钢结构-概述课件1.3.3

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1、现代管理大学 工程学院梁博钢结构钢结构1-1 1-1 钢结构在我国的发展概况钢结构在我国的发展概况1-2 1-2 钢结构特点及合理应用范围钢结构特点及合理应用范围1-3 1-3 钢结构的设计方法钢结构的设计方法1-4 1-4 钢结构的发展钢结构的发展第第1 1章章 概概 述述第第1 1章章 概概 述述主要依据的规范 建筑结构可靠度设计统一标准（GB 50068-2001 ）； 建筑结构荷载规范 （ GB 500092001 ）； 钢结构设计规范 （ GB 500172003 ）； 高层民用建筑钢结构技术规程 （JGJ 99-98 ）； 建筑抗震设计规范 （ GB 50011-2001 ）； 1

2、.3 钢结构的设计方法钢结构设计的基本要求1）保证结构安全可靠。构件在运输、安装和使用过程中具 有足够的强度、刚度、整体稳定性和局部稳定性。 2）满足建筑物的使用要求。建筑外形尽量简洁、美观。 3）在设计中采用先进的设计理论，新型的结构形式和连接 方式。优先选用高强度低合金钢等优质钢材，减轻结构自 重和节省钢材。 4）设计时尽量使结构构造简单，制造、运输、安装方便， 从而缩短施工周期，降低造价。 5）采取有效措施，提高钢结构的防锈蚀能力和满足钢结构 的防火要求。设计计算用的数据与实际有差异设计用的数据 荷载； 1 永久荷载，例如结构自重、土压力、预应力等。 2 可变荷载，例如楼面活荷载、屋面活

3、荷载和积灰荷载、吊车 荷载、风荷载、雪荷载等。 3 偶然荷载，例如爆炸力、撞击力等。 钢材的性能（屈服强度、设计取值）； 构件的物理特征（截面、长度、容重）；或多或少存在差异差异性，都是随机变量（即量的大 小有随机性）； 合理考虑这些差异，要求设计的结构具有一定的可靠度。可靠性reliability - 建筑结构可靠度设计统一标准结构在规定的时间内，在规定的条件下， 完成预定功能的能力. 包括结构安全性、适应性和耐久性 可靠度degree of reliability (reliability) 结构在规定的时间内，在规定的条件下， 完成预定功能的概率。 钢结构设计规范 （ GB 500172

4、003 ）极限状态设计？ 概率论为基础？ 分项系数设计表达式？极限状态设计？两种极限状态 极限状态limit state 整个结构或结构的一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，此特定状态为该功能的极限状态 。 极限状态设计法 R 结构的抗力 材料性能、几何参数 S 结构的作用效应 结构上的各种作用： 荷载 温变 不均匀沉降 地震 结构的功能函数 Z = R - S极限状态设计法在实际工程结构中，可能出现下列三种情况：当Z0时，结构处于可靠状态；当Z0时，结构处于失效状态；当Z0时，结构处于极限状态。 由此可见，结构的极限状态是结构由可靠转变为 失效的临界状态。判断结构是否可

5、靠，要看结构 是否达到极限状态，为此，通常将下式：称为极限状态方程。极限状态设计法 结构按极限状态设计应符合下列要求 Z = R S 0 概率论为基础？R和S为两个基本的随机变量，Z是R和S的函 数，也是一个随机变量； 根据结构上的各种作用和材料性能、几何参数 等各自的统计数值运用概率论来确定它们的设 计值； 然后来求解Z = R S 0 的概率 （可靠度）可靠指标 求解Z = R S 0 的概率 ，一般转化为求 解失效概率（Pf）； 计算失效概率比较复杂，故引入了可靠指 标用于一般工业与民用建筑物的钢结构，其构件设计的目标可靠指标一般为3.2 ，钢结构连接的目标可靠指标比构件略高，一般推荐为

6、4.5。近似概率极极限状态设计法。 这种运用概率理论的极限状态设计法称为概率极限状态设 计法； 由于影响结构可靠度的因素很多，且极为复杂，求R和S的 理论概率密度困难很大（只有部分参数的统计资料）。所 以现行钢结构设计规范采用的设计方法可称为近似概率极 极限状态设计法。分项系数设计表达式？为什么采用分项系数设计表达式？采用计算结构的失效概率或可靠指标与所定的最 优失效概率或目标可靠指标相比较的设计方法较 难掌握，许多设计工作者不习惯。现规范采用分项系数来表达的方式进行设计计算 。设计表达式的规定1.2.4钢结构设计表达式采用计算结构的失效概率或可靠指标与所定的最优失效 概率或目标可靠指标相比较

7、的设计方法较难掌握。现规范采 用分项系数来表达的方式进行设计计算。 1）承载能力极限状态 按承载能力极限状态设计时，应考虑荷载效应的基本组 合，必要时尚应考虑荷载效应的偶然组合。 基本组合时按下列设计表达式中最不利值计算。由永久荷载效应控制的组合：对于一般排架及框架结构，可采用下列简化的设计表达式：设计表达式由可变荷载效应控制的组合：式中g0 结构重要性系数，对安全等级为一级和设计使用年限为100年及以上的结构构件，不应小于 1.1，对安全等级为二级和设计使用年限为50年的结 构构件，不应小于1.0，对安全等级为三级和设计使 用年限5年及以下的结构构件，不应小于0.9；gG永久荷载分项系数，一

8、般情况下对式（1.15）、（1.17）取1.2；对式（1.16）取1.35；当 作用效应对结构有利时取1.0；对抗倾覆和滑移有利 时可取0.9；gQi第一个和其它任意第个可变荷载的分项系数,一般情况取1.4（第一个可变荷载取可变荷载 中最大者）；当楼面活荷载标准值4kN/m2时取1.3 ；设计表达式SGK按永久荷载标准值计算的荷载效应值； SQ1k、SQik按第一个和其它任意第个可变荷载标 准值计算的可变荷载效应。ci第i个可变荷载的组合值系数,按建筑结构荷载规范的规定采用； 简化设计表达式中采用的荷载组合系数， 一般情况取0.9，只有一个可变荷载时取1.0；R()结构构件的抗力函数gR结构构

9、件的抗力分项系数，其值应符合相关规范对各类材料的规定；fk材料性能的标准值； 设计表达式k几何参数的标准值；当几何参数的变异性对结构性能 有明显影响时，可另增减一个附加值考虑其不利影响。对于荷载效应的偶然组合，应按现行建筑结构设计荷 载规范确定。设计表达式在工程应用中，考虑到钢结构主要为单一材料制成，而 且设计人员习惯于用应力形式表达和计算，故也可将计算公 式（1.15）写成应力表达式:式中 f=fy/gR,称为钢材强度设计值。 2）正常使用极限状态 正常使用极限状态(serviceability limit states)为 结构或结构构件达到正常使用的某项规定限值时的 极限状态。按正常使用

10、极限状态设计时，除钢与混凝土组合梁外，只考虑荷载短期效应组合。 设计表达式式中：C结构或构件达到正常使用要求的规定限值，如变 形、裂缝、振幅等，按相关规范的规定采用。 设计表达式对于正常使用极限状态，要求分别采用荷载的标准 组合、频遇组合和准永久组合，并使变形等不超过相应 的规定限值。对钢结构设计只考虑荷载的标准组合，其 表达式为： 第一章 绪论钢结构的设计方法u 设计方法：以概率理论为基础的极限状态设计方法 u 计算疲劳仍采用容许应力幅法u 计算强度、稳定、连接用荷载设计值u 计算疲劳、变形用荷载标准值u 对于直接承受动力荷载的结构：在计算强度和稳定时，动力荷载设计值应乘动力系数在计算疲劳和

11、变形时，动力荷载标准值不应乘动力系数1.4 钢结构的极限状态和概率极限状态法谢 谢！基本组合 可变荷载控制； 永久荷载控制；框架 排架应力表达式偶然组合对于偶然组合，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 资料和工程经验采用适当的代表值。具体 的设计表达式及各种系数，应符合专门规 范的规定。正常使用极限状态1.2.2 设计方法及其发展 （1）容许应力设计法容许应力设计法（allowable stress design method），即把钢材可以使用的最大强度，除以一个 安全系数，作为结构设计时容许达到的最大应力 容许应

12、力。表达式为：式中：构件的设计应力；钢材的容许应力； Ni根据标准荷载求得的内力组合值; S构件的几何 特性 ; fy钢材的屈服点 ; K安全系数 .设计方法式中：K1荷载系数;K2材料系数; K3 调整系数。其他符号同前。（3）近似概率极限状态设计法该方法简化了基本变量随时间变化的关系，同时，将一 些复杂的关系进行了线性化 。1989年实施的 钢结构设计 规范（code for design of steel structure）（GBJI7 88）和现行的钢结构设计规范（GB500172003）均采用 此法。 设计方法（2）半概率极限状态设计法 形式表示为： （4）全概率极限状态设计法即将

13、影响结构安全的各种因素分别采用随机变量 或随机过程的概率模型来描述，对整个结构体系进行 精确的概率分析后，用求得的失效概率直接度量结构 的安全性。此法需大量的技术资料，目前尚不具备条 件，世界各国都还尚未列入规范。随着分析理论的发 展和各种技术资料的丰富与积累，最终必将采用全概 率设计法。半概率极限状态设计法，近似概率极限状态设计法和 全概率极限状态设计法也称为概率极限状态设计法的三个水准。 设计方法1.2.3概率极限状态设计法 (1)结构的极限状态：当结构或构件超过某个特定的 状态，就不能满足设计规定的某一功能要求时，则 此特定状态称为该功能的极限状态。极限状态分为 两类：a.承载能力极限状

14、态: 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。b.正常使用极限状态: 包括：影响正常使用或外观的变形、影响正常使用 的振动、影响正常使用或耐久性的局部破坏等状态 。极限状态设计法结构的工作性能可用结构的功能函数来描述，设x1 ,x2,， xn为n个随机变量，则:式中：Z结构的功能函数，也可用结构的荷载效应S和抗力R 来表达，即:式中：R和S为两个基本的随机变量，Z是R和S的函数，也是一个 随机变量。极限状态设计法在实际工程结构中，可能出现下列三种情况：当Z0时，结构处于可靠状态；当Z0时，结构处于失效状态；当Z0时，结构处于极限状态。 由此可见，结构的

15、极限状态是结构由可靠转变为失效的 临界状态。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：称为极限状态方程。极限状态设计法(2)结构的可靠度结构的可靠性（reliability）包括结构的安全性（safety） 、适用性（usability）和耐久性（durability）。而结构的可靠 度则是结构可靠性的概率度量，即结构在规定的时间内，在规 定的条件下，完成预定功能的概率。用ps表示结构的可靠度（ degree of reliability），则有：当结构处于失效状态（Z0）时的概率，称为失效概率（ probability of failure），用pf表示，即:极限状态设

16、计法由于可靠度与失效概率是两个相反的概率，两者的关系 应满足下式：所以，结构可靠度的计算可以转化为结构失效率的计算 。用概率的观点来观察结构是否可靠，是指失效概率是否已 经达到可以接受的预定要求。在实际工程中绝对可靠的结构 （ ps 1），即失效概率为零（ pf 0）的结构是没有的。已知功能函数 设fR(R)和fS(S)分别是结构的抗力R和荷载效应S的概 率密度函数，为R和S的联合概率密度函数，R和S是 相互独立的随机变量，则有:其失效概率为:由于影响结构可靠度的因素很多，且极为复杂， 求R和S的理论概率密度困难很大，所以目前无法从 上述理论公式直接求出结构的失效概率，这就是目前 我们还不能采用