鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法(新規(guī)32)課件

1、第三章 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法本講主要內(nèi)容：1 概述2 一次二階矩概率極限狀態(tài)設(shè)計法3 現(xiàn)行規(guī)范的基本計算方法4 疲勞計算 概 述3.1 問題： 1、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法經(jīng)歷的三階段分別是什么？ 2、現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)采用的是哪種設(shè)計方法？概 述3.1鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程： 根據(jù)建筑布局 確定結(jié)構(gòu)方案 荷載計算 內(nèi)力分析 選定材料及規(guī)格 構(gòu)件及連接驗算 精確計算的要求就是上述每一步都是很準(zhǔn)確的，但事實上是很困難的。主要問題在于： 計算模型與實際結(jié)構(gòu)有一定的差距 計算尺寸與實際尺寸有一定差距 計算荷載與實際荷載有一定差距 此外，材料性能、施工質(zhì)量等變化也較大。 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法大體經(jīng)歷了以下三各階段。 1.容許應(yīng)

2、力設(shè)計法 式中： N構(gòu)件的內(nèi)力； S截面幾何特性； s鋼材屈服強(qiáng)度； K安全系數(shù)； 構(gòu)件的計算應(yīng)力。建國初到1957年以前一直采用該方法 2. 半概率半極限狀態(tài)設(shè)計法式中： N1 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)荷載求得的內(nèi)力； fy 屈服強(qiáng)度； S 構(gòu)件幾何特性； K1、k2、k3 分別為荷載系數(shù)、材料系數(shù)和調(diào)整系數(shù) K 安全系數(shù)； 鋼材的允許應(yīng)力。 我國在1974年1988年使用的是這種設(shè)計方法3. 近似概率極限狀態(tài)設(shè)計法1.目前我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計是（ ）全部采用以概率理論為基礎(chǔ)的近似概率極限狀態(tài)設(shè)計方法A采用分項系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)設(shè)計方法B除疲勞計算按容許應(yīng)力幅、應(yīng)力按彈性狀態(tài)計算外,其他采用以概率理論為基礎(chǔ)的近似

3、概率極限狀態(tài)設(shè)計方法C部分采用彈性方法,部分采用塑性方法D提交單選題1分65.按近似概率方法設(shè)計的鋼結(jié)構(gòu)是( )絕對可靠的A絕對不可靠的B存在一定風(fēng)險的C具有相同可靠性指標(biāo)的D提交單選題1分一次二階矩概率極限狀態(tài)設(shè)計法3.2 問題： 1、什么叫結(jié)構(gòu)的可靠性？ 2、建筑結(jié)構(gòu)安全等級分為幾個等級？試舉例說明。 3、什么是結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)？極限狀態(tài)是如何分類的？一次二階矩概率極限狀態(tài)設(shè)計法3.21、極限狀態(tài)的概念 建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) （GB500682001）規(guī)定，若整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。 極限狀態(tài)分為承載能力極

4、限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中-結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠指標(biāo)的理解直接采用針對不同安全等級的目標(biāo)可靠指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計，將導(dǎo)致計算程序十分繁雜。建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)給出以概率極限狀態(tài)設(shè)計法為基礎(chǔ)的設(shè)計表達(dá)式，即，將一次二階矩設(shè)計公式等效轉(zhuǎn)化為以分項系數(shù)表達(dá)的概率極限狀態(tài)實用設(shè)計表達(dá)式。結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠指標(biāo)并不出現(xiàn)（已隱含在各種分項系數(shù)之中）。1.1 結(jié)構(gòu)的功能要求 安全性、適用性、耐久性，合稱“可靠性”1.2 結(jié)構(gòu)的安全等級 1.3 作用效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗力 作用：直接作用，間接作用 永久作用，可變作用，偶然作用安全等級破壞后果的影響程度建筑物的類型一級很嚴(yán)重重要的建筑物二級嚴(yán)重一般的建筑物三級不嚴(yán)重次要的建

5、筑物1.4 結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài) 承載力極限狀態(tài)： 這種極限狀態(tài)對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大 承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形。 正常使用極限狀態(tài) 這種極限狀態(tài)對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常 使用或耐久性能的某項規(guī)定限值。 作用效應(yīng) 結(jié)構(gòu)抗力 承載能力極限狀態(tài)的表現(xiàn)形式：整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡（如傾覆等）； 結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過材料強(qiáng)度而破壞（包括疲勞破壞），或因過度變形而不適于繼續(xù)承載； 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動體系； 結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如壓屈等）； 地基喪失承載能力而破壞（如失穩(wěn)等）；影響正常使用或外觀的變形；正常使用極限狀態(tài)的表現(xiàn)形式：影響正常使用或耐久性能的局部損壞（包括裂縫等）；影

6、響正常使用的振動；影響正常使用的其它特定狀態(tài)。56.鋼結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)是指( )結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈振動A結(jié)構(gòu)的變形已不能滿足使用需要B結(jié)構(gòu)達(dá)到最大承載力產(chǎn)生破壞C使用已達(dá)五十年D提交單選題1分62.下列情況屬于正常使用極限驗算的是( )受壓構(gòu)件的穩(wěn)定計算A梁的撓度驗算B受彎構(gòu)件的彎曲強(qiáng)度驗算C螺栓連接的強(qiáng)度驗算D提交單選題1分現(xiàn)行規(guī)范的基本設(shè)計表達(dá)式 3.3 問題： 1、荷載標(biāo)準(zhǔn)值、荷載設(shè)計值有何區(qū)別？如何應(yīng)用？ 2、寫出荷載組合的分項系數(shù)表達(dá)式，并說明各符號的含義?，F(xiàn)行規(guī)范的基本設(shè)計表達(dá)式 3.3 現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（GB500172017）除疲勞計算外，采用分項系數(shù)設(shè)計表達(dá)式進(jìn)行計算。 承

7、重結(jié)構(gòu)設(shè)計均按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行計算。 設(shè)計狀況分為持久設(shè)計狀況、短暫設(shè)計狀況、偶然設(shè)計狀況和地震設(shè)計狀況。 1.承載能力極限狀態(tài)計算 承載能力極限狀態(tài)應(yīng)考慮荷載效應(yīng)的基本組合，必要時還要考慮荷載效應(yīng)的偶然組合。由可變荷載效應(yīng)控制的組合:由永久荷載效應(yīng)控制的組合： 式中： 0 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，按下列情況取值： 對安全等級為一級或設(shè)計使用年限為100 年及以上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于1.1； 對安全等級為二級或設(shè)計使用年限為50 年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于1.0； 對安全等級為三級或設(shè)計使用年限為5 年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于0.9。 對設(shè)計使用年限為25年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，各類材料結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)

8、范可根據(jù)各自情況確定結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)0的取值。鋼結(jié)構(gòu)00.95.G 永久荷載分項系數(shù)， 當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利時，對(1)式應(yīng)取1.2，對(2)式應(yīng)取1.35； 當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利時，一般情況下應(yīng)取1.0，對結(jié)構(gòu)的傾覆、滑移或漂浮驗算，應(yīng)取0.9。SGK 按永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算的荷載效應(yīng)值；n 參與組合的可變荷載數(shù)。 SQiK和SQ1K 第i 個和第一個可變荷載的效應(yīng)，設(shè)計時應(yīng)把效應(yīng)最大的可變荷載取為第一個；如果何者效應(yīng)最大不明確，則需把不同的可變荷載作為第一個來比較，找出最不利組合。 Qi和Q1第i 個和第一個可變荷載的分項系數(shù)，一般情況下應(yīng)取1.4，對標(biāo)準(zhǔn)值大于4kN/m2 的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的活

9、荷載應(yīng)取1.3。 Li第i 個可變荷載考慮使用年限的調(diào)整系數(shù)， 使用年限為5年，50年和100年的系數(shù)分別為Li=0.9，1.0,1.1 ci第i個可變荷載的組合值系數(shù)，應(yīng)分別按建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009-2001）各章的規(guī)定采用 對于偶然組合，極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式宜按下列原則確定:偶然作用的代表值不乘以分項系數(shù)；與偶然作用同時出現(xiàn)的可變荷載，應(yīng)根據(jù)觀測資料和工程經(jīng)驗采用適當(dāng)?shù)拇碇?。具體的設(shè)計表達(dá)式及各種系數(shù)，應(yīng)符合專門規(guī)范的規(guī)定?！纠?-2】一個跨度為l0m的工形截面簡支梁，求受均布恒(永久)荷載和均布活(可變)荷載，荷載分項系數(shù)分別為G1.2和Ql.4。梁有足夠的側(cè)向支承點，不會發(fā)生

10、側(cè)扭屈曲。鋼材為Q235鋼。試按彈性設(shè)計求下列三種情況所需梁截面抵抗矩W，并與按容許應(yīng)力設(shè)計法計算結(jié)果比較。 (1)gk80kNm, qk20kNm (2) gk50kNm, qk 50kNm (3) gk 20kNm , qk 80kNm 解 按GB50017-2003一次二階矩概率極限狀態(tài)(分項系數(shù)表達(dá))設(shè)計法，有2.正常使用極限狀態(tài)計算 對于正常使用極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)按建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定分別采用荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合和準(zhǔn)永久組合進(jìn)行設(shè)計，使變形、裂縫等荷載效應(yīng)的設(shè)計值符合下式的要求： 式中 C 為設(shè)計對變形裂縫等規(guī)定的相應(yīng)限值。 對于鋼結(jié)構(gòu)，一般只考慮荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合

11、而且只驗算變形值，因此上式中的荷載效應(yīng)值可以直接用變形值代替，從而寫成如下形式： V 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值， V 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中容許的變形值，按規(guī)范采用。 注意：計算結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的強(qiáng)度或穩(wěn)定性及連接的強(qiáng)度時應(yīng)采用荷載的基本組合設(shè)計值；計算疲勞和變形時，采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)值。另外，直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)尚應(yīng)考慮動力系數(shù)，按照規(guī)范取值。 5.進(jìn)行強(qiáng)度驗算時,荷載應(yīng)采用()。將永久荷載的標(biāo)準(zhǔn)值乘以永久荷載分項系數(shù)A將可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值乘以可變荷載分項系數(shù)B永久荷載和可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值,均不乘以各自的分項系數(shù)C將永久荷載和可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值均乘以各自的分項系數(shù)D提交單選題1分7.在進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)計算時,計

12、算用的荷載應(yīng)采用()。將永久荷載的標(biāo)準(zhǔn)值乘以永久荷載分項系數(shù)A將可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值乘以可變荷載分項系數(shù)B永久荷載和可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值,均不乘以各自的分項系數(shù)C將永久荷載和可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值均乘以各自的分項系數(shù)D提交單選題1分49.鋼結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的設(shè)計表達(dá)式為:式中是( )。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)A荷載分項系數(shù)B可變荷載組合系數(shù)C材料的抗力分項系數(shù)D提交單選題1分3 與設(shè)計表達(dá)式有關(guān)的一些概念 3.1 設(shè)計基準(zhǔn)期 3.2 設(shè)計使用年限 5（0.9） 25（0.95） 50（1.0） 100（1.1）3.3 荷載代表值、荷載標(biāo)準(zhǔn)值與荷載設(shè)計值3.4 強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與強(qiáng)度設(shè)計值屈服強(qiáng)度 疲勞計算 3.4 問題： 1、

13、疲勞破壞計算采用的是什么設(shè)計方法？ 2、疲勞破壞的影響因素。 3、試述疲勞強(qiáng)度、應(yīng)力幅、應(yīng)力比的含義。 4、對下述應(yīng)力循環(huán)進(jìn)行應(yīng)力幅和應(yīng)力比計算：疲勞計算 3.41 與疲勞有關(guān)的幾個概念2 影響疲勞強(qiáng)度的因素3 常幅疲勞計算疲勞計算 3.4 在循環(huán)荷載作用下，即使截面上的應(yīng)力小于鋼材的抗拉強(qiáng)度甚至低于其屈服強(qiáng)度，也會發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱疲勞破壞。 疲勞破壞與鋼材的質(zhì)量、構(gòu)件的幾何尺寸和缺陷、應(yīng)力循環(huán)的特征、以及循環(huán)次數(shù)有關(guān)。1 與疲勞有關(guān)的幾個概念1.1 循環(huán)荷載和應(yīng)力循環(huán)1.2 疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度:鋼材發(fā)生疲勞破壞時，應(yīng)力循環(huán)中的最大應(yīng)力。 與構(gòu)造細(xì)節(jié)、應(yīng)力循環(huán)的形式及循環(huán)次數(shù)有關(guān)1.3 應(yīng)力幅

14、常幅應(yīng)力循環(huán)、變幅應(yīng)力循環(huán)1.4 應(yīng)力循環(huán)特征值(應(yīng)力比)與應(yīng)力循環(huán)形式“不出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位不用驗算疲勞”(b)脈沖循環(huán)(a)完全對稱循環(huán)(c)不完全對稱循環(huán)(d)不完全對稱循環(huán)64.引起疲勞破壞的荷載為( )靜載A動載B產(chǎn)生拉應(yīng)力循環(huán)的荷載C產(chǎn)生全壓應(yīng)力循環(huán)的荷載D提交單選題1分5.影響鋼材疲勞的主要因素（1）構(gòu)件和連接的分類 規(guī)范將構(gòu)件與連接類別，對正應(yīng)力作用分為14類（用Z1，Z2表示）對剪應(yīng)力分為3類（新增加，用J1，J2，J3表示）。構(gòu)造細(xì)節(jié)，荷載循環(huán)次數(shù) ，循環(huán)應(yīng)力特征（應(yīng)力幅） 焊縫附近主體金屬的最大應(yīng)力已達(dá)fy（2）應(yīng)力幅（）和應(yīng)力循環(huán)特征（應(yīng)力比）A. 對于焊接結(jié)構(gòu)：由于焊接

15、殘余應(yīng)力應(yīng)力增大時保持fy不變應(yīng)力減小時從 焊接結(jié)構(gòu) 應(yīng)力幅對焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度有很大影響，而與名義最大應(yīng)力max和應(yīng)力比無關(guān)。名義應(yīng)力比真實應(yīng)力比可見，只要 為常數(shù)，不管名義為何值，真實也為常數(shù)，因此：（3）應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N（疲勞壽命）應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N5104，不需要進(jìn)行疲勞計算。0NX105N1N2fy123456 非焊接結(jié)構(gòu) 非焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力很小或根本不存在，此時疲勞壽命除與應(yīng)力幅有關(guān)外，也與應(yīng)力比和最大應(yīng)力有關(guān)。7.對鋼材的疲勞強(qiáng)度影響不顯著的是_。應(yīng)力幅A應(yīng)力比B鋼種C應(yīng)力循環(huán)次數(shù)D提交單選題1分 3 常幅疲勞的計算 （要求了解概念） 規(guī)范規(guī)定，當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)大于等于 次時，應(yīng)對應(yīng)力循環(huán)中出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位進(jìn)行疲勞驗算。不出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位可不計算疲勞。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中，分正應(yīng)力幅和剪應(yīng)力幅疲勞驗算公式。其中，正應(yīng)力幅驗算公式： 式中：對焊接部位為應(yīng)力幅maxmin， 對非焊接部位為折算應(yīng)力幅max0.7min，