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第一章 绪 论 §1-1 钢结构的应用和发展 钢(steel)是铁碳合金，人类采用钢结构的历史和炼铁、炼钢技术的发展是密不可分的。 早在公元前2000年左右，在人类古代文明的发祥地之一的美索不达米亚平原（位于现代伊拉克境内的幼发拉底河和底格里斯河之间）就出现了早期的炼铁术 。 我国也是较早发明炼铁技术的国家之一，在河南辉县等地出土的大批战国时代（公元前475～前221年）的铁制生产工具说明，早在战国时期，我国的炼铁技术已很盛行了 公元65年（汉明帝时代），用锻铁(wrought?iron)为环，相扣成链，建成了世界上最早的铁链悬桥——兰津桥 ，陆续建造了数十座铁链桥其中跨度最大的是泸定桥。 1705年（清康熙四十四年）建成的四川泸定大渡河桥，桥宽2.8m，跨长100m，由9根桥面铁链和4根桥栏铁链构成，两端系于直径20cm、长4m的生铁铸成的锚桩上，比美洲1801年才建造的跨长23m的铁索桥早近百年，比号称世界最早的英格兰30m跨铸铁(cast?iron)拱桥也早74年 公元694年（周武氏十一年）在洛阳建成的“天枢”，高35m，直径4m，顶有直径为11.3m的“腾云承露盘”，底部有直径约16.7m用来保持天枢稳定的“铁山”，相当符合力学原理 公元1061年（宋代）在湖北荆州玉泉寺建成的13层铁塔 欧美等国家中最早将铁做为建筑材料是英国 但直到1840年以前，还只采用铸铁来建造拱桥 1840年以后，随着铆钉(rivets)连接和锻铁技术的发展，铸铁结构逐渐被锻铁结构取代 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，钢材才开始在建筑领域逐渐取代锻铁材料 自1890年以后钢材成为金属结构的主要材料。20世纪初焊接(welding)技术的出现，以及1934年高强度螺栓(high-strength?bolts)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 现代钢结构应用 大跨结构结构跨度越大，自重在荷载中所占的比例就越大，减轻结构的自重会带来明显的经济效益。钢材强度高结构重量轻的优势正好适合于大跨结构，因此钢结构在大跨空间结构和大跨桥梁结构中得到了广泛的应用。所采用的结构形式有空间桁架、网架、网壳、悬索（包括斜拉体系）、张弦梁、实腹或格构式拱架和框架等 优点 建筑钢材强度高，塑性韧性好强度高——大跨、高层、高负荷结构塑性好——防止脆性破坏，应力重分配韧性好——承受动力荷载，抗震性能好 钢结构的重量轻，质强比小材料的质量密度ρ与强度f的比值α（质强比）小建筑钢材质强比α：1.7～3.7×104木材质强比α：5.4×104钢筋混凝土质强比α：18×104 材质均匀、性能好，结构可靠性高钢材接近于各向同性的理想弹－塑性体，实际受力同工程力学计算理论比较符合，因此钢结构的可靠性高 钢结构施工简便，工期短，易于改造和加固钢材可加工性能好，工业化机械化程度高，构件轻，连接简单，安装方便 缺点 耐腐蚀性差 使用环境，钢材极易锈蚀，需注意保护，特殊环境下不易使用钢结构 耐火性差耐热性较好（200℃以下钢材性质变化很小），高于200 ℃后钢材强度下降很快，600 ℃时钢材进入塑性状态，强度几乎降为零丧失承载力，需采取隔热防火措施 钢材价格相对较高 结构设计准则：结构由各种作用所产生的效应（内力和变形）不大于结构（包括连接）由材料性能和几何因素等所确定的抗力或规定限值 问题及矛盾：荷载大小、材料强度、截面尺寸、计算模式、施工质量等因素均为随机变量（或随机过程）不确定，导致结构效应与抗力均为随机变量，不可能保证百分之百保证结构效应小于抗力或规定限值，只能作一定的概率保证 容许应力法（建国初～1957年） 把钢材可以使用的最大强度，除以一个笼统的安全系数作为结构设计计算时构件容许达到的最大应力，即允许应力法 三个系数的极限状态计算方法（1957年～1974年） 以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一设计安全系数的容许应力计算方法（1974年～1988年） 概率论为基础 概率极限状态设计方法 结构可靠度研究由经验为基础的定性分析阶段推进以概率论和数理统计为基础的定量分析阶段 近似的概率设计法 （分析中忽略和简化了基本变量随时间变化的关系，所以确定基本变量分布时有相当程度的近似性，且进行了线性化简化计算 ） 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”；对于结构的各种极限状态，均应规定明确的标志或限值 两类极限状态：（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