鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理 (2)PPT

1、關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理 (2)第一張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月4.了解桿件和板件穩(wěn)定的基本理論，理解影響穩(wěn)定性的主要因素及提高穩(wěn)定性的措施；3.掌握鋼結(jié)構(gòu)用鋼的主要性能及其主要影響因素，并能正確地選擇鋼材；2.理解“鋼結(jié)構(gòu)”的計(jì)算方法；1.了解鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展概況,掌握鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)；本課程的基本要求5. 掌握各種連接（焊接、螺栓連接）和各類構(gòu)件(梁、柱和屋架)的工作性能、破壞特征及其設(shè)計(jì)的基本方法。第二張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月6.理解構(gòu)件間的連接方法、力的傳遞方式和過程以及構(gòu)造原則；教學(xué)參考書及規(guī)范:1.鋼結(jié)構(gòu) 魏明鐘 主編 武漢工業(yè)大學(xué)出版社2.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范

2、（GB50017-2003)7.熟悉與土木工程相關(guān)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。3.鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范 （GB50205-2001)第三張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第四張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第一章 緒 論大綱要求1. 掌握鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍。2理解鋼結(jié)構(gòu)按極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)方法，掌握其設(shè) 計(jì)表達(dá)式的應(yīng)用。3了解鋼結(jié)構(gòu)在我國的發(fā)展趨勢。第五張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月1.1 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍1.輕質(zhì)高強(qiáng); 由于鋼材強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)需要的構(gòu)件截面小,結(jié)構(gòu)自重輕。 a=容重/強(qiáng)度, a越小，結(jié)構(gòu)相對越輕。 鋼材：a=1.73.710-4/m； 木

3、材：a=5.410-4/m； 鋼砼：a= 1810-4/m；一、鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)澳大利亞啤酒中心第六張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 2.鋼材的塑性和韌性好； 塑性和韌性是概念上完全不同的兩個(gè)物理量。 塑性承受靜力荷載時(shí)，材料吸收變形能的能力。 塑性好，會(huì)使結(jié)構(gòu)一般情況下不會(huì)由于偶然超載而 突然斷裂，給人以安全保證； 韌性承受動(dòng)力荷載時(shí)，材料吸收能量的多少。 韌性好，說明材料具有良好的動(dòng)力工作性能。 第七張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月3.材質(zhì)均勻、各向同性，接近理想的彈塑性體，與力 學(xué)假定符合較好; 鋼材屈服前看作彈性材料,屈服以后看作塑性或彈塑性材料4.制作、安裝簡便，工期

4、短，符合工業(yè)化要求; 國家大劇院屋架安裝鋼結(jié)構(gòu)住宅第八張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5、密閉性好，不滲漏;6、鋼材耐熱性好，耐火性差; 當(dāng)結(jié)構(gòu)表面長期受輻射熱達(dá) 150 以上或在短時(shí)間內(nèi)可能受到火焰作用時(shí)，須采用隔熱和防火措施。7、鋼材耐腐蝕性差。二、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍1.大跨度結(jié)構(gòu)第九張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月網(wǎng)架結(jié)構(gòu)拱結(jié)構(gòu)橋梁第十張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月天津體育場千年穹頂西班牙迪加航空港上海會(huì)展中心第十一張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月單層廠房多層工業(yè)廠房2. 工業(yè)廠房金陵石化總廠第十二張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月單擊圖片

5、播放第十三張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月單擊圖片播放第十四張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 承受動(dòng)力荷載及 地震作用的結(jié)構(gòu)第十五張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月單擊圖片播放第十六張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月帝王大廈4.高層建筑與高聳結(jié)構(gòu)金茂大廈88層420米北京財(cái)富中心第十七張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月東京千年塔第十八張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月單擊圖片播放第十九張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月單擊圖片播放第二十張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.道路、橋梁結(jié)構(gòu)第二十一張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于

6、2022年6月單擊圖片播放第二十二張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月6.水利、水工結(jié)構(gòu)海上石油平臺(tái)第二十三張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月(1).波紋拱殼結(jié)構(gòu)7. 輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)第二十四張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月單擊圖片播放第二十五張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月(2) 門式剛架結(jié)構(gòu)第二十六張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）多層輕型房屋建筑第二十七張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月活動(dòng)車庫8.可拆卸、移動(dòng)房屋及 移動(dòng)結(jié)構(gòu)第二十八張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月單擊圖片播放第二十九張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6

7、月9.構(gòu)筑物10.建筑小品單擊圖片播放第三十張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月1.2 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法一、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的演變1.容許應(yīng)力方法 從20世紀(jì)初到20世紀(jì)5O年代，鋼結(jié)構(gòu)采用安 全系數(shù)法設(shè)計(jì)，即:N-構(gòu)件截面的內(nèi)力；A-構(gòu)件截面幾何特征；F-鋼材的最大強(qiáng)度；K-大于1的安全系數(shù)；-鋼材的容許應(yīng)力。第三十一張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月2.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 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)。(2) 極限狀態(tài)分為兩類： b.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

8、正常使用的振動(dòng)、影響正常使用的或耐久性的局部破壞等狀態(tài)。a.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)承載的變形、失穩(wěn)、傾覆、變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系等狀態(tài)。 第三十二張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 (3) 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; 近似概率極限狀態(tài)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; 1).三系數(shù)法（當(dāng)時(shí)稱為計(jì)算極限狀態(tài)法） : 1957年至1973年我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用半概率的分項(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: 荷載分項(xiàng)系數(shù)-考慮荷載的不定性; 材料分項(xiàng)系數(shù)-考慮材料的不均性; 工作條件系數(shù)-考慮結(jié)

9、構(gòu)及構(gòu)件的工作特點(diǎn)以及某些假定的計(jì)算簡圖與實(shí)際情況不完全相符等因素。第三十三張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月2) 半經(jīng)驗(yàn)半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法(容許應(yīng)力法） N-構(gòu)件截面的內(nèi)力； A-構(gòu)件截面幾何特征； K1-荷載系數(shù)； K2-材料系數(shù); K3-調(diào)整系數(shù)； fyk-鋼材的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值； -鋼材容許應(yīng)力第三十四張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月b、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(GB500172003)） 結(jié)構(gòu)的工作性能可用結(jié)構(gòu)的“功能函數(shù)”來描述： Zg（X1，X2，Xn） （1 3） 式中： g（）-結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)； Xi(i1，2,n)-影響結(jié)構(gòu)可靠性的各物

10、理量。 第三十五張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 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： Zg（R，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。第三十六張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月結(jié)構(gòu)能完成預(yù)定功能的概率(可靠度)用Ps表示，則：PsPZ0 （1-6）結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定功能的概率(失效概率)用Pf表示，則：P

11、fPZ0 （1-7）由于事件Z0與事件Z0是對立事件，所以結(jié)構(gòu)的可靠度與結(jié)構(gòu)的失效概率滿足: Ps Pf 1 或 Ps1- Pf （1-8）第三十七張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 因?yàn)镽和S都是隨機(jī)變量，且假定都服從正態(tài)分布，由 概率論原理知功能函數(shù) Z=R-S 也服從正態(tài)分布,則:f(z)PfzZ 的概率密度曲線Z=R-S 令：Z、R、S的平均值分別為 z、R、s，標(biāo)準(zhǔn)差分 別為z、R、s，則: 第三十八張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 因z0，故： f(z)zZ 的概率密度曲線PfZ=R-S因 服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，故上式又可寫成：式中: ()-標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)函數(shù)；-1()-標(biāo)

12、準(zhǔn)正態(tài)函數(shù) 的反函數(shù)。第三十九張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月從圖中可以看出與失效概率Pf 間存在著一一對應(yīng)關(guān)系,即: 1).減小時(shí)，陰影部分 的面積增大，即失效概 率Pf增大； 2).增大時(shí)，陰影部分 的面積減少，亦即失效 概率Pf減小。說明可以作為衡量結(jié) 構(gòu)可靠度的一個(gè)數(shù)量指 標(biāo)?？煽慷戎笜?biāo)f(z)zZ 的概率密度曲線PfZ=R-S單擊圖片播放第四十張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布時(shí) 與 的對應(yīng)值 4.03.17X10-53.71.08X10-43.26.87X10-41.35X10-33.0 的計(jì)算: 將式(1-10)、(1-11)代入的定義式得：第四十一

13、張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 c.全概率設(shè)計(jì)法 對結(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。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(疲勞問題除外)，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)的形式考慮。第四十二張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 （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)

14、件或連接材料抗力的設(shè)計(jì)值。 第四十三張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月荷載效應(yīng)組合如下：2.由永久荷載效應(yīng)控制的組合：3.荷載分項(xiàng)系數(shù)取值如下：1.由可變荷載效應(yīng)控制的組合：第四十四張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）永久荷載分項(xiàng)系數(shù) 當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利時(shí) -對可變荷載效應(yīng)控制的組合，應(yīng)取1.2; -對永久荷載效應(yīng)控制的組合，應(yīng)取1.35; 當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利時(shí) -一般情況下應(yīng)取1.0； -對結(jié)構(gòu)的傾覆、滑移或漂浮驗(yàn)算，應(yīng)取0.9。（2）可變荷載的分項(xiàng)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 活荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)取1.3。第四十五張，PPT共

15、五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 對于鋼結(jié)構(gòu)這種單一材料，可以將荷載效應(yīng)表達(dá)式用應(yīng)力形式表示。 可變荷載起控制作用時(shí)：永久荷載起控制作用時(shí)：式中：4、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式第四十六張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月-鋼材或連接材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。-鋼材或連接材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。-鋼材或連接材料抗力分項(xiàng)系數(shù)，對于Q235鋼R=1.087;Q345、Q390、Q420鋼R=1.111 。鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范給出了各類鋼材和連接的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。第四十七張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十八張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十九張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十張

16、，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十一張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月(二) 正常使用極限狀態(tài)1. 對于正常使用極限狀態(tài)，要求分別采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合和準(zhǔn)永久組合，并使變形等不超過相應(yīng)的規(guī)定限值。Gk -永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的 變形值；Q1k-第1個(gè)可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中 產(chǎn)生的變形值（該值使計(jì)算結(jié)果為最大）；第五十二張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 Qik-其他第i個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn) 生的變形值。 -結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的容許變形值。(315頁附錄2) 2. 對于受壓、受拉構(gòu)件，規(guī)范規(guī)定應(yīng)限制其長細(xì)比， 即: (1-24） 式中：-受壓、受拉構(gòu)件的計(jì)算長細(xì)比 ； -規(guī)范規(guī)定的受拉、受壓構(gòu)件容許長 細(xì)比，按規(guī)范采用。第五十三張，PPT共五十六頁，創(chuàng)作于2022年6月（三）使用設(shè)計(jì)表達(dá)式的注意事項(xiàng) 1.計(jì)算靜力強(qiáng)度和穩(wěn)定時(shí)，采用荷載的設(shè)計(jì)值；疲勞計(jì)算、變形計(jì)算采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)值。 2. 強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)f 1)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的種類、性