钢结构设计原理 第1章绪论

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1、钢结构设计原理钢结构设计原理 第第 1 1 章绪论章绪论钢结构设计原理 第 1 章绪论.txt 男人偷腥时的智商仅次于爱因斯坦。美丽让男人停下，智慧让男人留下。任何东西都不能以健康做交换。 本文由 kingcai18 贡献ppt 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。华中科技大学本课程的基本要求1.了解钢结构的应用和发展概况,掌握钢结构的特点； 1.了解钢结构的应用和发展概况,掌握钢结构的特点； 了解钢结构的应用和发展概况 2.理解“钢结构”的计算方法； 2.理解“钢结构”的计算方法； 理解 3.掌握钢结构用钢的主要性能及其主要影响因素，3.掌握钢

2、结构用钢的主要性能及其主要影响因素，并 掌握钢结构用钢的主要性能及其主要影响因素 能正确地选择钢材； 能正确地选择钢材； 4.了解杆件和板件稳定的基本理论， 4.了解杆件和板件稳定的基本理论，理解影响稳定性 了解杆件和板件稳定的基本理论 的主要因素及提高稳定性的措施； 的主要因素及提高稳定性的措施； 掌握各种连接（焊接、螺栓连接）和各类构件( 5. 掌握各种连接（焊接、螺栓连接）和各类构件(梁、 柱和屋架)的工作性能、破坏特征及其设计的基本方法。 柱和屋架)的工作性能、破坏特征及其设计的基本方法。6.理解构件间的连接方法、 6.理解构件间的连接方法、力的传递方式和过程以及 理解构件间的连接方法

3、 构造原则； 构造原则； 7.熟悉与土木工程相关的钢结构设计规范。 7.熟悉与土木工程相关的钢结构设计规范。 熟悉与土木工程相关的钢结构设计规范教学参考书及规范: 教学参考书及规范1.钢结构 1.钢结构 魏明钟 主编 武汉工业大学出版社2.钢结构设计规范 （GB50017-2003) 2.钢结构设计规范 GB500173.钢结构工程施工质量验收规范 3.钢结构工程施工质量验收规范 （GB50205-2001) GB50205-第一章 绪 论大纲要求掌握钢结构的特点和钢结构的应用范围。 1. 掌握钢结构的特点和钢结构的应用范围。 2理解钢结构按极限状态的设计方法，掌握其设 理解钢结构按极限状态的

4、设计方法， 计表达式的应用。 计表达式的应用。 了解钢结构在我国的发展趋势。 3了解钢结构在我国的发展趋势。1.2 钢结构的特点和应用范围 1.2 钢结构的特点和应用范围一、钢结构的特点 1.轻质高强; 轻质高强; 由于钢材强度高， 由于钢材强度高，结构需要 的构件截面小,结构自重轻。 的构件截面小,结构自重轻。 a=容重/强度, a 越小 越小， a=容重/强度, a越小，结构 容重 相对越轻。 相对越轻。 钢材：a=1.73.7 钢材：a=1.73.710-4/m； 木材：a=5.4 木材：a=5.410-4/m； 钢砼： 18 钢砼：a= 1810-4/m；澳大利亚啤酒中心2.钢材的塑性

5、和韧性好； 2.钢材的塑性和韧性好； 钢材的塑性和韧性好 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。 韧性承受动力荷载时，材料吸收能量的多少。 承受动力荷载时韧性好，说明材料具有良好的动力工作性能。 韧性好，说明材料具有良好的动力工作性能。加工性能和焊接性能好； 3、加工性能和焊接性能好； 便于专业化大生产，进行工地拼

6、接和吊装， 便于专业化大生产，进行工地拼接和吊装， 既可保证质量，又可缩短工期。 既可保证质量，又可缩短工期。 有低温冷脆倾向； 4、有低温冷脆倾向； 可重复使用； 5、可重复使用； 钢结构加工过程中的余料和碎屑， 钢结构加工过程中的余料和碎屑，以及废弃 和破坏了的钢结构或构件， 和破坏了的钢结构或构件，均可回炉冶炼重复使 用。因此钢材被称为绿色建筑材料或可持续发展 的材料。 的材料。6、密闭性好，不渗漏; 密闭性好，不渗漏; 7、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，

7、须采用隔热和防 火措施。 火措施。 8、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 4.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5.道路、桥梁结构 5.道路、 道路6.水利、 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 (1)波纹拱壳结构(2)门式刚架结构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

8、物 9.构筑物10.建筑小品 10.建筑小品1.3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

9、应力。2.概率极限状态设计方法 2.概率极限状态设计方法 极限状态：(1) 极限状态：当结构或其组成部分超过某一特定 状态就不能满足设计规定的某一功能要求时， 状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。 定状态称为结构的极限状态。 极限状态分为两类： (2) 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

10、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。根据应用概率分析的程度不同，可分为三种水准： (3) 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; 半概率极限状态设计方法; 近似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。 全概率设计方法。 半概率极限状态设计方法; 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 1

11、957 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）fyk fyk

12、N = A K K2K3 K 1N-构件截面的内力； -构件截面的内力； 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； -钢材容许应力 -钢材容许应力 -( ?2) 1b.近似概率极限状态设计法 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

13、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： 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(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； Z0 表示结构处于可靠状态； Z0表示结

14、构处于极限状态 表示结构处于失效状态； 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： 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) 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

15、)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:P = P(Z 0) = f (Z)dZ f0f(z) (1?9) Z Pf z(1?10) (1?11)Z=RZ=R-S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:Z = R ? S2 2 Z = R + SZ 的概率密度曲线因 z 0 ， 故：Z Pf Z 0 = Pf 0 = Pf ? Z Z Z Z Z ? Z 令 = ： 则 Pf Z 0 = Pf ： ? Z ZZZ ? ZZZ ? Z(1?12)(1?13)故上式又可写成： 故上式又可写成： f(z)Z = ?1(1? Pf ) Pf = (? )(1?14) (1?15)Pf zZ 的概率密度曲线Z=RZ=R-S式中: 式中: ()-标准正态函数 标准正态函数； ( )-标准正态函数； )-标