1.2 钢结构的设计方法(1).ppt

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1、1,1.2钢结构的设计方法,结构设计的基本原则：技术先进、经济合理、安全适用和确保质量由于实际工程结构中存在多种不确定性结构设计方法就是研究工程设计中的各种不确定性问题，取得安全可靠与经济合理之间的均衡,一、概述,2,钢结构目前有两种设计方法，即容许应力方法和极限状态方法。容许应力设计法容许应力方法是一种传统的设计方法，这种方法是把影响结构的各种因素都当作不变的定值，将材料可以使用的最大强度除以一个笼统的安全系数作为容许达到的最大应力容许应力。其表达式为：,fy钢材的屈服点；K安全系数。,3,建筑结构在正常设计、正常施工、正常使用和正常维修条件下的功能要求，有下列三个：,2.1建筑结构的功能要

2、求,(1).安全性建筑结构在其设计使用年限内应能够承受可能出现的各种荷载、外加变形(如超静定结构的支座不均匀沉降)、约束变形(如温度和收缩变形受到约束时)等的各种作用。在设计规定的偶然事件(如地震、爆炸)发生时及发生后，结构应保持必需的整体稳定性，不致倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。,2.极限状态设计法,4,(2).适用性建筑结构在其设计使用年限内应能满足预定的使用要求，有良好的工作性能，其变形、裂缝或振动等性能均不超过规定的限度。(3).耐久性建筑结构在其设计使用年限内应有足够的耐久性。即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀），结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低，而导致结构

3、在其预定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。,5,2.2结构可靠度和安全等级,可靠性安全性、适用性和耐久性的总称。结构的可靠性是指结构在规定的时间内（即设计基准期），在规定的条件下（结构正常的设计、施工、使用和维修条件），完成预定功能（如承载力、刚度、稳定性、抗裂性、耐久性和动力性能等）的能力。需要说明的是，当建筑结构的使用年限到达或超过设计基准使用期后，并不意味该结构立即报废不能使用了，而是说它的可靠性水平从此要逐渐降低了，在做结构鉴定及必要加固后，仍可继续使用。,6,结构的可靠度,结构的可靠度是指结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率，即结构可靠度是结构可靠性的概率

4、度量。结构设计的基准期是指为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数，建筑结构可靠度设计统一标准GB50068-2001（以下简称为标准）采用的设计基准期为50年。结构的设计使用年限是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。,7,建筑结构的安全等级,安全可靠是结构设计的重要内容，所以在进行建筑结构的设计时，应根据结构破坏的各种后果（危及人的生命、造成的经济损失、产生社会影响等）的严重性，采用不同的安全等级。标准对建筑结构的安全等级划分为三级，见下表,8,2.3结构的极限状态,结构的极限状态是指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规定的某

5、一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。标准将结构的极限状态分为下列两类：承载能力极限状态超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求正常使用极限状态超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久性的功能要求。,9,(1).承载能力极限状态,这种极限状态是对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续的变形。当结构或构件出现下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态：整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡；结构构件或其连接因超过材料强度而破坏；结构转变为机动体系；结构或构件丧失稳定；结构塑性变形过大而不适于继续使用。,10,(2).正常使用极限状态,这种极限状态是对应于结构或结构构

6、件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。当结构或构件出现下列状态之一时，应认为超过了正常使用极限状态：影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或耐久性能的局部损坏；影响正常使用的振动；影响正常使用的其它特定状态。,11,2.4结构上的作用F、作用效应S、结构抗力R,结构上的作用F是指施加在结构上的集中荷载或分布荷载，以及引起结构外加变形或约束变形的原因（如基础沉降、温度变化、混凝土收缩、焊接等作用）。施加在结构上的集中荷载和分布荷载（即永久荷载或称恒载、可变荷载或称活载）称为直接作用，引起结构外加变形或约束变形的其它作用称为间接作用。结构上的作用按标准可做下列分类：1.按时间的变异分类：永久作用

7、、可变作用、偶然作用2.按随空间位置的变异：固定作用、可动作用3.按结构的反应分类：静态作用、动态作用,12,作用效应S是指由于直接作用或间接作用（荷载、温度、支座不均匀沉降等因素）作用于结构构件上，在结构内产生的内力和变形（如轴力、弯矩、剪力、扭矩、挠度、转角和裂缝等）。若为直接作用，则其效应也可称为荷载效应，荷载与荷载效应在一般情况下是线性关系，故而荷载效应可用荷载值乘以荷载效应系数来表达。结构上的作用除永久作用外，都是不确定的随机变量，所以作用效应S一般也是随机变量。,S=S(Q),13,结构抗力R是指结构或结构构件承受内力和变形的能力（如构件的承载能力、刚度等）。由于影响结构构件抗力的

8、主要因素如材料性能、几何参数和计算模式的精确性都是不确定的随机变量，所以结构抗力R也是随机变量。,R=R(fc,fy,A,h0,As,),14,3.结构的极限状态方程,结构的功能函数可用结构抗力与作用效应来表达：Z=R-S当Z0时，即结构抗力大于作用效应，结构处于可靠状态；当Z0或RS）的概率就是可靠概率，用Ps代表；结构不能够完成预定功能（Z0或RS）的概率即为失效概率，用Pf代表。可靠概率与失效概率有着互补的关系，即：Ps+Pf=1若功能函数的基本变量R与S均为正态分布，且极限状态方程为线性方程，则R、S、Z的概率密度函数图形如下图所示。图中纵座标之左用Pf表示的部分的面积就是失效概率，即

9、：,17,18,图中因为R和S是随机变量，所以Z也是随机变量，假定R和S是相互独立的，则有：当为正态分布时，结构的失效概率Pf与功能函数Z的平均值f至原点的距离有关：fZ，即：称为结构的可靠指标，与Pf具有数值上的对应关系。,19,只要使通过上式计算出的结构或构件的失效概率Pf小到人们可以接受的程度，就可以认为结构设计是可靠的。但直接应用结构可靠度或失效概率的方法进行计算比较复杂，因此，目前各个国家在确定可靠性指标时都采用“校准法”，通过对原有的规范作反演，找出隐含在现有工程中相应的可靠指标值。对钢结构各类主要构件校准的结果，可靠指标一般在3.163.62之间。建筑结构设计统一标准规定的可靠性

10、指标见表1l。,20,2.概率极限状态法设计表达式,(1)承载能力极限状态设计表达式任何结构构件均应进行承载力设计，以确保安全。承载能力极限状态设计表达式为：RR=R(fc，fs，K),21,式中0结构构件的重要性系数，在抗震设计中不考虑；S承载能力极限状态的荷载效应组合的设计值，R结构构件的承载力设计值，在抗震设计中，要除以承载力抗震调整系数；R（）结构构件的承载力函数；fc、fs分别为混凝土、钢筋的强度设计值；K几何参数标准值。,22,对于承载能力极限状态，结构构件应按荷载效应的基本组合进行计算，必要时尚应按荷载效应的偶然组合进行计算。对于基本组合，荷载效应组合的设计值应从下列组合值中取最

11、不利值确定：1)由可变荷载效应控制的组合：,(1.5a),23,式中G永久荷载的分项系数，当其效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合取1.2，对由永久荷载效应控制的组合取1.35；当其效应对结构有利时，一般情况下应取1.0，对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。i第i个可变荷载的分项系数（其中为可变荷载Q1的分项系数），一般情况下应取1.4，对标准值大于4.0KN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载应取1.3。,24,SGk按永久荷载荷载标准值GK计算的荷载效应值；Sik按可变荷载荷载标准值Qik计算的荷载效应值，其中SQ1k为诸多可变荷载效应中起控制作用者；ci可变荷载Qi的组合值系数；n参与组合的可变荷载数。,25,2)由永久荷载效应控制的组合：,对于一般排架、框架结构，基本组合可采用简化规则，并按下列组合值中取最不利确定：1)由可变荷载效应控制的组合：,(3.3.3-2),(3.3.4),2)由永久荷载效应控制的组合仍按公式(3.3.3-2)式采用。,26,(2).正常使用极限状态设计表达式,对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，采用荷载的标准组合、频遇组合或准永久组合，并应按下列设计表达式进行设计：SdC,式中C结构或结构构件达到正常使用要求的规定限值，例如变形、裂缝、振幅、加速度、应力等的限值。,27,第二节结束,