1850年间在英国威尔士修建的布里塔尼亚桥是这方面的典型代表。随着1855年英国人发明贝氏转炉炼钢法和1865年法国人发明平炉炼钢法，以及1870年成功轧制出工字钢之后，在工业上逐步形成了大批量生产钢材的能力，强度高且韧性好的钢材开始在建筑领域逐渐取代锻铁材料，在1890年以后成为金属结构的主要材料。20世纪初焊接技术的出现，以及1934年高强度螺栓连接的出现，极大地促进了钢结构的发展。除西欧、北美之外，钢结构在前苏联和日本等国家也获得了广泛的应用，逐渐发展成为全世界所接受的重要结构体系。
中国古代在金属结构方面虽有卓越的成就，但由于受到内部的束缚和外部的侵略，相当一段时间内发展较为缓慢。即使这样，我国工程师和工人仍有不少优秀设计和创造，如1927年建成的沈阳黄姑屯机车厂钢结构厂房，1928～1931年建成的广州中心纪念堂圆屋，1934～1937年建成的杭州钱塘江大桥等。
新中国成立以后，随着经济建设的发展，钢结构在重型工业厂房、大跨度公共建筑、桥梁以及桅杆结构中得到一定程度的发展。例如我国几个大型的钢铁企业如鞍山和武汉等钢厂的炼钢、轧钢和连铸车间等都采用钢结构；在公共建筑方面，1975 年建成跨度达110m 的三向网架上海体育馆、1962 年建成直径为94m的圆形双层辐射式悬索结构北京工人体育馆馆；桥梁方面，1957年建成的武汉长江大桥和1968 年建成的南京长江大桥都采用了铁路公路两用双层钢桁架桥；在塔桅结构方面，广州、上海等地都建造了高度超过200m的多边形空间桁架钢电视塔1977年北京建成的环境气象塔是一个高达325m的5层纤绳三角形杆身的钢桅杆结构。
改革开放以后，我国经济建设有了突飞猛进的发展，钢结构也有了前所未有的发展，应用的领域有了较大的扩展。高层和超高层房屋、单层轻型厂房、体育场馆、大跨度会展中心、大型客机检修库、大跨度公路桥梁以及海上采油平台等都已采用钢结构。目前已建和在建的高层和超高层钢结构已有30 余幢，其中地上88 层、地下3 层、高421m 的上海金茂大厦和地上101层、地下3层、高492米的上海环球金融中心的建成，标志着我国的超高层钢结构已进入世界前列。在大跨度建筑和单层工业厂房中，网架和网壳等结构的广泛应用，已受到世界各国的瞩目，其中上海体育馆马鞍型环形大悬挑空间钢结构屋盖和上海浦东国际机场航站楼张弦梁屋盖的建成，更标志着我国的大跨度空间钢结构已进入世界先进行列。桥梁方面，九江长江大桥、上海、杨浦大桥和江阴长江大桥等桥梁的建成标志着我国已有能力建造任何现代化的桥梁。2008年我国钢产量达到5.0亿吨，已连续多年高居世界各国钢铁年产量榜首。钢材质量及钢材规格也已能满足建筑钢结构的要求。市场经济的发展与不断成熟更为钢结构的发展创造了条件。因此，我国钢结构正处于迅速发展的前期。可以预期，今后我国钢结构的发展方向主要在以下几个方面：
(1) 发展高强度低合金钢材。逐步发展高强度低合金钢材，除Q235 钢、Q345 钢外，Q390 钢和Q420 钢在钢结构中的应用尚有待进一步研究。
(2) 钢结构设计方法的改进。概率极限状态设计方法还有待发展，因为它计算的可靠度还只是构件或某一截面的可靠度，而不是结构体系的可靠度，同时也不适用于疲劳计算的反复荷载作用下的结构。另外，结构设计上考虑优化理论的应用与计算机辅助设计及绘图都得到很大的发展，今后还应继续研究和改进。
(3) 结构形式的革新。今后钢结构建筑会向超高层、大跨度和特殊造型等方面发展。特殊造型以广州电视塔、“央视”和“鸟巢”为代表，同时首都、武汉、白云机场以及一些现代化的火车站等建筑形式也开始向空间曲线、大跨度方向发展，这些都开始对钢结构现有的结构形式提出了严峻的考验，因此结构形式的革新也是今后值得研究的课题，如索膜结构、张弦桁架、悬挂结构、超高层钢结构等。
1.3 钢结构的设计方法
1.3.1 概述
结构设计的目的在于确保所设计的结构或构件在施工和使用过程中能够满足预期的安全性和使用性的要求。因此，结构设计的准则为：结构由各种荷载所产生的效应(内力和变形)不大于结构由材料性能和几何因素等所决定的抗力或规定限值。影响结构功能的各种因素，如荷载的大小、截面的尺寸的大小、材料强度的高低和施工的质量好坏等都是随机变量，具有不确定性，因此，荷载效应有可能大于结构抗力，结构不可能百分百的可靠，而只能对其作出一定的概率保证，在设计中如何对待上述问题就出现了不同的设计方法。
早期的钢结构设计采用容许应力设计法，即把钢材可以使用的最大强度，除以一个安全系数，作为结构计算时所容许达到的最大应力——容许应力，设计应力必须小于或等于容许应力，表达式为
式中： ——构件的设计应力。
——钢材的容许应力。 ——钢材的屈服点。 ——安全系数。
容许应力设计法采用一个固定值的安全系数来衡量结构的安全性，计算简单但不能从定量上衡量结构的可靠度，更不能使各类结构的安全度达到同一水平，所以该方法对结构可靠度的研究是处于以经验为基础的定性分析阶段。
随着工程技术的发展，概率论在建筑结构中的应用越来越广泛和深入，结构设计方法也开始由长期的定值法转向概率设计法。在概率设计法的研究过程中，首先考虑荷载和材料强度的不定性，用概率的方法确定它们的取值，以经验确定分项系数，但仍没有将结构的可靠度与概率联系起来，故称为半概率法。我国1974 年修订的(TJ 17—1974)《钢结构设计规范》就是这样决定的。与前面容许应力设计法区别在于它对影响结构可靠度的各种因素，以数理统计的方法，并结合我国几十年来积累的工程实践经验和各种资料，进行多系数分析，求出单一的安全系数．其表达式为：
式中：
——钢材的屈服点。
—— 荷载系数。 ——材料系数。 ——调整系数。 ——安全系数。
概率设计法的研究，在20 世纪60 年代末期有了重大突破，提出了以概率论为基础的
一次二阶矩极限状态设计法，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，故称之为近似概率极限状态设计法。
完全的极限状态设计法，即全概率设计法，目前尚不具备条件。随着分析理论的发展和各种技术资料的丰富与积累，我国还将不断地完善钢结构的设计方法。
1.3.2 概率极限状态设计法
1.3.2.1 结构的功能要求
建筑结构要解决的基本问题是，力求以较为经济的手段，使所要建造的结构具有足够的可靠度，以满足各种预定功能的要求。 结构在规定的设计使用年限内应满足的功能有：
(1) 在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用；
(2) 在正常使用时具有良好的工作性能；
(3) 在正常维护下具有足够的耐久性；
(4) 在设计规定的偶然事件（如地震、火灾、爆炸、撞击等）发生时及发生后，仍能保持必须的整体稳定性。
上述“各种作用”是指使结构产生内力或变形的各种原因，如施加在结构上的集中荷载或分布荷载，以及引起结构外加变形或约束变形的原因，例如地震、地基沉降、温度变化等。
1.3.2.2 结构可靠度
结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力，称为结构的可靠性。结构可靠度是对结构可靠性的定量描述，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。对结构可靠度的要求与结构的设计基准期长短有关，设计基准期长，可靠度要求就高，反之则低。一般建筑物的设计基准期为50年。
1.3.2.3 结构的极限状态
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。极限状态实质上是结构可靠与不可靠的界限，故也可称为“界限状态”。我国《钢结构设计规范》（以下简称GB50017规范或规范）规定，承重结构应按下列二类极限状态进行设计：
(1) 承载能力极限状态，包括：构件和连接的强度破坏、疲劳破坏和因过度变形而不适于继续承载，结构和构件丧失稳定，结构转变为机动体系和结构倾覆。
(2) 正常使用极限状态，包括：影响结构、构件和非结构构件正常使用或耐久性能的局部损坏（包括组合结构中混凝土裂缝）。
承载能力极限状态与正常使用极限状态相比较，前者可能导致人身伤亡和大量财产损失，故其出现的概率应当很低，而后者对生命的危害较小，允许出现的概率相对承载能力极限状态高一些，但仍应给予足够的重视。
1.3.2.4 概率极限状态设计原理
设结构的极限状态采用下列极限状态方程描述：
式中：
——结构的功能函数；
——影响结构或构件可靠度的基本变量，是指结构上的各种作用和材料性能、几何参数等；进行结构可靠度分析时，也可采用作用效应和结构抗力作为综合的基本变量；基本变量均可考虑为相互独立的随机变量。
当仅有作用效应S和结构抗力R两个基本变量时，结构的功能函数可表为：
由于R和S都是随机变量，其函数Z也是一个随机变量。功能函数Z存在三种可能状态：
定值设计法认为R和S都是确定性的变量，结构只要按 0设计，并赋予一定的安全系数，结构就是绝对安全的。事实并非如此，由于Z的随机性，结构失效事故仍时有发生。结构或构件的失效概率可表示为：
设R和S的概率统计值均服从正态分布，可分别算出它们的平均值
和标准差 ，则功能函数 也服从正态分布，它的平均值和标准差分别为:
图1-21示功能函数
为正态分布的概率密度曲线。图中由-∞到0的阴影面积表示Z
令
由图中可以看出两个具有相同平均值，不同标准差的功能函数z1和z2的β间有如下关系
，或
，而
，说明β值与失效概率存在着对应关系：
式中
——标准正态分布函数。
式(1-10)说明，只要求出β就可获得对应的失效概率 (而可靠度 )，故称β为结构构件的可靠度指标。 与可靠度指标β的对应关系见表1-1。
表1-1 失效概率与可靠指标的对应关系
将式(1-6)和(1-7)代入式(1-9)有：
当R和S的统计值不按正态分布时，结构构件的可靠指标应以它们的当量正态分布的平均值和标准差代入公式(1-11)来计算。当功能函数Z为非线性函数时，可将此函数展为泰勒级数而取其线性项计算β。由于β的计算只采用分布的特征值，即一阶原点矩(均值) 和二阶中心矩（方差，即标准差的平方） ，对非线性函数只取线性项，而不考虑Z的全分布，故称此法为一次二阶矩法。
结构构件设计时采用的可靠指标，可根据对现有结构构件的可靠度分析(所谓校准法)，并考虑使用经验和经济因素等确定。我国《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068)规定，结构构件承载能力极限状态的可靠指标，不应小于表1-2的规定。钢结构各种构件，按钢结构设计规范设计，经校准分析，其β值在3.2左右，钢结构一般情况下属延性破坏，故总体安全等级为二级。
表1-2 结构构件承载能力极限状态的可靠指标
1.3.2.5 设计表达式
现行钢结构设计规范除疲劳计算外，均采用以概率论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，这里的分项系数不是凭经验确定，而是以可靠度指标β为基础用概率设计法求出。
1、承载能力极限状态表达式
为了应用简便并符合人们长期已熟悉的形式，可将公式(1-11)做如下变换：
《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068)规定结构构件的极限状态设计表达式，应根据各种极限状态的设计要求，采用有关的荷载代表值、材料性能标准值、几何参数标准值以及各种分项系数等表达。
作用分项系数
（包括荷载分项系数
）和结构构件抗力分项系数 应根据结构功能函数中基本变量的统计参数和概率分布类型，以及表1-2 规定的结构构件可靠指标，通过计算分析，并考虑工程经验确定。
考虑到施加在结构上的可变荷载往往不止一种，这些荷载不可能同时达到各自的最大值，因此，还要根据组合荷载效应分布来确定荷载的组合系数 。结构重要性系数 应按结构构件的安全等级、设计使用年限并考虑工程经验确定。
根据结构的功能要求，进行承载能力极限状态设计时，应考虑作用效应的基本组合，必要时尚应考虑作用效应的偶然组合（考虑如火灾、爆炸、撞击、地震等偶然事件的组合）。
(1) 基本组合
在荷载（作用）效应的基本组合条件下，式(1-13)可转化为等效的以基本变量标准值、分项系数和组合系数，并以应力形式表达的极限状态公式。其荷载效应的基本组合按下列设计表达式中的最不利值确定：
由永久荷载效应控制的组合，仍按式(1-15)进行计算。
式中： ——结构重要性系数，对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构。构件，不应小于1.1；对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件，不应小于1.0；对安全等级为三级或设计使用年限为5年的结构构件，不应小于0.9；对使用年限为25年的 结构构件， 不应小于0.95；
——永久荷载标准值在结构构件截面或连接中产生的应力； ——起控制作用第一个可变荷载标准值在结构构件截面或连接中产生的应力；
——其他第i个可变荷载标准值在结构构件截面或连接中产生的应力；
——永久荷载分项系数，当永久荷载效应对结构构件的承载能力不利时取1.2，但对(1-15)则取1.35。当永久荷载效应对结构构件的承载能力有利时，取为1.0；验算结构倾覆、滑移或漂浮时取0.9；
——第一个和其他第i个可变荷载分项系数，当可变荷载效应对结构构件
的承载能力不利时，取1.4（当楼面活荷载大于4.0 KN /m2时，取1.3）；有利时，取为0；
——第i个可变荷载的组合值系数，可按荷载规范的规定采用；
——简化式中采用的荷载组合值系数，一般情况下可采用0.9；当只有一个可变荷载时，取为1.0；
——钢材或连接的强度设计值，各种钢材和连接的强度设计值见附录1。
(2) 偶然组合
对于偶然组合，极限状态设计表达式宜按下列原则确定：偶然作用的代表值不乘分项系数；与偶然作用同时出现的可变荷载，应根据观测资料和工程经验采用适当的代表值，具体的设计表达式及各种系数，应符合专门规范的规定。
2、正常使用极限状态表达式
对于正常使用极限状态，按建筑结构可靠度设计统一标准的规定要求分别采用荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计，并使变形等设计不超过相应的规定限值。
钢结构只考虑荷载的标准组合，其设计式为：
式中 ——永久荷载的标准值在结构或结构构件中产生的变形值；
——起控制作用的第一个可变荷载的标准值在结构或结构构件中产生的变形值（该值使计算结果为最大）；
的变形值；
——其他第i个可变荷载标准值在结构或结构构件中产生——结构或结构构件的容许变形值，
