钢结构设计原理及应用

随着我国国民经济的不断发展和科学技术的进步，钢结构在我国的应用范围正在日新月异地不断扩大。目前钢结构应用范围大致如下。

1．大跨度结构

结构跨度越大，自重在荷载中所占的比例就越大，减轻结构的自重会使地基基础承重减轻，材料用量减少，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（图1.1～1.3）。

图1.1　京沪高速铁路南京大胜关长江大桥

全桥长约 9.27 km，是主跨为 2×336 m 六线铁路（两线高速，两线客货，两线轻轨）连续钢桁梁拱桥。

图1.2　国家体育场鸟巢（2008年北京奥运会主会场）

图1.3　苏通大桥（主跨跨径 1 088 m 斜拉桥）

2．工业厂房

吊车起重量较大或者其工作较繁重的车间的主要承重骨架多采用钢结构。另外，有强烈辐射热的车间，也经常采用钢结构。结构形式多为由钢屋架和阶形柱组成的门式刚架或排架，也有采用网架做屋盖结构形式的。

近年来，随着压型钢板等轻型屋面材料的采用，轻钢结构工业厂房得到了迅速的发展。其结构形式主要为实腹式变截面门式刚架。如图1.4所示。

图1.4　轻钢工业厂房门式刚架

3．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的其他设备的厂房，即使屋架跨度不大，也往往由钢制成。对于抗震能力要求高的结构，采用钢结构也是比较适宜的。

4．多层和高层建筑(www.xing528.com)

钢结构的综合效益指标优良，近年来在多、高层民用建筑中也得到了广泛的应用。其结构形式主要有多层框架、框架-支撑结构、框筒、悬挂、巨型框架等。如图 1.5 所示。

图1.5　上海中心大厦

5．高耸结构

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、通信和电视发射用的塔架和桅杆，火箭（卫星）发射塔架等。

如图1.6的埃菲尔铁塔是世界著名建筑，法国巴黎城市地标之一，高 300 m，天线高 24 m，总高 324 m，于 1889 年建成。

6．可拆卸的结构

钢结构不仅重量轻，还可以用螺栓或其他便于拆装的手段来连接，因此非常适用于需要搬迁的结构，如建筑工地、油田和需野外作业的生产与生活用房的骨架等。钢筋混凝土结构施工用的模板和支架，以及建筑施工用的脚手架等，也大量采用钢材制作。

图1.6　法国埃菲尔铁塔

7．容器和其他构筑物

冶金、石油、化工企业中大量采用钢板做成的容器结构，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、锅炉支架等其他钢构筑物，海上采油平台也大都采用钢结构。如图 1.7 所示。

图1.7　储油罐和混凝土罐

8．轻型钢结构

钢结构重量轻不仅对大跨结构有利，对屋面活荷载特别轻的小跨结构也有优越性。因为当屋面活荷载特别轻时，小跨结构的自重也成为一个重要因素。冷弯薄壁型钢屋架在一定条件下的用钢量可比钢筋混凝土屋架的用钢量还少。轻钢结构的结构形式有实腹变截面门式刚架、冷弯薄壁型钢结构（包括金属拱形波纹屋盖）以及钢管结构等。

9．钢和混凝土的组合结构

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、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和钢管混凝土柱等。