钢结构课件第三章钢结构的设计方法

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1、第三章 钢结构的设计方法,钢结构的设计方法有与其它结构类型相同的设计法，遵循建筑结构设计统一标准（GB50068-2001）规定的概率极限状态设计法，也有与其它结构不一样的地方：应力表达设计式、疲劳计算应力幅等。,3-1 概述,一、钢结构设计的目的 完成预定功能，做到技术先进、经济合理、安全适用、保证质量。 二、结构功能要求 安全性 适用性 耐久性 三、结构的可靠性与可靠度 可靠性：结构在规定的时间（设计使用年限，见教材表3.1）内，在规定的条件（正常设计、正常施工、正常使用）下，完成预定功能的能力。 用来度量结构可靠性的指标成为可靠度。 影响结构可靠性的因素：如荷载、材料性能、施工质量、计算

2、方法。,3-2 概率极限状态设计法,传统的容许应力法（建国初1957年）三系数极限状态设计法（1957年1975年）半概率极限状态设计法（1975年1988年）概率极限状态设计法（1988年发展中）,钢结构设计方法的发展演变,一、结构的极限状态,若整个结构或几个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，此特定状态称为该功能的极限状态。,承载能力极限状态：结构或结构构件达到最大承载能力或达 到不适于继续承载的变形时的极限状态。如倾覆、强 度破坏、丧失稳定、疲劳破坏、结构变为机动体系等 正常使用极限状态：结构或结构构件达到正常使用或耐久性 能的某项规定限制时的极限状态。也称变形极

3、限状态。 如挠度、裂缝、振动等。,3-2 概率极限状态设计法,钢结构设计规范GB50017-2003规定：,3-2 概率极限状态设计法,可靠概率 ：完成预定功能的概率； 失效概率 ：不能完成预定功能的概率。,二、结构的失效概率 和可靠指标,设计结构需要处理两方面的因素 结构抗力R取决于材料性能和结构构件的几何特征 荷载效应S取决于荷载在结构和结构构件中产生的效应（内力的总和） R、S都是随机的变量，应按它们各自的统计数值应用概率理论来分析。 关于R和S的概率运算用一下功能函数Z表达： Z=R-S0，即R S，结构处于可靠状态 Z=R-S=0，即R=S，结构处于极限状态 Z=R-S0，即R S，

4、结构处于失效状态,3-2 概率极限状态设计法,建筑结构可靠度设计统一标准GB50068-2001规定： 一般情况下： 当永久荷载对结构有利时： 当永久荷载效应与可变荷载效应相比很大时： 特殊情况下，允许对 做合理调整，如：对于标准值大于 的工业建筑楼面活荷载，可取 抗力分项系数 ：对Q235钢，取 ；对Q345、Q390钢取,一、分项系数 的取值,三、概率极限设计法的设计表达式,二、承载力极限状态设计表达式,1、对荷载效应基本组合： 由可变荷载效应控制的组合 （31）,3-3 概率极限状态的设计表达式,由永久荷载效应控制的组合 （32）,钢结构习惯的应力表达式： 由永久荷载效应控制的组合 （3

5、3） 由永久荷载效应控制的组合 （34）,3-3 概率极限状态的设计表达式,对于一般的排架、框架结构，可采用下列简化的极限状态设计表达式： （35）,式中：,3-3 概率极限状态的设计表达式,2、对荷载效应偶然组合： 偶然作用的代表值不乘分项系数；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表达式。具体表达式及系 数见专门规范。,3-3 概率极限状态的设计表达式,三、正常使用极限状态设计表达式,（36）,式中：,注意理解上述各表达式中系数的物理含义 （教材P40）,3-3 概率极限状态的设计表达式,四、钢材的强度设计值,疲劳破坏特征 突然性，破坏前没有明显的宏观塑性变形，

6、属于脆性断裂 断口与一般脆性断口不同，可分为三个区域：裂纹源、裂纹扩展区和断裂区 对缺陷（包括缺口、裂纹及组织缺陷等）十分敏感,3-4 钢材的疲劳和计算,疲劳的两种类型： 常幅疲劳常幅交变荷载引起常幅循环应力（简称循环应力） 变幅疲劳变幅交变荷载变幅循环应力（简称变幅应力）,应力循环特征（应力比） 按绝对值计算的最小应力和最大应力之比（拉应力取正值，压应力取负值） -1 完全对称循环 0 脉冲循环 -10 不完全对称循环 （以拉应力为主或以压应力为主） 影响扎制钢材与非焊接结构疲劳强度的因素： 最大应力、应力比、循环次数、缺口效应,一、 常幅疲劳,对焊接结构的疲劳强度 与非焊接结构存在根本差别

7、的原因：由于焊接加热及随后的冷却，在焊缝及其附近产生残余应力，使该部位形成和发展疲劳裂纹最为敏感的区域 焊接结构疲劳强度与名义应力和应力比无关而与应力幅有关,常幅疲劳验算,对焊接结构焊接部位的常幅疲劳验算：,（3.7）,（3.8）,公式3.8中八类构件和连接形式的N曲线 参数、C的确定,对焊接结构非焊接部位 及非焊接结构的常幅疲劳验算：,（3.10）,取0下限值 k由试验数据统计取0.7,Miner线性累积损伤准则（linear cumulative damage criteria） 设某个构件或连接的设计应力谱由若干个不同应力幅水平i的常幅循环应力组成，各应力幅水平i所对应的循环次数为ni，

8、相对的疲劳寿命为Ni，Miner的线性累积损伤准则为：,二、 变幅疲劳,（3.11）,任一级应力幅水平公式,（3.12）,设有等效应力幅e循环ni次使同一结构发生疲劳破坏，则有：,（3.13）,（3.14）,吊车梁是钢结构中变幅疲劳工作的典型构件 令efmax （f 变幅荷载的欠载效应系数） 规范给出了2106循环次数的f 重级工作制硬钩吊车f 1.0 重级工作制吊车f 0.8 中级工作制吊车f 0.5 吊车梁疲劳验算以常幅疲劳方式验算：,吊车梁变幅疲劳验算,（3.15）,疲劳验算用容许应力设计方法，疲劳强度按容许应力幅计算，荷载采用标准值，不考虑荷载分项系数和动力系数，应力按弹性工作计算 规范中提出的疲劳强度是以试验为依据的，当遇到规范规定的8种以外的连接构造时，应进行专门的研究，套用相近的连接类别或通过相应的疲劳试验确定疲劳强度 在应力循环中不出现拉应力的部位可不必疲劳验算 疲劳容许应力幅与钢种无关,疲劳强度计算注意事项,本章学习思考,1、掌握结构的两类极限状态的含义； 2、理解继续按状态设计表达式； 3、了解钢结构的疲劳概念。,