(2)--1.2钢结构的设计方法与设计表达式.ppt

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1、1.3 钢结构的设计方法1.4 钢结构的设计表达式钢结构原理钢结构原理第1章 绪论1.3 钢结构的设计方法一、概述结构设计准则结构设计准则：结构由各种荷载和作用所产生的：结构由各种荷载和作用所产生的效应（作用效应（作用效应效应：内力和变形）内力和变形）不大于不大于结构（包括连接）由材料性能和结构（包括连接）由材料性能和几何因素等所确定的几何因素等所确定的抗力（结构抗力）抗力（结构抗力）或规定限值。或规定限值。问题问题：荷载大小、荷载工况、计算方法、材料强度、截面荷载大小、荷载工况、计算方法、材料强度、截面尺寸、施工质量等尺寸、施工质量等因素均为随机变量（或随机过程）不确因素均为随机变量（或随机

2、过程）不确定，导致定，导致作用效应作用效应与与结构抗力结构抗力均为随机变量，不可能保证均为随机变量，不可能保证百分之百保证结构效应小于抗力或规定限值，只能作一定百分之百保证结构效应小于抗力或规定限值，只能作一定的概率保证。的概率保证。式中式中 结构在结构在标标准荷准荷载下构载下构件截件截面所计算面所计算的应力；的应力；钢材的容许应力钢材的容许应力,=fk/k；fk材料标准强度材料标准强度；k大于大于1的安全系的安全系数（数（经验取值经验取值）。）。(1-1)1 1、容许应力方法（建国初、容许应力方法（建国初 19571957年）年）2 2、半概率法（、半概率法（19571957年年198819

3、88年）年）式中式中 K1 荷载系数；荷载系数；K2 材料系数材料系数;K3 调整系数；调整系数；fyk 钢材的屈服强度标准值；钢材的屈服强度标准值；钢材容许应力。钢材容许应力。(1-2)3 3、极限状态设计法（、极限状态设计法（19881988年发展中）年发展中）概率极限状态设计方法概率极限状态设计方法结构可靠度研究由结构可靠度研究由经验为基础的定性分析经验为基础的定性分析阶阶段推进以段推进以概率概率论和数理统计为基础的定量分析论和数理统计为基础的定量分析阶段阶段近似近似概率设计法概率设计法 （分析中忽略和简化了基本变量随（分析中忽略和简化了基本变量随时间时间变化的关系，并且进行了变化的关系

4、，并且进行了线性化线性化简化计算简化计算 ）二、钢结构极限状态和概率极限状态法1 1、极限状态、极限状态实质上是结构可靠与不可靠的界限，故也可称为实质上是结构可靠与不可靠的界限，故也可称为“界限状态界限状态”。极极限限状状态态：当当结结构构或或其其组组成成部部分分超超过过某某一一特特定定状状态态就就不不能能满满足足设设计计规规定定的的某某一一功功能能要要求求时时，此此特特定状态称为该功能的极限状态。定状态称为该功能的极限状态。包括：强度破坏、疲劳破坏、包括：强度破坏、疲劳破坏、不适于继续承载的变形、失稳不适于继续承载的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。、倾覆、变为机动体系等状态。a)a)承

5、载能力极限状态承载能力极限状态包包括括：影影响响正正常常使使用用或或影影响响外外观观的的变变形形、影影响响正正常常使使用用的的振振动动、影影响响正正常常使使用用的的或或耐耐久久性性的局部破坏等状态。的局部破坏等状态。b)b)正常使用极限状态正常使用极限状态二、钢结构极限状态和概率极限状态法 2 2、两类两类极限状态极限状态 （1 1）承载能力极限状态）承载能力极限状态 （2 2）正常使用极限状态）正常使用极限状态3 3、功能函数和极限状态方程、功能函数和极限状态方程 结构的可靠性能可用结构的结构的可靠性能可用结构的“功能函数功能函数”来描述，一般情况：来描述，一般情况：Zg（x1，x2，xn）

6、（1-3）式中式中 g（）结构的功能函数；结构的功能函数；xi(i1,2,n)影响结影响结构可靠性的构可靠性的各物理量。各物理量。为为简化，将各因素概括为两个综合随机变量简化，将各因素概括为两个综合随机变量结构抗力结构抗力R和和作用效作用效应应S，则式（，则式（1-31-3）可写成：）可写成：Zg（R，S）RS （1-4）3 3、功能函数和极限状态方程、功能函数和极限状态方程作用效应作用效应S S：取决于各种荷载和作用（恒载、活载、风、取决于各种荷载和作用（恒载、活载、风、地震作用、温度变化等）地震作用、温度变化等）结构抗力结构抗力R R：取决于材料、构件的几何特性等。取决于材料、构件的几何特

7、性等。3 3、功能函数和极限状态方程、功能函数和极限状态方程 由于由于R R和和S S都是随机变量，其函数都是随机变量，其函数Z Z也是一个随机变量。也是一个随机变量。功能函数功能函数Z Z存在三种可能状态：存在三种可能状态：（1-5）4 4、结构的可靠度和失效概率、结构的可靠度和失效概率可靠度：可靠度：指指结构在规定的时间内结构在规定的时间内、在规定、在规定的条件下，完成预定功能的的条件下，完成预定功能的概率概率由由于事件于事件Z0与事件与事件Z0是对立事件，所以结构是对立事件，所以结构的可靠度与结构的失效概率满足的可靠度与结构的失效概率满足:PsPZ0 （1-6）PfPZ0 （1-7）Ps

8、Pf1 或 Ps1-Pf若以若以Ps表示结构的可靠度，表示结构的可靠度，则：则：若以若以Pf表示结构的表示结构的失效概率失效概率，则：则：（1-8）4 4、结构的可靠度和失效概率、结构的可靠度和失效概率fz z(Z)Pf fz z图图1 1 Z的概率密度曲线的概率密度曲线Z=R-S z（1-9）Z Z的的概率密度概率密度f fZ Z（Z Z）曲线）曲线：正态分布正态分布概率密度曲线中概率密度曲线中Z Z的的平均平均值值和和标准差标准差存在下述关系：存在下述关系：可靠指标可靠指标 因因Z的分布很难得出，因此的分布很难得出，因此 Pf 实际上实际上很难求出，这使概率设很难求出，这使概率设计法一直不

9、能付诸实用。计法一直不能付诸实用。20世纪世纪60年代末期，美国学者康奈尔提出系统的年代末期，美国学者康奈尔提出系统的一次二阶矩设一次二阶矩设计方法计方法，才使得概率设计法进入实用阶段。，才使得概率设计法进入实用阶段。一次二阶矩法不直接计算一次二阶矩法不直接计算Pf，通过，通过可靠指标可靠指标度量。度量。可靠指标可靠指标（1-101-10）式中式中:()标准正态函数；标准正态函数；-1-1()标准正态函数的反函数。标准正态函数的反函数。由于由于Z Z 服从服从标准正态分布时，标准正态分布时，与与Pf的关系为：的关系为：（1-111-11）（1-121-12）可靠指标可靠指标与失效概率与失效概率

10、Pf 间存在着间存在着一一对应关系一一对应关系，即，即:可靠指标可靠指标不同结构构件承载能力极限状态的可靠指标不同结构构件承载能力极限状态的可靠指标1.4 钢结构的设计表达式结构的可靠度用可靠度指标来度量，并以分项系数结构的可靠度用可靠度指标来度量，并以分项系数的形式的形式来表达来表达。为了便于应用，规范并不直接使用为了便于应用，规范并不直接使用进行设计，而是进行设计，而是采用以概率理论为基础的极限状态设计方法采用以概率理论为基础的极限状态设计方法(疲劳问疲劳问题除外题除外)，用，用分项系数分项系数的表达式进行计算；的表达式进行计算；我国规范分别按我国规范分别按承载能力承载能力和和正常使用正常

11、使用极限状态设计极限状态设计给出表达式。给出表达式。(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可变荷载效应起控制作用时：可变荷载效应起控制作用时：永久荷载效应起控制作用时：永久荷载效应起控制作用时：对于一般排架和框架结构：对于一般排架和框架结构：f 钢材或连接材料强度设计值钢材或连接材料强度设计值;fk 钢材或连接材料强度标准值钢材或连接材料强度标准值;R钢材或连接材料抗力分项系数，钢材或连接材料抗力分项系数，对于对于Q235钢钢,R R=1.087;=1.087;对于对于Q345、Q390、Q420钢钢,R R=1.111=1.111。钢钢结结构构规规范范给给出

12、出了了各各类类钢钢材材和和连连接接的的强度设计值。强度设计值。式中：式中：（1-131-13）（1-141-14）（1-151-15）（1-161-16）（1 1）永久荷载分项系数）永久荷载分项系数g gG当其效应对结构不利时当其效应对结构不利时 对对可变荷载效应控制的组合，应取可变荷载效应控制的组合，应取1.2 对对永久荷载效应控制的组合，应取永久荷载效应控制的组合，应取1.35当其效应对结构有利时当其效应对结构有利时 一般一般情况下应取情况下应取1.0 对对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。一般一般情况下应取情况下应取1.4；对对标准值大于标准值大于4

13、kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载，标准值应取的工业房屋楼面结构的活荷载，标准值应取1.3。（2 2）可变荷载的分项系数）可变荷载的分项系数g gQQ1 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2 2、正常使用极限、正常使用极限状态分项系数表达式状态分项系数表达式 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、频遇组合和准永久组合进行设计，并使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变形等设计值不超过相应的规定限值。对于对于钢结构钢结构只考虑荷载的只考虑荷载的标准组合标准组合。式中：式中

14、：Gk 永久荷载永久荷载标准值标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起控制作用的第起控制作用的第1个可变荷载的个可变荷载的标准值标准值在结构或结构构件中产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）；生的变形值（该值使计算结果为最大）；Qik 其他第其他第i个可变荷载个可变荷载标准值标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；结构或结构构件的变形结构或结构构件的变形容许值容许值。（1-171-17）小结小结钢结构设计方法钢结构设计方法容许应力法容许应力法概率极限状态概率极限状态设计法设计法半概率半概率极限状极限状态态设计方法设计方法近似

15、概率极限近似概率极限状态设计方法状态设计方法现行钢结构规范现行钢结构规范中即采用该方法中即采用该方法全概率全概率极限状极限状态态设计方法设计方法钢结构的设计表达式以概率论钢结构的设计表达式以概率论为基础，将结构的可靠度用可为基础，将结构的可靠度用可靠度指标来衡量，并以分项系靠度指标来衡量，并以分项系数的形式考虑。我国规范分别数的形式考虑。我国规范分别按按承载能力承载能力和和正常使用正常使用极限状极限状态给出表达式。态给出表达式。(1、可变荷载、可变荷载效应起控制作用时：效应起控制作用时：2、永久荷载、永久荷载效应起控制作用时：效应起控制作用时：3、对于、对于一般排架和框架结构：一般排架和框架结构：按承载能力极限状态分项系数表达式按承载能力极限状态分项系数表达式按正常使用极限状态分项系数表达式按正常使用极限状态分项系数表达式THANK YOU谢谢！