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1、第三章 钢结构的设计方法,3.1 概述,一、钢结构设计方法的演变 (一)容许应力方法 是一种传统的设计方法,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:,N-构件截面的内力；A-构件截面几何特征； F-钢材的最大强度；K-大于1的安全系数； -钢材的容许应力。此种方法计算简单方便，目前许多国家采用，我国铁路和公路桥梁规范也采用此法，钢结构疲劳验算也用此法）,(二)概论极限状态设计方法,3.2 概率极限状态设计方法,一.极限状态概念：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，此特定状态称为结构的极限状态。,二.极限状态分为两类：,2.正常使用极限状
2、态:包括：影响正常使用或外观的变形、影响正常使用的振动、影响正常使用的或耐久性的局部破坏等状态。,1.承载能力极限状态: 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。,三. 概论极限状态设计表达式1. 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)，用分项系数的表达式进行计算；2. 结构的可靠度用可靠度指标来度量，并以分项系数的形式考虑；3.钢结构设计用应力表达。,（1）永久荷载分项系数当其效应对结构不利时-对可变荷载效应控制的组合，应取1.2;-对永久荷载效应控制的组合，应取1.35;当其效应对结构有利时-一般情况下应取1.0；-对结构的倾覆、滑移
3、或漂浮验算，应取0.9。 （2）可变荷载的分项系数-一般情况下应取1.4；-对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载标准值应取1.3。,4.荷载分项系数取值如下：,对于钢结构这种单一材料，可以将荷载效应表达式用应力形式表示。,1.可变荷载起控制作用时：,2.永久荷载起控制作用时：,（一）承载能力极限状态设计表达式,(二) 正常使用极限状态,1. 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。,Gk -永久荷载标准值在结构或结构构件中产生的变形值； Q1k-第1个可变荷载的标准值在结构或结构构件中产生的变形值（该值使计算结果为最
4、大）；,Qik-其他第i个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值。-结构或结构构件的容许变形值。2. 对于受压、受拉构件，规范规定应限制其长细比，即:式中：-受压、受拉构件的计算长细比 ；-规范规定的受拉、受压构件容许长细比，按规范采用。,一.明确几个基本概念 (一)循环(重复)荷载结构或构件承受的随时间变化的荷载。,2.3 钢材的疲劳,(二)应力循环,(三)应力循环特征应力比,-构件截面应力随时间的变化。,(四)应力幅-,在循环荷载作用下，应力从最大到最小重复一次为一次循环，最大应力与最小应力之差为应力幅:,(b)脉冲循环,(a)完全对称循环,(c)不完全对称循环,(d)不完全对称循环,二
5、.钢材的疲劳分类,(一)按断裂寿命和应力高低的不同,1.高周疲劳: 断裂寿命较长,总应力幅小破坏前应力循环次数多, N5104 ,断裂应力水平低,fy,也称低应力疲劳或疲劳，工程上常见; 2.低周疲劳: 断裂寿命较短,破坏前应力循环次数少, N=1025104断裂应力水平高，fy，伴有塑性应变发生，因此也称为应变疲劳或高应力疲劳。,三.影响钢材疲劳强度的主要因素,(一)应力集中的影响 1.以截面几何形状改变; 2.钢材的缺陷。,规范将构件和连接的种类分为 8类，详见钢结构教材P25P27表3-2。,实际应力循环均形成在拉应力范围,2.应力幅（）和应力循环特征（应力比）,应力幅对焊接结构的疲劳强
6、度有很大影响，而与名义最大应力max和应力比无关。 完全对称循环，其疲劳强度最低。,3.应力循环次数N（疲劳寿命） 是指在连续重复荷载作用下应力由最大到最小的循环次数。,应力循环次数N5104，不需要进行疲劳计算。,应力幅越低，作用循环次数越多， 疲劳寿命越高；应力幅相同，作用的循环次数越 多，疲劳寿命越高。,0,NX105,N1,N2,fy,1,2,3,4,5,6,结论： 1.由试验结果，以及上述分析可知钢材的疲劳强度主要与构件和连接分类（内部缺陷、应力集中、残余应力）、应力循环次数和应力幅有关。,2.焊接部位的疲劳强度与钢材的静力强度(屈服点fy)基本无关。,3.对于只有压应力的应力循环作
7、用，由于钢材内部缺陷不易开展，则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。,(六)疲劳强度计算,由于现阶段对钢材发生疲劳破坏尚处于进一步研究阶段，按概率极限状态计算疲劳强度还不成熟，故采用容许应力幅的计算方法。,3.5 钢结构强度设计指标 P3134,五.有关钢结构的规范、规程及标准简介,第一层次：通用 1.建筑结构可靠度设计统一标准GB50068 2.建筑结构设计通用符号、计量单位和基本术语GBJ83-85 3.建筑结构制图标准GBJ105-87 第二层次：通用 4. 建筑结构荷载规范GB50009 第三层次：与设计有关的 5. 钢结构设计规范GB50017 6. 冷弯薄壁型钢结构设计规范GB50
8、018 7. 网架结构设计与施工规程JGJ7-91 8. 高层民用建筑钢结构技术规程 JGJ99-98 9. 门式刚架轻型永恒钢结构技术规程CECS102:98,第四层次：与施工有关的,10. 钢结构工程施工质量验收规范GB50205 11. 钢结构工程质量检验评定标准GB500221 12. 建筑钢结构焊接技术规程JGJ81-91 13.钢结构高强螺栓连接的设计施工及验收规程 JGJ82-91 14. 网架结构工程质量检验评定标准 JGJ78-91 15. 螺栓球节点网架 JGJ75.1-91 16. 焊接球节点网架 JGJ75.2-91 分为:国家标准、行业标准、地方标准、企业标准；有强制性和推荐性标准。,
