绪论

一、概述

在工程建筑物中，由建筑材料制作的若干构件连接而组成的承重骨架称为建筑结构。按所用材料的不同，建筑结构可分为钢筋混凝土结构、钢结构、砌体结构等类型。本书主要讲述钢结构基本内容。

用型钢或钢板通过焊接或螺栓连接组成的承重结构称为钢结构。

在水利水电工程中，钢结构主要用于压力钢管（图0－1）、钢闸门（图0－2）、启闭机（图0－3）等。主要构件形式为梁、柱等。这部分内容的学习任务是：构件尺寸拟定、荷载计算、内力（弯矩M、剪力V、压力N等）计算、强度计算、稳定计算等。

1.钢结构的优点

（1）强度高，重量轻。

（2）内部组织较均匀，塑性、韧性好。

（3）可焊性好。

（4）制造简便，施工方便，装配性好。

（5）密封性好。

2.钢结构的缺点

（1）耐热但不耐高温。

（2）耐腐蚀性差。

（3）在低温和其他条件下容易发生脆性断裂。

二、钢结构的发展概况

中华人民共和国成立后，钢结构设计理论、结构制造安装等方面都有较快发展。在钢结构桥梁、大跨度工业厂房、大型公共建筑和高耸结构、水利工程等方面都有较多的应用。

在钢结构桥梁方面，1957年建成武汉大桥；1992年建成九江长江大桥；1993年建成的上海黄浦大桥，总长8346m，主桥为双塔、双索面斜拉桥，主桥长846m，主跨跨径为423m。2005年建成的巫山长江大桥，是一座钢管中承式拱桥，主跨跨径492m。2008年建成通车的苏通大桥（苏州至南通），是一座双塔双索面钢箱梁斜拉桥，其主跨跨径达到1088m，其主塔高度达到300.4m，为世界第二高的桥塔，主桥最长的斜拉索长达577m，也是世界最长的斜拉索。2008年建成的中央电视台新大楼，最高建筑约230m，钢结构总重120000t，是目前单体用钢量最多的钢结构工程，2013年被评为全球最佳高层建筑奖。2012年底建成的南京长江四桥是国内跨径最大的双塔三跨悬索桥，主跨跨径达到1418m，比美国旧金山金门大桥还要长130多m，在同类桥型中居世界第三。

在公共建筑方面，采用大跨度的平板网架、悬索结构等，如1990年建成的亚运村综合馆，2008年建成的拥有91000个座位的国家、体育场--鸟巢，“鸟巢”钢结构总重4.2万t，最大跨度343m。

用钢结构建成的塔架、桅杆结构也较多，如黑龙江广播电视塔被称为龙塔，坐落在哈尔滨市，高度336m。河南广播电视塔又名中原福塔，塔身为全钢结构，塔高388m，其中塔主体高268m，桅杆高120m，钢结构总重量约16000t，在目前已建成的世界全钢结构电视塔中高度居于第一位。

著名的三峡工程船闸闸门是“人字门”，共有12对闸门，其中最大的单扇尺寸为20.2m×38.5m×3m，是目前世界上罕见的巨型钢闸门。

随着国民经济的发展与科技进步，我国将建造更多的大跨度、高层钢结构、预应力结构。薄壁型钢尤其是压型钢板组合结构，近年来得到较快的发展。

三、钢结构的应用

钢结构在工业与民用建筑、水利、水电、水运、海洋采油等工程中的应用范围大致如下。

1.大跨度结构

体育馆、影剧院、大会堂等公共建筑以及工厂装配车间等工业建筑，要求有较大的内部自由空间，故屋盖结构的跨度通常很大。结构跨度越大，自重在全部荷载中所占的比重也就越大，减轻自重可以获得明显的经济效果。钢材强度高而重量轻的优点尤其适合建造大跨度结构。水利枢纽升船机的承船厢，铁路、公路的桥梁等常为大跨度钢结构。

2.活动式结构

水工结构中大量采用的钢闸门、阀门、拦污栅、船闸闸门、升船机等均为活动式结构。对于此类需要移动或转动的结构，可以充分发挥钢结构自重较轻的特点，从而降低启闭设备的造价和运转所耗费的动力。

3.装拆式结构

在水利工程中常会遇到需要搬迁和周转使用的结构。例如施工用的钢栈桥、钢模板，装配式的混凝土搅拌楼，砂、石骨料的输送架等。由于钢结构重量轻，且可利用螺栓连接，拆卸方便，常被应用于需拆迁、移动的结构。

4.板壳结构

由于钢板通过焊接可制成水密性、气密性较好的密闭结构，因此钢结构广泛用于大型压力管道、储油罐、储气罐和水工钢闸门等。

5.高耸结构

主要指承受风荷载的塔架、桅杆等结构，由于钢结构强度高、自重轻及运输安装方便，并且所需构件截面尺寸小，能减少风荷载作用，被广泛用于高耸结构中。如输电线路塔、微波塔、电视转播塔、石油钻井架等多为钢结构。

6.海洋工程钢结构

海洋工程中的钻井、采油平台结构是由采油平台、生活平台和烽火台组成，中间由轻便的栈桥相连接。这类结构要承受平台上各种装置及机械设备的荷载以及风、浪和冰等动力荷载作用，这就利用了钢材强度高、抗震性能好以及便于海上安装等特点。

7.受动力荷载作用的结构

重型工业厂房中的吊车起重量较大，有时作业较繁重，受动力荷载影响明显。由于钢材抵抗动力荷载的性能好，这类厂房的承重骨架和吊车梁多采用钢结构。如冶金工厂的炼钢、轧钢车间，造船厂的船体车间以及飞机制造厂的装配车间等。另外有较大锻锤或其他动力设备或振动设备的厂房，对抗震要求较高的结构也宜采用钢结构。

8.轻型钢结构

跨度小、屋面轻的工业、民用或商用房屋、广告牌架，常采用轻型钢结构。这种钢结构是用小角钢、圆钢或冷弯薄壁型钢作为构件，其屋面和墙体采用轻型材料如压型钢板等。这类结构的优点是重量轻、用钢量省、建设速度快且外形美观，用钢量比普通钢结构节约25%～50%。

四、水工钢结构的发展方向

水工钢结构的发展主要表现在以下几个方面。

1.优质高强钢材的研制和应用

钢结构传统上采用普通碳素结构钢，随着冶金工业的发展，冶炼时在碳素钢里加入少量的合金元素（合金元素总含量一般为1%～2%，不超过5%），可得到强度高、综合机械性能好的普通低合金钢。这类钢还具有抗蚀性、耐磨性及耐低温等特殊性能。屈服强度fy＝345N/mm2的16锰（16Mn）钢在我国最为常用，其次为15锰钒（15MnV）钢，屈服强度fy＝390N/mm2。此外，屈服强度fy＝390N/mm2的15锰钛（15MnTi）钢，fy＝400N/mm2的30硅钛（30SiTi）钢以及fy＝450N/mm2的15锰钒氮（15MnVN）钢等也曾用于一些重要工程。

采用高强度低合金钢可大大节约钢材，提高结构使用寿命，同时由于构件截面尺寸减薄，还可以简化制造工艺，节约工时，利于运输和安装，对于大跨度结构更有利。如南京长江大桥、葛洲坝水利枢纽中的各类钢闸门均采用16锰钢或16锰桥钢所建造。1992年建成的九江长江大桥采用的是15锰钒氮钢。

为了合理地利用材料，对于由稳定控制的构件宜采用价格较低的Q235钢（普通碳素钢）；对于由强度控制的构件，宜采用强度较高的Q345、Q390、Q420钢或Q460钢（高强度低合金钢）。

2.创新结构型式

钢与混凝土组合构件充分利用了钢材抗拉和混凝土抗压的特性，且使一个构件具有多种用途，因此是一种非常合理和经济的结构。

例如目前在桥梁和房屋楼盖中应用的钢梁与钢筋混凝土板组合梁结构，钢梁与钢筋混凝土板间用抗剪件相连而使整个结构整体工作。

钢管混凝土结构也是一种组合结构，当用于受压构件时，不仅混凝土受到钢管的约束而提高了抗压强度，同时由于管内混凝土的填充也提高了钢管抗压的稳定性，因而构件的承载能力大为提高，且具有良好的塑性和韧性，经济效益显著。钢管也具有双重功能，既承受荷载，又代替了模板，因此施工很方便。

组合构件是一种很有发展前途的结构形式，有待进一步研究开发。

3.新型连接方法

在钢构件的连接上使用最多的是焊接。不仅工厂内的构件组装和装配加固构件，而且现场的构件连接也大量采用焊接。因此要改进焊接工艺，提高焊接质量，采用二氧化碳气体保护焊、电渣焊等。研究与高强度结构钢相匹配的高质量焊接材料等。

现场连接中比焊接用得更多的是高强度螺栓连接。摩擦型高强螺栓连接具有较好的塑性和韧性，避免了焊接中存在的焊接应力和焊接变形等缺点。它不仅安装迅速，而且承受动力荷载的性能也较好。

4.钢结构的标准化和系列化

钢结构制造工业的机械化水平需要进一步提高。改进工艺和革新设备，使有些构件可以系列化、产品化。推行水工钢结构的标准化和系列化是缩短工期，降低成本，提高劳动生产效率的有效措施。

五、本课程的任务及学习方法

水工钢结构是水利水电建筑工程专业及其专业群中的一门专业技能课程。本课程的主要任务是阐述常用结构钢的工作性能、钢材的连接设计、钢结构常用构件设计方法以及平面钢闸门的结构构造等。通过本课程的学习，学生应掌握钢结构基本构件的设计理论、设计方法及其构造知识，熟悉和运用相应的钢结构设计规范，为学习专业课程和从事水工钢结构的施工与设计打下良好的基础。

学习本课程应注意以下几个方面：

（1）注重设计计算。课程内容主要包括焊接连接计算、螺栓连接计算、钢梁的强度计算与稳定计算、受压柱的强度与稳定计算等。

（2）注重构造规定。构造规定是长期科学实验和工程经验的总结，要充分重视对构造知识的学习，不要死记硬背构造规定的具体条文，应注意弄懂其中的道理。

（3）理论联系实际。本课程的实践性较强，许多内容与我国现行的钢结构设计规范和工程实践联系密切。学习时应重视实践，通过作业、现场教学、课程实训、顶岗实习等实践教学环节，进一步熟悉和运用规范，逐步培养学生综合分析问题和解决问题的能力。