钢结构设计原理

建筑钢材强度高、塑性和韧性好。与混凝土、砖石、木材比，强度高得多，适于大跨、重载；但因强度高，构件常较纤细，设计往往由稳定与刚度控制而非单纯强度。良好塑性可避免突然破坏并利于应力重分布；韧性好则利于承受动力荷载与抗震。

钢结构自重轻：材料重度与强度之比小。结构钢该比值约 $(1.7\sim 3.7)\times 10^{-4}\,\mathrm{m}^{-1}$，钢筋混凝土约 $18\times 10^{-4}\,\mathrm{m}^{-1}$。同跨同载时钢屋架自重约为钢筋混凝土屋架的 $1/4\sim 1/3$；冷弯薄壁钢屋架可轻至约 $1/10$。轻利于运输安装并减轻基础负担。

钢材材质较均匀，接近各向同性，在一定应力范围内接近理想弹性，与力学计算假定较符合，计算结果较可靠；冶炼轧制质量可控，变异性相对较小。工厂化制作精度高，螺栓等连接便于机械化安装，工期短、易改建拆卸。钢材与焊接连接密闭性好，适于高压容器、油库、气柜与管道。

钢结构耐腐蚀性差，需除锈涂装防护，薄壁构件尤甚；强腐蚀环境慎用或须特殊防护。钢材耐热但不耐火：约 $200^{\circ}\mathrm{C}$ 以下性能较稳；更高温度强度下降并可能出现蓝脆与徐变；约 $600^{\circ}\mathrm{C}$ 时进入塑性而丧失承载力。表面温度超过 $150^{\circ}\mathrm{C}$ 时规范要求隔热防护。低温等条件下还可能发生脆性断裂，厚板可出现层状撕裂。

极限状态指结构或构件不再满足某项预定功能要求的特定状态。承载能力极限状态包括：构件与连接强度破坏、疲劳破坏、过大变形而不适于继续承载、失稳、变成机构、倾覆等。正常使用极限状态包括：影响外观或使用的变形、影响正常使用的振动、影响耐久的局部损坏等。

结构工作性能可用功能函数描述。取抗力 $R$ 与荷载效应 $S$ 时：$Z=g(R,S)=R-S$。$Z>0$ 可靠，$Z=0$ 达极限状态，$Z<0$ 失效。可靠度 $p_s=P(Z\ge 0)$，失效概率 $p_f=P(Z<0)$，且 $p_s+p_f=1$。

一次二阶矩法引入可靠指标 $\beta=\mu_Z/\sigma_Z$。若 $Z$ 正态，则 $p_f=\Phi(-\beta)$。$\mu_Z=\mu_R-\mu_S$，$\sigma_Z^2=\sigma_R^2+\sigma_S^2$。二级延性破坏钢构件目标 $\beta$ 约 $3.2$（校准法）。

除疲劳外，钢结构采用以概率理论为基础的极限状态设计法，用分项系数表达。简单情形：$R_k/\gamma_R\ge\gamma_G S_{Gk}+\gamma_Q S_{Qk}$。一般取 $\gamma_G=1.2$、$\gamma_Q=1.4$；永久荷载有利时 $\gamma_G=1.0$。Q235 抗力分项系数 $\gamma_R=1.087$，设计强度 $f=f_y/\gamma_R$。承载能力基本组合尚乘结构重要性系数 $\gamma_0$（一级1.1、二级1.0、三级0.9）。正常使用极限状态按标准组合控制变形：$u_{Gk}+u_{Q1k}+\sum\psi_{ci}u_{Qik}\le[u]$。

工业厂房中，重级工作制吊车或工作繁重的车间常采用钢结构骨架；冶金厂房（平炉、转炉、混铁初轧等）及重型机械厂铸造、水压机、锻造车间等是典型应用。随着网架等空间结构推广，一般工业厂房也越来越多采用钢结构。

大跨结构如飞机装配车间、机库、干煤棚、展览馆、体育馆等，常采用网架、悬索、拱架、框架及网壳等形式。高层与超高层建筑、塔桅结构、桥梁、可移动结构及容器管道等也是钢结构的重要应用领域。