鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

1、第3章 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法,本章導(dǎo)學(xué),『導(dǎo)學(xué)提示』本章主要介紹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的，鋼結(jié)構(gòu)的基本計(jì)算方法—容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法、概率設(shè)計(jì)法、概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的計(jì)算表達(dá)式。,『本章要求』1.理解鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的；2.了解容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法；3.了解概率設(shè)計(jì)法的設(shè)計(jì)表達(dá)式；4. 理解概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)表達(dá)式，掌握在不同極限狀態(tài)下荷載的計(jì)算。,『關(guān)鍵知識(shí)』1.概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)表達(dá)式。,『重點(diǎn)講解』1.概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法的設(shè)

2、計(jì)表達(dá)式。,『難點(diǎn)解析』 1.極限狀態(tài)的概念和分類； 2.概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)表達(dá)式。,3.1 概述,3.1.1 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的在于使所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，滿足預(yù)定功能的基礎(chǔ)上，要求既能安全可靠的工作，又經(jīng)濟(jì)合理。,（1）安全性結(jié)構(gòu)能承受在正常施工和正常使用時(shí)可能出現(xiàn)的各種荷載及其它作用(如溫度變化、基礎(chǔ)不均沉降等）；當(dāng)發(fā)生爆炸、撞擊、人為錯(cuò)誤等偶然事件時(shí)，結(jié)構(gòu)能保持必需的整體穩(wěn)固性，不出現(xiàn)與起

3、因不相稱的破壞后果，防止出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)可保持足夠的承載力。,（2）適用性 指結(jié)構(gòu)在正常使用條件下，滿足預(yù)定使用要求的能力。例如不產(chǎn)生影響正常使用的過(guò)大變形等。,（3）耐久性結(jié)構(gòu)在正常的維護(hù)下，應(yīng)隨時(shí)間的變化仍能滿足預(yù)定的功能要求，例如不發(fā)生嚴(yán)重侵蝕而影響結(jié)構(gòu)的使用壽命等。,結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的能力稱為結(jié)構(gòu)的可靠性（規(guī)定時(shí)間是指結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限，規(guī)定條件，是指

4、正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用和維護(hù)的條件，不包括非正常的，例如人為的錯(cuò)誤等）。,1.結(jié)構(gòu)上的作用使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生效應(yīng)(M、N、V、T、σ、τ、ε、f、θ)的各種因素的總和。2.作用效應(yīng)( S )結(jié)構(gòu)上的作用引起結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的內(nèi)力和變形。 S=CQ3.結(jié)構(gòu)抗力（ R ）結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受內(nèi)力和變形的能力。R=f(σ、E、A、I )的函數(shù)。,3.1.2 結(jié)構(gòu)上的作用和作用效應(yīng),4.結(jié)構(gòu)可靠工作的基本條件結(jié)構(gòu)完成預(yù)定功能的工作狀態(tài)

5、可用結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)Z來(lái)描述。,3.2 容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法,容許應(yīng)力法由于采用一個(gè)定值的安全系數(shù)來(lái)衡量結(jié)構(gòu)的安全性，所以計(jì)算應(yīng)用簡(jiǎn)便，是工程結(jié)構(gòu)中的一種保守的設(shè)計(jì)方法，目前在公路、鐵路工程設(shè)計(jì)中仍在應(yīng)用。它的主要缺點(diǎn)是由于單一安全系數(shù)是一個(gè)籠統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，不從定量上度量結(jié)構(gòu)的可靠度，更不能使各類結(jié)構(gòu)的安全度達(dá)到同一水平，也未考慮荷載增大的不同比率或具有異號(hào)荷載效應(yīng)情況對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響，所以該方法對(duì)結(jié)構(gòu)可靠度的研究是處于以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的定性分析階

6、段。,,,,3.3 概率設(shè)計(jì)法,3.3.1 半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法,在概率設(shè)計(jì)法的研究過(guò)程中，首先考慮荷載和材料強(qiáng)度的不確定性，用概率的方法確定它們的取值，以經(jīng)驗(yàn)確定分項(xiàng)系數(shù)，但仍沒(méi)有將結(jié)構(gòu)的可靠度與概率聯(lián)系起來(lái)，故稱為半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。,極限狀態(tài)定義：整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過(guò)某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計(jì)指定的某一功能要求，這個(gè)特定的狀態(tài)稱之為該功能的極限狀態(tài)。,3.3.2 一次二階矩法,1．結(jié)構(gòu)的可靠度結(jié)構(gòu)的可靠度是結(jié)構(gòu)可靠性的

7、概率度量，即結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，在正常條件下，完成預(yù)定功能的概率。結(jié)構(gòu)的可靠度是用可靠概率來(lái)描述的。,失效概率：,可靠概率：,結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo),考慮到計(jì)算失效概率比較復(fù)雜，故引入可靠指標(biāo)代替失效概率來(lái)具體度量結(jié)構(gòu)的可靠性。,3.4 概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法,3.4.1 目前我國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用的方法,1.承載能力極限狀態(tài),結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或者達(dá)到不適于繼續(xù)承載的變形狀態(tài)，稱為承載能力極限狀態(tài)。超過(guò)承載能力極限狀態(tài)后，結(jié)

8、構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件就不能滿足安全性的要求。,當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時(shí)，應(yīng)認(rèn)為超過(guò)了承載能力極限狀態(tài)：① 結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過(guò)材料強(qiáng)度而破壞，或因過(guò)度變形而不適于繼續(xù)承載；② 整個(gè)結(jié)構(gòu)或其一部分作為剛體失去平衡（如傾覆等）；③ 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系；④ 結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如壓屈等）；⑤ 結(jié)構(gòu)因局部破壞而發(fā)生連續(xù)倒塌；⑥ 地基喪失承載力而破壞（如失穩(wěn)等）；⑦ 結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞破壞。,2.正常使用極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)

9、構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能中某項(xiàng)規(guī)定限度的狀態(tài)稱為正常使用極限狀態(tài)。超過(guò)了正常使用極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件就不能保證適用性和耐久性的功能要求。當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時(shí)，應(yīng)認(rèn)為超過(guò)了正常使用極限狀態(tài)：① 影響正常使用或外觀的變形（如過(guò)大變形、過(guò)寬裂縫等）；② 影響正常使用或耐久性能的局部損壞；③ 影響正常使用的振動(dòng)；④ 影響正常使用的其他特定狀態(tài)。,現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范除疲勞計(jì)算外，采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，

10、用分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算。,3.4.2 承載能力極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)表達(dá)式,（2）永久荷載效應(yīng)控制的組合,1.承載能力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)的基本組合（1）可變荷載效應(yīng)控制的組合,－結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對(duì)安全等級(jí)為一級(jí)或設(shè)計(jì)使用年限為 100年及以上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于1.1；對(duì)安全等級(jí)為二級(jí) 或設(shè)計(jì)使用年限為50年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于1.0；對(duì)安全 等級(jí)為三級(jí)或設(shè)計(jì)使用年

11、限為5年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于0.9；,－永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面或連接中產(chǎn)生的應(yīng)力；,－起控制作用的第一個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面或連接中產(chǎn)生的應(yīng)力(該值使計(jì)算結(jié)果為最大)；,－其他第i個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面或連接中產(chǎn)生的應(yīng)力；,－永久荷載分項(xiàng)系數(shù)，當(dāng)永久荷載效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載 能力不利時(shí)取l.2，但當(dāng)永久荷載效應(yīng)控制的組合時(shí)取1.35 。當(dāng)永久荷載效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力有利時(shí)，取為1.0

12、 ；驗(yàn)算結(jié)構(gòu)傾覆、滑移或漂浮時(shí)取0.9；,－第1個(gè)和其他第i個(gè)可變荷載分項(xiàng)系數(shù)，當(dāng)可變荷載效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力不利時(shí)，取1.4(當(dāng)樓面活荷載大于4.0kN／m2時(shí)，取1.3)；有利時(shí)，取為0；,－第i個(gè)可變荷載的組合值系數(shù)，可按荷載規(guī)范的規(guī)定采用。,2.對(duì)于一般排架、框架結(jié)構(gòu)，可采用簡(jiǎn)化式計(jì)算,（1）可變荷載效應(yīng)控制的組合,（2）永久荷載效應(yīng)控制的組合,－簡(jiǎn)化式中采用的荷載組合值系數(shù)，一般情況下可采用0.9；當(dāng)只有一個(gè)

13、可變荷載時(shí)，取為1.0。,3.4.3 正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)表達(dá)式,正常使用極限狀態(tài)荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合,－永久荷載的標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值；,－起控制作用的第一個(gè)可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值(該值使計(jì)算結(jié)果為最大)；,－其他第i個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值；,－結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的容許變形值。,注意：1.正常使用極限狀態(tài)下應(yīng)采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值2.承載力極限狀態(tài)下應(yīng)采用荷載設(shè)計(jì)值3.二者之間

14、關(guān)系:荷載設(shè)計(jì)值=荷載標(biāo)準(zhǔn)值×荷載分項(xiàng)系數(shù),鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 fy /γR 砌體結(jié)構(gòu)材料抗力分項(xiàng)系數(shù) γR = 1.6、1.8γR 混凝土結(jié)構(gòu)材料抗力分項(xiàng)系數(shù) γR =1.4 鋼結(jié)構(gòu)材料抗力分項(xiàng)系數(shù) Q235 γR =1.087 Q345 Q390 Q