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1、本科教学本科教学第3章钢构造的设计方法钢构造-原理与设计同济大学 建筑工程系 沈德洪 同济大学 建筑工程系 沈德洪第第3章章 钢结构的构的设计方法方法钢构造设计方法构造功能要求构造功能要求 在在设计基准期普通基准期普通5050年，也有年，也有100100和和2525年内，年内，满足功能要求，即平安性足功能要求，即平安性, ,适用适用性，耐久性。性，耐久性。u平安性：平安性：满足特定的与建筑物功能相足特定的与建筑物功能相顺应的承的承载力极限形状力极限形状u适用性：保适用性：保证构造在日常运用中构造在日常运用中满足要足要求求u耐久性：保耐久性：保证构造的承构造的承载力的力的继续时间与与环境境顺应度
2、度3.1 3.1 构造构造设计设计目的目的 同济大学 建筑工程系 沈德洪第第3章章 钢结构的构的设计方法方法钢构造设计方法 同济大学 建筑工程系 沈德洪第第3章章 钢结构的构的设计方法方法钢构造设计方法 同济大学 建筑工程系 沈德洪第第3章章 钢结构的构的设计方法方法钢构造设计方法 同济大学 建筑工程系 沈德洪第第3章章 钢结构的构的设计方法方法钢构造设计方法 同济大学 建筑工程系 沈德洪第第3章章 钢结构的构的设计方法方法钢构造设计方法 同济大学 建筑工程系 沈德洪第第3章章 钢结构的构的设计方法方法钢构造设计方法 同济大学 建筑工程系 沈德洪第第3章章 钢结构的构的设计方法方法建筑物的基准
3、期建筑物的基准期构造的构造的设计基准期基准期1.1.构造保构造保证其其设计可靠度目的的可靠度目的的时间期限成期限成为设计基准基准期，即在基准期内，构造的可靠度目的完全期，即在基准期内，构造的可靠度目的完全满足足设计要要求；求；2.2.设计基准期是基准期是测算最大荷算最大荷载重重现期的根本期限；期的根本期限；3.3.在超越在超越设计基准期后，并非意味着构造的失效，而是基准期后，并非意味着构造的失效，而是其可靠度有所降低，因此基准期不能等同于建筑物的运其可靠度有所降低，因此基准期不能等同于建筑物的运用寿命；用寿命；4.4.我国我国对于多数建筑物的于多数建筑物的设计基准期均基准期均为5050年，特殊
4、建年，特殊建筑物可以除外；筑物可以除外； 同济大学 建筑工程系 沈德洪第第3章章 钢结构的构的设计方法方法钢构造设计方法的变化钢构造设计方法的变化19571957年以前：采用年以前：采用总总平安系数的允平安系数的允许应许应力力计计算法；算法；1957195719741974：采用三个系数的极限形状：采用三个系数的极限形状计计算法；算法；1974197419891989：采用以构造极形状：采用以构造极形状为为根据，根据，进进展多系数分展多系数分析，用析，用单单一的系数表示的允一的系数表示的允许应许应力力计计算法；算法；19891989 ：采用以概率：采用以概率论为论为根底的极限形状根底的极限形状
5、设计设计法。法。2024/7/21 同济大学 建筑工程系 沈德洪第第3章章 钢结构的构的设计方法方法缺陷：平安系数凭工程阅历确定的一定值，这样，各种构件的可靠性将不能保证比较一致的程度。总平安系数允许应力法总平安系数允许应力法三系数极限形状三系数极限形状设计法法特点：明确提出了两种极限形状，采用三个系数来思索构造构件的平安贮藏问题，防止单一平安系数的缺陷。缺陷： 材质均匀系数概念反复。 强度规范不是明确概率取值，而是取钢的废品限值，不符合概率方法。2024/7/21 同济大学 建筑工程系 沈德洪第第3章章 钢结构的构的设计方法方法缺陷：各种载荷并不一样，各种构件接受荷载的情 况也不一定一样，构
6、件的几何尺寸变异并不完全一致，采用一致的平安系数显然不能够获得一样的平安度。以构造极限形状为根据，多系数分析后用单一平安系数的允以构造极限形状为根据，多系数分析后用单一平安系数的允许应力计算法许应力计算法以概率为根底的极限形状设计法以概率为根底的极限形状设计法 把各种参数载荷效应、构造抗力等作随机变量，运用概率分析法并思索变异性来确定设计采用值。 把概率分析引入构造设计方法，显然比允许应力法先进，标志我国在设计实际上前进了一大步，迈入了国际先进程度。2024/7/21 同济大学 建筑工程系 沈德洪第第3章章 钢结构的构的设计方法方法1.4.2 1.4.2 构造概率极限形状设计法构造概率极限形状
7、设计法1. 根本概念根本概念构造可靠度：构造在规定的时间构造可靠度：构造在规定的时间50年，规定的条年，规定的条件正常设计、正常施工、正常运用、正常维护下，件正常设计、正常施工、正常运用、正常维护下，完成预定功能的概率。完成预定功能的概率。失效概率：构造不能完成预定功能的概率。失效概率：构造不能完成预定功能的概率。构造的功能要求：平安性，适用性，耐久性。构造的功能要求：平安性，适用性，耐久性。构造作用：施加在构造上的各种荷载及引起外加变形构造作用：施加在构造上的各种荷载及引起外加变形或约束变形的缘由如荷载、地震、根底下沉、温度或约束变形的缘由如荷载、地震、根底下沉、温度变化、焊接等变化、焊接等
8、作用：永久作用，可变作用，偶尔作用作用：永久作用，可变作用，偶尔作用作用效应作用效应S:构造作用引起构造或构件的内力轴、构造作用引起构造或构件的内力轴、弯、剪和变形挠度、转角。弯、剪和变形挠度、转角。构造抗力构造抗力R：构造或构件接受作用效应的才干。：构造或构件接受作用效应的才干。2024/7/21 同济大学 建筑工程系 沈德洪第第3章章 钢结构的构的设计方法方法1 1承承载才干极限形状才干极限形状 构造或构件到达最大承构造或构件到达最大承载才干或出才干或出现不适于不适于继续承承载的的变形，形，包括以下几个方面：包括以下几个方面：2. 2. 构造的极限形状构造的极限形状整个构造或构造的一部分作
9、整个构造或构造的一部分作为刚体失去平衡如体失去平衡如倾覆等；覆等；构造构件或构造构件或衔接因超越接因超越资料料强度而破坏；度而破坏；构造构件或构造构件或衔接在循接在循环荷荷载作用下作用下发生的疲生的疲劳破坏；破坏；构造构件或构造构造构件或构造转变为机机动体系；体系；构造或构件构造或构件丧失失稳定如定如压屈等。屈等。 整个构造或构造的一部分超越某一特定形状就不能满足设计规定的某一功能要求，这一特定形状称为构造的极限形状。2024/7/21 同济大学 建筑工程系 沈德洪第第3章章 钢结构的构的设计方法方法2 2正常运用极限形状正常运用极限形状 构造或构件到达正常运用或耐久性能的某项规定值：构造或构
10、件到达正常运用或耐久性能的某项规定值：影响正常运用或外影响正常运用或外观的的变形；形；影响正常运用或耐久性能的部分影响正常运用或耐久性能的部分损坏包括裂痕；坏包括裂痕；影响正常运用的振影响正常运用的振动；影响正常运用的其它特定形状。影响正常运用的其它特定形状。 承承载载力极限形状与正常运用极限形状相比，前者能力极限形状与正常运用极限形状相比，前者能够导够导致人身致人身伤伤亡和大量的亡和大量的财财富富损损失，而后者失，而后者对对生命的危害那么生命的危害那么较较小，主要是引小，主要是引起人起人们们的不适，所以也的不适，所以也应该给应该给予足予足够够的注重。的注重。2024/7/21 同济大学 建筑
11、工程系 沈德洪第第3章章 钢结构的构的设计方法方法3.3.概率极限形状设计原理概率极限形状设计原理 设计设计根本原那么：技根本原那么：技术术先先进进、经济经济合理、平清合理、平清闲闲用、确保用、确保质质量。量。将各要素概括将各要素概括为为两个两个综综合随机合随机变变量量构造的抗力构造的抗力R、作用效、作用效应应S。 0，构造，构造处处于可靠形状于可靠形状 功能函数功能函数 Z=R-S =0，构造，构造处处于极限形状于极限形状 0，构造，构造处处于失效形状于失效形状失效概率失效概率1.3.3Z=R-S 称为极限形状方程。这样，构造可靠概率为 Ps=p(R-S)0且可靠度且可靠度 Ps=1-Pf绝
12、对可靠的构造是不存在的，只需可靠的构造是不存在的，只需PfPf到达人到达人们可以接受的程度是平安的。可以接受的程度是平安的。2024/7/21 同济大学 建筑工程系 沈德洪第第3章章 钢结构的构的设计方法方法可靠目的可靠目的的引入的引入构造功能函数构造功能函数 Z=R-S Z=R-S 由于由于S S和和R R均均为正正态分布的随机分布的随机变量，其均量，其均值和和规范差分范差分别为s s、 s s和和 R R、 R R。1.3.7设：1.3.6 1 1 z1z1 2 2 z2z2可靠可靠失效失效 z1z1Z1 z2z2Z2f(z)Z=R-SoPf2Pf1 Z功能函数Z的概率密度曲线2024/7
13、/21 同济大学 建筑工程系 沈德洪第第3章章 钢结构的构的设计方法方法b2.52.73.23.74.2Pf510-33.510-36.910-41.110-41.310-5表表1.3.1 1.3.1 失效概率和可靠目的的对应关系失效概率和可靠目的的对应关系 值值越大，越大，Pf 就越小。就越小。 可以作可以作为为衡量构造可靠度的一个数衡量构造可靠度的一个数量指量指 标标。 可靠度目的可靠度目的表表1.3.2 1.3.2 构造构建承构造构建承载力极限形状的可靠目的力极限形状的可靠目的破坏类型平安等级一级二级三级延性破坏3.73.73.23.22.72.7脆性破坏4.24.23.73.73.23
14、.2 建筑构造平安等级：一级； 设计基准期：50年； 设计运用年限：100年； 抗震设防分类：乙类； 抗震设防烈度：8度； 场地类别：类； 设计地震分组：第一组。鸟巢构造设计特性鸟巢构造设计特性2024/7/21 同济大学 建筑工程系 沈德洪第第3章章 钢结构的构的设计方法方法将 改写为 假假设规设规定了定了，并有，并有R、 S、R、 S，就可利，就可利用上式用上式进进展展设计设计或或验验算。算。一次二一次二阶矩的近似概率方法矩的近似概率方法构造作用效应构造作用效应构造抗力构造抗力2024/7/21 同济大学 建筑工程系 沈德洪第第3章章 钢结构的构的设计方法方法 GB50068-2001规规
15、定定构造构件的极限形状构造构件的极限形状设计设计表达式，表达式，应应根据各种极限形状的根据各种极限形状的设计设计要求，采用有关的荷要求，采用有关的荷载载代表代表值值、资资料性能料性能规规范范值值、几、几何参数何参数规规范范值值以及各种分以及各种分项项系数等表达。系数等表达。 为为了了便便于于运运用用并并符符合合人人们们长长期期以以来来的的习习惯惯，规规范范并并不不直接运用直接运用进进展展设计设计，而利用式，而利用式: : 来来完完成成。就就设设计计而言，而言，问题问题被被转转化化为计为计算效算效应应S S和抗力和抗力R R。4.4.钢构造设计表达式钢构造设计表达式2024/7/21 同济大学
16、建筑工程系 沈德洪第第3章章 钢结构的构的设计方法方法钢构造设计原理钢构造设计原理 Design Principles of Steel Design Principles of Steel StructureStructure 在在荷荷载载效效应应的的根根本本组组合合条条件件下下，式式 1.3.111.3.11 可可转转化化为为等等效效的的以以根根本本变变量量规规范范值值、分分项项系系数数和和组组合合系系数数，并并以以应应力力方式表达的极限形状公式。方式表达的极限形状公式。 可可变荷荷载起控制造用起控制造用时：永久荷永久荷载起控制造用起控制造用时：1 1承载才干极限形状分项系数表达式承载才干
17、极限形状分项系数表达式 对对于普通排架和框架构于普通排架和框架构造：造：1.3.142024/7/21 同济大学 建筑工程系 沈德洪第第3章章 钢结构的构的设计方法方法2 2可可变荷荷载的分的分项系数系数 gQgQ - -普通情况下普通情况下应取取1.41.4； - -对规范范值大于大于4kN/m24kN/m2的工的工业房屋楼面构造的房屋楼面构造的 活荷活荷载规范范值应取取1.31.3。1 1永久荷载分项系数永久荷载分项系数 gGgG当其效当其效应对构造不利构造不利时 - -对可可变荷荷载效效应控制的控制的组合，合，应取取1.2;1.2; - -对永久荷永久荷载效效应控制的控制的组合，合，应取
18、取1.35;1.35;当其效当其效应对构造有利构造有利时 - -普通情况下普通情况下应取取1.01.0； - -对构造的构造的倾覆、滑移或漂浮覆、滑移或漂浮验算，算，应取取0.90.9。2024/7/21 同济大学 建筑工程系 沈德洪第第3章章 钢结构的构的设计方法方法fd 或或f钢钢材或材或衔衔接接资资料料强强度度设计值设计值。fk钢钢材或材或衔衔接接资资料料强强度度规规范范值值。 R钢钢材或材或衔衔接接资资料抗力分料抗力分项项系数，系数，对对于于Q235钢钢 R =1.087；Q345、Q390、Q420钢钢 R=1.111 。钢构造规范给出了各类钢材和衔接的强度设计值。钢构造规范给出了各
19、类钢材和衔接的强度设计值。P3813页，附录页，附录12024/7/21 同济大学 建筑工程系 沈德洪第第3章章 钢结构的构的设计方法方法 对对于正常运用极限形状，要求分于正常运用极限形状，要求分别别采用荷采用荷载载的的规规范范组组合、合、频频遇遇组组合和准永久合和准永久组组合合进进展展设计设计，并使，并使变变形等形等设计值设计值不超越相不超越相应应的的规规定限定限值值。对对于于钢钢构造只思索荷构造只思索荷载载的的规规范范组组合。合。Gk -Gk -永久荷永久荷载规载规范范值值在构造或构件中在构造或构件中产产生的生的变变形形值值；Q1kQ1k起控制造用的第起控制造用的第1 1个可个可变变荷荷载载的的规规范范值值在构造或构造构件中在构造或构造构件中产产生生的的变变形形值值 该值该值使使计计算算结结果果为为最大最大 ；(1.3.15)2 2正常运用极限形状正常运用极限形状 Qik-其他第其他第i个可个可变变荷荷载规载规范范值值在构造或构件中在构造或构件中产产生的生的变变形形值值。 -构造或构造构件的允构造或构造构件的允许变许变形形值值。(P384-5页页，附，附录录2) 2024/7/21本科教学本科教学
