第一篇：钢结构设计原理教学大纲

《钢结构课程设计》课程教学大纲

Steel Structure Course Design 课程编号：422009

学时数：1周 执笔者：梁靖波

学分数：

1编写日期：202_年6月

一、课程的性质和目的

本课程是土木工程专业重要的实践性教学环节，是对学生知识和能力的总结。通过钢结构课程设计，使学生进一步了解钢结构的结构型式、结构布置和受力特点，掌握钢结构的计算简图、荷载组合和内力分析，掌握钢结构的构造要求等。要求在老师的指导下，参考已学过的课本及有关资料，综合应用钢结构的材料、连接和基本构件的基本理论、基本知识，进行整体钢结构设计计算，并绘制钢结构施工图。

二、课程教学内容

（一）设计题目

某厂房跨度为21m或24m（由指导教师指定），总长90m，柱距6m，采用梯形钢屋架、1.5×6.0m预应力混凝土大型屋面板，20mm厚水泥砂浆找平，上铺泡沫混凝土保温层，三毡四油（上铺绿豆砂）防水层，一毡二油隔气层；屋架铰支于钢筋混凝土柱上，上柱截面400×400，混凝土强度等级为C30，屋面坡度为i1:10。地区计算温度高于-200C，无侵蚀性介质，地震设防烈度为7度，屋架下弦标高为18m；厂房内桥式吊车为2台150/30t（中级工作制），锻锤为2台5t。

其中保温层荷载、积灰荷载、屋架跨度和钢材种类可以有多种不同的组合。由指导教师指定学生按其中的一种组合，独立完成钢屋架设计。

（二）计算书编写

1、确定屋架型式与尺寸；选择钢材及焊接材料，并明确提出对保证项目的要求；

2、进行屋盖支撑布置，按比例绘出屋架结构及支撑的布置图；

3、进行荷载汇集、杆件内力计算、内力组合，选择各杆件截面；

4、设计下弦节点、上弦节点、支座节点、屋脊节点及下弦中央节点等。

要求计算书内容要有系统地编排，字体要端正，表示要清楚，计算步骤明确，计算公式和数据来源应有依据，并应附有与设计有关的插图和说明。

（三）施工图绘制

绘制钢屋架施工图，其中包括屋架简图、屋架结构图、上下弦平面图、必要的剖面图和零件大样图、材料表和设计说明等。

要求图面清楚整洁，线条粗细分明，尺寸及标注齐全，符号及比例正确，构造合理，能表达设计意图，符合国家制图标准并与计算书一致。

三、课程教学的基本要求式。

(一)集体辅导

本课程是土木工程专业的实践性教学环节，在教学方法上，采用集体辅导与个别辅导相结合的指导方通过课堂讲授，使学生进一步明确课程设计的任务、内容、要求、设计步骤等；通过典型例题分析使学生对钢屋架的结构型式、结构布置和受力特点有更深的了解，掌握屋盖体系中支撑体系的作用、布置和设计方法，掌握钢屋架计算简图、荷载组合和内力分析方法等；重点讲清钢屋架的杆件设计、钢结构的连 接、节点设计和构造要求中的要点；介绍编写计算书及绘制施工图时容易出错的地方和注意事项。

(二)个别辅导

指导学生参考已学过的课本及有关资料，综合应用钢结构的材料、连接和基本构件的基本理论、基本知识，进行整体钢结构的设计计算，独立完成设计内容。辅导过程中要及时掌握学生的设计进度。

(三)课程设计结束时，要求学生写出课程设计计算书一份，绘制钢屋架施工图一至两张。围绕课程设计涉及的基本理论、设计方法、构造措施、图面布置、绘图深度以及表达方法等诸方面进行考核。根据学生的理解程度和掌握的深度、图纸和计算书质量、学习态度等给予评分。

评分按5级评分制确定，即优、良、中、及格、不及格。

四、本课程与其它课程的联系与分工

先修课程：钢结构设计原理、钢结构设计。

五、建议教材与教学参考书

［1］《钢结构设计原理》

张耀春主编

周绪红副主编

高等教育出版社 ［2］《钢结构基础》

陈绍蕃主编

中国建筑工业出版社 ［3］《房屋建筑钢结构设计》

陈绍蕃主编

中国建筑工业出版社 ［4］《钢结构设计规范》（GB50017-202_）

中国计划出版社 ［5］《钢结构设计手册》

中国建筑工业出版社

第二篇：《钢结构设计原理》教学大纲

《钢结构设计原理》教学大纲

英文名称：Design principle of steel structure 学

分：2.5学分

学

时：40学时

理论学时：40学时 教学对象：土木工程专业

先修课程：土木工程材料、工程力学、工程制图与CAD

教学目的：

本课程是土木工程专业的学科基础课，通过本课程的学习，使学生了解钢结构的合理应用范围和主要发展方向，掌握钢结构设计的基本理论和基本知识，能进行钢结构基本构件及各种连接的设计，为继续学习专业课程奠定扎实的基础，达到培养目标中关于本课程的要求。

教学要求：

本课程的教学与学习着重钢结构的基本理论和基本知识，使学生掌握钢结构的计算原理、构造方法、结构钢材的选用，具有独立钻研钢结构的比较巩固的理论基础。

教学内容：

第一章

绪论（2学时）1．钢结构课程的特点、任务 2．钢结构发展简史 3．钢结构的特点和应用范围 4．钢结构的设计方法 5．钢结构的发展

基本要求：

了解钢结构课程的特点与任务，掌握钢结构的特点，了解钢结构的应用与发展，熟悉钢结构的设计方法。

重

点：

掌握钢结构的特点，熟悉钢结构的极限状态设计方法。难

点：

正确理解钢结构的合理应用范围，熟悉钢结构的极限状态设计方法。

第二章

钢结构的材料（4学时）1．钢材的破坏形式 2．钢结构对钢材性能的要求 3．影响钢材力学性能的因素 4．钢材的疲劳 5．钢材的种类与选用 6．钢材的规格

基本要求： 了解钢材的破坏形式，掌握钢材的力学性能，熟悉影响钢材性能的各种因素，掌握钢材疲劳概念，熟悉钢材疲劳验算方法，熟悉建筑常用钢材的种类与选用，了解钢材的规格。

重

点：

掌握钢结构对钢材性能的要求，熟悉影响钢材性能的各种因素。难

点：

掌握钢材疲劳概念，合理选择钢材。

第三章

钢结构的连接（8学时）1．钢结构的连接方法 2．焊接连接方法和形式 3．对接焊缝的构造和计算 4．角焊缝的构造和计算 5．焊接应力和焊接变形 6．普通螺栓连接的构造和计算 7．高强螺栓连接的构造和计算

基本要求：

了解钢结构的连接方法及各种连接的特点，了解焊接连接方法和形式，掌握对接焊接连接的构造，熟悉其计算方法，了解角焊接连接的受力特点，掌握角焊接连接的构造和计算方法。了解焊接应力的产生，熟悉焊接应力对结构性能的影响及减少焊接变形的措施。掌握螺栓连接的特点、工作性能、破坏机理和计算方法。

重

点：

掌握角焊缝连接的强度，掌握角焊缝连接在各种荷载作用下的计算方法，掌握普通螺栓连接的破坏机理、强度及在各种荷载作用下的螺栓内力计算方法，掌握高强螺栓连接的受力机理，掌握摩擦型高强螺栓连接的计算方法。

难

点：

正确应用角焊缝连接强度公式，掌握角焊缝连接在力矩等多种荷载作用下的计算方法，掌握普通螺栓连接在弯矩、及与轴力和剪力共同作用下的螺栓内力计算方法，准确理解高强螺栓连接的受力性能，掌握摩擦型高强螺栓连接的计算方法。

第四章

轴心受力构件（10学时）1．轴心受力构件的形式和应用 2．轴心受力构件的强度和刚度 3．轴心压杆的整体稳定 4．实腹式轴心压杆的局部稳定 5．轴心受压实腹式构件设计 6．轴心受压格构式构件设计 7．轴心受压柱的柱头与柱脚

基本要求：

了解轴心受力构件的形式和应用，掌握轴心受力构件的强度和刚度，熟悉轴压构件的整体稳定和局部稳定的基本概念和基本理论，掌握轴压构件的整体稳定和局部稳定验算方法。掌握实腹式构件和格构式构件设计计算方法和构造要求，熟悉柱头及柱脚构造，掌握轴压柱 脚设计计算和构造。

重

点：

掌握实腹式构件和格构式构件设计计算方法和构造要求，准确理解弯扭屈曲换算长细比和格构式构件绕虚轴换算长细比概念。

难

点：

熟悉轴压构件的整体稳定和局部稳定理论，准确理解弯扭屈曲换算长细比和格构式构件绕虚轴换算长细比。

第五章

受弯构件（10学时）1．受弯构件的形式和应用 2．受弯构件的强度和刚度 3．受弯构件的整体稳定

4．受弯构件的局部稳定、腹板屈曲后强度和加劲肋构造 5．受弯构件设计 6．梁的拼接、主次梁连接

基本要求：

了解受弯构件的形式和应用，掌握受弯构件的强度和刚度，熟悉受弯构件的整体稳定和局部稳定的基本概念和基本理论，掌握受弯构件的整体稳定和局部稳定验算方法，了解腹板屈曲后强度，掌握工字型截面受弯构件的设计计算方法和构造要求，掌握受弯构件强度计算，熟悉梁的拼接、主次梁连接和支座构造。

重

点：

掌握受弯构件的整体稳定和局部稳定验算方法，掌握工字型截面受弯构件的设计计算方法和构造要求。

难

点：

熟悉受弯构件的整体稳定和局部稳定基本理论，了解腹板屈曲后强度，掌握受弯构件的整体稳定和局部稳定验算方法。

第四章

拉弯和压弯构件（6学时）1．拉弯和压弯构件的形式和应用 2．拉弯和压弯构件的强度和刚度 3．压弯构件的整体稳定 4．实腹式压弯构件的局部稳定 5．压弯实腹式构件设计 6．压弯格构式构件设计 7．压弯构件柱脚设计

基本要求：

了解拉弯和压弯构件的形式和应用，掌握拉弯和压弯构件的强度计算，熟悉压弯构件的整体稳定和局部稳定的基本概念和基本理论，掌握压弯构件的整体稳定和局部稳定验算方法，掌握实腹式压弯构件和格构式压弯构件设计计算方法和构造要求，掌握压弯构件设计方法，熟悉梁柱连接以及压弯柱脚的设计计算和构造。

重

点： 掌握压弯构件的整体稳定和局部稳定验算方法，掌握实腹式构件和格构式构件设计计算和构造要求。

难

点：

熟悉压弯构件的整体稳定和局部稳定基本理论，掌握框架柱计算长度的确定。

参考教材：

1．魏明钟.钢结构（第二版）.武汉：武汉理工大学出版社，202_ 2．沈祖炎，陈扬骥，陈以一.钢结构基本原理.北京：中国建筑工业出版社，200 3．陈绍蕃，顾强.钢结构（上）钢结构基础.北京：中国建筑工业出版社，202_ 4.丁阳.钢结构设计原理.天津：天津大学出版社，202_ 4

第三篇：《钢结构设计原理》课程教学大纲

《钢结构设计原理》课程教学大纲

Design Philosophy of Steel Structures 课程编号：421002 适用专业：土木工程专业 学时数：36 执笔者：梁靖波

学分数：2

编写日期：202_年6月

一、课程的性质和目的

本课程是土木工程专业的必修课，其性质属于专业基础课。本课程是一门理论性与应用性并重的课程。通过本课程的学习，着重讲授钢结构的基本理论与基本知识，使学生了解钢结构的特点、历史、现状及发展前景；掌握钢结构材料的工作性能及影响钢材性能的主要因素，能正确选用结构钢材；掌握钢结构连接的性能、受力分析与设计计算；掌握各种钢结构基本构件的设计计算等，并为学习后续课程和钢结构课程设计打下必要的基础。

二、课程教学内容

第1章

概述（2学时）

掌握钢结构特点和应用范围。了解钢结构设计原理和方法及可靠性的含义，极限状态的分类，荷载标准值、荷载设计值，强度标准值、强度设计值的含义。了解有关钢结构的规范。一般了解钢结构发展概况及发展方向。

重点：掌握钢结构的特点及应用范围，理解钢结构的计算方法。

难点：理解钢结构的计算方法。第2章

钢结构的材料（4学时）

了解钢结构对钢材的基本要求；了解钢材的生产过程；掌握钢材的主要性能指标及影响钢材性能的主要因素；了解钢结构疲劳及影响钢材疲劳的主要因素、疲劳计算的方法；了解钢材的两种破坏形式；了解建筑用钢的种类、规格和表示方法；掌握钢结构钢材的选用原则，能够正确选用钢材。

重点：掌握对钢结构用材的要求，掌握建筑钢材的可能破坏形式及各主要因素对其影响。难点：各种因素对钢材性能及钢结构破坏形式的影响。第3章

连接（10学时）

了解钢结构连接种类和各种连接的优缺点；了解常用的焊条及焊条的选用；了解焊接连接的形式；掌握对接焊缝连接的构造和计算；掌握角焊缝连接的形式、构造要求和计算；了解焊接残余应力和焊接变形的产生原因及对构件工作性能的影响；了解普通螺栓的规格、受力性能及破坏形式，掌握普通螺栓的计算；掌握高强度螺栓连接的性能和计算。

重点：掌握焊接连接的构造和计算，掌握普通螺栓连接及高强度螺栓连接的性能和计算。

难点：偏心力作用下连接的受力分析和计算。

第4章

受弯构件的计算原理（4学时）

了解受弯构件的强度和刚度计算方法；掌握弯曲强度、抗剪强度、局部承压强度、折算应力和刚度的计算方法；掌握梁整体稳定的基本概念、简支梁整体稳定的计算方法及增强梁整体稳定的措施；了解梁板件局部稳定的概念、板件失稳形式和临界应力；掌握加劲肋的设置原则；理解梁腹板的屈曲后强度的利用。

重点：掌握梁的强度计算，掌握梁整体稳定的基本概念，掌握加劲肋的设置原则。难点：梁的局部压应力的计算，梁板件的稳定计算。第5章 梁的设计（4学时）了解梁的类型及常见的截面形式，了解梁格布置和主次梁连接；掌握型钢梁的截面选择；了解钢板组合梁的设计方法及计算；了解腹板加劲肋的布置和设计；掌握梁翼缘与腹板连接焊缝的设计；了解梁的拼接、变截面设计和吊车梁的设计特点。

重点：掌握型钢梁的截面选择，了解钢板组合梁的设计方法及计算。难点：组合梁的截面选择及计算。第6章

轴心受力构件（6学时）

了解轴心受力构件截面形式和受力性能；掌握轴心受力构件的强度及刚度计算；掌握轴心受压构件的整体稳定和局部稳定的概念；了解轴心受压构件的截面分类依据及影响轴心受压构件整体稳定系数的因素；掌握实腹式轴心受压构件整体稳定的计算，了解格构式轴心受压构件整体稳定计算的特点。掌握轴心受压构件局部稳定的计算方法，了解腹板有效截面的概念。

重点：掌握实腹式轴心受力构件的强度、刚度和整体稳定性计算。难点：轴心受压构件的整体稳定性计算。第7章

拉弯、压弯构件（6学时）

了解拉弯构件与压弯构件的概念；掌握拉弯构件与压弯构件的强度、刚度计算；掌握实腹式压弯构件在弯矩作用平面内及弯矩作用平面外的整体稳定计算方法；掌握实腹式压弯构件局部稳定的计算；了解实腹式压弯构件的截面设计和计算；了解格构式压弯构件的计算特点。

重点：掌握实腹式压弯构件的整体稳定计算，掌握实腹式压弯构件局部稳定的计算。难点：压弯构件在弯矩作用平面内的整体稳定计算。

三、课程教学的基本要求

本课程是土木工程专业的专业基础课，是一门理论性与应用性并重的课程。在教学方法上，采用课堂讲授为主，课后自学，课堂练习等教学形式。

(一)课堂讲授

本课程在讲述的过程中，教师应尽量联系生产实际，注重物理意义，不要陷入到繁复的数学推导之中。在教学中要求同学重点掌握基本概念、基本方法和基本规律，并详细讲授每章的重点、难点内容，着重培养学生分析问题和解决问题的能力。讲授中应注意理论联系实际，启迪学生的思维。为便于学生对构造的理解，可组织教学参观、观摩教学模型或采用多媒体辅助教学。

（二）课后自学

为了培养学生整理归纳，综合分析和处理问题的能力，每章都安排一部分内容，课上教师只给出自学提纲，不作详细讲解，课后学生自学。

（三）习题课

习题课以典型例题分析为主，并适当安排开阔思路及综合性的练习。

（四）课外作业

平时布置典型习题，以加强学生对所学知识的深入理解。

（五）考试

考试主要采用闭卷方式，考试范围应涵盖所有讲授及自学的内容，考试内容应能客观反映出学生对本门课程主要概念的记忆、掌握程度，对有关理论的理解、掌握及综合运用能力。考试题型应尽量多样化。

总评成绩：平时作业占20%，闭卷考试占80%。

四、本课程与其它课程的联系与分工

先修课程：理论力学、材料力学、结构力学。后续课程：钢结构设计、钢结构课程设计

五、建议教材与教学参考书

［1］《钢结构设计原理》

张耀春主编

周绪红副主编

高等教育出版社 ［2］《钢结构基础》

陈绍蕃主编

中国建筑工业出版社 ［3］《房屋建筑钢结构设计》

陈绍蕃主编

中国建筑工业出版社 ［4］《钢结构设计规范》（GB50017-202_）

中国计划出版社 ［5］《钢结构设计手册》

中国建筑工业出版社

第四篇：武汉理工大学：钢结构设计原理 教学大纲

钢结构设计原理教学大纲

课程编号：

课程名称：钢结构设计原理/ Design Principle of Steel Structure

学时/学分：40/2

先修课程：《理论力学》 《材料力学》 《结构力学》

适用专业：土木工程 结构工程（工程力学）

开课学院（部）、系(教研室)：土木工程与建筑学院土木系 交通学院结构工程系

一、课程的性质与任务

本课程是土木工程专业的一门专业基础课。

本课程主要讲述钢结构的材料特性、钢结构的连接、钢结构基本构件的受力性能及其设计原理，其目的是使学生认识钢结构的特点、受力性能，掌握钢结构基本构件和连接的设计方法，为进行较复杂钢结构的设计和研究打下基础。

二、课程的教学内容、基本要求及学时分配

（一）教学内容

1、概述

钢结构的特点、应用范围和发展状态。

钢结构的组成结构形式：跨越结构，高耸结构。

钢结构的极限状态和概率极限状态法：极限状态，概率极限状态法，设计表达式。

2、钢结构的材料

钢结构对钢材的要求。

钢材的主要性能及其鉴定：单向拉伸性能，冷弯性能，冲击韧性，可焊性。

影响钢材性能的因素：化学成分，成材过程，冷加工硬化，温度，应力集中。

钢材的破坏形式：塑性破坏，脆性破坏。

钢材的疲劳：疲劳断裂的概念，疲劳曲线，疲劳验算方法。

建筑钢材的类别及钢材的选用：建筑钢材的类别及表示方法；钢材的选用原则；型钢的种类与规格。

3、构件的截面承载能力—强度

轴心受力构件：轴心受力构件的应用与截面形式；强度计算。

梁的类型和强度：梁的类型；梁的弯曲、剪切强度，梁的局部压应力和组合应力；梁的内力重分布和塑性设计。

拉弯和压弯构件：拉弯和压弯构件的应用与截面形式；强度计算。

4、单个构件的承载力—稳定性

稳定问题的一般特点：失稳类别，一阶和二阶分析，稳定极限承载力。

轴心受压构件的整体稳定性：纵向残余应力、构件初弯曲、荷载初偏心、杆端约束的影响；整体稳定计算（弯曲屈曲）；扭转屈曲和弯扭屈曲。

受弯构件（梁）的整体稳定性：梁的整体失稳现象、临界荷载；整体稳定系数；整体稳定性的保证。

压弯构件的整体稳定性：弯矩作用平面内的稳定性；弯矩作用平面外的稳定性。

板件的稳定和屈曲后强度的利用：轴心受压构件的板件稳定；受弯构件的板件稳定；压弯构件的板件稳定；板件屈曲后的强度利用。

5、整体结构中的压杆和压弯构件

桁架中压杆的计算长度：弦杆和单系腹杆、变内力杆件、交叉腹杆的计算长度。

框架稳定和框架柱的计算长度：框架的稳定问题；框架平面内柱的计算长度；框架平面外柱的计算长度。

6、钢结构的正常使用极限状态

结构或构件的正常使用极限状态：拉杆、压杆的刚度要求；梁和桁架的变形限制；钢框架的变形限制；振动的限制。

7、钢结构的连接和节点构造

钢结构对连接的要求及连接方法：焊缝连接、螺栓连接、铆钉连接。

焊缝连接的特性：焊接方法、焊缝缺陷；焊缝连接型式与焊缝型式；焊缝代号。

对接焊缝的构造和计算：构造要求；计算方法。

角焊缝的构造和计算：角焊缝的构造和强度；计算的基本公式；常用连接方式的角焊缝计算。

普通螺栓连接的构造和计算：螺栓的排列和构造要求；受剪、受拉时的工作性能；螺栓群的计算。

高强度螺栓连接的性能和计算：连接的性能；抗剪连接计算；抗拉连接计算；同时承受剪力和拉力的连接计算。

8、钢结构的脆性断裂和疲劳

钢结构脆性断裂及其防止：脆性断裂的分类及产生原因，防止措施。

钢结构抗疲劳设计：应力幅准则；改善结构疲劳性能的措施。

（二）基本要求

1、概述

了解钢结构的特点和应用。理解钢结构的极限状态、概率极限状态法的基本原理，掌握用分项系数的设计表达式进行计算的方法。

2、钢结构的材料

认识钢材的破坏形式、钢材的主要性能和影响钢材性能的因素。熟悉建筑钢材的类别及钢材的选用。

3、构件的截面承载能力—强度

了解各类构件的应用和截面形式。认识各类构件截面的受力状态、应力分布特点，理解和掌握各类构件的强度计算准则和方法。

4、单个构件的承载力—稳定性

认识各类构件的整体失稳形式及影响稳定性的主要因素，理解和掌握各类构件的整体稳定计算方法。认识构件各组成板件的屈曲问题，理解各类构件的局部稳定条件，并能正确进行验算。了解板件的屈曲后强度的利用。

5、整体结构中的压杆和压弯构件

了解影响杆件屈曲的主要因素，能正确、合理地确定桁架杆件、框架柱的计算长度。

6、钢结构的正常使用极限状态

了解正常使用极限状态的主要内容。掌握各类构件的刚度验算方法。

7、钢结构的连接和节点构造

了解钢结构的连接方法及特点。熟悉焊缝连接、螺栓连接的基本构造要求，认识焊缝连接、螺栓连接的工作性能，理解和掌握焊缝连接、螺栓连接在各种受力状态下的强度计算条件。

8、钢结构的脆性断裂和疲劳

了解钢结构脆性破坏的原因及防止方法。了解影响钢结构疲劳性能的主要因素及改善疲劳性能的措施，掌握疲劳设计的应力幅准则和方法。

（三）学时分配

本课程的理论教学时数为40学时，学时分配如下表：

（四）课程内容的重点、难点

1、钢结构的材料

重点：钢材的主要性能及各种因素的影响；钢材的脆性破坏，钢材的疲劳。

难点：疲劳曲线、疲劳设计的应力幅准则。

2、构件的截面承载能力—强度

重点：轴心受力构件、受弯构件、拉弯压弯构件的强度计算。

难点：梁在不同工作阶段的正应力分布；压弯构件截面的受力状态、强度计算准则。

3、单个构件的承载力—稳定性

重点：构件的失稳形式，整体稳定的计算方法；局部屈曲的基本概念，构件的局部稳定条件。

难点：初始缺陷对轴心受压构件稳定承载能力的影响，轴心受压构件的整体稳定极限承载力、整体稳定系数；梁的临界弯矩、整体稳定系数；压弯构件的面内、面外稳定计算；不同应力状态下板件的屈曲现象、临界应力。

4、钢结构的连接

重点：焊缝连接、普通螺栓连接、高强度螺栓连接的构造和计算。

难点：角焊缝计算的基本公式，角焊缝连接的计算；普通螺栓连接的工作性能、承载力设计值，螺栓群的计算；摩擦型高强度螺栓、承压型高强度螺栓连接的受力特征，承载力设计值，螺栓群的计算。

三、课程改革与特色

1、开设一周的钢结构实验课，促进课程的理论教学，培养学生的实践能力、创新能力。

2、本门课程逐步实现多媒体教学、双语教学。

四、推荐教材及参考书

1、推荐教材：

（1）《钢结构》（上册，钢结构基础），主编：陈绍蕃，出版社：中国建筑工业出版社，出版或修订时间：202_年2月

（2）《钢结构基本原理》（第二版），主编：沈祖炎，陈扬骥，陈以一，出版社：中国建筑工业出版社，出版或修订时间：202_年2月

2、参考书：

（1）《钢结构—原理与设计》，主编：夏志斌、姚谏，出版社：中国建筑工业出版社，出版或修订时间：202_年7月

（2）《钢结构疑难释义》（第三版），主编：刘声扬，出版社：中国建筑工业出版社，出版或修订时间：202_年9月

（3）《钢结构复习与习题》，主编：何敏娟，出版社：同济大学出版社，出版或修订时间：202_年10月

（4）《钢结构设计规范》（GB50017-202_），出版社：中国计划出版社，出版或修订时间：202_年10月

（5）《钢结构稳定设计指南》（第二版），主编：陈绍蕃，出版社：中国建筑工业出版社，出版或修订时间：202_年4月

（6）《Applied Structural Steel Design》(Fourth Edition)，主编：Leonard Spiegel，出版社：清华大学出版社，(国外大学优秀教材—土木工程系列)（影印版），出版或修订时间：202_年1月

（7）《Structural Steel Design: LRFD Method》(Third Edition)，主编：Jack C.McCormac，出版社：Pearson Education China Limited，出版或修订时间：202_年

执 笔：万红霞

审 阅：王小平日 期：202_.9

审 定：张季如 日 期：202_.9

第五篇：钢结构设计原理

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一，202_年钢产量达到2.7亿吨，202_年4.3亿吨，202_年5.0亿吨，202_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》（1996~202_）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。202_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< 0的概率，即失效概率，需采用积分法求得。由图1-21中可见，在正态分布的概率密度曲线中存在着Z的平均值和标准差的下述关系：

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，