鋼結(jié)構(gòu)基本理論第一章 緒論

1、 鋼結(jié)構(gòu)基本理論第一章 緒論1.1 1.1 概述概述1.2 1.2 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1.3 1.3 鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展1.4 1.4 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法1.1 1.1 概述概述n1、什么是“鋼結(jié)構(gòu)”？n定義：鋼結(jié)構(gòu)是鋼材經(jīng)過設(shè)計(jì)、制作和安裝而形成的工程結(jié)構(gòu)形式。n2、鋼結(jié)構(gòu)與其它結(jié)構(gòu)有何異同？n鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 砌體結(jié)構(gòu) 木結(jié)構(gòu)n3、鋼結(jié)構(gòu)課與其它專業(yè)課之間的關(guān)系n鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要: 理論基礎(chǔ)+工程經(jīng)驗(yàn)n設(shè)計(jì)過程：整體結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)力學(xué)為基礎(chǔ)n單個(gè)構(gòu)件分析材料力學(xué)為基礎(chǔ)n連接與構(gòu)造分析結(jié)合工程實(shí)際n施工圖紙與計(jì)算書1.2 1.2 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)n（2

2、）鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量輕；n質(zhì)強(qiáng)比：a=容重/強(qiáng)度, a越小，結(jié)構(gòu)相對越輕。鋼材：a=1.73.710-4/m；木材：a=5.410-4/m； 鋼砼：a= 1810-4/m；n質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)：自重輕可承擔(dān)更多的外荷載；可減輕基礎(chǔ)負(fù)荷，降低地基基礎(chǔ)成本；方便運(yùn)輸與吊裝；n與其它結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)：與其它結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)：n（1 1）建筑鋼材強(qiáng)度高，塑性、韌性好；）建筑鋼材強(qiáng)度高，塑性、韌性好；n強(qiáng)度：材料抗破壞能力的大小度量；強(qiáng)度：材料抗破壞能力的大小度量；n塑性：材料變形性能的重要指標(biāo)；塑性：材料變形性能的重要指標(biāo)；n韌性：材料抗沖擊破壞及抗疲勞能力的指標(biāo)；韌性：材料抗沖擊破壞及抗疲勞

3、能力的指標(biāo)；要求：要求：理解強(qiáng)度、塑性、韌性的概念，以及其對結(jié)構(gòu)理解強(qiáng)度、塑性、韌性的概念，以及其對結(jié)構(gòu)性能的影響；性能的影響；1.2 1.2 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1.2 1.2 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)n（3）材質(zhì)均勻，與力學(xué)計(jì)算的假定較相符；n材質(zhì)均勻，接近各向同性，具有良好的塑性性能，接近理想彈塑性體；n與力學(xué)計(jì)算時(shí)對材料的假定比較相符，理論分析的結(jié)果可適用于工程實(shí)踐；力學(xué)的理論研究成果可用于工程實(shí)踐設(shè)計(jì)；n提示：工程力學(xué)中的相關(guān)理論，可直接應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)，或進(jìn)行簡單修正后應(yīng)用，1.2 1.2 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)n（4 4）制作簡單，施工周期短，機(jī)械化程度及自動(dòng)化程度高

4、。）制作簡單，施工周期短，機(jī)械化程度及自動(dòng)化程度高。n鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般工廠里制作，精度高，準(zhǔn)確度好，不受外鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般工廠里制作，精度高，準(zhǔn)確度好，不受外部環(huán)境影響；采用機(jī)械化加工，自動(dòng)控制，節(jié)約人工成本；部環(huán)境影響；采用機(jī)械化加工，自動(dòng)控制，節(jié)約人工成本；n現(xiàn)場采用拼接安裝，施工速度快，周期短；現(xiàn)場采用拼接安裝，施工速度快，周期短；n施工現(xiàn)場作業(yè)少，便于質(zhì)量控制及安全保障；施工現(xiàn)場作業(yè)少，便于質(zhì)量控制及安全保障；n注意：注意：隨著我國人力成本的提高，鋼結(jié)構(gòu)的總體成本隨著我國人力成本的提高，鋼結(jié)構(gòu)的總體成本與現(xiàn)與現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)相比，差距在減小。行混凝土結(jié)構(gòu)相比，差距在減小。1.2 1.2 鋼結(jié)

5、構(gòu)的特點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)n（5 5）鋼結(jié)構(gòu)密閉性好；）鋼結(jié)構(gòu)密閉性好；n材質(zhì)致密，有良好的水密性和氣密性，適用于板殼結(jié)材質(zhì)致密，有良好的水密性和氣密性，適用于板殼結(jié)構(gòu)、管道結(jié)構(gòu)及壓力容器如油庫、氣柜等。構(gòu)、管道結(jié)構(gòu)及壓力容器如油庫、氣柜等。n原因：原因：采用焊接技術(shù)，形成密閉結(jié)構(gòu)；采用焊接技術(shù)，形成密閉結(jié)構(gòu)；n（6 6）采用螺栓連接的鋼結(jié)構(gòu)，方便裝、拆。）采用螺栓連接的鋼結(jié)構(gòu)，方便裝、拆。n活動(dòng)建筑、臨時(shí)建筑采用鋼結(jié)構(gòu)，便于安裝與拆卸。活動(dòng)建筑、臨時(shí)建筑采用鋼結(jié)構(gòu)，便于安裝與拆卸。n原因：原因：采用螺栓連接技術(shù)，易于裝卸；采用螺栓連接技術(shù)，易于裝卸；1.2 1.2 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（7 7

6、）綠色環(huán)保，材料回收可循環(huán)使用；）綠色環(huán)保，材料回收可循環(huán)使用；n鋼結(jié)構(gòu)達(dá)到使用期限后，材料可回收利用，是綠色環(huán)鋼結(jié)構(gòu)達(dá)到使用期限后，材料可回收利用，是綠色環(huán)保的材料。保的材料。n對環(huán)境的影響小，基本無污染；對環(huán)境的影響小，基本無污染；n治金技術(shù)的提高，降低了能耗。治金技術(shù)的提高，降低了能耗。1.2 1.2 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)n（8 8）鋼結(jié)構(gòu)耐腐蝕性差；）鋼結(jié)構(gòu)耐腐蝕性差；n鋼材生銹：自然潮濕環(huán)境下產(chǎn)生銹蝕；鋼材生銹：自然潮濕環(huán)境下產(chǎn)生銹蝕；n不耐酸不耐堿：不耐酸不耐堿：n正常使用時(shí)需采取必要的防護(hù)措施：正常使用時(shí)需采取必要的防護(hù)措施：n防護(hù)措施：刷漆、噴漆、鍍鋅、熱浸鋅等。防護(hù)措施：

7、刷漆、噴漆、鍍鋅、熱浸鋅等。n正常使用的維護(hù)費(fèi)用較高。正常使用的維護(hù)費(fèi)用較高。1.2 1.2 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)n（9 9）鋼材耐熱不耐火；）鋼材耐熱不耐火；n200200以內(nèi)時(shí)，材料性能基本不變，以內(nèi)時(shí)，材料性能基本不變， 200200以上時(shí)，材料性以上時(shí)，材料性能變化很大。能變化很大。n尤其是在高溫情況下，強(qiáng)度下降很快，發(fā)生軟化現(xiàn)象，承尤其是在高溫情況下，強(qiáng)度下降很快，發(fā)生軟化現(xiàn)象，承載力迅速降低。載力迅速降低。n隔熱措施：隔熱措施：鋼結(jié)構(gòu)表面受熱溫度不超過鋼結(jié)構(gòu)表面受熱溫度不超過150150時(shí)可不采取措時(shí)可不采取措施；超過施；超過150150時(shí)，需采取隔熱措施；時(shí)，需采取隔熱措施；

8、n防火措施：防火措施：鋼結(jié)構(gòu)對防火要求較高，根據(jù)實(shí)際防火要求，鋼結(jié)構(gòu)對防火要求較高，根據(jù)實(shí)際防火要求，采取合理的防火措施。采取合理的防火措施。1.2 1.2 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)n（10）鋼結(jié)構(gòu)可能發(fā)生脆性破壞和失穩(wěn)現(xiàn)象；鋼結(jié)構(gòu)可能發(fā)生脆性破壞和失穩(wěn)現(xiàn)象；n脆性破壞脆性破壞：與塑性破壞相對，破壞前無明顯征兆，比較突：與塑性破壞相對，破壞前無明顯征兆，比較突然，危害大。然，危害大。 問題：問題：塑性好的鋼材為什么會(huì)產(chǎn)生脆性破壞？塑性好的鋼材為什么會(huì)產(chǎn)生脆性破壞？n喪失穩(wěn)定喪失穩(wěn)定：鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題比較突出，而結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的：鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題比較突出，而結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的失穩(wěn)往往產(chǎn)生較為嚴(yán)重的后果，需

9、特別注意。失穩(wěn)往往產(chǎn)生較為嚴(yán)重的后果，需特別注意。n相關(guān)內(nèi)容在后續(xù)學(xué)習(xí)中大家需特別注意。相關(guān)內(nèi)容在后續(xù)學(xué)習(xí)中大家需特別注意。1.2 1.2 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)n總結(jié)：了解鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)的意義總結(jié)：了解鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)的意義n學(xué)習(xí)過程中，注重特點(diǎn)的具體體現(xiàn)，以便更好地掌握相關(guān)學(xué)習(xí)過程中，注重特點(diǎn)的具體體現(xiàn)，以便更好地掌握相關(guān)專業(yè)知識(shí)，提高對鋼結(jié)構(gòu)基本理論知識(shí)的理解和應(yīng)用能力。專業(yè)知識(shí)，提高對鋼結(jié)構(gòu)基本理論知識(shí)的理解和應(yīng)用能力。n在今后的應(yīng)用中，應(yīng)做到以下幾個(gè)方面：在今后的應(yīng)用中，應(yīng)做到以下幾個(gè)方面：n正確選擇，合理使用；正確選擇，合理使用；n精心設(shè)計(jì)，揚(yáng)長避短；精心設(shè)計(jì)，揚(yáng)長避短；n精心施工，確

10、保安全；精心施工，確保安全；n注重維護(hù)，經(jīng)濟(jì)耐久；注重維護(hù)，經(jīng)濟(jì)耐久；1.3 1.3 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用與發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用與發(fā)展n鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用：鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用：n（1 1）大跨建筑結(jié)構(gòu)）大跨建筑結(jié)構(gòu)n大會(huì)堂、紀(jì)念館等建筑；大會(huì)堂、紀(jì)念館等建筑；n體育場、體育館等建筑；體育場、體育館等建筑；n展覽館、會(huì)展中心等；展覽館、會(huì)展中心等；n飛機(jī)場、火車站等交通樞紐及橋梁工程；飛機(jī)場、火車站等交通樞紐及橋梁工程；n倉庫、煤棚、飛機(jī)裝配車間、飛機(jī)庫等；倉庫、煤棚、飛機(jī)裝配車間、飛機(jī)庫等；n結(jié)構(gòu)體系：結(jié)構(gòu)體系：網(wǎng)架、網(wǎng)殼、懸索、拱、張拉體系及網(wǎng)架、網(wǎng)殼、懸索、拱、張拉體系及組合結(jié)構(gòu)體組合結(jié)構(gòu)體系等。系等。1.3 1.3

11、 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用與發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用與發(fā)展n（2 2）工業(yè)廠房）工業(yè)廠房n較大起重設(shè)施的重型廠房；（重載）較大起重設(shè)施的重型廠房；（重載）n承受動(dòng)力荷載作用的廠房；（動(dòng)力荷載）承受動(dòng)力荷載作用的廠房；（動(dòng)力荷載）n生產(chǎn)工藝及設(shè)備要求大空間的結(jié)構(gòu)體系；生產(chǎn)工藝及設(shè)備要求大空間的結(jié)構(gòu)體系；n結(jié)構(gòu)體系：框架結(jié)構(gòu)、排架結(jié)構(gòu)、門式剛架。結(jié)構(gòu)體系：框架結(jié)構(gòu)、排架結(jié)構(gòu)、門式剛架。n注意：注意：目前鋼結(jié)構(gòu)廠房廣泛采用的輕鋼門式剛架結(jié)構(gòu)，其與目前鋼結(jié)構(gòu)廠房廣泛采用的輕鋼門式剛架結(jié)構(gòu)，其與傳統(tǒng)重型鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)體系有較大區(qū)別；傳統(tǒng)重型鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)體系有較大區(qū)別；1.3 1.3 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用與發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用與發(fā)展n（3

12、 3）多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)）多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)n多層鋼結(jié)構(gòu)多層鋼結(jié)構(gòu)n高層鋼結(jié)構(gòu)高層鋼結(jié)構(gòu)n超高層鋼結(jié)構(gòu)超高層鋼結(jié)構(gòu)n常用結(jié)構(gòu)體系：常用結(jié)構(gòu)體系：n框架、框架剪力墻、框架支撐結(jié)構(gòu)、框筒、巨型桁架等?？蚣?、框架剪力墻、框架支撐結(jié)構(gòu)、框筒、巨型桁架等。1.3 1.3 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用與發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用與發(fā)展n（4 4）高聳結(jié)構(gòu)）高聳結(jié)構(gòu)n桅桿桅桿n電視塔電視塔n煙囪煙囪n輸電線塔、微波發(fā)射塔輸電線塔、微波發(fā)射塔n特種結(jié)構(gòu)特種結(jié)構(gòu)n此類結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：自重輕、抗風(fēng)、抗震要求高。此類結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：自重輕、抗風(fēng)、抗震要求高。1.3 1.3 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用與發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用與發(fā)展n（5 5）密閉結(jié)構(gòu)。）密閉結(jié)構(gòu)。n高壓容器高壓容器n煤

13、氣柜煤氣柜n貯油罐貯油罐n輸油管、輸水管等輸油管、輸水管等1.3 1.3 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用與發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用與發(fā)展n（6 6）可拆卸、可移動(dòng)結(jié)構(gòu)）可拆卸、可移動(dòng)結(jié)構(gòu)n起重運(yùn)輸設(shè)備起重運(yùn)輸設(shè)備n鉆井平臺(tái)鉆井平臺(tái)n采油井采油井n臨時(shí)建筑臨時(shí)建筑1.3 1.3 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用與發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用與發(fā)展n（7 7）其它行業(yè)中用到的鋼結(jié)構(gòu)）其它行業(yè)中用到的鋼結(jié)構(gòu)n交通運(yùn)輸業(yè)中的大跨橋梁結(jié)構(gòu)交通運(yùn)輸業(yè)中的大跨橋梁結(jié)構(gòu)n水工結(jié)構(gòu)中的閘門水工結(jié)構(gòu)中的閘門n工業(yè)設(shè)備的支架（鍋爐支架）工業(yè)設(shè)備的支架（鍋爐支架）n航空發(fā)射塔航空發(fā)射塔n天文望遠(yuǎn)鏡天文望遠(yuǎn)鏡n娛樂設(shè)施（倫敦眼、過山車等）娛樂設(shè)施（倫敦眼、過山車等）1.3 1.3 鋼

14、結(jié)構(gòu)應(yīng)用與發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用與發(fā)展n鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展：n（1 1）新材料：不銹鋼，耐候鋼，高強(qiáng)鋼；）新材料：不銹鋼，耐候鋼，高強(qiáng)鋼；n5050年代：年代：a3a3鋼（鋼（16q16q）：）：235mpa235mpa；n6060年代：年代：16mn16mn（16mnq16mnq）：）：345mpa345mpa；n7070年代：年代：15mnv15mnv：390mpa390mpa；n改革開放以來：改革開放以來：15mnvnq15mnvnq：450mpa450mpa；ngb50017-2003:q235,q345,q390,q420gb50017-2003:q235,q345,q390,q4201.3 1.

15、3 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用與發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用與發(fā)展n（2 2）規(guī)范）規(guī)范( (程程) )和設(shè)計(jì)理論的不斷完善和設(shè)計(jì)理論的不斷完善n1)1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)n1 1、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（gb 50017-2003gb 50017-2003）；）；n2 2、冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)術(shù)規(guī)范（、冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)術(shù)規(guī)范（gb 50018-2003gb 50018-2003）；）；n3 3、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程（、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程（jcj7-91jcj7-91）；）；n4 4、門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（、門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（cecs 102:2003cecs 102:2003）；）；n5

16、 5、型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（、型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（jgj 138-2001jgj 138-2001）；）；n6 6、鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程（、鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程（dl/t 5058-1999dl/t 5058-1999）；）；n2)2)施工驗(yàn)收施工驗(yàn)收n1 1、鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范（、鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范（gb 50205-2001gb 50205-2001）；）；n2 2、建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接與驗(yàn)收規(guī)程（、建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接與驗(yàn)收規(guī)程（jgj 81-91jgj 81-91）；）；n3 3、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工規(guī)程（、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工規(guī)程（9082-979082-97）1.3

17、1.3 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用與發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用與發(fā)展n（3 3）新體系、新理論：組合結(jié)構(gòu)，輕鋼，索膜；）新體系、新理論：組合結(jié)構(gòu)，輕鋼，索膜；n鋼鋼- -混凝土組合結(jié)構(gòu)：混凝土組合結(jié)構(gòu)：n組合梁：組合梁： 簡支、連續(xù)、剛接、組合扁梁簡支、連續(xù)、剛接、組合扁梁n組合柱：組合柱： 鋼管混凝土柱、勁性鋼管混凝土柱、勁性( (鋼骨鋼骨) )混凝土柱混凝土柱n組合樓板：壓型鋼板組合梁、疊合板組合梁、現(xiàn)澆組合梁組合樓板：壓型鋼板組合梁、疊合板組合梁、現(xiàn)澆組合梁n（4 4）建筑結(jié)構(gòu)一體化：新穎結(jié)構(gòu)形式表現(xiàn)建筑。）建筑結(jié)構(gòu)一體化：新穎結(jié)構(gòu)形式表現(xiàn)建筑。1.4 1.4 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算方法經(jīng)歷四階

18、段鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算方法經(jīng)歷四階段n上世紀(jì)初到上世紀(jì)初到5050年代年代：總安全系數(shù)的容許應(yīng)力法總安全系數(shù)的容許應(yīng)力法（5454規(guī)范）規(guī)范）n5050年代中期到年代中期到7070年代中期：年代中期：基于三系數(shù)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法基于三系數(shù)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法（前蘇聯(lián)（前蘇聯(lián)5555版規(guī)范）版規(guī)范）n7070年代中期到年代中期到8080年代末期：基于極限狀態(tài)、多系數(shù)分析的單年代末期：基于極限狀態(tài)、多系數(shù)分析的單一安全系數(shù)考慮調(diào)整系數(shù)的新一安全系數(shù)考慮調(diào)整系數(shù)的新容許應(yīng)力法容許應(yīng)力法（7474規(guī)范）規(guī)范）n8080年代末期到現(xiàn)在：二階矩法。年代末期到現(xiàn)在：二階矩法。以概率論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)以概率論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)

19、設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)方法，并以分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算。（，并以分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算。（8888規(guī)范、規(guī)范、20032003規(guī)范）規(guī)范）1.4 1.4 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法一、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的演變一、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的演變1.1.容許應(yīng)力方法容許應(yīng)力方法 從從2020世紀(jì)初到世紀(jì)初到2020世紀(jì)世紀(jì)5o5o年代，鋼結(jié)構(gòu)采用安全系數(shù)法設(shè)計(jì)，即年代，鋼結(jié)構(gòu)采用安全系數(shù)法設(shè)計(jì)，即: :nn-n-構(gòu)件截面的內(nèi)力；構(gòu)件截面的內(nèi)力；a-a-構(gòu)件截面幾何特征；構(gòu)件截面幾何特征；nf-f-鋼材的最大強(qiáng)度；鋼材的最大強(qiáng)度；k-k-大于大于1 1的安全系數(shù)；的安全系數(shù)；n-鋼材的容許應(yīng)力。鋼材的容許應(yīng)力

20、。) 11 (kfan1.4 1.4 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法n2.概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法n(1) 極限狀態(tài)：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(jì)規(guī)定的某一功能要求時(shí)，此特定狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)。n(2) 極限狀態(tài)分為兩類：na.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(dòng)體系等。nb.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(dòng)、影響正常使用的或耐久性的局部破壞等。1.4 1.4 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法(3) (3) 根據(jù)應(yīng)用概率分析的程度不同，可分為三種水準(zhǔn)：根據(jù)應(yīng)用概率分析的程度不同，可分為三種水

21、準(zhǔn)： 半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法; ; 近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法; ; 全概率設(shè)計(jì)方法全概率設(shè)計(jì)方法。 a. a. 半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法; ; 1). 1).三系數(shù)法三系數(shù)法（當(dāng)時(shí)稱為（當(dāng)時(shí)稱為計(jì)算極限狀態(tài)法計(jì)算極限狀態(tài)法） 19571957年至年至19731973年我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用半概率的分項(xiàng)系數(shù)法年我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用半概率的分項(xiàng)系數(shù)法, ,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入三個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入三個(gè)分項(xiàng)系數(shù)，即分項(xiàng)系數(shù)，即: : 荷載分項(xiàng)系數(shù)荷載分項(xiàng)系數(shù)-考慮荷載的不定性考慮荷載的不定性; ; 材料分項(xiàng)系數(shù)材料分項(xiàng)系數(shù)-考慮材料的不均性考慮材料的

22、不均性; ; 工作條件系數(shù)工作條件系數(shù)-考慮結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的工作特點(diǎn)以及某些假定的計(jì)算簡圖與實(shí)際情況考慮結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的工作特點(diǎn)以及某些假定的計(jì)算簡圖與實(shí)際情況不完全相符等因素。不完全相符等因素。1.4 1.4 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法n2) 2) 半經(jīng)驗(yàn)半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法半經(jīng)驗(yàn)半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法( (容許應(yīng)力法）容許應(yīng)力法）n n n-n-構(gòu)件截面的內(nèi)力；構(gòu)件截面的內(nèi)力；n a-a-構(gòu)件截面幾何特征；構(gòu)件截面幾何特征；n k1-k1-荷載系數(shù)；荷載系數(shù)；n k2-k2-材料系數(shù)材料系數(shù); ;n k3- k3-調(diào)整系數(shù)；調(diào)整系數(shù)；n fyk-fyk-鋼材的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；鋼材的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)

23、值；n -鋼材容許應(yīng)力鋼材容許應(yīng)力)21 (321?kfkkkfanykyk1.4 1.4 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法b b、近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法、近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 （現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(gb50017(gb500172003)2003)采用的方法。）采用的方法。） 結(jié)構(gòu)的工作性能可用結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的工作性能可用結(jié)構(gòu)的“功能函數(shù)功能函數(shù)”來描述：來描述： z zg g（x x1 1，x x2 2，x xn n） （1 1 3 3） 式中：式中： g g（）-結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)；結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)； x xi i(i(i1 1，2,2,n)-,n)-影響結(jié)構(gòu)可靠性的各物理量

24、。影響結(jié)構(gòu)可靠性的各物理量。 1.4 1.4 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法n將各因素概括為兩個(gè)綜合隨機(jī)變量將各因素概括為兩個(gè)綜合隨機(jī)變量-結(jié)構(gòu)的抗力結(jié)構(gòu)的抗力r r、n作用效應(yīng)作用效應(yīng)s s，則公式（，則公式（1-31-3）可以寫成：）可以寫成：n z zg g（r r，s s）r rs s （1-41-4）n在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中，可能出現(xiàn)下列三種情況：在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中，可能出現(xiàn)下列三種情況：n z z0 0表示結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；表示結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；n z z0 0表示結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)表示結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)n z z0 0表示結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)；表示結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)；n判斷結(jié)構(gòu)是否可靠，要看結(jié)構(gòu)

25、是否達(dá)到極限狀態(tài)，判斷結(jié)構(gòu)是否可靠，要看結(jié)構(gòu)是否達(dá)到極限狀態(tài)，n為此，通常將下式：為此，通常將下式：n z zg(rg(r，s)s)r rs s0 (1-5)0 (1-5)n稱為極限狀態(tài)方程。稱為極限狀態(tài)方程。 1.4 1.4 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)能完成預(yù)定功能的概率結(jié)構(gòu)能完成預(yù)定功能的概率( (可靠度可靠度) )用用p ps s表示，則：表示，則：p ps spz0 pz0 （1-61-6）結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定功能的概率結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定功能的概率( (失效概率失效概率) )用用p pf f表示，則：表示，則：p pf fpz0pz0 （1-71-7）由于事件由于事件z0z0與事件

26、與事件zz0 0是對立事件，所以結(jié)是對立事件，所以結(jié)構(gòu)的可靠度與結(jié)構(gòu)的失效概率滿足構(gòu)的可靠度與結(jié)構(gòu)的失效概率滿足: : p ps s p pf f 1 1 或或 p ps s1- p1- pf f （1-81-8） 因?yàn)橐驗(yàn)閞 r和和s s都是隨機(jī)變量，且假定都服從正態(tài)分布，由都是隨機(jī)變量，且假定都服從正態(tài)分布，由 概率論原理知功能函數(shù)概率論原理知功能函數(shù) z=r-s z=r-s 也服從正態(tài)分布也服從正態(tài)分布, ,則則: :)91()()0(0dzzfzppff(z)f(z)p pf fz zz z 的概率密度曲線的概率密度曲線z=r-sz=r-s z)111()101(22 srzsrz 令

27、：令：z z、r r、s s的平均值分別為的平均值分別為 z z、r r、s s，標(biāo)準(zhǔn)差分，標(biāo)準(zhǔn)差分 別為別為z z、r r、s s，則，則: : 因因z z0 0，故：，故： f(z)f(z)z zz z 的概率密度曲線的概率密度曲線p pf fzz=r-sz=r-s)121(00zzzzfzffzpzpzp)151()()141()1(1 ffppzzz 因因 服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，故上式又可寫成服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，故上式又可寫成：式中式中: : ()-)-標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)函數(shù)；標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)函數(shù)；-1-1( ()-)-標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)函數(shù) 的反函數(shù)的反函數(shù)。)131(0 zzffzzzpzp則則：令令：

28、n從圖中可以看出從圖中可以看出與失效概率與失效概率p pf f 間存在著一一對應(yīng)關(guān)系間存在著一一對應(yīng)關(guān)系, ,即即: : 1). 1).減小時(shí)，陰影部分減小時(shí)，陰影部分 的面積增大，即失效概的面積增大，即失效概 率率p pf f增大；增大； 2).2).增大時(shí)，陰影部分增大時(shí)，陰影部分 的面積減少，亦即失效的面積減少，亦即失效 概率概率p pf f減小。減小。n說明說明可以作為衡量結(jié)構(gòu)可靠度可以作為衡量結(jié)構(gòu)可靠度n的一個(gè)數(shù)量指標(biāo)。的一個(gè)數(shù)量指標(biāo)?？煽慷戎笜?biāo)可靠度指標(biāo)f(z)f(z)z zz z 的概率密度曲線的概率密度曲線p pf fzz=r-sz=r-sfp 標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布時(shí)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布時(shí) 與

29、與 的對應(yīng)值的對應(yīng)值 pf4.04.03.17x103.17x10-5-53.73.71.08x101.08x10-4-43.23.26.87x106.87x10-4-41.35x101.35x10-3-33.03.0 的計(jì)算的計(jì)算: :將式將式(1-10)(1-10)、(1-11)(1-11)代入代入的定義的定義式得：式得：)161(22 srsrrz 1.4 1.4 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法c.c.全概率設(shè)計(jì)法全概率設(shè)計(jì)法 對結(jié)構(gòu)的各種基本變量均采用隨機(jī)變量或隨機(jī)過程來描述，對結(jié)對結(jié)構(gòu)的各種基本變量均采用隨機(jī)變量或隨機(jī)過程來描述，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的概率分析，求得結(jié)構(gòu)最優(yōu)失效概率作為結(jié)

30、構(gòu)可靠度的直構(gòu)進(jìn)行精確的概率分析，求得結(jié)構(gòu)最優(yōu)失效概率作為結(jié)構(gòu)可靠度的直接度量。接度量。三、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表達(dá)式三、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表達(dá)式 a. a. 采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法( (疲勞問題除外疲勞問題除外) )，用，用分項(xiàng)系數(shù)的表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算；分項(xiàng)系數(shù)的表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算； b. b. 結(jié)構(gòu)的可靠度用可靠度指標(biāo)來度量，并以分項(xiàng)系數(shù)的形式考慮。結(jié)構(gòu)的可靠度用可靠度指標(biāo)來度量，并以分項(xiàng)系數(shù)的形式考慮。1.4 1.4 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法（一）按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)一）按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì) 應(yīng)考慮荷載效應(yīng)的基本組合或偶然組合進(jìn)行荷應(yīng)考慮荷載效應(yīng)的

31、基本組合或偶然組合進(jìn)行荷 載（效應(yīng)）組合，采用下列表達(dá)式設(shè)計(jì)：載（效應(yīng)）組合，采用下列表達(dá)式設(shè)計(jì)：式中：式中：o o-結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)； s -s -荷載效應(yīng)（組合）的設(shè)計(jì)值；荷載效應(yīng)（組合）的設(shè)計(jì)值； r -r -鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接材料抗力的設(shè)計(jì)值。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接材料抗力的設(shè)計(jì)值。)171 (0 rs荷載效應(yīng)組合如下：)181(211 ssssqikciqinikqqgkg 2.2.由永久荷載效應(yīng)控制的組合由永久荷載效應(yīng)控制的組合：)191(1sssqikciqinigkg3.3.荷載分項(xiàng)系數(shù)取值如下荷載分項(xiàng)系數(shù)取值如下：1.1.由可變荷載效應(yīng)控制的組合：由可變荷載效應(yīng)控制的組

32、合：1.4 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法1.4 1.4 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法（1 1）永久荷載分項(xiàng)系數(shù)）永久荷載分項(xiàng)系數(shù) 當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利時(shí)當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利時(shí) -對可變荷載效應(yīng)控制的組合，應(yīng)取對可變荷載效應(yīng)控制的組合，應(yīng)取1.2;1.2; - -對永久荷載效應(yīng)控制的組合，應(yīng)取對永久荷載效應(yīng)控制的組合，應(yīng)取1.35;1.35; 當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利時(shí)當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利時(shí) -一般情況下應(yīng)取一般情況下應(yīng)取1.01.0； -對結(jié)構(gòu)的傾覆、滑移或漂浮驗(yàn)算，應(yīng)取對結(jié)構(gòu)的傾覆、滑移或漂浮驗(yàn)算，應(yīng)取0.90.9。（2 2）可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)）可變荷載的分項(xiàng)系數(shù) -一般情況下應(yīng)取一般情況下應(yīng)取1.41.4； -對標(biāo)準(zhǔn)值大于對標(biāo)準(zhǔn)值大于4kn/m4kn/m2 2的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的