钢结构的设计方法.ppt

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1、钢结构的设计方法现在学习的是第1页，共29页3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 概率极限状态设计法概率极限状态设计法3.3 3.3 概率极限状态设计法的表达式概率极限状态设计法的表达式3.4 3.4 钢材的疲劳和疲劳计算钢材的疲劳和疲劳计算第三章 钢结构的设计方法本章目录现在学习的是第2页，共29页钢结构设计的目的：3.1 概述使所建造的结构能充分满足各种预定的功能要求。3.1.1 钢结构设计的目的技术先进经济合理安全适量确保质量第三章 钢结构的设计方法现在学习的是第3页，共29页3.1.2 结构的功能要求安全性：正常施工和使用时，能承受荷载、地震、温度变化（引起变形）等作用。并且在偶然事

2、件后不至整体垮塌。适用性：耐久性：正常使用时，具有良好的工作性能。正常维护下有足够的耐久性能。第三章 钢结构的设计方法现在学习的是第4页，共29页3.1.3 结构的可靠性和可靠度结构的可靠性：结构在规定的时间（设计使用年限）内，在规定的使用条件下完成预定功能的能力。是安全性、适用性和耐久性三者的统称。类别类别设计使用年限（年）设计使用年限（年）示例示例1 15 5临时性建筑临时性建筑2 22525易替换的结构构件易替换的结构构件3 35050普通房屋和构筑物普通房屋和构筑物4 4100100纪念性建筑和特别重要建筑结构纪念性建筑和特别重要建筑结构第三章 钢结构的设计方法现在学习的是第5页，共2

3、9页结构的可靠度：结构可靠度是对结构可靠性的定量描述，即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。对结构可靠度的要求与结构的设计基准期长短有关，设计基准期长，可靠度要求就高，反之则低。一般建筑物的设计基准期为50年。第三章 钢结构的设计方法现在学习的是第6页，共29页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一功能要求，称此特定状态为该功能的极限状态。3.2 概率极限状态设计法3.2.1 结构的极限状态在结构的可靠和经济之间选择一种合理的平衡的设计方法，称为概率极限状态设计法。第三章 钢结构的设计方法现在学习的是第7页，共29页第三章 钢结构的设计方法（1 1）

4、承载能力极限状态）承载能力极限状态 结构或构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变结构或构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形时的极限状态，包括以下几个方面：形时的极限状态，包括以下几个方面：整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；结构构件或连接因超过材料强度而破坏；结构构件或连接因超过材料强度而破坏；结构构件或连接在循环荷载作用下发生的疲劳破坏；结构构件或连接在循环荷载作用下发生的疲劳破坏；结构构件或连接因过度变形（几何形状改变）而不适于继续承载；结构构件或连接因过度变形（几何形状改变）而不适于继续承载；结构转变为机

5、动体系（灵活可变的体系）；结构转变为机动体系（灵活可变的体系）；结构或构件丧失稳定（如压屈等）。结构或构件丧失稳定（如压屈等）。现在学习的是第8页，共29页第三章 钢结构的设计方法（2 2）正常使用极限状态）正常使用极限状态 结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定值时的极限结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定值时的极限状态：状态：影响正常使用或外观的变形；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（包括裂缝）；影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；影响正常使用的振动影响正常使用的振动(动荷载过度振动动荷载过度振动)；影响正常使用的其它特定状态。影响正常使用的其

6、它特定状态。承载力极限状态与正常使用极限状态相比，前者可能导致人身伤亡和大量的财承载力极限状态与正常使用极限状态相比，前者可能导致人身伤亡和大量的财产损失，而后者对生命的危害则较小，主要是引起人们的不适，所以也应该给产损失，而后者对生命的危害则较小，主要是引起人们的不适，所以也应该给予足够的重视。予足够的重视。现在学习的是第9页，共29页3.2.2 失效概率Pf和可靠指标度量结构的可靠性采用可靠概率PS（能完成预订功能的概率）或失效概率Pf（不能完成预定功能的概率）；PS+Pf=1通常用失效概率度量结构的可靠性。结构或构件的承载能力，结构或构件的承载能力，也称为也称为抗力抗力；用；用R表示，表

7、示，作用（荷载）对结构或构作用（荷载）对结构或构件产生的件产生的效应效应；用；用S表示；表示；Z=g（R,S）=R-SZ0，可靠状态Z0，失效状态Z=0，极限状态结构的功能函数第三章 钢结构的设计方法现在学习的是第10页，共29页第三章 钢结构的设计方法失效概率失效概率可靠指标可靠指标b2.52.73.23.74.2Pf6.2110-33.510-36.910-41.110-41.310-5失效概率和可靠指标的对应关系失效概率和可靠指标的对应关系（3.4）（3.9）现在学习的是第11页，共29页根据结构的重要性、破坏性质、失效后果等以及长期的工程实践经验，对值进行了规定：对于承载力极限状态，安

8、全等级为二级的属延性破坏的构件=3.2（对应的失效概率=1/1450）,若使用年限50年，则其每年的失效概率为1/72500；脆性破坏的构件=3.7；安全等级为一级、三级时，在上面基础上分别增减0.5。第三章 钢结构的设计方法现在学习的是第12页，共29页3.3 概率极限状态设计法的设计表达式第三章 钢结构的设计方法 GB50068-2001GB50068-2001建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准规定结构构规定结构构件的极限状态设计表达式，应根据各种极限状态的设计要求，件的极限状态设计表达式，应根据各种极限状态的设计要求，采用有关的荷载代表值、材料性能标准值、几何参数标准值

9、以采用有关的荷载代表值、材料性能标准值、几何参数标准值以及各种分项系数等表达。及各种分项系数等表达。为为了了便便于于应应用用并并符符合合人人们们长长期期以以来来的的习习惯惯，规规范范并并不不直直接接使用使用 进行设计，而利用式进行设计，而利用式:来来完完成成。就就设设计计而而言言，问题被转化为计算效应问题被转化为计算效应S S和抗力和抗力R R。现在学习的是第13页，共29页第三章 钢结构的设计方法 在在荷荷载载效效应应的的基基本本组组合合条条件件下下，式式（3.143.14）可可转转化化为为等等效效的的以以基基本本变变量量标准值标准值、分项系数和组合系数，并以应力形式表达的极限状态公式。、分

10、项系数和组合系数，并以应力形式表达的极限状态公式。可变荷载起控制作用时：可变荷载起控制作用时：永久荷载永久荷载起控制作用时：起控制作用时：1 1）承载能力极限状态分项系数表达式）承载能力极限状态分项系数表达式 对于一般排架和框架结构：对于一般排架和框架结构：（3.20）现在学习的是第14页，共29页第三章 钢结构的设计方法（2 2）可变荷载的分项系数）可变荷载的分项系数 （Q1Q1、Qi Qi）-一般情况下应取一般情况下应取1.41.4；-对标准值大于对标准值大于4kN/m4kN/m2 2的工业房屋楼面结构的的工业房屋楼面结构的 活荷载标准值应取活荷载标准值应取1.31.3。（1 1）永久荷载

11、分项系数）永久荷载分项系数（G）当其效应对结构不利时当其效应对结构不利时 -对可变荷载效应控制的组合，应取对可变荷载效应控制的组合，应取1.2;1.2;-对永久荷载效应控制的组合，应取对永久荷载效应控制的组合，应取1.35;1.35;当其效应对结构有利时当其效应对结构有利时 -一般情况下应取一般情况下应取1.01.0；-对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.90.9。现在学习的是第15页，共29页第三章 钢结构的设计方法f钢材或连接材料强度钢材或连接材料强度设计值设计值。fk钢材或连接材料强度钢材或连接材料强度标准值标准值。R钢材或连接材料抗力分项系数，对于钢

12、材或连接材料抗力分项系数，对于Q235钢钢 R=1.087；Q345、Q390、Q420钢钢 R=1.111。钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。现在学习的是第16页，共29页第三章 钢结构的设计方法 对于正常使用极限状态，要求分别采用对于正常使用极限状态，要求分别采用荷载的标准组合、频遇组合荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计和准永久组合进行设计，并使变形等设计值不超过相应的规定限值。对于，并使变形等设计值不超过相应的规定限值。对于钢结构只考虑荷载的标准组合，钢结构只考虑荷载的标准组合，荷载采用标准值。Gk-永久荷载标准值永久荷载标

13、准值在结构或构件中产生的变形值；在结构或构件中产生的变形值；Q1k起控制作用的起控制作用的第第1 1个个可变荷载的标准值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）；使计算结果为最大）；(3.21)2 2）正常使用极限状态）正常使用极限状态 Qik-其他第其他第i i个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值。个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值。-结构或结构构件的容许变形值。结构或结构构件的容许变形值。(查查钢结构设计规范钢结构设计规范)现在学习的是第17页，共29页第三章 钢结构的设计方法设计表达式中物理量和系数简介:1、

14、0 结构重要性系数，按下列规定采用：对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件，不应小于1.1；对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件，不应小于1.0；对安全等级为三级或设计使用年限为5年的结构构件，不应小于0.9。安全等级破坏后果建筑物类型一级很严重重要的房屋二级严重一般的房屋三级不严重次要的房屋建筑结构的安全等级建筑结构的安全等级现在学习的是第18页，共29页第三章 钢结构的设计方法2、荷载组合系数c结构承受两个或两个以上可变荷载时，考虑到所有可变荷载同时达到其单独出现时可能达到的最大值的概率极小，因此除主导荷载外，将其他可变荷载乘以一个小于1的组合系数,一般取为0

15、.7.详见规范。3.3.3 钢材的强度设计值（教材P45）强度设计值f=fk/R例如：厚度小于16mm的Q235钢，fy=235N/mm2，R=1.087，f=fk/R=fy/R=215N/mm2。钢材的抗剪强度设计值fv=0.58f。现在学习的是第19页，共29页第三章 钢结构的设计方法3.4 钢材的疲劳和疲劳计算定义：钢结构的疲劳断裂是微观裂纹在连续重复荷载作用下不断扩展以至断裂的脆性破坏。疲劳强度是指钢结构在疲劳强度是指钢结构在连续重复连续重复载荷作用下而不破坏的载荷作用下而不破坏的最大应力。最大应力。破坏过程破坏过程：裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。现在学习的是第20页，共2

16、9页破坏特点破坏特点：（1 1）疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度，钢材的塑）疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度，钢材的塑性还没有展开，属于脆性破坏。性还没有展开，属于脆性破坏。（3 3）疲劳对缺陷十分敏感。）疲劳对缺陷十分敏感。（2 2）疲劳破坏的断口与一般脆性破坏的断口不同。一般）疲劳破坏的断口与一般脆性破坏的断口不同。一般脆性破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或人字纹。而脆性破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或人字纹。而疲劳破坏的主要断口特征是放射和年轮状花纹。疲劳破坏的主要断口特征是放射和年轮状花纹。第三章 钢结构的设计方法现在学习的是第21页，共29页疲劳破坏中一些值得注意的问题疲劳

17、破坏中一些值得注意的问题（1 1）疲劳验算采用的是容许应力设计法，而不是以概率论为基础的）疲劳验算采用的是容许应力设计法，而不是以概率论为基础的设计方法。这主要是因为焊接构件焊缝周围的力学性能非常复设计方法。这主要是因为焊接构件焊缝周围的力学性能非常复杂，目前还没有较好试验或数值方法对其进行以概率论为基础杂，目前还没有较好试验或数值方法对其进行以概率论为基础的研究。的研究。（2 2）对于只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展，）对于只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展，则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。（3 3）国内外试验证明

18、，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度）国内外试验证明，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度的影响，故可认为疲劳容许应力幅与钢种无关。的影响，故可认为疲劳容许应力幅与钢种无关。（4 4）提高疲劳强度和疲劳寿命的措施）提高疲劳强度和疲劳寿命的措施（）采取合理构造细节设计，尽可能减少应力集中；（）采取合理构造细节设计，尽可能减少应力集中；（）严格控制施工质量，减小初始裂纹尺寸；（）严格控制施工质量，减小初始裂纹尺寸；（）采取必要的工艺措施如打磨、敲打等。（）采取必要的工艺措施如打磨、敲打等。第三章 钢结构的设计方法现在学习的是第22页，共29页第三章 钢结构的设计方法（1）微观裂纹和应力集

19、中在钢材生产制造过程中，其内部就存在一些诸如化学成分偏析、非金属夹杂以及制造时形成的毛边和裂纹及焊缝内部的工艺缺陷相当于微裂纹的作用。在重复连续荷载作用时，在这些截面上引起应力集中现象，首先在高峰应力处产生微观裂纹，并随着荷载的重复作用，裂纹继续开展，达到一定循环次数时突然破坏。显然应力集中越明显，其疲劳强度越低。3.4.1 影响疲劳强度的主要因素现在学习的是第23页，共29页第三章 钢结构的设计方法（2）应力幅在循环荷载作用下，应力从最大到最小重复一次为一次循环。应力幅为每次应力循环中最大拉应力（取正值）和最小拉应力或压应力（拉取正、压取负）的差值。t应力谱应力谱为常量常幅循环：为变量变幅循

20、环：现在学习的是第24页，共29页第三章 钢结构的设计方法完全对称循环完全对称循环t=min/max=-1minmax+-0脉冲循环脉冲循环t=min/max=0+-0循环应力谱：（3）应力比应力比为循环应力中绝对值最小的峰值应力min与绝对值最大的峰值应力max之比。=min/max(拉应力取正号而压应力取负号)。现在学习的是第25页，共29页第三章 钢结构的设计方法循环应力谱：不完全对称循环一不完全对称循环一t0=min/max -1minmax+-0+-不完全对称循环二不完全对称循环二t0=min/max -1minmax0静荷载静荷载min=maxt=min/max=1+-0现在学习的

21、是第26页，共29页第三章 钢结构的设计方法钢材的残余应力钢材的残余应力对焊接结构（翼缘施加循环荷载）：r=fyt=min/max=-1minmax+-0常幅应力谱常幅应力谱真实应力名义应力现在学习的是第27页，共29页第三章 钢结构的设计方法可以看出，由于焊接残余应力焊缝附近主体金属的最大应力已达 fy，因此，有初始段，应力增大时保持 fy不变应力减小时从名义应力比真实应力比现在学习的是第28页，共29页第三章 钢结构的设计方法 可见，只要应力幅（）为常数，不管名义应力为何值，真实应力也为常数，因此：应力幅对焊接结构的疲劳强度有很大影响，而与名义最大应力max和应力比无关。（4）应力循环次数应力循环次数是指连续重复荷载作用下应力由最大到最小的循环次数。设计规范规定各类构件和连接疲劳极限对应的应力循环次数为n=5106。现在学习的是第29页，共29页