鋼結構的設計方法

1、鋼結構的設計方法第1頁，共25頁，2022年，5月20日，23點10分，星期三鋼結構設計方法結構功能要求 在設計基準期（一般50年，也有100和25年）內(nèi)，滿足功能要求，即安全性,適用性，耐久性。安全性：滿足特定的與建筑物功能相適應的承載力極限狀態(tài)適用性：保證結構在日常使用中滿足要求耐久性：保證結構的承載力的持續(xù)時間與環(huán)境適應度3.1 結構設計目的 第2頁，共25頁，2022年，5月20日，23點10分，星期三鋼結構設計方法第3頁，共25頁，2022年，5月20日，23點10分，星期三鋼結構設計方法第4頁，共25頁，2022年，5月20日，23點10分，星期三鋼結構設計方法第5頁，共25頁，2

2、022年，5月20日，23點10分，星期三鋼結構設計方法第6頁，共25頁，2022年，5月20日，23點10分，星期三鋼結構設計方法第7頁，共25頁，2022年，5月20日，23點10分，星期三鋼結構設計方法第8頁，共25頁，2022年，5月20日，23點10分，星期三建筑物的基準期結構的設計基準期1.結構保證其設計可靠度指標的時間期限成為設計基準期，即在基準期內(nèi)，結構的可靠度指標完全滿足設計要求；2.設計基準期是測算最大荷載重現(xiàn)期的基本期限；3.在超過設計基準期后，并非意味著結構的失效，而是其可靠度有所降低，因此基準期不能等同于建筑物的使用壽命；4.我國對于多數(shù)建筑物的設計基準期均為50年，

3、特殊建筑物可以除外；第9頁，共25頁，2022年，5月20日，23點10分，星期三鋼結構設計方法的變遷1957年以前：采用總安全系數(shù)的容許應力計算法；19571974：采用三個系數(shù)的極限狀態(tài)計算法；19741989：采用以結構極狀態(tài)為依據(jù)，進行多系數(shù)分析，用單一的系數(shù)表示的容許應力計算法；1989 ：采用以概率論為基礎的極限狀態(tài)設計法。2022/9/12第10頁，共25頁，2022年，5月20日，23點10分，星期三缺點：安全系數(shù)憑工程經(jīng)驗確定的一定值，這樣，各種構件的可靠性將不能保證比較一致的水平?？偘踩禂?shù)容許應力法三系數(shù)極限狀態(tài)設計法特點：明確提出了兩種極限狀態(tài)，采用三個系數(shù)來考慮結構構

4、件的安全儲備問題，避免單一安全系數(shù)的缺陷。缺點： 材質均勻系數(shù)概念重復。 強度標準不是明確概率取值，而是取鋼的廢品限值，不符合概率方法。2022/9/12第11頁，共25頁，2022年，5月20日，23點10分，星期三缺點：各種載荷并不相同，各種構件承受荷載的情 況也不一定相同，構件的幾何尺寸變異并不完全一致，采用統(tǒng)一的安全系數(shù)顯然不可能獲得相同的安全度。以結構極限狀態(tài)為依據(jù)，多系數(shù)分析后用單一安全系數(shù)的容許應力計算法以概率為基礎的極限狀態(tài)設計法 把各種參數(shù)（載荷效應、結構抗力等）作隨機變量，運用概率分析法并考慮變異性來確定設計采用值。 把概率分析引入結構設計方法，顯然比容許應力法先進，標志我

5、國在設計理論上前進了一大步，邁入了國際先進水平。2022/9/12第12頁，共25頁，2022年，5月20日，23點10分，星期三1.4.2 結構概率極限狀態(tài)設計法1. 基本概念結構可靠度：結構在規(guī)定的時間（50年），規(guī)定的條件（正常設計、正常施工、正常使用、正常維護）下，完成預定功能的概率。失效概率：結構不能完成預定功能的概率。結構的功能要求：安全性，適用性，耐久性。結構作用：施加在結構上的各種荷載及引起外加變形或約束變形的原因（如荷載、地震、基礎下沉、溫度變化、焊接等）作用：永久作用，可變作用，偶然作用作用效應（S）:結構作用引起結構或構件的內(nèi)力（軸、彎、剪）和變形（撓度、轉角）。結構抗力

6、（R）：結構或構件承受作用效應的能力。2022/9/12第13頁，共25頁，2022年，5月20日，23點10分，星期三（1）承載能力極限狀態(tài) 結構或構件達到最大承載能力或出現(xiàn)不適于繼續(xù)承載的變形，包括以下幾個方面：2. 結構的極限狀態(tài)整個結構或結構的一部分作為剛體失去平衡（如傾覆等）；結構構件或連接因超過材料強度而破壞；結構構件或連接在循環(huán)荷載作用下發(fā)生的疲勞破壞；結構構件或結構轉變?yōu)闄C動體系；結構或構件喪失穩(wěn)定（如壓屈等）。 整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設計規(guī)定的某一功能要求，這一特定狀態(tài)稱為結構的極限狀態(tài)。2022/9/12第14頁，共25頁，2022年，5月20日，

7、23點10分，星期三（2）正常使用極限狀態(tài) 結構或構件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定值：影響正常使用或外觀的變形；影響正常使用或耐久性能的局部損壞（包括裂縫）；影響正常使用的振動；影響正常使用的其它特定狀態(tài)。 承載力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)相比，前者可能導致人身傷亡和大量的財產(chǎn)損失，而后者對生命的危害則較小，主要是引起人們的不適，所以也應該給予足夠的重視。2022/9/12第15頁，共25頁，2022年，5月20日，23點10分，星期三3.概率極限狀態(tài)設計原理 設計基本原則：技術先進、經(jīng)濟合理、安全適用、確保質量。將各因素概括為兩個綜合隨機變量結構的抗力R、作用效應S。 0，結構處于可靠狀

8、態(tài) 功能函數(shù) Z=R-S =0，結構處于極限狀態(tài) 0，結構處于失效狀態(tài)失效概率（1.3.3）Z=R-S 稱為極限狀態(tài)方程。這樣，結構可靠概率為 Ps=p(R-S)0且可靠度 Ps=1-Pf絕對可靠的結構是不存在的，只要Pf達到人們可以接受的程度是安全的。2022/9/12第16頁，共25頁，2022年，5月20日，23點10分，星期三可靠指標的引入結構功能函數(shù) Z=R-S 由于S和R均為正態(tài)分布的隨機變量，其均值和標準差分別為s、s和 R、R。（1.3.7）設：（1.3.6）1z12z2可靠失效z1Z1z2Z2f(z)Z=R-SoPf2Pf1Z功能函數(shù)Z的概率密度曲線2022/9/12第17頁

9、，共25頁，2022年，5月20日，23點10分，星期三b2.52.73.23.74.2Pf510-33.510-36.910-41.110-41.310-5表1.3.1 失效概率和可靠指標的對應關系 值越大，Pf 就越小。 可以作為衡量結構可靠度的一個數(shù)量指 標。 可靠度指標表1.3.2 結構構建承載力極限狀態(tài)的可靠指標破壞類型安全等級一級二級三級延性破壞3.73.22.7脆性破壞4.23.73.2 建筑結構安全等級：一級； 設計基準期：50年； 設計使用年限：100年； 抗震設防分類：乙類； 抗震設防烈度：8度； 場地類別：類； 設計地震分組：第一組。鳥巢結構設計特性2022/9/12第1

10、8頁，共25頁，2022年，5月20日，23點10分，星期三將 改寫為 若規(guī)定了，并有R、 S、R、 S，就可利用上式進行設計或驗算。一次二階矩的近似概率方法結構作用效應結構抗力2022/9/12第19頁，共25頁，2022年，5月20日，23點10分，星期三 GB50068-2001建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準規(guī)定結構構件的極限狀態(tài)設計表達式，應根據(jù)各種極限狀態(tài)的設計要求，采用有關的荷載代表值、材料性能標準值、幾何參數(shù)標準值以及各種分項系數(shù)等表達。 為了便于應用并符合人們長期以來的習慣，規(guī)范并不直接使用進行設計，而利用式: 來完成。就設計而言，問題被轉化為計算效應S和抗力R。4.鋼結構設計表達

11、式2022/9/12第20頁，共25頁，2022年，5月20日，23點10分，星期三鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure 在荷載效應的基本組合條件下，式（）可轉化為等效的以基本變量標準值、分項系數(shù)和組合系數(shù)，并以應力形式表達的極限狀態(tài)公式。 可變荷載起控制作用時：永久荷載起控制作用時：1）承載能力極限狀態(tài)分項系數(shù)表達式 對于一般排架和框架結構：（）2022/9/12第21頁，共25頁，2022年，5月20日，23點10分，星期三（2）可變荷載的分項系數(shù) （gQ） -一般情況下應取1.4； -對標準值大于4kN/m2的工業(yè)房屋樓面結構的 活荷載

12、標準值應取1.3。（1）永久荷載分項系數(shù) （gG）當其效應對結構不利時 -對可變荷載效應控制的組合，應取1.2; -對永久荷載效應控制的組合，應取1.35;當其效應對結構有利時 -一般情況下應取1.0； -對結構的傾覆、滑移或漂浮驗算，應取0.9。2022/9/12第22頁，共25頁，2022年，5月20日，23點10分，星期三fd 或f鋼材或連接材料強度設計值。fk鋼材或連接材料強度標準值。R鋼材或連接材料抗力分項系數(shù)，對于Q235鋼 R =1.087；Q345、Q390、Q420鋼 R=1.111 。鋼結構規(guī)范給出了各類鋼材和連接的強度設計值。（P3813頁，附錄1）2022/9/12第23頁，共25頁，2022年，5月20日，23點10分，星期三 對于正常使用極限狀態(tài)，要求分別采用荷載的標準組合、頻遇組合和準永久組合進行設計，并使變形等設計值不超過相應的規(guī)定限值。對于鋼結構只考慮荷載的標準組合。Gk -永久荷載標準值在結構或構件中產(chǎn)生的變形值；Q1k起控制作用的第1個可變