钢结构的设计方法

钢结构的设计方法3.1概述3.2概率极限状态设计法3.3概率极限状态设计法的表达式3.4钢材的疲劳和疲劳计算第三章钢结构的设计方法本章目录第2页,共29页，2024年2月25日，星期天钢结构设计的目的：3.1概述使所建造的结构能充分满足各种预定的功能要求。3.1.1钢结构设计的目的技术先进经济合理安全适量确保质量第三章钢结构的设计方法第3页,共29页，2024年2月25日，星期天3.1.2结构的功能要求安全性：正常施工和使用时，能承受荷载、地震、温度变化（引起变形）等作用。并且在偶然事件后不至整体垮塌。适用性：耐久性：正常使用时，具有良好的工作性能。正常维护下有足够的耐久性能。第三章钢结构的设计方法第4页,共29页，2024年2月25日，星期天3.1.3结构的可靠性和可靠度结构的可靠性：结构在规定的时间（设计使用年限）内，在规定的使用条件下完成预定功能的能力。是安全性、适用性和耐久性三者的统称。类别设计使用年限（年）示例15临时性建筑225易替换的结构构件350普通房屋和构筑物4100纪念性建筑和特别重要建筑结构第三章钢结构的设计方法第5页,共29页，2024年2月25日，星期天结构的可靠度：结构可靠度是对结构可靠性的定量描述，即结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。对结构可靠度的要求与结构的设计基准期长短有关，设计基准期长，可靠度要求就高，反之则低。一般建筑物的设计基准期为50年。第三章钢结构的设计方法第6页,共29页，2024年2月25日，星期天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规定的某一功能要求，称此特定状态为该功能的极限状态。3.2概率极限状态设计法3.2.1结构的极限状态在结构的可靠和经济之间选择一种合理的平衡的设计方法，称为概率极限状态设计法。第三章钢结构的设计方法第7页,共29页，2024年2月25日，星期天第三章钢结构的设计方法（1）承载能力极限状态结构或构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形时的极限状态，包括以下几个方面：整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；结构构件或连接因超过材料强度而破坏；结构构件或连接在循环荷载作用下发生的疲劳破坏；结构构件或连接因过度变形（几何形状改变）而不适于继续承载；结构转变为机动体系（灵活可变的体系）；

结构或构件丧失稳定（如压屈等）。第8页,共29页，2024年2月25日，星期天第三章钢结构的设计方法（2）正常使用极限状态

结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定值时的极限状态：影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；影响正常使用的振动(动荷载过度振动)；影响正常使用的其它特定状态。承载力极限状态与正常使用极限状态相比，前者可能导致人身伤亡和大量的财产损失，而后者对生命的危害则较小，主要是引起人们的不适，所以也应该给予足够的重视。第9页,共29页，2024年2月25日，星期天3.2.2失效概率Pf和可靠指标β度量结构的可靠性采用可靠概率PS（能完成预订功能的概率）或失效概率Pf（不能完成预定功能的概率）；PS+Pf=1通常用失效概率度量结构的可靠性。结构或构件的承载能力，也称为抗力；用R表示，作用（荷载）对结构或构件产生的效应；用S表示；Z=g（R,S）=R-SZ>0，可靠状态Z<0，失效状态Z=0，极限状态结构的功能函数第三章钢结构的设计方法第10页,共29页，2024年2月25日，星期天第三章钢结构的设计方法失效概率可靠指标b2.52.73.23.74.2Pf6.21×10-33.5×10-36.9×10-41.1×10-41.3×10-5失效概率和可靠指标的对应关系（3.4）（3.9）第11页,共29页，2024年2月25日，星期天根据结构的重要性、破坏性质、失效后果等以及长期的工程实践经验，对β值进行了规定：对于承载力极限状态，安全等级为二级的属延性破坏的构件β=3.2（对应的失效概率=1/1450）,若使用年限50年，则其每年的失效概率为1/72500；脆性破坏的构件β=3.7；安全等级为一级、三级时，在上面基础上分别增减0.5。第三章钢结构的设计方法第12页,共29页，2024年2月25日，星期天3.3概率极限状态设计法的设计表达式第三章钢结构的设计方法

GB50068-2001《建筑结构可靠度设计统一标准》规定结构构件的极限状态设计表达式，应根据各种极限状态的设计要求，采用有关的荷载代表值、材料性能标准值、几何参数标准值以及各种分项系数等表达。

为了便于应用并符合人们长期以来的习惯，规范并不直接使用

进行设计，而利用式: 来完成。就设计而言，问题被转化为计算效应S和抗力R。第13页,共29页，2024年2月25日，星期天第三章钢结构的设计方法

在荷载效应的基本组合条件下，式（3.14）可转化为等效的以基本变量标准值、分项系数和组合系数，并以应力形式表达的极限状态公式。

可变荷载起控制作用时：永久荷载起控制作用时：1）承载能力极限状态分项系数表达式

对于一般排架和框架结构：（3.20）第14页,共29页，2024年2月25日，星期天第三章钢结构的设计方法（2）可变荷载的分项系数（gQ1、gQi）

--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。（1）永久荷载分项系数（gG）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、滑移或漂浮验算，应取0.9。第15页,共29页，2024年2月25日，星期天第三章钢结构的设计方法f——钢材或连接材料强度设计值。fk——钢材或连接材料强度标准值。

R——钢材或连接材料抗力分项系数，对于Q235钢

R

=1.087；Q345、Q390、Q420钢

R=1.111

。钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。第16页,共29页，2024年2月25日，星期天第三章钢结构的设计方法

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进行设计，并使变形等设计值不超过相应的规定限值。对于钢结构只考虑荷载的标准组合，荷载采用标准值。νGk--永久荷载标准值在结构或构件中产生的变形值；νQ1k—起控制作用的第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大）；(3.21)2）正常使用极限状态

νQik--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。

[ν]--结构或结构构件的容许变形值。(查《钢结构设计规范》)

第17页,共29页，2024年2月25日，星期天第三章钢结构的设计方法设计表达式中物理量和系数简介:1、

0——结构重要性系数，按下列规定采用：对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件，不应小于1.1；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；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。安全等级破坏后果建筑物类型一级很严重重要的房屋二级严重一般的房屋三级不严重次要的房屋建筑结构的安全等级第18页,共29页，2024年2月25日，星期天第三章钢结构的设计方法2、荷载组合系数Ψc结构承受两个或两个以上可变荷载时，考虑到所有可变荷载同时达到其单独出现时可能达到的最大值的概率极小，因此除主导荷载外，将其他可变荷载乘以一个小于1的组合系数,一般取为0.7.详见《规范》。3.3.3钢材的强度设计值（教材P45）强度设计值f=fk/γR例如：厚度小于16mm的Q235钢，fy=235N/mm2，γR=1.087，f=fk/γR=fy/γR=215N/mm2。钢材的抗剪强度设计值fv=0.58f。第19页,共29页，2024年2月25日，星期天第三章钢结构的设计方法3.4钢材的疲劳和疲劳计算定义：钢结构的疲劳断裂是微观裂纹在连续重复荷载作用下不断扩展以至断裂的脆性破坏。

疲劳强度是指钢结构在连续重复载荷作用下而不破坏的最大应力。破坏过程：裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。第20页,共29页，2024年2月25日，星期天破坏特点：（1）疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度，钢材的塑性还没有展开，属于脆性破坏。（3）疲劳对缺陷十分敏感。

（2）疲劳破坏的断口与一般脆性破坏的断口不同。一般脆性破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或人字纹。而疲劳破坏的主要断口特征是放射和年轮状花纹。第三章钢结构的设计方法第21页,共29页，2024年2月25日，星期天疲劳破坏中一些值得注意的问题（1）疲劳验算采用的是容许应力设计法，而不是以概率论为基础的设计方法。这主要是因为焊接构件焊缝周围的力学性能非常复杂，目前还没有较好试验或数值方法对其进行以概率论为基础的研究。（2）对于只有压应力的应力循环作用，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。（3）国内外试验证明，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度的影响，故可认为疲劳容许应力幅与钢种无关。（4）提高疲劳强度和疲劳寿命的措施 （ａ）采取合理构造细节设计，尽可能减少应力集中； （ｂ）严格控制施工质量，减小初始裂纹尺寸； （ｃ）采取必要的工艺措施如打磨、敲打等。第三章钢结构的设计方法第22页,共29页，2024年2月25日，星期天第三章钢结构的设计方法（1）微观裂纹和应力集中在钢材生产制造过程中，其内部就存在一些诸如化学成分偏析、非金属夹杂以及制造时形成的毛边和裂纹及焊缝内部的工艺缺陷相当于微裂纹的作用。在重复连续荷载作用时，在这些截面上引起应力集中现象，首先在高峰应力处产生微观裂纹，并随着荷载的重复作用，裂纹继续开展，达到一定循环次数时突然破坏。显然应力集中越明显，其疲劳强度越低。3.4.1影响疲劳强度的主要因素第23页,共29页，2024年2月25日，星期天第三章钢结构的设计方法（2）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。应力幅为每次应力循环中最大拉应力（取正值）和最小拉应力或压应力（拉取正、压取负）的差值。t应力谱为常量常幅循环：为变量变幅循环：第24页,共29页，2024年2月25日，星期天第三章钢结构的设计方法完全对称循环△σtρ=σmin/σmax=

-1σminσmax+σ-σ0脉冲循环△σtρ=σmin/σmax=0+σ-σ0循环应力谱：（3）应力比应力比为循环应力中绝对值最小的峰值应力σmin与绝对值最大的峰值应力σmax之比。ρ=σmin/σmax(拉应力取正号而压应力取负号)。第25页,共29页，2024年2月25日，星期天第三章钢结构的设计方法循环应力谱：不完全对称循环一△σt0＞ρ=σmin/σmax＞

-1σminσmax+σ-σ0+σ-σ不完全对称循环二△σt0＞ρ=σmin/σmax＞