钢结构设计方法-童根树解析

钢结构设计方法--童根树解析第一页，共59页。所谓的设计方法，由三个层次构成

（1）第一层次是指安全度的考虑，荷载组合

（2）第二层次的方法是内力分析方法（3）第三层次的方法是指具体

A截面和连接的强度设计计算

B构件的设计(稳定性设计计算）

C挠度的控制

D侧移的验算

E疲劳验算

第二页，共59页。一、安全度的考虑以概率理论为基础的极限状态设计法，实际上是75％概率。74年规范是半概率，50％更加确切的定义是荷载和抗力分项系数设计法，Load&ResistanceFactoredDesign(LRFD)

或分项安全系数法：荷载和抗力两部分

离散性大的荷载系数大：1.2，1.4

离散性大的抗力系数大：钢Q235:1.087，

钢Q345,Q420:1.10，

混凝土1.40

第三页，共59页。荷载组合有(低层)11.35Dead+0.7x(1.4Live)21.2Dead+1.4Live31.2D+1.4L+0.6x1.4Wind1.2D+1.4x0.7（或0.9)L+1.4W51.2(D+0.5L)+1.3E+(0.2x1.4W,60m以上)6D+0.5L+1.3E＋1.3E+(0.2x1.4W,60m以上)7(0.9or1.0)D＋1.4W总共有14种。但是还有一些允许的活荷载折减，在内力组合过程中要加以实现8某些构件和节点需要以下组合(D+0.5L)+3E中震弹性要求第四页，共59页。荷载组合有(高层)11.35D+0.7x(1.4L)21.2D+1.4L(允许按照层数的折减)31.2D+1.4L（允许按照层数的折减)

+1.4W41.2(D+0.5L)+1.3E+(0.2x1.4W)5D+1.4W(基础拉力，倾覆）6（0.9)(D+0.5L)+1.3E（基础拉力1，倾覆0.9)7某些构件和节点需要以下组合(D+0.5L)+3E中震弹性的要求

第五页，共59页。二、现在出现的第二层次的分析方法有

1几何线性、弹性分析法

－－理想化的结构2几何线性、弹性分析法中考虑P-Δ效应

（近似的二阶弹性分析,必须考虑缺陷，引入假想水平力等效地考虑，也可以考虑初始倾斜）3几何非线性、弹性分析（精确的二阶分析，一个柱子要划分2～4个单元，必须考虑缺陷，可以等效地考虑)4几何非线性、弹塑性分析

（方法变化很多，有集中塑性铰法，每根构件2～4个单元，有考虑塑性铰是逐步形成的，而且有一定的长度，称为塑性区法的。塑性区法的单元不能少于4个。

要考虑初始缺陷)第六页，共59页。

(a)变形前

（b）变形后

图14.4块体承受水平分布力的平衡几何线性－－平衡条件建立在未变形的基础上

几何非线性－－平衡条件建立在变形后的基础上真正的平衡是建立在变形后的平衡：第七页，共59页。这是设计规范向二阶分析方法发展的重要原因真正的平衡是变形发生以后的平衡第八页，共59页。弹性，弹塑性，残余应力的因素，使得任何结构都不是在弹性阶段工作的钢材的应力应变关系焊接工字形截面的残余应力第九页，共59页。热轧工字形截面的残余应力焊接箱形截面残余应力初始几何缺陷的存在－原因之三第十页，共59页。三、第三层次的设计方法

－截面和构件的设计1允许钢构件的板件发生局部屈曲2钢截面的边缘最大应力不超过钢材的屈服

强度（边缘纤维屈服准则）

（2a允许部分开展开展塑性）

3截面形成塑性铰4截面形成塑性铰，而且还要有一定的塑性转动能力。第十一页，共59页。四类截面1有转动能力的塑性截面I(b1/t=9)2不要求转动的塑性截面II(b1/t=11)(部分塑性开展的IIIa）(b1/t=13)3弹性截面III（b1/t=15)4薄壁截面IV(b1/t=15~45)第十二页，共59页。四类截面-梁1有转动能力的塑性截面I(hw/tw<=50)2不要求转动的塑性截面II(hw/tw<=60)(部分塑性开展的IIIa）(hw/tw<=70)3弹性截面III（hw/tw<=85)4薄壁截面IV(hw/tw=85-250)第十三页，共59页。1允许截面局部屈曲的设计：《冷弯薄壁型钢技术规范》GB50018-2002《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102:2002第十四页，共59页。2其他的截面设计方法：边缘纤维屈服准则；采用截面III截面形成塑性铰；采用截面II部分塑性开展：上述两者之间：采用截面IIa；允许内力充分重分布的设计：塑性分析，采用截面I第十五页，共59页。第十六页，共59页。四、各个层次设计方法的配套第一层次，由结构的重要性决定，然后，第二层次和第3层次的方法的配套，构成了某项工程采用的设计方法第十七页，共59页。各种不同的结构采用不同的

内力分析方法和截面设计方法的组合。

（1）E-E法（E-Elastic）

弹性内力分析，构件设计采用弹性极限设计。

冷弯薄壁型钢结构

GB50017－2002

门式刚架房屋钢结构

CECS102-2002(2)E-P法:

内力分析采用弹性分析，

构件设计利用了截面塑性开展

按照

钢结构设计规范GB50017-2003的设计介于E-E和E-P法之间的（3）P-P法（P-Plastic）

内力分析采用塑性分析，

截面设计也利用截面的塑性开展

按照钢结构设计规范

GB50017-2003第9章的设计方法。

第十八页，共59页。（4）CapacityDesignTechnique机构控制设计法。这种方法属于非常先进的设计方法，可以用于地震区和非地震区的超静定结构设计。目前主要用于抗震结构设计：下列概念来自于这种方法：

（a）强柱弱梁

（b）强节点弱杆件

（c）EBF框架（EccentricallyBracedFrames）

（d)弱支撑强框架（放大支撑内力的设计方法将导致柱子的无侧移屈曲，危险性比不放大支撑内力的设计方法危险性更大)

(e)强钢梁，弱八(人)字支撑的设计思想第十九页，共59页。它的基本思想是：结构的破坏按照人们设想的形式发生。第二十页，共59页。实现强节点弱构件的措施：

1端部加强：加盖板，或加宽翼缘，加腋梁第二十一页，共59页。2钢梁端部的削弱：狗骨式节点，腹板开口

3有时作不到强节点时，必须采用延性好的节点，使得地震作用下节点不出现断裂。

此时可以不再要求强节点弱构件的验算4全焊接节点优于栓焊混合连接节点第二十二页，共59页。（1）梁柱连接焊接工艺孔1:不好第二十三页，共59页。（2）梁柱连接焊接工艺孔2第二十四页，共59页。全焊接节点第二十五页，共59页。EBF－EccentricallyBracedFrames第二十六页，共59页。第二十七页，共59页。第二十八页，共59页。五、关于目前广泛采用的设计方法的一个评论：

（1）内力分析采用线性弹性的分析，

（2）构件设计采用利用截面塑性开展的极限状态设计法

很多人批评这种前后不一致的方法。因此有人主张用前后一致的方法取代目前的方法，即内力分析也要考虑塑性开展，还有考虑二阶效应的方法。

第二十九页，共59页。

E-P法是一种下限法

结构弹性内力分析考虑：

（1）平衡条件，

（2）

HOOKE定律

（3）变形协调条件

（4）屈服条件（截面验算)塑性力学的上限解：如果一个解满足

（1）平衡条件，

（2）机构条件，

（3）不检查屈服条件，则得到的解是上限解。结构塑性分析考虑的条件

（1）平衡条件

（2）变形协调条件：形成破坏机构的条件

（3）屈服条件(截面验算）

塑性力学下限解：如果一个解满足

（1）平衡条件

（2）所有截面都不违背屈服条件（截面验算)

则

获得的解是下限解。第三十页，共59页。E-P法：（1）弹性内力分析得到的弯矩内力图是满足平衡条件的

（2）截面设计阶段保证了每一个截面的内力都没有超过屈服条件所允许的范围内

因此

E-P法是一个下限解，可以永远应用下去。

第三十一页，共59页。六、关于塑性设计方法的评论：（1）塑性设计方法是一种及其好的设计方法，掌握塑性分析方法对了解钢结构的真实性能非常有帮助。

（2）地震区的钢结构特别适合采用塑性设计的方法进行设计。

：梁截面较小，强柱弱梁的设计思想更加容易实现；

：截面宽厚比小，延性更加好，耗能能力(塑性阻尼更大）（3）塑性设计方法必须与机构控制法结合，能够简化设计：

采用加减乘除，就可以完成设计。(4)塑性设计相当于给结构施加“预应力”，而且这种预应力不影响结构的延性。第三十二页，共59页。（5)塑性设计方法是否存在一个固定的方法来求弯矩图？有：数学规划法（一种优化方法）（6）：代替完全的塑性设计的方法的是

弯矩调幅法：

仅对梁的弯矩进行重分配，对柱子基本不重分配的方法，方法简单。可以取得良好的经济效益。第三十三页，共59页。塑性设计法的替代方法：弯矩调幅法第三十四页，共59页。第三十五页，共59页。第三十六页，共59页。第三十七页，共59页。第三十八页，共59页。第三十九页，共59页。第四十页，共59页。第四十一页，共59页。结论：塑性设计应用于水平力不控制设计的结构中：（1)连续梁（2)层数在4层以下的框架。（3)水平力80%以上由钢支撑架，钢筋混凝土剪力墙承受的双重抗侧力结构中的框架部分－－－

一个24层钢结构假想塑性设计的算例－美国第四十二页，共59页。七、弯矩调幅法－同样应用于水平力不参与和控制设计的结构构件设计1只对竖向荷载作用下产生的弯矩进行调幅2水平力产生的弯矩不能进行调幅3调幅后的弯矩与水平力的弯矩进行组合对应多层，低层房屋,理论上讲的组合是（1.2D＋1.4L）x调幅系数＋0.6x1.4W

（1.2D＋0.7x1.4L）x调幅系数＋1.4W

1.2(D＋0.5L)x调幅系数＋1.3E

1.2(D＋0.5L)x调幅系数＋1.3E第四十三页，共59页。截面设计方法内力分析方法宽厚比备注

钢－混凝土组合梁塑

性设计连续梁：塑性机构分析法I类截面满足塑性分析4条件简支梁III,II,I类

等截面模型＋弯矩调幅法30%I类截面满足塑性分析4条件等截面模型＋弯矩调幅法20%II类截面

变截面模型＋弯矩调幅法15%I类截面规范方法变截面模型＋弯矩调幅法10%II类截面

第四十四页，共59页。

钢－混凝土组合梁弹性设计简支梁（可以利用塑性开展）III，IIIa类截面可以不完全抗剪组合等截面模型＋弯矩调幅法15%III，IIIa类截面完全抗剪组合变截面模型＋弯矩不调幅III，IIIa类截面完全抗剪组合组合梁的要求第四十五页，共59页。塑性机构分析法满足塑性分析的条件I类截面应用范围弹性分析25%I类截面水平力很小或水平力80%以上由支撑架或剪力墙承担的结构弹性分析15%II类截面弹性分析10%III类截面弹性分析0％III，IV类截面钢框架主梁的弯矩调幅法第四十六页，共59页。内力分析模型调幅比例截面类型梁的建模等截面30％I类截面惯性矩放大建模变截面15％I类截面等截面20％II类截面惯性矩放大建模变截面10％II类截面等截面15%III类截面惯性矩放大建模变截面0%III类截面钢－混凝土框架组合主梁采用弯矩调幅的设计：第四十七页，共59页。八、关于一阶弹性分析，二阶弹性分析和假想水平力（1）所有结构都可以采用一阶弹性分析进行结构设计。（2）所有结构都可以采用二阶弹性分析进行结构设计。（3）

什么是二阶弹性分析：

一阶分析：在变形前的位置上建立平衡方程，

二阶分析：在变形后的位置上建立平衡方程(4)二阶分析必须施加假想水平力第四十八页，共59页。（4)二阶分析会显示出与线性分析完全不同的整体共同性质，例如（a)同一层剪力的分配与轴力有关：轴压力小的可以得到更多的剪力

（b)上下层柱之间的弯矩分配：轴压力小的分配得到更多的弯矩

（c)更容易失稳的（失稳倾向大的）分配得到较小的内力

因此二阶分析会在一定程度上体现出强扶弱的特性，设计出来的截面较小，整体安全度下降。为了不下降安全度，也为了考虑实际的变形的影响，必须引入假想水平力第四十九页，共59页。第五十页，共59页。二阶分析带来的弯矩的变化第五十一页，共59页。

实际工程都是存在变形的，而且变了形状态才是真正的平衡状态，因此二阶分析更加符合实际情况。

（4）一阶分析的刚度指标是层间抗侧刚度

二阶分析则没有那么简单，设想：（a）.一跟毛竹，立在地上，它能够抗风，即有(b)此时在毛竹上爬上100kg的大胖子，

则它变得很不稳定，摇来晃去，此时一阵大风吹来，毛竹倒地。第五十二页，共59页。

（c）无限弹性悬臂柱，在重力作用下失稳？

（d）失稳代表悬臂柱失去了抗侧刚度。是什么使悬臂柱失去了抗侧刚度？显然是重力。

结论：重力