钢结构设计原理Word文档格式.docx
《钢结构设计原理Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钢结构设计原理Word文档格式.docx（38页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
a=1.7～3.7×
10-4/m；
木材：
a=5.4×
钢砼：
18×
a=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
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，
Nf≤=[σ]Ak
（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；
[σ]--钢材的容许应力。
--钢材的容许应力[σ]--钢材的容许应力。
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：
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19731957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:
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）
fykfykN≤=＝[σ]AK1K2K3K
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；
[σ]--钢材容许应力[σ]--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（GB500172003））（GB50017－（现行钢结构设计规范（GB50017－2003））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：
…，Z＝g（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）--影响结构可靠性的各物理量,n）--影响结构可靠性的各物理量。
Xi（i＝1，2,,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Z＞0表示结构处于可靠状态；
Z＝0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Z＜0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）＝Z＝g（R，S）＝R－S＝0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：
Ps＝P{Z≥0}（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：
Pf＝P{Z<
0｝P{Z<
0｝（1-7）
由于事件｛Z≥0｝与事件{Z{Z＜是对立事件，由于事件｛Z≥0｝与事件{Z＜0｝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概率满足:
或Ps＋Pf＝1Ps＝1-Pf（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）
βσZ
令：
Z、R、S的平均值分别为μz、μR、μs，标准差分别为σ别为σz、σR、σs，则:
Pfμz
Z=RZ=R-S
μZ=μR?
μS
22σZ=σR+σS
10）（1?
11）
Z的概率密度曲线
因σz＞0，故：
μZPf{Z<
0}=Pf{}<
0}=Pf{<
?
σZσZσZZ?
μZμZP令：
=则：
f{Z<
?
β}βσZσZ
Z
Z?
μZ
12）
13）
因σZ
服从标准正态分布，故上式又可写成：
β=φ?
1（1?
Pf）
Pf=φ（?
β）（1?
14）（1?
15）
f（z）βσZ
式中:
φ（·
）--标准正态函数标准正态函数；
φ（）--标准正态函数；
φ-1（·
）--标准正态函数）--标准正态函数的反函数。
的反函数。
从图中可以看出β与失效概率Pf间存在着一一对应从图中可以看出β与失效概率P关系,关系,即:
f（z）1）.β减小时，阴影部分1）.β减小时的面积增大，的面积增大，即失效概率Pf增大；
增大；
2）.β增大时2）.β增大时，阴影部分的面积减少，的面积减少，亦即失效概率P减小。
概率Pf减小。
说明β可以作为衡量结可靠度的一个数量指构可靠度的一个数量指标。
β—可靠度指标可靠度指标单击图片播放Pfμz
Z=R-SZ=R-
标准正态分布时β与pf的对应值
βPf
4.0
3.17X10-517X
3.7
1.08X10-408X
3.2
6.87X10-487X
3.0
1.35X10-335X
β的计算:
的计算:
将式（1-10）、（1-11）代入的定义式得：
代入β的定义式得：
将式（1-10）、（1-11）代入的定义式得（1
μβ＝σ
ZR
=
μ－μσ＋σ
Rs22RS
16）
c.全概率设计法.对结构的各种基本变量均采用随机变量或随机过程来描述，对结构进行精确的概率分析，过程来描述，对结构进行精确的概率分析，求得结构最优失效概率作为结构可靠度的直接度量。
构最优失效概率作为结构可靠度的直接度量。
三、钢结构设计表达式采用以概率理论为基础的极限状态设计方法（a.采用以概率理论为基础的极限状态设计方法（疲劳问题除外）用分项系本文由伤_or_殇_贡献
钢结构设计原理
主讲:
goldeverEmail:
x-w163@电话:
教学目标
本课程是土木工程专业的主要专业课之一,本课程主要向学生介绍钢结构的基本理论及基本设计方法,学生通过本课程的学习应全面掌握钢结构的材料特性,钢结构的连接,钢结构基本构件的设计计算基础知识,熟悉一些常用钢结构的设计分析原理,为进一步钻研钢结构设计打下基础.
教学内容
理论教学42学时
第一章绪论第二章钢结构材料第三章钢结构连接第四章轴心受力构件第五章受弯构件第六章拉弯和压弯构第七章单层厂房结构2学时2学时10学时8学时10学时6学时4学时
上机实验6学时课程设计一周
课程体系图示
钢结构结构基本设计原则钢材性能及规格连接形式构造计算
焊接螺栓连接
稳定验算
轴拉构件轴压构件受弯构件压弯构件拉弯构件
承载力刚度
基本构件
结构体系设计
考核方法
平时成绩（作业,上机实验）考试成绩课程设计
参考资料
《钢结构基本原理》沈祖炎,陈扬骥,陈以一编著中国建筑工业出版社《钢结构试题解答与分析》王用纯,张连一编著武汉大学出版社2001《工程结构设计原理》曹双寅编著东南大学出版社,2003《钢结构设计新规范讲评》魏明钟编著中国建筑工业出版社《钢结构设计规范GB50017-2003》中国计划出版社
1本文由ruyunshui_rys贡献
pps文档可能在WAP端浏览体验不佳。
钢结构课程有：
钢结构设计原理，钢结构设计；
大跨空间结构，高层钢结构钢结构设计原理课程特点：
连接、稳定构造。
材料力学是本课程学习的重要基础，强度、稳定、几何特性（面积矩、惯性矩、回转半径、剪切中心等）学习注意：
⑴掌握基本理论、学好基本概念。
⑵善于归纳分析，不断加深理解。
⑶联系工程实践，吸取感性知识参考文献：
⑴同济大学沈祖炎，陈扬骥，陈以一.钢结构基本原理.中国建筑工业出版社.⑵陈绍藩.钢结构设计原理（第二版）.科学出版社⑶苏明周.钢结构.中国建筑工业出版社.2003年⑷钢结构设计规范（GB50017－2003）
绪论§
1.1钢结构的特点
钢结构是由钢板、型钢、冷弯薄壁型钢等通过焊接或螺栓连接所组成的结构。
优势：
1．轻质高强
轻质——材料的质量密度与强度比（ρ/f）小。
钢筋混凝土：
约18×
10-4/m木材：
5.4×
10-4/m钢：
（1.7～3.7）×
10-4/m截面面积小、增加适用面积、重量轻、节省基础费用。
地震作用小
2．塑性、韧性好，抗震性能佳
塑性和韧性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。
塑性好，会使结构一般情况下不会由于偶然超载而突然断裂，给人以安全保证；
韧性好，说明材料具有良好的动力工作性能。
近年来许多震后的调查结果证明了钢结构在地震中的良好表现，如1995年初日本7.2级地震中钢结构建筑倒塌的数目很小，仅占钢结构的9.1％，且都是年代久的旧房；
1999年9月在台湾里氏7.6级强烈地震中钢结构建筑破坏率很小，仅0.6％，而钢筋混凝土和砖结构的破坏率占75％；
1999年8月土耳其7.4级大地震中受损房屋绝大多数为多层钢筋混凝土框架，仅少数单层轻钢结构发生破坏，而大型现代钢结构工业厂房和轻钢框架填充墙住宅保持完好。
绪论
3．材质均匀，各向同性，性能稳定
可以直接应用力学中给出的结论，计算方法、基本概念等，实际情况与工程力学计算结果吻合较好。
4．可焊性
可焊性使连接简化，使结构应用范围增大，容易做成复杂形状。
后果：
存在残余应力。
5．密闭性好
不易渗漏：
各种容器。
6．制造简便，施工周期短
施工时不需要支模，受气候的影响小，不需要大的施工场地。
7.工业化程度高
钢结构构件在工厂制造，现场拼装，更适于系列化、标准化、和工厂化规模生产，易于实现工业化和产业化，有利于降低建筑成本。
8.符合环保和可持续发展的要求
钢材是节约土地、能源和资源的持久性建筑材料。
拆除建筑物时，大部分材料可回收利用、再生或降解，不会造成很多垃圾。
施工现场湿作业少，尘埃少，施工噪音低，对周围环境污染小。
劣势：
1．耐腐蚀性差
易生锈、维护费用高
2．耐热但不耐火
100℃以内强度无影响150℃以上必须进行遮挡处理600℃左右E→0结构倒塌措施：
防火涂料，防火漆，外包混凝土等
3．脆性破坏与疲劳破坏4．存在稳定问题——设计时考虑
返回
1.概率极限状态设计方法
承载能力极限状态——强度破坏、疲劳破坏、失稳、机动体系和倾覆等；
正常使用极限状态——影响正常使用的变形、裂缝、振动等；
结构功能函数：
Z=g（R,S）=R-SR：
结构抗力的随机变量；
S：
荷载效应的随机变量R-S>
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。
Ps＝P（Z≥0）
失效概率Pf＝P（Z<
0）
可靠指标或安全指标ββ＝μz/σzβ增大，失效概率Pf减少；
β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
γ0（γGSG+γQSQ+∑γQψciSQ）≤R
k11k
由永久荷载效应控制的组合：
k
i=2=2
i
ik
γ0（γGSG+∑γQψciSQ）≤R
i=1
iik
式中γ0——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，不应小于0.9；
1i
γQ,γQ——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；
γQ,γQ——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；
SG——永久荷载标准值的效应；
SQ——在基本组合中起控制作用第1个可变荷载标准值的效应；
1k
SQik——第i个可变荷载标准值得效应；
ψci——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/γR，Rk为结构构件抗力标准值，γR为抗力分项系数，对于Q235钢，γR=1.087；
对于Q345、Q390和Q420钢，γR=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：
nγ0（γGSG+ψ∑γQSQ）≤R
ψ——简化设计表达式中采用的荷载组合系数；
一般情况下可取ψ=0.9，当只有一个可变荷载时，取ψ=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：
Sd=SGk+SQ1k+∑ψciSQik≤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
升级会员 