钢结构设计原理Word文档格式.docx

1、a=1.73.710-4/m； 木材：a=5.4 钢砼： 18a= 18 澳大利亚啤酒中心 2.钢材的塑性 韧性好 2.钢材的塑性和韧性好； 钢材的塑性和 塑性和韧性是概念上完全不同的两个物理量。 塑性和韧性是概念上完全不同的两个物理量。 是概念上完全不同的两个物理量 塑性承受静力荷载时，材料吸收变形能的能力。 承受静力荷载时， 塑性好，会使结构一般情况下不会由于偶然超载而 塑性好， 突然断裂，给人以安全保证； 突然断裂，给人以安全保证； 韧性承受动力荷载时，材料吸收能量的多少。 承受动力荷载时，材料吸收能量的多少。 韧性好，说明材料具有良好的动力工作性能。 3.材质均匀、各向同性，接近理想的

2、弹塑性体， 3.材质均匀、各向同性，接近理想的弹塑性体，与力 材质均匀 学假定符合较好; 学假定符合较好; 钢材屈服前看作弹性材料, 钢材屈服前看作弹性材料,屈服以后看作塑性 或弹塑性材料 4.制作、安装简便，工期短，符合工业化要求; 制作、安装简便，工期短，符合工业化要求; 国 家 大 剧 院 屋 架 安 装 钢结构住宅 5、密闭性好，不渗漏; 密闭性好，不渗漏; 6、钢材耐热性好，耐火性差; 钢材耐热性好，耐火性差; 以上或在 当结构表面长期受辐射热达 150 以上或在 短时间内可能受到火焰作用时， 短时间内可能受到火焰作用时，须采用隔热和防 火措施。 火措施。 7、钢材耐腐蚀性差。 钢材

3、耐腐蚀性差。 二、钢结构的应用范围 1.大跨度结构 1.大跨度结构 拱 结 构 网架结构 桥梁 天津体育场 千 年 穹 顶 2. 工业厂房 金陵石化总厂 多 层 工 业 厂 房 单层厂房 单击图片播放 3. 承受动力荷载及 地震作用的结构 4.高层建筑与高耸结构 高层建筑与高耸结构 北 京 财 富 中 心 金 茂 大 厦 88 层 420 米 帝 王 大 厦 东京千年塔 5.道路、桥梁结构 道路、 6.水利、水工结构 水利、 海上石油平台 7. 轻型房屋钢结构 （1）.波纹拱壳结构 （2） 门式刚架结构 （3）多层轻型房屋建筑 8.可拆卸、 8.可拆卸、移动房屋及 可拆卸 移动结构 活动车库

4、9.构筑物 9.构筑物 10.建筑小品 10.建筑小品1.2 钢结构的设计方法 一、钢结构设计方法的演变 1.容许应力方法 1.容许应力方法 20世纪初到20世纪 年代， 世纪初到20世纪5 从20世纪初到20世纪5O年代，钢结构采用安 全系数法设计，即: 全系数法设计， N f = A k （1 ? 1） N-构件截面的内力；A-构件截面几何特征； -构件截面的内力； -构件截面几何特征； -构件截面几何特征 -构件截面的内力 F-钢材的最大强度；K-大于1的安全系数； -钢材的最大强度 大于1 -钢材的最大强度； -大于 的安全系数； -钢材的容许应力。 -钢材的容许应力 -钢材的容许应力

5、。 2.概率极限状态设计方法 （1） 极限状态：当结构或其组成部分超过某一特定状 极限状态： 态就不能满足设计规定的某一功能要求时， 态就不能满足设计规定的某一功能要求时，此特定 状态称为结构的极限状态。 状态称为结构的极限状态。 （2） 极限状态分为两类： 极限状态分为两类： 承载能力极限状态 极限状态: a.承载能力极限状态: 包括： 强度破坏、 疲劳破坏、 包括 ： 强度破坏 、 疲劳破坏 、 不适于继续承载 的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。 的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。 极限状态: b.正常使用极限状态: 正常使用极限状态 包括： 影响正常使用或外观的变形、 包括

6、： 影响正常使用或外观的变形 、 影响正常 使用的振动、 使用的振动、影响正常使用的或耐久性的局部破坏 等状态。 等状态。 （3） 根据应用概率分析的程度不同，可分为三种水准： 根据应用概率分析的程度不同，可分为三种水准： 半概率极限状态设计方法; 近似概率极限状态设计方法; 全概率设计方法。 a. 半概率极限状态设计方法; 1）.三系数法（当时称为计算极限状态法） : 1）.三系数法（ 三系数法 1957年至1973年我国钢结构设计采用半概率的 年至1973 1957年至1973年我国钢结构设计采用半概率的 分项系数法,结构设计中引入三个分项系数， 分项系数法,结构设计中引入三个分项系数，即

7、: 荷载分项系数-考虑荷载的不定性; -考虑荷载的不定性 荷载分项系数-考虑荷载的不定性; 材料分项系数-考虑材料的不均性; -考虑材料的不均性 材料分项系数-考虑材料的不均性; 工作条件系数考虑结构及构件的工作特点以及某 工作条件系数-考虑结构及构件的工作特点以及某 些假定的计算简图与实际情况不完全相符等因素。 些假定的计算简图与实际情况不完全相符等因素。 半经验半概率极限状态设计法（容许应力法） 2） 半经验半概率极限状态设计法（容许应力法） f yk f yk N = A K1K 2K 3 K 构件截面的内力 -构件截面几何特征 构件截面几何特征； A-构件截面几何特征； -荷载系数 荷

8、载系数； K1-荷载系数； -材料系数 材料系数; K2-材料系数; -调整系数 调整系数； K3-调整系数； -钢材的屈服强度标准值 钢材的屈服强度标准值； fyk-钢材的屈服强度标准值； -钢材容许应力 -钢材容许应力 - 2 ） b、近似概率极限状态设计法 现行钢结构设计规范（GB50017 2003） （GB50017 （现行钢结构设计规范（GB500172003） 结构的工作性能可用结构的“功能函数”来描述： 结构的工作性能可用结构的“功能函数”来描述： ， Zg（X1，X2，Xn） 式中： 结构的功能函数； g（）-结构的功能函数； ）-结构的功能函数 （i 2,n）-影响结构可靠

9、性的各物理量 ,n）-影响结构可靠性的各物理量。 Xi（i1，2, ,n）-影响结构可靠性的各物理量。 （ 1 3） 将各因素概括为两个综合随机变量-结构的抗力R 将各因素概括为两个综合随机变量-结构的抗力R、 -结构的抗力 作用效应S 则公式（ 可以写成： 作用效应S，则公式（1-3）可以写成： Z g （ R， S） R S 表示结构处于可靠状态； 可靠状态 Z0表示结构处于可靠状态； Z0表示结构处于极限状态 表示结构处于极限 极限状态 表示结构处于失效状态； 失效状态 Z0表示结构处于失效状态； （ 1-4） 在实际工程结构中，可能出现下列三种情况： 判断结构是否可靠，要看结构是否达到

10、极限状态， 判断结构是否可靠，要看结构是否达到极限状态， 为此，通常将下式： 为此，通常将下式： g（R，S） Zg（R，S）RS0 称为极限状态方程。 称为极限状态方程。 极限状态方程 （1-5） 结构能完成预定功能的概率（可靠度） 表示， 结构能完成预定功能的概率（可靠度）用Ps表示，则： PsPZ0 （ 1-6） 结构不能完成预定功能的概率（失效概率） 表示， 结构不能完成预定功能的概率（失效概率）用Pf表示， 则： PfPZ0 PZ0 （ 1-7） 由于事件Z0与事件Z Z 是对立事件， 由于事件Z0与事件Z0是对立事件，所以结 构的可靠度与结构的失效概率满足: 构的可靠度与结构的失效

11、概率满足: 或 P s P f 1 P s 1 - P f （ 1-8） 因为R 都是随机变量，且假定都服从正态分布， 因为R和S都是随机变量，且假定都服从正态分布，由 Z=R- 也服从正态分布, 概率论原理知功能函数 Z=R-S 也服从正态分布,则: f（z） Pf = P（Z 0） = f （Z）dZ 0 9） Z 令：Z、R、S的平均值分别为 z、R、s，标准差分 别为 别为z、R、s，则: Pf z Z=RZ=R-S Z = R ? S 2 2 Z = R +S 10） （1 ? 11） Z 的概率密度曲线 因 z 0 ， 故： Z Pf Z 0 = Pf 0 = Pf ? Z Z Z

12、 Z ? Z Z P 令： = 则： f Z 0:结构处于可靠状态； R-S=0:结构达到临界状态； R-S结构处于失效状态。 可靠度结构在规定的时间内和规定的条件下，完成预定功 能的概率。PsP（Z0） 失效概率 PfP（Z0） 可靠指标或安全指标 z/z 增大，失效概率Pf减少；减少，失效概率Pf增大。 一次二阶矩法：不考虑Z的全分布，只考虑至二阶矩。 校准法：对现有的结构构件进行反演计算和综合分析，求得 其平均可靠指标来确定设计时应采用的目标可靠指标。 2.设计表达式 建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068-2001） 建筑结构荷载规范（GB50009-2001） 承载能力极限状态应

13、考虑荷载效应的基本组合，必要时还 要考虑荷载效应的偶然组合。 对于基本组合，应按下列极限状态设计表达式中最不利值 确定 由可变荷载效应控制的组合： n 0 （ G S G + Q S Q + Q ci S Q ） R k 1 1k 由永久荷载效应控制的组合： k i =2 =2 i ik 0 （ G S G + Q ci S Q ） R i =1 i ik 式中 0 结构重要性系数，应按下列规定采用：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，

14、不应小于0.9； 1 i Q , Q 永久荷载分项系数，应按下列规定采用：当 永久荷载效应对结构构件的承载能力不利时，对由可变荷 载效应控制的组合应取1.2，对由永久荷载效应控制的组合 应取1.35；当永久荷载效应对结构构件的承载能力有利时， 一般情况下取1.0； Q , Q 第1个和第i个可变荷载分项系数，应按下列规 定采用：当可变荷载效应对结构构件的承载能力不利时， 在一般情况下应取1.4，对标准值大于4.0kN/m2的工业房屋 楼面结构的活荷载取1.3；当可变荷载效应对结构构件的承 载能力有利时，应取为0； S G 永久荷载标准值的效应； SQ 在基本组合中起控制作用第1个可变荷载标准值

15、的 效应； 1k SQik 第i个可变荷载标准值得效应； ci第i个可变荷载的组合值系数，其值不应大于1； R 结构构件的抗力设计值，R =Rk/R，Rk为结构构件抗力 标准值，R为抗力分项系数，对于Q235钢，R=1.087；对 于Q345、Q390和Q420钢，R=1.111。 对于一般排架、框架结构，可以采用简化设计表达式： 由可变荷载效应控制的组合： n 0 （ G S G + Q S Q ） R 简化设计表达式中采用的荷载组合系数；一般情况下 可取=0.9，当只有一个可变荷载时，取=1.0； 由永久荷载效应控制的组合仍按前面采用。 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以分项系数；与偶然作用同时出现的可 变荷载，应根据观测资料和工作经验采用适当的代表值。 对于正常使用极限状态，钢结构，变形、裂缝等荷载效应的 设计值仅须考虑标准组合： S d = S Gk + S Q1k + ci S Qik C i =2 式中 Sd变形、裂缝等荷载效应的设计值； C设计对变形、裂缝等规定的相应限值。1.3