第1章緒論(第一、二講)08

河南城建學(xué)院土木工程系結(jié)構(gòu)教研室鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理主講：張鋒劍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)”的設(shè)計方法；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；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)計的基本方法。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:鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理張耀春主編高等教育出版社鋼結(jié)構(gòu)（上下冊）陳紹蕃主編中國建筑工業(yè)出版社鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50017-2003）鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范（GB50205-2001)7.熟悉與土木工程相關(guān)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范。陳紹蕃教授簡介陳紹蕃，男，1919年2月生，浙江海鹽人，西安建筑科技大學(xué)資深教授。中國土木工程學(xué)會第四、五屆理事，中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會理事，全國鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)標準委員會顧問委員。美國結(jié)構(gòu)穩(wěn)定研究會終身會員。1943年重慶中央大學(xué)碩士。第一章緒論大綱要求1.

掌握鋼結(jié)構(gòu)的特點和鋼結(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)計方法，掌握其設(shè)計表達式的應(yīng)用。3．了解鋼結(jié)構(gòu)在我國的發(fā)展趨勢。§1.1鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展簡史人類建筑發(fā)展土與木材石材磚瓦混凝土鋼材蘭津橋（中國公元65年）四川瀘定大渡河橋（中國公元1705年）湖北玉泉寺（中國公元1061年）美國金門大橋（公元1937年）§1.2鋼結(jié)構(gòu)的特點和應(yīng)用范圍1.輕質(zhì)高強;

由于鋼材強度高，結(jié)構(gòu)需要的構(gòu)件截面小,結(jié)構(gòu)自重輕。

a=容重/強度,a越小，結(jié)構(gòu)相對越輕。鋼材：a=1.7～3.7×10-4/m；

木材：a=5.4×10-4/m；鋼砼：a=18×10-4/m；一、鋼結(jié)構(gòu)的特點澳大利亞啤酒中心

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物理量。

塑性——承受靜力荷載時，材料吸收變形能的能力。塑性好，會使結(jié)構(gòu)一般情況下不會由于偶然超載而突然斷裂，給人以安全保證；

韌性——承受動力荷載時，材料吸收能量的多少。

韌性好，說明材料具有良好的動力工作性能。

3.鋼材具有良好的加工性能和焊接性能適合大規(guī)模機械化、工廠化加工和現(xiàn)場安裝拼接，既能保證質(zhì)量，也可以大大縮短工期。北京小湯山醫(yī)院（2003年）建筑面積：4000平米工期：6晝夜施工人員：2萬人接受病人：1061人4.鋼材具有良好的密封性能采用焊接連接的鋼板結(jié)構(gòu)，具有較好的水密性和氣密性，可用來制作壓力容器、管道等。壓力容器輸油管道5、鋼材可重復(fù)利用。6、鋼材耐熱性好，耐火性差;

當結(jié)構(gòu)表面長期受輻射熱達150℃以上或在短時間內(nèi)可能受到火焰作用時，須采用隔熱和防火措施。美國世貿(mào)大廈（撞擊前）美國世貿(mào)大廈（撞擊后）7、鋼材耐腐蝕性差。

埃菲爾鐵塔于1889年為巴黎世博會而建，每7年對高達324米、重達7300噸的埃菲爾鐵塔進行重新粉刷，每次用油漆52噸，是鐵塔設(shè)計師居斯塔夫·埃菲爾遺囑中的一項要求。

二、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍1.大跨度結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)拱結(jié)構(gòu)橋梁天津體育場千年穹頂西班牙迪加航空港上海會展中心單層廠房多層工業(yè)廠房2.工業(yè)廠房金陵石化總廠工業(yè)廠房動態(tài)演示3.承受動力荷載及地震作用的結(jié)構(gòu)吊車梁動態(tài)演示4.高層建筑與高聳結(jié)構(gòu)上海標志性高聳建筑澳大利亞悉尼塔香港銀行5.道路、橋梁結(jié)構(gòu)澳大利亞悉尼橋6.水利、水工結(jié)構(gòu)海上石油平臺(1).波紋拱殼結(jié)構(gòu)7.輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)(2)門式剛架結(jié)構(gòu)(2)索膜結(jié)構(gòu)西安建筑科技大學(xué)網(wǎng)球場南京工業(yè)大學(xué)壘球場活動車庫8.可拆卸、移動房屋及移動結(jié)構(gòu)9.構(gòu)筑物10.建筑小品§1.3鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法一、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的演變1.容許應(yīng)力方法

從20世紀初到20世紀5O年代，鋼結(jié)構(gòu)采用安全系數(shù)法設(shè)計，即:N--構(gòu)件截面的內(nèi)力；A--構(gòu)件截面幾何特征；f--鋼材的最大強度；k--大于1的安全系數(shù)；[σ]--鋼材的容許應(yīng)力。容許應(yīng)力方法存在缺陷加拿大魁北克大橋（1916年）加拿大魁北克大橋（現(xiàn)在）加拿大魁北克大橋（1907年）加拿大圣勞倫斯河

2.概率極限狀態(tài)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)的功能要求

再正常的施工和正常使用時，能承受可能出現(xiàn)的各種作用；在正常的使用時具有良好的工作性能；在正常維護下具有足夠的耐久性；在設(shè)計規(guī)定的偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后，仍能夠保持必須的整體穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)的可靠度

結(jié)構(gòu)的可靠性——結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下完成預(yù)定功能的能力；結(jié)構(gòu)的可靠度——結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率(1)極限狀態(tài)：當結(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)計規(guī)定的某一功能要求時，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、影響正常使用的振動、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動體系等狀態(tài)。

(3)根據(jù)應(yīng)用概率分析的程度不同，可分為三種水準：

半概率極限狀態(tài)設(shè)計方法;

近似概率極限狀態(tài)設(shè)計方法;

全概率設(shè)計方法。

a.半概率極限狀態(tài)設(shè)計方法;1).三系數(shù)法（當時稱為計算極限狀態(tài)法）:1957年至1973年我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計采用半概率的分項系數(shù)法,結(jié)構(gòu)設(shè)計中引入三個分項系數(shù)，即:

荷載分項系數(shù)--考慮荷載的不定性;

材料分項系數(shù)--考慮材料的不均性;

工作條件系數(shù)--考慮結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的工作特點以及某些假定的計算簡圖與實際情況不完全相符等因素。2)半經(jīng)驗半概率極限狀態(tài)設(shè)計法(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--鋼材的屈服強度標準值；

[σ]--鋼材容許應(yīng)力材料的幾種特征值：材料的平均值材料的標準值材料的設(shè)計值b、近似概率極限狀態(tài)設(shè)計法（現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB50017－2003)）

結(jié)構(gòu)的工作性能可用結(jié)構(gòu)的“功能函數(shù)”來描述：

Z＝g（X1，X2，…，Xn）（1－3）

式中：

g（·）--結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)；

Xi(i＝1，2,…,n)--影響結(jié)構(gòu)可靠性的各物理量。

將各因素概括為兩個綜合隨機變量--結(jié)構(gòu)的抗力R、作用效應(yīng)S，則公式（1-3）可以寫成：

Z＝g（R，S）＝R－S（1-4）在實際工程結(jié)構(gòu)中：

Z＞0表示結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；

Z＝0表示結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)

Z＜0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)是否達到極限狀態(tài)，為此，通常將下式：

Z＝g(R，S)＝R－S＝0(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(可靠度)用Ps表示，則：Ps＝P{Z≥0}

（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：Pf＝P{Z<0｝

（1-7）由于事件｛Z≥0｝與事件{Z＜0｝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

Ps＝1-Pf

（1-8）

因為R和S都是隨機變量，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)PfμzZ的概率密度曲線Z=R-S

令：Z、R、S的平均值分別為

μz、μR、μs，標準差分別為σz、σR、σs，則:

因σz＞0，故：

f(z)μzZ的概率密度曲線PfZ=R-S因服從標準正態(tài)分布，故上式又可寫成：式中:φ(·)--標準正態(tài)函數(shù)；φ-1(·)--標準正態(tài)函數(shù)的反函數(shù)。從圖中可以看出β與失效概率Pf間存在著一一對應(yīng)關(guān)系,即:1).β減小時，陰影部分的面積增大，即失效概率Pf增大；

2).β增大時，陰影部分的面積減少，亦即失效概率Pf減小。說明β可以作為衡量結(jié)構(gòu)可靠度的一個數(shù)量指標。β—可靠度指標f(z)μzZ的概率密度曲線PfZ=R-S標準正態(tài)分布時與的對應(yīng)值

4.03.17X10-53.71.08X10-43.26.87X10-41.35X10-33.0

β的計算:

將式(1-10)、(1-11)代入β的定義式得：

c.全概率設(shè)計法對結(jié)構(gòu)的各種基本變量均采用隨機變量或隨機過程來描述，對結(jié)構(gòu)進行精確的概率分析，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)計表達式

a.采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法(疲勞問題除外)，用分項系數(shù)的表達式進行計算；

b.結(jié)構(gòu)的可靠度用可靠度指標來度量，并以分項系數(shù)的形式考慮。

（一）按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計應(yīng)考慮荷載效應(yīng)的基本組合或偶然組合進行荷載（效應(yīng)）組合，采用下列表達式設(shè)計：式中：γo--結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；

S--荷載效應(yīng)（組合）的設(shè)計值；

R--鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接材料抗力的設(shè)計值。

荷載效應(yīng)組合如下：2.由永久荷載效應(yīng)控制的組合：3.荷載分項系數(shù)取值見教材P101.由可變荷載效應(yīng)控制的組合：

對于鋼結(jié)構(gòu)這種單一材料，可以將荷載效應(yīng)表達式用應(yīng)力形式表示。可變荷載起控制作用時：永久荷載起控制作用時：式中：4、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)設(shè)計表達式--鋼材或連接材料強度設(shè)計值。--鋼材或連接材料強度標準值。--鋼材或連接材料抗力分項系數(shù)，對于Q235鋼γR=1.087;Q345、Q390、Q420鋼γR=1.111

。鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范給出了各類鋼材和連接的強度設(shè)計值。(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準組合、頻遇組合和準永久組合，并使變形等不超過相應(yīng)的規(guī)定限值。νGk--永久荷載標準值在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值；νQ1k--第1個可變荷載的標準值在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值（該值使計算結(jié)果為最大）；

νQik--其他第i個可變荷載標準值在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值。

[ν]--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)限制其長細比，即:

λ≤[λ](1-24）式中：λ--受壓、受拉構(gòu)件的計算長細比；

[λ]--規(guī)范規(guī)定的受拉、受壓構(gòu)件容許長細比，按規(guī)范采用。5、鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析方法（1）一階彈性分析方法建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力一般按結(jié)構(gòu)靜力學(xué)的方法進行分析。分析時力的平衡條件按變形前的結(jié)構(gòu)桿件軸線建立，即不考慮結(jié)構(gòu)變形