鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法第1頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四§3.1概述一、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的演變(一)容許應(yīng)力方法是一種傳統(tǒng)的設(shè)計方法,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，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)；[σ]--鋼材的容許應(yīng)力。此種方法計算簡單方便，目前許多國家采用，我國鐵路和公路橋梁規(guī)范也采用此法，鋼結(jié)構(gòu)疲勞驗(yàn)算也用此法）(二)概論極限狀態(tài)設(shè)計方法第2頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四§3.2概率極限狀態(tài)設(shè)計方法一.極限狀態(tài)概念：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)。二.極限狀態(tài)分為兩類：

2.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)。1.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)動體系等狀態(tài)。

第3頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四三.概論極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式

1.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(dá)式進(jìn)行計算；

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

3.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計用應(yīng)力表達(dá)。第4頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四（1）永久荷載分項系數(shù)

當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利時

--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

--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。4.荷載分項系數(shù)取值如下：第5頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四對于鋼結(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。1.可變荷載起控制作用時：2.永久荷載起控制作用時：（一）承載能力極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式第6頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四(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。νGk--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；νQ1k--第1個可變荷載的標(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（該值使計算結(jié)果為最大）；第7頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四νQik--其他第i個可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值。[ν]--結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的容許變形值。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:

λ≤[λ]式中：λ--受壓、受拉構(gòu)件的計算長細(xì)比；[λ]--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8頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四一.明確幾個基本概念(一)循環(huán)(重復(fù))荷載——結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受的隨時間變化的荷載。PP11A1-1A§2.3鋼材的疲勞第9頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四(二)應(yīng)力循環(huán)(三)應(yīng)力循環(huán)特征—應(yīng)力比ρ----構(gòu)件截面應(yīng)力隨時間的變化。(四)應(yīng)力幅----

在循環(huán)荷載作用下，應(yīng)力從最大到最小重復(fù)一次為一次循環(huán)，最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之差為應(yīng)力幅:為常量1.常幅循環(huán)：為變量2.變幅循環(huán)：+σ-σt第10頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四(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)第11頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四二.鋼材的疲勞分類(一)按斷裂壽命和應(yīng)力高低的不同1.高周疲勞:斷裂壽命較長,總應(yīng)力幅小破壞前應(yīng)力循環(huán)次數(shù)多,N>5×104

,斷裂應(yīng)力水平低,σ＜fy,也稱低應(yīng)力疲勞或疲勞，工程上常見;2.低周疲勞:斷裂壽命較短,破壞前應(yīng)力循環(huán)次數(shù)少,N=102~5×104斷裂應(yīng)力水平高，σ≥fy，伴有塑性應(yīng)變發(fā)生，因此也稱為應(yīng)變疲勞或高應(yīng)力疲勞。第12頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四三.影響鋼材疲勞強(qiáng)度的主要因素(一)應(yīng)力集中的影響1.以截面幾何形狀改變;2.鋼材的缺陷。

規(guī)范將構(gòu)件和連接的種類分為8類，詳見鋼結(jié)構(gòu)教材P25~P27表3-2。第13頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四實(shí)際應(yīng)力循環(huán)均形成在拉應(yīng)力范圍2.應(yīng)力幅（Δσ）和應(yīng)力循環(huán)特征（應(yīng)力比ρ）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σmax和應(yīng)力比ρ無關(guān)。完全對稱循環(huán)，其疲勞強(qiáng)度最低。第14頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四3.應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N（疲勞壽命）

是指在連續(xù)重復(fù)荷載作用下應(yīng)力由最大到最小的循環(huán)次數(shù)。應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N<5×104，不需要進(jìn)行疲勞計算。

應(yīng)力幅越低，作用循環(huán)次數(shù)越多，疲勞壽命越高；應(yīng)力幅相同，作用的循環(huán)次數(shù)越多，疲勞壽命越高。0NX105N1N2fy123456第15頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四

結(jié)論：

1.由試驗(yàn)結(jié)果，以及上述分析可知鋼材的疲勞強(qiáng)度主要與構(gòu)件和連接分類（內(nèi)部缺陷、應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力）、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力幅有關(guān)。2.焊接部位的疲勞強(qiáng)度與鋼材的靜力強(qiáng)度(屈服點(diǎn)fy)基本無關(guān)。3.對于只有壓應(yīng)力的應(yīng)力循環(huán)作用，由于鋼材內(nèi)部缺陷不易開展，則不會發(fā)生疲勞破壞，不必進(jìn)行疲勞計算。第16頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四(六)疲勞強(qiáng)度計算

由于現(xiàn)階段對鋼材發(fā)生疲勞破壞尚處于進(jìn)一步研究階段，按概率極限狀態(tài)計算疲勞強(qiáng)度還不成熟，故采用容許應(yīng)力幅的計算方法。第17頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四§3.5鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計指標(biāo)

P31~34第18頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第19頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第20頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第21頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第22頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四五.有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)的規(guī)范、規(guī)程及標(biāo)準(zhǔn)簡介第一層次：通用1.《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB500682.《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計通用符號、計量單位和基本術(shù)語》GBJ83-853.《建筑結(jié)構(gòu)制圖標(biāo)準(zhǔn)》GBJ105-87第二層次：通用4.《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009第三層次：與設(shè)計有關(guān)的5.《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB500176.《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB500187.《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》JGJ7-918.《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ99-989.《門式剛架輕型永恒鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS102:98第23頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第四層次：與施工有關(guān)的10.《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB5020511.《鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》GB50022112.《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》JGJ81-9113.《鋼結(jié)