容许应力法、破坏阶段法、极限状态法、概率(极限状态)设计法

1、容许应力法和概率(极限状态)设计法应用程序类2010-05-24 17:59336007阅读91评论0字号：大、中、小订阅在钢结构设计中的应用中铁五局集团公司业务发展部肖指示性摘要简要介绍了四种结构设计理论：许用应力法、破坏阶段法、极限状态法和概率(极限状态)设计法，并列举了我们常用的许用应力法和概率(极限状态)设计法的实用表达式和参数选择。通过比较上述两种方法的参数，总结出工程施工中临时结构设计的实用方法和注意事项，以期提高现场施工技术人员的设计水平。1.前言在钢结构设计中，我们经常使用许用应力法和概率(极限状态)设计法，一些经验不足的技术人员在设计计算中往往会将它们混淆，因此有必要对这两种

2、设计计算方法进行介绍和比较，以供技术人员参考。2.四种结构设计理论简介2.1、许用应力法许用应力法将材料视为理想弹性体，用线弹性理论方法计算结构在标准荷载下的应力，要求任何一点的应力不得超过材料的许用应力。材料的许用应力是用材料的屈服强度或极限强度除以安全系数得到的。许用应力法的特点是：简单实用，k值逐渐降低；对于具有塑性的材料，不能考虑在塑性阶段继续承载的能力，设计是保守的；k用于使构件的强度有一定的安全储备，但k值是经验性的，对于不同的材料，k值大并不一定意味着安全程度高；单个k也可以考虑其他因素(如荷载)，但其形式不便于处理不同的情况(如恒载和活载)。2.2、失效阶段法设计原则是结构构件

3、达到破坏阶段时的设计承载力不低于构件由标准荷载乘以安全系数k所产生的内力。故障阶段法的特点是：以截面内力(非应力)为研究对象，考虑材料的塑性和极限强度大部分内力计算仍采用线弹性法，少数采用弹性法；仍然采用单一的、经验丰富的安全系数。2.3、极限状态法在极限状态法中，将单个安全系数转化为多个(通常为三个)系数，用于考虑荷载、荷载组合和材料的不确定性影响，在设计参数选择中引入了概率和统计数学方法(半概率法)。极限状态法的特征在于：在可靠性问题的处理上有质的变化。这表现在用多系数代替单系数，从而避免了单系数笼统模糊的缺点。继承了许用应力法和破坏阶段法的优点；在结构分析中，承载力状态基于塑性理论；正常

4、使用状态基于弹性理论。结构可靠性的定义和计算方法没有明确的答案。2.4、概率(极限状态)设计方法这种方法的设计标准是，由荷载引起的荷载效应(结构内力)大于抗力(结构承载力)的概率(失效概率)不应超过规定的极限。概率(极限状态)设计方法的特点是：继承了极限状态设计的概念和方法，但进一步提出了结构的功能函数和极限状态方程，以及一套计算可靠性指标和导出分项系数的理论和方法设计表达式可以继续采用分项安全系数的形式，以便与以往的设计方法相衔接，但该系数是基于一类结构规定的可靠指标，通过概率分析和优化确定的。3.许用应力法和概率(极限状态)设计法的实用表达式3.1许用应力法和许用应力计算规则的实用表达pr

5、a2) 桥规规定热轧钢材的基本许用应力安全系数为1.7，铸钢的基本许用应力安全系数为1.85，这是根据多年的经验规定的，没有用概率方法计算合理的安全系数。轴向容许应力= s/k弯曲容许应力 w=1.05 剪切容许应力=0.6 端部轴承容许应力(抛光顶轴)=1.5 其中s是钢的屈服强度。3) 工民建钢结构设计规范 tj17-74从结构极限状态分析计算。根据极限状态分析和承载力计算，采用由荷载系数k1、材料系数k2和调整系数k3组成的安全系数体系。轴向容许应力= s/(k1k2k3)= s/k荷载系数k1考虑了荷载的变异性，恒载的变异性较小，k1约为1.11.2，活载的变异性较大，k1约为1.21

6、.3，tj17-74中的平均值k1=1.23。材料系数k2考虑了钢强度指数的可变性，a3钢的k2=1.143，16mn钢的k2=1.176。调整系数k3考虑了负载的特殊变化和特殊工作条件等因素。如果负载系数k1的实际平均值超过1.23 5%以上，将采用大于1的调整系数k3。施工脚手架根据经验取k3=1.1。当情况不特殊时，k3=1.0 .tj17-74中的安全系数采用半概率方法进行分析，只有确定了材料系数k2后，才能进行统计和概率计算。a3钢的安全系数k=k1k2k3=1.231.1431.0=1.4116mn钢的安全系数k=k1k2k3=1.231.1761.0=1.45弯曲容许应力 w=剪

7、切容许应力=0.6 端部轴承容许应力(抛光顶轴)=1.5 3.2概率(极限状态)设计方法的实用表达建筑结构设计统一标准规定，对于承载能力的极限状态，当荷载效应的基本组合用于强度和稳定性设计时，采用极限状态设计的实用表达式是：其中：0结构重要系数，安全等级为一级、二级和三级的结构分别取1.1、1.0和0.9；g永久荷载分项系数一般为1.2，当永久荷载效应有利于结构构件的承载力时，应为1.0；q1和qi的第一个和其他i个可变载荷分项系数一般为1.4。当楼层均布可变荷载标准值大于或等于4kn/m2时，分项系数为1.3。gk永久荷载标准值；q1k的第一可变荷载标准值，其影响大于任何其他可变荷载标准值；

8、qik其他可变荷载标准值；永久荷载、第一可变荷载和其他第一可变荷载的荷载效应系数，即相应单位荷载在结构构件中产生的内力；当风荷载与其他荷载组合时，ci可变荷载组合系数为0.6，其他情况下为1.0；r(？)结构构件的阻力函数；r 结构构件的局部阻力系数，其值应符合结构设计规范中各种材料的规定。钢结构设计规范 (gbj17-88)将屈服强度标准值除以钢的局部阻力系数1.087，得到钢的强度设计值。fk材料屈服强度标准值；几何参数的标准值。上述公式可以改写为类似于许用应力法的表达式：其中：gd永久荷载gd的设计值为结构构件截面或连接处产生的应力，gd=ggk；q1d结构构件截面或连接处第一个可变荷载

9、设计值q1d产生的应力(大于任何其他第i个可变荷载设计值产生的应力)，q1d=q1k；qid结构构件截面或连接处其他可变荷载的设计值qid引起的应力，其中qid=qik；f结构构件和连接强度的设计值；f=fk/r；其他符号的含义与上述相同。4.许用应力法和概率(极限状态)设计法实用表达式计算结果的比较在公式的左端引入了结构重要系数0；永久荷载分项系数g，第一个和其他第i个可变荷载分项系数q1，qi，和第i个可变荷载梳然后转化为fk/(0hr)上述公式类似于许用应力法的表达式 = s/kfk和s都代表钢的屈服强度，fk= s在上式中， 0 1.1， h 1.4， r=1.087那么 0 h r

10、1.01.41.087=1.67，基本上等于桥规中的k=1.7，大于桥规中a3钢的k=1.41和16mn钢的k=1.45，也就是说，如果按概率(极限状态)设计方法，其安全储备基本上与桥规中的许用应力法相同，但大于tj17-74中的因此，采用 0=1.1， h=1.4， r=1.087的概率(极限状态)设计方法进行设计计算是保守的。5.结论1) 桥规考虑活载发展的需要，保留活载发展系数，接近1.2。用桥规设计临时结构是保守的。2)工程建设中临时结构的设计可采用许用应力法或概率(极限状态)设计法。对于一般结构，可采用许用应力法tj17-74中规定的许用应力，或概率(极限状态)设计方法中可采用 0=1.0和 h=1.3。许用应力方法桥规中规定的许用应力可用于重要结构，或 0=1.1和 h=1.4可用于概率(极限状态)设计方法。根据以上两种方法，效果是相等的。3)在基础技术人员的设计和计算中，许用应力法有时与概率(极限状态)设计法相混淆。当采用标准荷载按许用应力法计算设计荷载时，概率(极限状态)设计法中的材料强度设计值被误认为许用应力