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Steel Structure第第3 3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法本章导学导学提示导学提示本章主要介绍钢结构设计的目的，钢结构的基本计算方法容许应力设计法、概率设计法、概率极限状态设计法的计算表达式。Steel Structure本章要求本章要求1.1.理解钢结构设计的目的；理解钢结构设计的目的；2.2.了解容许应力设计法；了解容许应力设计法；3.3.了解概率设计法的设计表达式；了解概率设计法的设计表达式；4.4.理解概率极限状态设计方法的设计表达式，驾驭在理解概率极限状态设计方法的设计表达式，驾驭在不同极限状态下荷载的计算。不同极限状态下荷载的计算。Steel Structure关键学问关键学问1.1.概率极限状态设计方法的设计表达式。概率极限状态设计方法的设计表达式。重点讲解重点讲解1.概率极限状态设计方法的设计表达式。难点解析难点解析 1.极限状态的概念和分类；2.概率极限状态设计方法的设计表达式。Steel Structure3.1 3.1 概述概述 3.1.1 钢结构设计的目的 结构设计的目的在于使所设计的结构在设计运用结构设计的目的在于使所设计的结构在设计运用年限内，满足预定功能的基础上，要求既能平安年限内，满足预定功能的基础上，要求既能平安牢靠的工作，又经济合理。牢靠的工作，又经济合理。（1）平安性结构能承受在正常施工和正常运用时可能出现的各种荷载及其它作用(如温度变更、基础不均沉降等）；当发生爆炸、撞击、人为错误等偶然事务时，结构能保持必需的整体稳固性，不出现与起因不相称的破坏后果，防止出现结构的连续倒塌。当发生火灾时，在规定的时间内可保持足够的承载力。Steel Structure（2）适用性指结构在正常运用条件下，满足预定运用要求的实力。例如不产生影响正常运用的过大变形等。（3）耐久性结构在正常的维护下，应随时间的变更仍能满足预定的功能要求，例如不发生严峻侵蚀而影响结构的运用寿命等。结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的实力称为结构的牢靠性（规定时间是指结构的设计运用年限，规定条件，是指正常设计、正常施工、正常运用和维护的条件，不包括非正常的，例如人为的错误等）。Steel Structuren1.结构上的作用n使结构产生效应(M、N、V、T、f、)的各种因素的总和。n2.作用效应(S )n结构上的作用引起结构或构件的内力和变形。n S=CQn3.结构抗力（R）n结构或构件承受内力和变形的实力。nR=f(、E、A、I)的函数。3.1.2 3.1.2 结构上的作用和作用效应结构上的作用和作用效应 Steel Structuren4.结构牢靠工作的基本条件n结构完成预定功能的工作状态可用结构的功能函数Z来描述。Steel Structure3.2 3.2 容许应力设计法容许应力设计法 容许应力法由于接受一个定值的平安系数来衡量结构的平安性，所以计算应用简便，是工程结构中的一种保守的设计方法，目前在马路、铁路工程设计中仍在应用。它的主要缺点是由于单一平安系数是一个笼统的阅历系数，不从定量上度量结构的牢靠度，更不能使各类结构的平安度达到同一水平，也未考虑荷载增大的不同比率或具有异号荷载效应状况对结构平安的影响，所以该方法对结构牢靠度的探讨是处于以阅历为基础的定性分析阶段。Steel Structure3.3 3.3 概率设计法概率设计法 3.3.1 3.3.1 半概率极限状态设计法半概率极限状态设计法在概率设计法的探讨过程中，首先考虑荷载和材料强度的不确定性，用概率的方法确定它们的取值，以阅历确定分项系数，但仍没有将结构的牢靠度与概率联系起来，故称为半概率极限状态设计法。极限状态定义：整个结构或结构的一部分超过某一特定状态极限状态定义：整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计指定的某一功能要求，这个特定的状态称之就不能满足设计指定的某一功能要求，这个特定的状态称之为该功能的极限状态。为该功能的极限状态。Steel Structure3.3.2 3.3.2 一次二阶矩法一次二阶矩法 1结构的牢靠度结构的牢靠度是结构牢靠性的概率度量，即结构在设计运用年限内，在正常条件下，完成预定功能的概率。结构的牢靠度是用牢靠概率来描述的。失效概率：牢靠概率：Steel Structure结构的牢靠指标 考虑到计算失效概率比较困难，故引入牢靠指标代替失效概率来具体度量结构的牢靠性。Steel Structure3.4 3.4 概率极限状态设计法概率极限状态设计法 3.4.1 目前我国建筑钢结构设计中接受的方法1.承载实力极限状态n结构或结构构件达到最大承载实力或者达到不适于接着承载的变形态态，称为承载实力极限状态。n超过承载实力极限状态后，结构或结构构件就不能满足平安性的要求。Steel Structuren当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了承载实力极限状态：n 结构构件或连接因超过材料强度而破坏，或因过度变形而不适于接着承载；n 整个结构或其一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；n 结构转变为机动体系；n 结构或结构构件丢失稳定（如压屈等）；n 结构因局部破坏而发生连续倒塌；n 地基丢失承载力而破坏（如失稳等）；n 结构或结构构件的疲惫破坏。Steel Structure2.正常运用极限状态结构或结构构件达到正常运用或耐久性能中某项规定限度的状态称为正常运用极限状态。超过了正常运用极限状态，结构或结构构件就不能保证适用性和耐久性的功能要求。当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了正常运用极限状态：影响正常运用或外观的变形（如过大变形、过宽裂缝等）；影响正常运用或耐久性能的局部损坏；影响正常运用的振动；影响正常运用的其他特定状态。Steel Structure现行钢结构设计规范除疲惫计算外，接受以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数的设计表达式进行计算。3.4.2 承载实力极限状态的设计表达式（2）永久荷载效应限制的组合1.承载实力极限状态荷载效应的基本组合（1）可变荷载效应限制的组合Steel Structure 结构重要性系数，对平安等级为一级或设计运用年限为 100年及以上的结构构件，不应小于1.1；对平安等级为二级 或设计运用年限为50年的结构构件，不应小于1.0；对平安 等级为三级或设计运用年限为5年的结构构件，不应小于0.9；永久荷载标准值在结构构件截面或连接中产生的应力；起限制作用的第一个可变荷载标准值在结构构件截面或连接中产生的应力(该值使计算结果为最大)；其他第i个可变荷载标准值在结构构件截面或连接中产生的应力；Steel Structure 永久荷载分项系数，当永久荷载效应对结构构件的承载 实力不利时取l.2，但当永久荷载效应限制的组合时取1.35 。当永久荷载效应对结构构件的承载实力有利时，取为1.0 ；验算结构倾覆、滑移或漂移时取0.9；第1个和其他第i个可变荷载分项系数，当可变荷载效应对结构构件的承载实力不利时，取1.4(当楼面活荷载大于4.0kNm2时，取1.3)；有利时，取为0；第i个可变荷载的组合值系数，可按荷载规范的规定接受。Steel Structure2.对于一般排架、框架结构，可接受简化式计算（1）可变荷载效应限制的组合（2）永久荷载效应限制的组合简化式中接受的荷载组合值系数，一般状况下可接受0.9；当只有一个可变荷载时，取为1.0。Steel Structure3.4.3 正常运用极限状态的设计表达式 正常运用极限状态荷载效应的标准组合永久荷载的标准值在结构或结构构件中产生的变形值；起限制作用的第一个可变荷载的标准值在结构或结构构件中产生的变形值(该值使计算结果为最大)；其他第i个可变荷载标准值在结构或结构构件中产生的变形值；结构或结构构件的容许变形值。Steel Structuren留意：留意：n1.正常运用极限状态下应接受荷载标准值正常运用极限状态下应接受荷载标准值n2.承载力极限状态下应接受荷载设计值承载力极限状态下应接受荷载设计值n3.二者之间关系二者之间关系:n荷载设计值荷载设计值=荷载标准值荷载标准值荷载分项系数荷载分项系数Steel StructureSteel StructureSteel Structuren钢材的强度设计值钢材的强度设计值 fy/R fy/R n 砌体结构材料抗力分项系数砌体结构材料抗力分项系数 R=1.6 R=1.6、1.81.8nR R 混凝土结构材料抗力分项系数混凝土结构材料抗力分项系数 R=1.4 R=1.4n 钢结构材料抗力分项系数钢结构材料抗力分项系数 Q235 R=1.087 Q235 R=1.087 n Q345 Q345 Q390 Q420 R=1.111Q390 Q420 R=1.111n依据厚度或直径进行分组。厚度越小，强度越高依据厚度或直径进行分组。厚度越小，强度越高n钢材的抗压、抗拉、抗弯强度设计值相同钢材的抗压、抗拉、抗弯强度设计值相同 f fn钢材的抗剪强度设计值钢材的抗剪强度设计值 fv=0.58 f fv=0.58 fn端部承压强度设计值端部承压强度设计值 fce=1.5 f fce=1.5 f3.4.4 钢材和连接的强度设计值钢材和连接的强度设计值Steel Structure1.理解钢结构设计的目的；2.了解容许应力设计法；3.驾驭概率设计法的设计表达式；4.重点驾驭承载实力极限状态的设计表达式和正常运用极限状态的设计表达式。本章相关的探讨与思索本章相关的探讨与思索