钢结构第一章绪论

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1、1钢结构设计原理Design Principles of Steel Structure 教教 师师： 袁晓彬袁晓彬 第一章第一章 绪绪 论论l平时成绩（作业和考勤）l考试成绩u 考核方法考核方法l钢结构基本原理钢结构基本原理 沈祖炎沈祖炎 ，陈扬骥，陈扬骥 ，陈以一编著，陈以一编著 中国建筑工业出版社中国建筑工业出版社l钢结构试题解答与分析钢结构试题解答与分析 王用纯，张连一编著王用纯，张连一编著 武汉大学出版社武汉大学出版社 2001l钢结构设计新规范讲评钢结构设计新规范讲评 魏明钟编著魏明钟编著 中国建筑工中国建筑工业出版社业出版社 l钢结构设计规范钢结构设计规范GB50017-2010

2、 中国计划出版社中国计划出版社u 参考资料参考资料第一章第一章 绪绪 论论课程内容体系介绍课程内容体系介绍结构结构轴心构件轴心构件 受弯构件受弯构件 偏心构件偏心构件材料材料发展发展构件构件厂房厂房大跨度建筑大跨度建筑高层建筑高层建筑塔桅结构塔桅结构桥梁结构桥梁结构基本概念基本概念计算方法计算方法设计原理设计原理焊接焊接铆接铆接螺螺栓栓学习方法及基本要求学习方法及基本要求读懂书 学习方法学习方法：1 1 不迟到、不早退、不旷课 做好题 多理解 多训练 善提问 2 遵守课堂秩序 3 作好老师布置的作业 4 其他方面 基本要求基本要求： 本章主要介绍钢结构的本章主要介绍钢结构的基本基本情况情况（定

3、义、（定义、特点、应用、发展）特点、应用、发展）以及以及设计方法。设计方法。 要重点掌握要重点掌握极限状态设计法极限状态设计法的实用表达式及基本应用。的实用表达式及基本应用。第一章第一章 绪绪 论论问题一：建筑工程中有哪五大基本的结构形式？建筑工程中有哪五大基本的结构形式？作为结构材料，应该具备哪些基本的要素？作为结构材料，应该具备哪些基本的要素？一、什么是钢结构？一、什么是钢结构？答案一：答案一：混凝土结构、砌体结构、木结构、钢结构、混凝土结构、砌体结构、木结构、钢结构、组合结构五种基本的结构形式。组合结构五种基本的结构形式。答案二：答案二：强度、耐久性、塑性、常见、经济、好施工强度、耐久性

4、、塑性、常见、经济、好施工1.1 1.1 钢结构的特点与应用钢结构的特点与应用钢结构钢结构是土木工程的主要结构形式之一。钢结构是土木工程的主要结构形式之一。钢结构与钢筋混凝土结构、砌体结构等都属于按材料划与钢筋混凝土结构、砌体结构等都属于按材料划分的工程结构的不同分支。分的工程结构的不同分支。定义定义：由钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢由钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢以及钢索为主材建造的工程结构，如房屋、桥梁等，以及钢索为主材建造的工程结构，如房屋、桥梁等，称为钢结构。称为钢结构。二、钢结构的特点二、钢结构的特点1 优点优点(1) 建筑钢材强度高，塑性韧性好建筑钢材强度高，塑性韧性好

5、 强度高强度高大跨、高层、高负荷结构大跨、高层、高负荷结构 塑性好塑性好防止脆性破坏，应力重分配防止脆性破坏，应力重分配 韧性好韧性好承受动力荷载，抗震性能好承受动力荷载，抗震性能好(2) 钢结构的重量轻，质强比小钢结构的重量轻，质强比小 材料的质量密度材料的质量密度与强度与强度f f的比值的比值（质强比）小（质强比）小 建筑钢材质强比建筑钢材质强比：1.71.73.71043.7104 木材质强比木材质强比：5.41045.4104 钢筋混凝土质强比钢筋混凝土质强比：1810418104一章一章 绪绪 论论(3) 材质均匀、性能好，结构可靠性高材质均匀、性能好，结构可靠性高 钢材接近于各向同

6、性的理想弹塑钢材接近于各向同性的理想弹塑性体，实际受力同工程力学计算理论比性体，实际受力同工程力学计算理论比较符合，因此钢结构的可靠性高较符合，因此钢结构的可靠性高(4) 钢结构施工简便，工期短，易于改造钢结构施工简便，工期短，易于改造和加固和加固 钢材可加工性能好，工业化机械化程钢材可加工性能好，工业化机械化程度高，构件轻，连接简单，安装方便度高，构件轻，连接简单，安装方便2 缺点缺点(1) 耐腐蚀性差耐腐蚀性差 使用环境，钢材极易锈蚀，需注意保护，特使用环境，钢材极易锈蚀，需注意保护，特殊环境下不易使用钢结构殊环境下不易使用钢结构(2) 耐火性差耐火性差 耐热性较好（耐热性较好（20020

7、0以下钢材性质变化很小）以下钢材性质变化很小），高于，高于200 200 后钢材强度下降很快，后钢材强度下降很快，600 600 时钢材进入塑性状态，强度几乎降为零丧失时钢材进入塑性状态，强度几乎降为零丧失承载力，需采取隔热防火措施承载力，需采取隔热防火措施(3) 钢材价格相对较高钢材价格相对较高三、三、钢结构的应用钢结构的应用大跨度结构大跨度结构 结构跨度越大，自重在全部荷载中所占比结构跨度越大，自重在全部荷载中所占比重也越大，减轻自重可以获得明显的经济效果。重也越大，减轻自重可以获得明显的经济效果。 钢结构强度高而质量轻的优点对于大跨钢结构强度高而质量轻的优点对于大跨度桥梁和大跨建筑结构特

8、别突出。度桥梁和大跨建筑结构特别突出。 主主要要有有空空间间桁桁架架、网网架架、网网壳壳、悬悬索索、张弦梁、拱架和框架等。张弦梁、拱架和框架等。 中国国家体育场：中国国家体育场：体育场外观即结构，犹如树枝体育场外观即结构，犹如树枝织成的鸟巢，其灰色矿质般的钢网以透明的膜材织成的鸟巢，其灰色矿质般的钢网以透明的膜材料覆盖，最长的钢梁达料覆盖，最长的钢梁达300300米。可容纳米。可容纳1010万人。万人。英国伦敦的英国伦敦的英国伦敦的英国伦敦的“世纪展览馆世纪展览馆世纪展览馆世纪展览馆”：直径直径直径直径365m365m365m365m钢骨架膜结钢骨架膜结钢骨架膜结钢骨架膜结构圆形建筑。构圆形建

9、筑。构圆形建筑。构圆形建筑。单层厂房单层厂房多多层层工工业业厂厂房房2. 2. 工业厂房工业厂房3. 3. 承受动力荷载及承受动力荷载及地震作用的结构地震作用的结构4.4.高层建筑与高耸结构高层建筑与高耸结构 哈利法塔（哈利法塔（Burj Burj Khalifa TowerKhalifa Tower）原名）原名迪迪拜塔拜塔（Burj DubaiBurj Dubai），又），又称迪拜大厦或比斯迪拜塔。称迪拜大厦或比斯迪拜塔。 是位于阿拉伯联合酋是位于阿拉伯联合酋长国迪拜的一栋已经建成长国迪拜的一栋已经建成的摩天大楼，有的摩天大楼，有160160层，层，总高总高828828米，比台北米，比台北1

10、01101足足足高出足高出320320米。米。 TAIPEI 101TAIPEI 101TAIPEI 101TAIPEI 101：高：高：高：高508m508m508m508m（天线（天线（天线（天线60m60m60m60m），），），），1011011011015 5 5 5层，层，层，层，2.32.32.32.3万万万万m m m m2 2 2 2 。集办公、购物。集办公、购物。集办公、购物。集办公、购物及观景为一体，及观景为一体，及观景为一体，及观景为一体，2004200420042004年年年年10101010月月月月8 8 8 8日日日日 注册世界第一注册世界第一注册世界第一注册世界

11、第一高楼。高楼。高楼。高楼。101101101101代表超越，代表超越，代表超越，代表超越， “TAIPEI” “TAIPEI” “TAIPEI” “TAIPEI” 代表：科技代表：科技代表：科技代表：科技(Technology)(Technology)(Technology)(Technology)、艺术、艺术、艺术、艺术(Art)(Art)(Art)(Art)、创新、创新、创新、创新(Innovation)(Innovation)(Innovation)(Innovation)、人性、人性、人性、人性(People)(People)(People)(People)、环保、环保、环保、环保(

12、Environment)(Environment)(Environment)(Environment)和认同和认同和认同和认同(Identity)(Identity)(Identity)(Identity)六大特质。六大特质。六大特质。六大特质。采用巨型框架结构，每采用巨型框架结构，每采用巨型框架结构，每采用巨型框架结构，每8 8 8 8层设一或二层楼高的巨层设一或二层楼高的巨层设一或二层楼高的巨层设一或二层楼高的巨型桁架。型桁架。型桁架。型桁架。5.5.道路、桥梁结构道路、桥梁结构6.6.水利、水工结构水利、水工结构海上石油平台海上石油平台(1).(1).波纹拱壳结构波纹拱壳结构7. 7.

13、轻型房屋钢结构轻型房屋钢结构(2) (2) 门式刚架结构门式刚架结构（3 3）多层轻型房屋建筑）多层轻型房屋建筑活动车库活动车库8.8.可拆卸、移动房屋可拆卸、移动房屋及移动结构及移动结构9.9.构筑物构筑物10.10.建筑小品建筑小品四四 钢结构的发展研究钢结构的发展研究1 1、材料方面、材料方面 发发展展高高强强度度钢钢材材和和新新品品种种型型钢钢，如如强强度度更更高高的的钢钢材材、耐耐候候钢钢（抗抗腐腐蚀蚀）以以及及提提高高厚厚板板材材的的质质量量（抗层状撕裂）。（抗层状撕裂）。2 2、结构设计计算方法的研究、结构设计计算方法的研究 3 3、新结构的推广应用、新结构的推广应用4 4、优化

14、设计、优化设计5 5、计算机辅助设计、计算机辅助设计一、钢结构设计方法的演变一、钢结构设计方法的演变1.1.容许应力方法容许应力方法 从从2020世纪初到世纪初到2020世纪世纪5O5O年代，钢结构采用安年代，钢结构采用安 全系数法设计，即全系数法设计，即: :N-N-构件截面的内力；构件截面的内力；A-A-构件截面几何特征；构件截面几何特征；F-F-钢材的最大强度；钢材的最大强度；K-K-大于大于1 1的安全系数；的安全系数；-钢材的容许应力。钢材的容许应力。1.2 1.2 钢结构的设计方法钢结构的设计方法 根据应用概率分析的程度不同，可分为三种水准：根据应用概率分析的程度不同，可分为三种水

15、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近似概率极限状态设计方法方法; ;全概率设计方法。全概率设计方法。 (1). (1). 半半概率极限状态设计方法概率极限状态设计方法; ; 1). 1).三系数法三系数法（当时称为（当时称为计算极限状态法计算极限状态法） : : 1957 1957年至年至19731973年我国钢结构设计采用半概率的年我国钢结构设计采用半概率的分项系数法分项系数法, ,结构设计中引入三个分项系数，即结构设计中引入三个分项系数，即: : 荷载分项系数荷载分项系数-考虑荷载的不定性考虑荷载的不定性; ; 材料分项系数材料分项系数-考虑材料

16、的不均性考虑材料的不均性; ; 工作条件系数工作条件系数-考虑结构及构件的工作特点以及某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。2.2.概率极限状态设计方法概率极限状态设计方法2) 2) 半经验半概率极限状态设计法半经验半概率极限状态设计法( (容许应力法）容许应力法） N-N-构构 件件 截截 面面 的的 内内 力力 ； A-A-构构 件件 截截 面面 几几 何何 特特 征征 ； K K1 1-荷载系数；荷载系数； K K2 2-材料系数材料系数; ; K K3 3-调整系数；调整系数； f fykyk-钢材的屈服强

17、度标准值；钢材的屈服强度标准值； - -钢材容许应力钢材容许应力(2)(2)、近似概率极限状态设计法、近似概率极限状态设计法 （现行钢结构设计规范（现行钢结构设计规范(GB50017(GB500172003)2003)） 1 1 设计使用年限设计使用年限 设计使用年限设计使用年限是指设计规定的结构或结构构件不需是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期，即结构在规进行大修即可按其预定目的使用的时期，即结构在规定的条件下所应达到的使用年限。定的条件下所应达到的使用年限。 设计使用年限设计使用年限的概念不同于的概念不同于实际寿命实际寿命或或耐久年耐久年限限。建筑结构可靠度设

18、计统一标准规定了各类。建筑结构可靠度设计统一标准规定了各类建筑结构的设计使用年限。建筑结构的设计使用年限。二二 几个基本概念几个基本概念类别类别设计使用年设计使用年限（年）限（年）示例示例1 15 5临时性结构临时性结构2 22525易于替换的结构构易于替换的结构构件件3 35050普通房屋和构筑物普通房屋和构筑物4 4100100纪念性建筑和特别纪念性建筑和特别重要的建筑物重要的建筑物 设计使用年限分类设计使用年限分类2 2 结构的安全等级结构的安全等级 结构的安全等级结构的安全等级根据结构破坏可能产生的后果，即根据结构破坏可能产生的后果，即危及人的生命、造成的经济损失、产生社会影响等的危及

19、人的生命、造成的经济损失、产生社会影响等的严重程度确定。严重程度确定。安全等安全等级破坏后果破坏后果建筑物建筑物类型型一一级很很严重重重要的房屋重要的房屋二二级严 重重一般的房屋一般的房屋三三级不不严重重次要的房屋次要的房屋建筑结构的安全等级建筑结构的安全等级 建筑物中各类建筑物中各类结构构件的安全等级结构构件的安全等级宜与宜与整个结构的安全等整个结构的安全等级级相同相同，但，但允许允许对部分结构构件根据其重要程度和综合效益进对部分结构构件根据其重要程度和综合效益进行适当的行适当的调整。调整。 结构的安全等级结构的安全等级用结构重要性系数用结构重要性系数0 0体现。体现。3 3 建筑结构的功能

20、建筑结构的功能 安安全全性性（MMu）：结结构构在在预预定定的的使使用用期期间间内内（一一般般为为50年年），应应能能承承受受在在正正常常施施工工、正正常常使使用用情情况况下下可可能能出出现现的的各各种种荷荷载载、外外加加变变形形（如如超超静静定定结结构构的的支支座座不不均均匀匀沉沉降降）、约约束束变变形形（如如温温度度和和收收缩缩变变形形受受到到约约束束时时）等等的的作作用用。在在偶偶然然事事件件（如如地地震震、爆爆炸炸）发发生生时时和和发发生生后后，结结构构应应能能保保持持整整体体稳稳定定性性，不不应应发发生生倒倒塌塌或或连连续破坏而造成生命财产的严重损失。续破坏而造成生命财产的严重损失。

21、适适用用性性 （f f ）：结结构构在在正正常常使使用用期期间间，具具有有良良好好的的工工作作性性能能。如如不不发发生生影影响响正正常常使使用用的的过过大大的的变变形形（挠挠度度、侧侧移移）、振振动（频率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。动（频率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。耐久性耐久性（wmax wmax）：结构在正常使用和正常维护条件下，）：结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。即在各种因素的影响下（应具有足够的耐久性。即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢混凝土碳化、钢筋锈蚀筋锈蚀），结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低而导致），结构的

22、承载力和刚度不应随时间有过大的降低而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。4 4 结构功能的极限状态结构功能的极限状态 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指定的某一功能要求，这个特定状态称为该功能的极限状态。指定的某一功能要求，这个特定状态称为该功能的极限状态。 结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠可靠”的的或或“有效有效”的。反之，则结构为的。反之，则结构为“不可靠不可靠”或或“失效失效”

23、。区分结构。区分结构“可可靠靠”与与“失效失效”的临界工作状态称的临界工作状态称为为“极限状态极限状态”。承承载载力力能能力力极极限限状状态态: :超超过过该该极极限限状状态态，结结构构就就不不能能满足预定的安全性功能要求。满足预定的安全性功能要求。结构或构件达到最大承载力（包括疲劳）结构或构件达到最大承载力（包括疲劳）结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移）结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移）结构塑性变形过大而不适于继续使用结构塑性变形过大而不适于继续使用结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰）结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰）结构或

24、构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）正正常常使使用用极极限限状状态态: :超超过过该该极极限限状状态态，结结构构就就不不能能满满足预定的适用性和耐久性的功能要求。足预定的适用性和耐久性的功能要求。过过大大的的变变形形、侧侧移移（影影响响非非结结构构构构件件、不不安安全全感感、不能正常使用（吊车）等）；不能正常使用（吊车）等）；过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）；过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）；过大的振动（不舒适）；过大的振动（不舒适）；其他正常使用要求。其他正常使用要求。问题二：下列破坏分别属于超出了什么极下列破坏分别属于超出了

25、什么极限状态？限状态？A A、雨棚出现倾覆、雨棚出现倾覆B B、出现了很大的裂缝、出现了很大的裂缝C C、结构变成了机动体系、结构变成了机动体系D D、发生了失稳破坏、发生了失稳破坏E E、出现了很大的振动、出现了很大的振动F F、超过了构件强度而破坏、超过了构件强度而破坏答案答案A：承载能力极限状态：承载能力极限状态答案答案B：正常使用极限状态：正常使用极限状态答答案案C：承载能力极限状态：承载能力极限状态答案答案D：承载能力极限状态：承载能力极限状态答答案案E：正常使用极限状态：正常使用极限状态答案答案F：承载能力极限状态：承载能力极限状态二二 极限状态方程极限状态方程S S作用效应作用效

26、应，结构上的作用（，结构上的作用（使结构产生内力和使结构产生内力和变形的原因变形的原因，如荷载、不均匀沉降、温度变形、收缩，如荷载、不均匀沉降、温度变形、收缩变形、地震等）引起的效应，变形、地震等）引起的效应，如弯矩如弯矩M M、轴力、轴力N N、剪力、剪力V V、扭矩、扭矩T T、挠度、挠度 f f、裂缝宽度、裂缝宽度 w w 等等 S = S(Q)R R结构抗力结构抗力，结构抵抗作用效应的能力，如受弯，结构抵抗作用效应的能力，如受弯承载力承载力M Mu u、受剪承载力、受剪承载力V Vu u、容许挠度、容许挠度 f f 、容许裂缝、容许裂缝宽度宽度 w w 。R = R(fc, fy, A

27、, h0, As, )极限状态方程极限状态方程 当当 时，时，结构处于结构处于可靠可靠状态状态 当当 时，时， 当当 时时，结构处于结构处于失效失效状态状态结构处于结构处于极限极限状态状态功能函数功能函数承载能力极限状态函数承载能力极限状态函数 Z ZR R- -S S 结结构构在在规规定定的的使使用用期期限限内内（设设计计工工作作寿寿命命=50=50年年），在在规规定定的的条条件件下下（正正常常设设计计、正正常常施施工工、正正常常使使用用和和维维护护），完完成预定结构功能的能力，称为成预定结构功能的能力，称为结构的可靠性结构的可靠性 。 结结构构的的可可靠靠度度是是结结构构可可靠靠性性的的概

28、概率率度度量量，即即结结构构在在设设计计使用年限内，在正常条件下，完成预定功能的概率使用年限内，在正常条件下，完成预定功能的概率p ps s。 结结构构可可靠靠性性越越高高，建建设设造造价价投投资资越越大大。因因此此，如如何何在在结结构构可可靠靠与与经经济济之之间间取取得得均均衡衡，就就是是设设计计方方法法要要解解决决的的问问题题。显显然然这这种种可可靠靠与与经经济济的的均均衡衡受受到到多多方方面面的的影影响响，如如国国家家经经济济实实力力、设设计计工工作作寿寿命命、维维护护和和修修复复等等。规规范范规规定定的的设设计计方方法法，是是这这种种均均衡衡的的最最低低限限度度，也也是是国国家家法法律

29、律。设设计计人人员员可可以以根根据据具具体体工工程程的的重重要要程程度度、使使用用环环境境和和情情况况，以以及及业业主主的的要求，提高设计水准，增加结构的可靠度。要求，提高设计水准，增加结构的可靠度。 经经济济的的概概念念不不仅仅包包括括第第一一次次建建设设费费用用，还还应应考考虑虑维维修修，损失及修复的费用。损失及修复的费用。三三 结构的可靠度结构的可靠度 可靠指标与失效概率可靠指标与失效概率 由于作用效应由于作用效应 和结构抗力和结构抗力 都是随机变量或随机过都是随机变量或随机过程，因此要绝对地保证程，因此要绝对地保证 总是大于总是大于 是不可能的。是不可能的。 由图可见，在多数情况下，由

30、图可见，在多数情况下， 大于大于 。但是，由于。但是，由于 和和 的的离散性，在它们概率密度曲线的重叠区（阴影段内）仍有可能出离散性，在它们概率密度曲线的重叠区（阴影段内）仍有可能出现现 小于小于 的情况，这种可能性的大小用概率来表示就是失效概的情况，这种可能性的大小用概率来表示就是失效概率率 。 和和 的概率密度曲线的概率密度曲线 当结构功能函数中仅有两个独立的随机变量当结构功能函数中仅有两个独立的随机变量 和和 ，且都服从正态分布时，功能函数且都服从正态分布时，功能函数 的概率密度曲线如图所示。的概率密度曲线如图所示。 功能函功能函数的概数的概率密度率密度曲线曲线 结构的失效概率可直接通过

31、结构的失效概率可直接通过 的概率（图中阴影面积）的概率（图中阴影面积）来表达，即来表达，即 令令则则 由上式可见，由上式可见， 与与 具有数值上的对应关系，也具有具有数值上的对应关系，也具有与与 相对应的物理意义。相对应的物理意义。 越大，越大， 就越小，即结构越就越小，即结构越可靠，故可靠，故 称为称为可靠指标可靠指标。 当仅有作用效应和结构抗力两个基本变量且均按正态分布时，当仅有作用效应和结构抗力两个基本变量且均按正态分布时，结构构件的可靠指标可按上式计算。结构构件的可靠指标可按上式计算。 设计规范所规定的、作为设计结构或结构构件时所应达到的设计规范所规定的、作为设计结构或结构构件时所应达

32、到的可靠指标，称为可靠指标，称为设计可靠指标设计可靠指标，它是根据设计所要求达到的结，它是根据设计所要求达到的结构可靠度而取定的，所以又称为构可靠度而取定的，所以又称为目标可靠指标目标可靠指标 。 目标可靠指标，理论上应根据各种结构构件的重要性、破坏目标可靠指标，理论上应根据各种结构构件的重要性、破坏性质（延性、脆性）及失效后果，用优化方法分析确定。限于性质（延性、脆性）及失效后果，用优化方法分析确定。限于目前统计资料不够完备，并考虑到标准规范的现实继承性，一目前统计资料不够完备，并考虑到标准规范的现实继承性，一般采用般采用“校准法校准法”确定。所谓确定。所谓“校准法校准法”，就是通过对原有规

33、，就是通过对原有规范可靠度的反演计算和综合分析，确定以后设计时所采用的结范可靠度的反演计算和综合分析，确定以后设计时所采用的结构构件的可靠指标。构构件的可靠指标。破坏破坏类型型安安 全全 等等 级一一 级二二 级三三 级延性破坏延性破坏3.73.22.7脆性破坏脆性破坏4.23.73.2结构构件承载能力极限状态的设计可靠指标结构构件承载能力极限状态的设计可靠指标1 1 分项系数分项系数 对于一般常见的工程结构，直接采用可靠指标进行设计工作量大，有时会遇到统计资料不足而无法进行的困难。考虑到多年来的设计习惯和使用上的简便，建筑结构设计统一标准提出了便于实际使用的设计表达式，称为实用表达式。四四四

34、四 极限状态设计法的实用表达式极限状态设计法的实用表达式极限状态设计法的实用表达式极限状态设计法的实用表达式实用表达式将影响结构安全的因素（荷载、材料、几何尺寸、计算方法）视为随机变量，应用数理统计的概率方法进行分析，采用以荷载和材料强度的标准值以及相应的“分项系数”来表示的方式。分项系数等价于考虑目标可靠指标分项系数按照目标可靠度指标，并考虑工程经验优选确定后，将其隐含在设计表达式中。)1(SSSkVSdm+=)1(RRRkVRdm-=承载力标准值Rk和荷载标准值Sk分别为；R、s分别为与承载力和荷载有关的系数；VR、Vs分别表示承载力和荷载的变异系数；整理得可见，承载力分项系数R和荷载分项

35、系数S的来源与目标可靠指标有关，所以分项系数可以按照目标可靠指标通过反算来确定。混凝土结构设计规范给出的承载能力极限状态设计表达式和正常使用极限状态设计表达式中的分项系数的值就是按上述原理确定的。承载力分项系数承载力分项系数荷载分项系数荷载分项系数注意，表达式中虽然采用了统计和概率的方法，但是概率极限状态分析中只用到统计平均值和均方差，并非实际的概率分布，并且在分离导出分项系数时还作了一些假定，运算中采用了一些近似的处理方法，因而计算结果是近似的，所以只能称为近似概率设计方法。荷载设计中包括永久荷载、可变荷载等，都是随机变量，因此必须求得各个荷载统计资料的平均值和标准差，利用概率的方法才能得到

36、荷载效应的总的平均值和标准差。结构抗力包括钢的强度，还有几何尺寸和计算模式的不定性等，也必须采用概率的方法获得总的平均值和标准差。2 2 承载力极限状态表达式承载力极限状态表达式0 S RR = R( ) = R(fck/c , fsk /s , k , )式中 S ： 荷载效应组合的设计值；R ： 结构构件抗力的设计值，应按各有关建筑结构设计规范的规定确定；为混凝土和钢筋强度标准值(fck 、fsk)、分项系数(c 、s )、几何尺寸标准值以及其它参数的函数。（1 1）. .最简单情况，只有一个最简单情况，只有一个荷载效应；荷载效应；0： 结构构件的重要性系数，与安全等级对应。u对安全等级为

37、一级或设计使用年限为100年级以上的结构构件不应小于1.1；u对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件不应小于1.0；u对安全等级为三级或设计使用年限为5年的结构构件不应小于0.9；u在抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数； （2 2）多个荷载时，应考虑内力组合设计值）多个荷载时，应考虑内力组合设计值（1）基本组合：（按承载能力极限状态设计时）对由可变荷载效应控制的组合，按下式计算对由永久荷载效应控制的组合，按下式计算式中 G:永久荷载分项系数，当永久荷载效应对结构不时，对由可变荷载效应控制的组合一般取1.2；对由永久荷载效应控制的组合一般取1.35；当永久荷载效应对结构有利时取1.

38、0；Qi 活荷载分项系数。一般情况取Q =1.4， 当楼面活荷载标准值大于4kN/m2，取 Q =1.3=+=niiciQiQGS1kkGQik ： 活荷载标准值。 由数理统计分析按一定保证率确定的值。(95%保证率)GG ：永久荷载标准值。由数理统计分析按一定保证率确定的值，可根据荷载规范取值。ci ： 第i个可变荷载的组合系数 （3）结构构件的承载力设计值R = R( ) = R(fc , fs , k , )是由材料强度的标准值fck除以材料分项系数 c 1.0所得。f ：材料的设计值。fck是由数理统计分析且具有95%的保证率的材料强度。结构构件的抗力应根据截面的受力状态不同用相应的计

39、算模型确定。3 3 正常使用极限状态设计表达式正常使用极限状态设计表达式结构或构件超过正常使用极限状态时所造成的财产和生命损失要小于超过承载力极限状态的后果，故其可靠度指标要低一些。在荷载效应及结构抗力计算中均 作为其代表值。采用标准值采用标准值 （1 1）. .荷载效应组合的代表值荷载效应组合的代表值结构或构件在持荷作用下，其变形会随时间的推移而发展，因此讨论其荷载组合时应考虑 、 进行设计。标准组合标准组合准永久组合准永久组合频遇组合频遇组合 （2 2）. .正常使用极限状态的荷载效应组合方式正常使用极限状态的荷载效应组合方式钢结构或构件在持荷作用下，其变形仅考虑标钢结构或构件在持荷作用下

40、，其变形仅考虑标准组合进行设计。准组合进行设计。 荷载的标准组合荷载的标准组合 S Sk k：式中，永久荷载及第一个可变荷载采用 标准值，其它可变荷载均采用组合值。 ci为可变荷载组合值系数。u 对于对于受压、受拉构件受压、受拉构件，规范规定应限，规范规定应限制其长细比，制其长细比， 即即: : 式中：式中：-受压、受拉构件的计算长受压、受拉构件的计算长细比细比 ； -规范规定的受拉、受压规范规定的受拉、受压构件容许长细比，按规范采用。构件容许长细比，按规范采用。问题三：一一简简支支梁梁，计计算算跨跨度度为为6 6米米，作作用用有有均均布布荷荷载载，恒恒载载标标准准值值 g gk k=3kN/

41、m=3kN/m，分分项项系系数数 G G=1.2=1.2（1.351.35），活活荷荷载载标标准准值值q qk k=6kN/m=6kN/m，分分项项系系数数 Q Q=1.4=1.4，组组合合系系数数0.7,0.7,分分别别计计算算梁梁跨跨中中截截面面弯弯矩的基本组合、标准组合。矩的基本组合、标准组合。荷载标准组合：荷载标准组合：基本效应组合基本效应组合( (永久荷载控制永久荷载控制) )解：基本效应组合解：基本效应组合( (可变荷载控制可变荷载控制) )问题四：一一简简支支檩檩条条，计计算算跨跨度度为为6 6米米，檩檩距距1.5m,1.5m,作作用用有有均均布布面面荷荷载载，恒恒载载标标准准值

42、值g gk k=0.5kN=0.5kNm m2 2，向向上上风风吸吸力力q qk k=1.0kN=1.0kNm m2 2，试试计计算算檩条檩条跨中截面弯矩的基本组合。跨中截面弯矩的基本组合。基本效应组合值基本效应组合值：活载基本效应组合活载基本效应组合解：恒载基本效应组合值解：恒载基本效应组合值问题五：一一框框- -筒筒结结构构，设设计计使使用用年年限限100100年，某屋面框架梁，恒载产生的跨年，某屋面框架梁，恒载产生的跨中中弯弯矩矩标标准准值值 M Mk k=30kN=30kNm m，分分项项系系数数 G G=1.2=1.2（1.351.35）; ;屋屋面面活活荷荷载载产产生生的的跨跨中中

43、弯弯矩矩标标准准值值Mk k=60kN=60kNm m，分分项项系系数数 Q Q=1.35=1.35，组组合合系系数数0.9;0.9;屋屋面面积积灰灰荷荷载载产产生生的的跨跨中中弯弯矩矩标标准准值值 Mk=50Nm，分分项项系系数数 Q=1.4，组组合合系系数数0.9;分分别别计计算算梁梁跨跨中中截截面面弯弯矩矩的的基基本本组组合合、标标准组合。准组合。基本效应组合基本效应组合(可变荷载控制，第一可变荷载可变荷载控制，第一可变荷载为屋面积灰荷载为屋面积灰荷载)基本效应组合基本效应组合( (可变荷载控制，第一可变荷载可变荷载控制，第一可变荷载为屋面活荷载为屋面活荷载) )解：基本效应组合计算公式

44、解：基本效应组合计算公式取取198KN.m标准组合标准组合(可变荷载控制，第一可变荷载为屋可变荷载控制，第一可变荷载为屋面积灰荷载面积灰荷载)标准标准组合组合( (可变荷载控制，第一可变荷载为屋可变荷载控制，第一可变荷载为屋面活荷载面活荷载) )解：标准组合计算公式解：标准组合计算公式取取135KN.m作业一：一一厂厂房房采采用用1.5mX6m1.5mX6m大大型型屋屋面面板板，屋屋面面恒恒载载标标准准值值2.7kN/m2.7kN/m2 2；屋屋面面活活载载标标准准值值0.7kN/m2，组组合合系系数数0.7；屋屋面面积积灰灰荷荷载载标标准准值值0.5kN/m2， 组组 合合 系系 数数 0.9。 屋屋 面面 纵纵 梁梁 跨跨 度度L=5.87m，试试计计算算屋屋面面纵纵梁梁跨跨中中弯弯矩矩的的基基本本组组合和标准组合合和标准组合(按简支梁计算）按简支梁计算）。作业三：你准备怎样学习本门课？你准备怎样学习本门课？作业二：P12P12第第5 5、6 6题题