3鋼結(jié)構(gòu)的破壞形式及計(jì)算方法ppt課件

1、3.1 鋼材的破壞形式 3.1.1強(qiáng)度破壞及塑性重分布強(qiáng)度破壞及塑性重分布 兩種性質(zhì)完全不同的破壞形式：兩種性質(zhì)完全不同的破壞形式： 塑性破壞延性破壞塑性破壞延性破壞) 脆性破壞脆性斷裂脆性破壞脆性斷裂)塑性破壞塑性破壞塑性破壞的特征是構(gòu)件塑性破壞的特征是構(gòu)件應(yīng)力超過屈服點(diǎn)應(yīng)力超過屈服點(diǎn)(fy)，并達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度并達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度(fu)后，構(gòu)件產(chǎn)生明顯后，構(gòu)件產(chǎn)生明顯的變形并斷裂；的變形并斷裂；塑性破壞的斷口常為杯塑性破壞的斷口常為杯形，呈纖維狀，色澤發(fā)形，呈纖維狀，色澤發(fā)暗。暗。塑性破壞在破壞前有很塑性破壞在破壞前有很明顯的變形，并有較長(zhǎng)明顯的變形，并有較長(zhǎng)的變形持續(xù)時(shí)間，便于的變形持續(xù)

2、時(shí)間，便于發(fā)現(xiàn)和補(bǔ)救。發(fā)現(xiàn)和補(bǔ)救。塑性變形后出現(xiàn)內(nèi)力重分布，使應(yīng)力塑性變形后出現(xiàn)內(nèi)力重分布，使應(yīng)力趨于均勻，提高了結(jié)構(gòu)的承載能力趨于均勻，提高了結(jié)構(gòu)的承載能力 建筑鋼材的塑性性能一定條件下可以建筑鋼材的塑性性能一定條件下可以加以利用，如簡(jiǎn)支鋼梁可以容忍塑性加以利用，如簡(jiǎn)支鋼梁可以容忍塑性在最大彎矩截面上有一定的發(fā)展、連在最大彎矩截面上有一定的發(fā)展、連續(xù)梁及鋼框架結(jié)構(gòu)按照塑性方法設(shè)計(jì)續(xù)梁及鋼框架結(jié)構(gòu)按照塑性方法設(shè)計(jì)時(shí)，允許結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)塑性鉸及內(nèi)力重時(shí)，允許結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)塑性鉸及內(nèi)力重分布。分布。3.1.5脆性破壞脆性破壞破壞前無明顯變形，平均應(yīng)力亦小破壞前無明顯變形，平均應(yīng)力亦小(可能小可能小于屈服點(diǎn)

3、于屈服點(diǎn)fy)，沒有任何預(yù)兆，是突然發(fā)生，沒有任何預(yù)兆，是突然發(fā)生的，危險(xiǎn)性大，應(yīng)盡量避免。的，危險(xiǎn)性大，應(yīng)盡量避免。破壞斷口平直和呈有光澤的晶粒狀。破壞斷口平直和呈有光澤的晶粒狀。斷裂從壓力集中處發(fā)生。斷裂從壓力集中處發(fā)生。引起脆性破壞的因素鋼材的質(zhì)量如鋼材的質(zhì)量如S、P、C等的含量）等的含量）時(shí)效時(shí)效應(yīng)力集中應(yīng)力集中使用溫度使用溫度力的作用性質(zhì)力的作用性質(zhì)冶金和機(jī)械加工中產(chǎn)生的缺陷特別冶金和機(jī)械加工中產(chǎn)生的缺陷特別是缺口和裂紋）是缺口和裂紋）3.1.2整體失穩(wěn)破壞整體失穩(wěn)破壞鋼材強(qiáng)度較高，相同條件下，鋼結(jié)構(gòu)鋼材強(qiáng)度較高，相同條件下，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面較小。所以鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在構(gòu)件的截面較小。所以

4、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在受壓時(shí)穩(wěn)定性的問題特別突出，一旦受壓時(shí)穩(wěn)定性的問題特別突出，一旦結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件局部有受壓的可能，設(shè)結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件局部有受壓的可能，設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮穩(wěn)定因素防止發(fā)生整體計(jì)時(shí)就要考慮穩(wěn)定因素防止發(fā)生整體失穩(wěn)。失穩(wěn)。 某些情況下，組成構(gòu)件結(jié)構(gòu)的板件的局部喪失穩(wěn)定會(huì)先于構(gòu)件整體失穩(wěn)出現(xiàn)。局部失穩(wěn)的發(fā)生可能最終促成或?qū)е陆Y(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的整體喪失穩(wěn)定，造成破壞。 3.1.3板件局部失穩(wěn)破壞板件局部失穩(wěn)破壞但在某些特定條件下，局部失穩(wěn)并不但在某些特定條件下，局部失穩(wěn)并不是構(gòu)件承載能力的最終極限，則可以是構(gòu)件承載能力的最終極限，則可以容忍其發(fā)生，甚至有目的的對(duì)屈曲后容忍其發(fā)生，甚至有目的的對(duì)屈曲后強(qiáng)度加

5、以利用。強(qiáng)度加以利用。屈曲后強(qiáng)度的應(yīng)用與計(jì)算。屈曲后強(qiáng)度的應(yīng)用與計(jì)算。鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)規(guī)范均給出了有關(guān)指導(dǎo)條文。均給出了有關(guān)指導(dǎo)條文。鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，是指在重復(fù)或交鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，是指在重復(fù)或交變荷載的作用下，裂紋不斷發(fā)展最終變荷載的作用下，裂紋不斷發(fā)展最終達(dá)到其臨界狀態(tài)而產(chǎn)生的脆性斷裂。達(dá)到其臨界狀態(tài)而產(chǎn)生的脆性斷裂。如工業(yè)廠房中的吊車梁有可能出現(xiàn)疲如工業(yè)廠房中的吊車梁有可能出現(xiàn)疲勞問題。勞問題。3.1.4 疲勞破壞及損傷累積疲勞破壞及損傷累積裂紋的發(fā)展階段裂紋的發(fā)展階段疲勞破壞是損傷累積的結(jié)果，一般經(jīng)疲勞破壞是損傷累積的結(jié)果，一般經(jīng)過裂紋形成、裂紋緩慢擴(kuò)展、最后突過裂紋形成、裂

6、紋緩慢擴(kuò)展、最后突然斷裂三個(gè)階段。建筑鋼結(jié)構(gòu)不可避然斷裂三個(gè)階段。建筑鋼結(jié)構(gòu)不可避免的存在微觀缺陷，類似于微裂紋，免的存在微觀缺陷，類似于微裂紋，因此建筑鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞過程實(shí)際只因此建筑鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞過程實(shí)際只經(jīng)歷后兩個(gè)階段。經(jīng)歷后兩個(gè)階段。3.1.6 剛度不足剛度不足鋼結(jié)構(gòu)由于材料強(qiáng)度高，在跨度比較鋼結(jié)構(gòu)由于材料強(qiáng)度高，在跨度比較大、層高比較高的情況下，構(gòu)件尺寸大、層高比較高的情況下，構(gòu)件尺寸往往設(shè)計(jì)的比較細(xì)長(zhǎng)，因而剛度不足往往設(shè)計(jì)的比較細(xì)長(zhǎng)，因而剛度不足的問題比較突出。的問題比較突出。一、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的演變一、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的演變1.容許應(yīng)力方法容許應(yīng)力方法 從從20世紀(jì)初到世紀(jì)初到20

7、世紀(jì)世紀(jì)5O年代，鋼結(jié)構(gòu)采用安年代，鋼結(jié)構(gòu)采用安 全系數(shù)法設(shè)計(jì)，即全系數(shù)法設(shè)計(jì)，即:)11( kfANN-構(gòu)件截面的內(nèi)力；構(gòu)件截面的內(nèi)力；A-構(gòu)件截面幾何特征；構(gòu)件截面幾何特征；F-鋼材的最大強(qiáng)度；鋼材的最大強(qiáng)度；K-大于大于1的安全系數(shù)；的安全系數(shù)；-鋼材的容許應(yīng)力。鋼材的容許應(yīng)力。3.2 鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法2.2.概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法(1) 極限狀態(tài)：當(dāng)結(jié)構(gòu)或其組成部分超過某一特定狀極限狀態(tài)：當(dāng)結(jié)構(gòu)或其組成部分超過某一特定狀 態(tài)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求時(shí)，此特定態(tài)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求時(shí)，此特定狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)。狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)。(2) 極限

8、狀態(tài)分為兩類：極限狀態(tài)分為兩類： b.b.正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài): : 包括：影響正常使用或外觀的變形、影響正常包括：影響正常使用或外觀的變形、影響正常使用的振動(dòng)、影響正常使用的或耐久性的局部破壞使用的振動(dòng)、影響正常使用的或耐久性的局部破壞等狀態(tài)。等狀態(tài)。a.a.承載能力極限狀態(tài)承載能力極限狀態(tài): : 包括：強(qiáng)度破壞、疲勞破壞、不適于繼續(xù)承載包括：強(qiáng)度破壞、疲勞破壞、不適于繼續(xù)承載的變形、失穩(wěn)、傾覆、變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系等狀態(tài)。的變形、失穩(wěn)、傾覆、變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系等狀態(tài)。 (3) 根據(jù)應(yīng)用概率分析的程度不同，可分為三種水準(zhǔn)：根據(jù)應(yīng)用概率分析的程度不同，可分為三種水準(zhǔn)： 半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法半概

9、率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法; 近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法; 全概率設(shè)計(jì)方法。全概率設(shè)計(jì)方法。 a. 半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法; 1).三系數(shù)法當(dāng)時(shí)稱為計(jì)算極限狀態(tài)法）三系數(shù)法當(dāng)時(shí)稱為計(jì)算極限狀態(tài)法） : 1957年至年至1973年我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用半概率的分年我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用半概率的分項(xiàng)系數(shù)法項(xiàng)系數(shù)法,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入三個(gè)分項(xiàng)系數(shù)，即結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入三個(gè)分項(xiàng)系數(shù)，即: 荷載分項(xiàng)系數(shù)荷載分項(xiàng)系數(shù)-考慮荷載的不定性考慮荷載的不定性; 材料分項(xiàng)系數(shù)材料分項(xiàng)系數(shù)-考慮材料的不均性考慮材料的不均性; 工作條件系數(shù)工作條件系數(shù)-考慮結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的工作特點(diǎn)以及某些考慮結(jié)構(gòu)及構(gòu)件

10、的工作特點(diǎn)以及某些假定的計(jì)算簡(jiǎn)圖與實(shí)際情況不完全相符等因素。假定的計(jì)算簡(jiǎn)圖與實(shí)際情況不完全相符等因素。2) 2) 半經(jīng)驗(yàn)半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法半經(jīng)驗(yàn)半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法( (容許應(yīng)力法）容許應(yīng)力法） )21(321 KfKKKfANykyk N- N-構(gòu)件截面的內(nèi)力；構(gòu)件截面的內(nèi)力； A-A-構(gòu)件截面幾何特征；構(gòu)件截面幾何特征； K1-K1-荷載系數(shù)；荷載系數(shù)； K2-K2-材料系數(shù)材料系數(shù); ; K3- K3-調(diào)整系數(shù)；調(diào)整系數(shù)； fyk-fyk-鋼材的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；鋼材的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值； -鋼材容許應(yīng)力鋼材容許應(yīng)力b b、近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法、近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 （現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范

11、（現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017(GB500172019)2019)） 結(jié)構(gòu)的工作性能可用結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的工作性能可用結(jié)構(gòu)的“功能函數(shù)功能函數(shù)來描述：來描述： Z Zg gX1X1，X2X2，XnXn） （1 1 3 3） 式中：式中： g g（）-結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)；結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)； Xi(iXi(i1 1，2,n)-2,n)-影響結(jié)構(gòu)可靠性的各物理量。影響結(jié)構(gòu)可靠性的各物理量。 將各因素概括為兩個(gè)綜合隨機(jī)變量-結(jié)構(gòu)的抗力R、 作用效應(yīng)S，則公式1-3可以寫成： ZgR，S）RS （1-4） 在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中，可能出現(xiàn)下列三種情況： Z0表示結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)； Z0表示結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài) Z0表示

12、結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)； 判斷結(jié)構(gòu)是否可靠，要看結(jié)構(gòu)是否達(dá)到極限狀態(tài)， 為此，通常將下式： Zg(R，S)RS0 (1-5) 稱為極限狀態(tài)方程。結(jié)構(gòu)能完成預(yù)定功能的概率結(jié)構(gòu)能完成預(yù)定功能的概率( (可靠度可靠度) )用用PsPs表示，那表示，那么：么：PsPsPZ0 PZ0 （1-61-6）結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定功能的概率結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定功能的概率( (失效概率失效概率) )用用PfPf表示，表示，那么：那么：PfPfPZ0PZ0 （1-71-7）由于事件由于事件Z0Z0與事件與事件ZZ0 0是對(duì)立事件，所以結(jié)是對(duì)立事件，所以結(jié)構(gòu)的可靠度與結(jié)構(gòu)的失效概率滿足構(gòu)的可靠度與結(jié)構(gòu)的失效概率滿足: : Ps Ps

13、 PfPf 1 1 或或 PsPs1- Pf 1- Pf （1-81-8） 因?yàn)橐驗(yàn)镽 R和和S S都是隨機(jī)變量，且假定都服從正都是隨機(jī)變量，且假定都服從正態(tài)分布，由態(tài)分布，由 概率論原理知功能函數(shù)概率論原理知功能函數(shù) Z=R-S Z=R-S 也服從正也服從正態(tài)分布態(tài)分布, ,那么那么: :)91()()0(0 dZZfZPPff(z)f(z)PfPfzZ Z 的概率密度曲線的概率密度曲線Z=R-S Z=R-S Z)111()101(22 SRZSRZ 令：令：Z Z、R R、S S的平均值分別為的平均值分別為 zz、RR、ss，標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差分分 別為別為zz、RR、ss，那，那么么: :

14、因因zz0 0，故：，故： f(z)f(z)zZ Z 的概率密度曲線的概率密度曲線PfPfZZ=R-SZ=R-S)121(00 ZZZZfZffZPZPZP )151()()141()1(1 ffPPZZZ 因因 服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，故上式又可寫成：服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，故上式又可寫成：式中式中: : ()-()-標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)函數(shù)；標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)函數(shù)；-1()-1()-標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)函標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)函數(shù)數(shù) 的反函數(shù)。的反函數(shù)。)131(0 ZZffZZZPZP則則：令令： 從圖中可以看出從圖中可以看出與失效概率與失效概率Pf Pf 間存在著一一對(duì)間存在著一一對(duì)應(yīng)關(guān)系應(yīng)關(guān)系, ,即即: : 1). 1).減小時(shí)，陰影部分減

15、小時(shí)，陰影部分 的面積增大，即失效概的面積增大，即失效概 率率PfPf增大；增大； 2).2).增大時(shí)，陰影部分增大時(shí)，陰影部分 的面積減少，亦即失效的面積減少，亦即失效 概率概率PfPf減小。減小。 說明說明可以作為衡量結(jié)可以作為衡量結(jié) 構(gòu)可靠度的一個(gè)數(shù)量指構(gòu)可靠度的一個(gè)數(shù)量指 標(biāo)。標(biāo)?？煽慷戎笜?biāo)可靠度指標(biāo)f(z)f(z)zZ Z 的概率密度曲線的概率密度曲線PfPfZZ=R-SZ=R-SfP標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布時(shí)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布時(shí) 與與 的對(duì)應(yīng)值的對(duì)應(yīng)值 pf4.04.03.17X10-53.17X10-53.73.71.08X10-41.08X10-43.23.26.87X10-46.87X10-4

16、1.35X10-31.35X10-33.03.0 的計(jì)算的計(jì)算: : 將式將式(1-10)(1-10)、(1-11)(1-11)代入代入的定義式得：的定義式得：)161 (22SRsRZZ c.全概率設(shè)計(jì)法全概率設(shè)計(jì)法 對(duì)結(jié)構(gòu)的各種基本變量均采用隨機(jī)變量或隨機(jī)過程對(duì)結(jié)構(gòu)的各種基本變量均采用隨機(jī)變量或隨機(jī)過程來描述，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的概率分析，求得結(jié)構(gòu)最來描述，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的概率分析，求得結(jié)構(gòu)最優(yōu)失效概率作為結(jié)構(gòu)可靠度的直接度量。優(yōu)失效概率作為結(jié)構(gòu)可靠度的直接度量。三、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表達(dá)式三、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表達(dá)式 a. 采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法(疲勞疲

17、勞問題除外問題除外)，用分項(xiàng)系數(shù)的表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算；，用分項(xiàng)系數(shù)的表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算； b. 結(jié)構(gòu)的可靠度用可靠度指標(biāo)來度量，并以分項(xiàng)系數(shù)結(jié)構(gòu)的可靠度用可靠度指標(biāo)來度量，并以分項(xiàng)系數(shù)的形式考慮。的形式考慮。 （一按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì) 應(yīng)考慮荷載效應(yīng)的基本組合或偶然組合進(jìn)行荷 載效應(yīng)組合，采用下列表達(dá)式設(shè)計(jì)： 式中：o-結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)； S -荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值； R -鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接材料抗力的設(shè)計(jì)值。 )171(0 RS 荷載效應(yīng)組合如下：荷載效應(yīng)組合如下：)181(211 SSSSQikciQinikQQGkG 2.2.由永久荷載效應(yīng)控制的組合：由永久荷載效應(yīng)控制的組合：)191(1 SSS

18、QikciQiniGkG 3.3.荷載分項(xiàng)系數(shù)取值如下：荷載分項(xiàng)系數(shù)取值如下：1.1.由可變荷載效應(yīng)控制的組合：由可變荷載效應(yīng)控制的組合：（1 1永久荷載分項(xiàng)系數(shù)永久荷載分項(xiàng)系數(shù) 當(dāng)其效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)當(dāng)其效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí) -對(duì)可變荷載效應(yīng)控制的組合，應(yīng)取對(duì)可變荷載效應(yīng)控制的組合，應(yīng)取1.2;1.2; - -對(duì)永久荷載效應(yīng)控制的組合，應(yīng)取對(duì)永久荷載效應(yīng)控制的組合，應(yīng)取1.35;1.35; 當(dāng)其效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)當(dāng)其效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí) -一般情況下應(yīng)取一般情況下應(yīng)取1.01.0； -對(duì)結(jié)構(gòu)的傾覆、滑移或漂浮驗(yàn)算，應(yīng)取對(duì)結(jié)構(gòu)的傾覆、滑移或漂浮驗(yàn)算，應(yīng)取0.90.9。（2 2可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)可變荷載的分項(xiàng)系數(shù) -一般情況下應(yīng)取一般情況下應(yīng)取1.41.4； -對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值大于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值大于4kN/m24kN/m2的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的 活荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)取活荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)取1.31.3。fd-鋼材或連接材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。鋼材或連接材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。)221( ARffRkd fk-鋼材或連接材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。鋼材或連接材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。R-鋼材或連接材料抗力分項(xiàng)系數(shù)，對(duì)于鋼材或連接材料抗力分項(xiàng)系數(shù)，對(duì)于Q235Q235鋼鋼R=1.087;Q345R=1.087;Q