鋼結構設計方法

鋼結構設計方法第1頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四§3.1概述一、鋼結構設計方法的演變(一)容許應力方法是一種傳統(tǒng)的設計方法,從20世紀初到20世紀5O年代，鋼結構采用安全系數法設計，即:N--構件截面的內力；A--構件截面幾何特征；F--鋼材的最大強度；K--大于1的安全系數；[σ]--鋼材的容許應力。此種方法計算簡單方便，目前許多國家采用，我國鐵路和公路橋梁規(guī)范也采用此法，鋼結構疲勞驗算也用此法）(二)概論極限狀態(tài)設計方法第2頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四§3.2概率極限狀態(tài)設計方法一.極限狀態(tài)概念：當結構或其組成部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設計規(guī)定的某一功能要求時，此特定狀態(tài)稱為結構的極限狀態(tài)。二.極限狀態(tài)分為兩類：

2.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、影響正常使用的或耐久性的局部破壞等狀態(tài)。1.承載能力極限狀態(tài):包括：強度破壞、疲勞破壞、不適于繼續(xù)承載的變形、失穩(wěn)、傾覆、變?yōu)闄C動體系等狀態(tài)。

第3頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四三.概論極限狀態(tài)設計表達式

1.采用以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計方法(疲勞問題除外)，用分項系數的表達式進行計算；

2.結構的可靠度用可靠度指標來度量，并以分項系數的形式考慮；

3.鋼結構設計用應力表達。第4頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四（1）永久荷載分項系數

當其效應對結構不利時

--對可變荷載效應控制的組合，應取1.2;--對永久荷載效應控制的組合，應取1.35;

當其效應對結構有利時

--一般情況下應取1.0；

--對結構的傾覆、滑移或漂浮驗算，應取0.9。（2）可變荷載的分項系數

--一般情況下應取1.4；

--對標準值大于4kN/m2的工業(yè)房屋樓面結構的活荷載標準值應取1.3。4.荷載分項系數取值如下：第5頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四對于鋼結構這種單一材料，可以將荷載效應表達式用應力形式表示。1.可變荷載起控制作用時：2.永久荷載起控制作用時：（一）承載能力極限狀態(tài)設計表達式第6頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四(二)正常使用極限狀態(tài)1.對于正常使用極限狀態(tài)，要求分別采用荷載的標準組合、頻遇組合和準永久組合，并使變形等不超過相應的規(guī)定限值。νGk--永久荷載標準值在結構或結構構件中產生的變形值；νQ1k--第1個可變荷載的標準值在結構或結構構件中產生的變形值（該值使計算結果為最大）；第7頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四νQik--其他第i個可變荷載標準值在結構或構件中產生的變形值。[ν]--結構或結構構件的容許變形值。2.對于受壓、受拉構件，規(guī)范規(guī)定應限制其長細比，即:

λ≤[λ]式中：λ--受壓、受拉構件的計算長細比；[λ]--規(guī)范規(guī)定的受拉、受壓構件容許長細比，按規(guī)范采用。第8頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四一.明確幾個基本概念(一)循環(huán)(重復)荷載——結構或構件承受的隨時間變化的荷載。PP11A1-1A§2.3鋼材的疲勞第9頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四(二)應力循環(huán)(三)應力循環(huán)特征—應力比ρ----構件截面應力隨時間的變化。(四)應力幅----

在循環(huán)荷載作用下，應力從最大到最小重復一次為一次循環(huán)，最大應力與最小應力之差為應力幅:為常量1.常幅循環(huán)：為變量2.變幅循環(huán)：+σ-σt第10頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四(b)脈沖循環(huán)(a)完全對稱循環(huán)(c)不完全對稱循環(huán)(d)不完全對稱循環(huán)第11頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四二.鋼材的疲勞分類(一)按斷裂壽命和應力高低的不同1.高周疲勞:斷裂壽命較長,總應力幅小破壞前應力循環(huán)次數多,N>5×104

,斷裂應力水平低,σ＜fy,也稱低應力疲勞或疲勞，工程上常見;2.低周疲勞:斷裂壽命較短,破壞前應力循環(huán)次數少,N=102~5×104斷裂應力水平高，σ≥fy，伴有塑性應變發(fā)生，因此也稱為應變疲勞或高應力疲勞。第12頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四三.影響鋼材疲勞強度的主要因素(一)應力集中的影響1.以截面幾何形狀改變;2.鋼材的缺陷。

規(guī)范將構件和連接的種類分為8類，詳見鋼結構教材P25~P27表3-2。第13頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四實際應力循環(huán)均形成在拉應力范圍2.應力幅（Δσ）和應力循環(huán)特征（應力比ρ）應力幅對焊接結構的疲勞強度有很大影響，而與名義最大應力σmax和應力比ρ無關。完全對稱循環(huán)，其疲勞強度最低。第14頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四3.應力循環(huán)次數N（疲勞壽命）

是指在連續(xù)重復荷載作用下應力由最大到最小的循環(huán)次數。應力循環(huán)次數N<5×104，不需要進行疲勞計算。

應力幅越低，作用循環(huán)次數越多，疲勞壽命越高；應力幅相同，作用的循環(huán)次數越多，疲勞壽命越高。0NX105N1N2fy123456第15頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四

結論：

1.由試驗結果，以及上述分析可知鋼材的疲勞強度主要與構件和連接分類（內部缺陷、應力集中、殘余應力）、應力循環(huán)次數和應力幅有關。2.焊接部位的疲勞強度與鋼材的靜力強度(屈服點fy)基本無關。3.對于只有壓應力的應力循環(huán)作用，由于鋼材內部缺陷不易開展，則不會發(fā)生疲勞破壞，不必進行疲勞計算。第16頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四(六)疲勞強度計算

由于現階段對鋼材發(fā)生疲勞破壞尚處于進一步研究階段，按概率極限狀態(tài)計算疲勞強度還不成熟，故采用容許應力幅的計算方法。第17頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四§3.5鋼結構強度設計指標

P31~34第18頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第19頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第20頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第21頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第22頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四五.有關鋼結構的規(guī)范、規(guī)程及標準簡介第一層次：通用1.《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》GB500682.《建筑結構設計通用符號、計量單位和基本術語》GBJ83-853.《建筑結構制圖標準》GBJ105-87第二層次：通用4.《建筑結構荷載規(guī)范》GB50009第三層次：與設計有關的5.《鋼結構設計規(guī)范》GB500176.《冷彎薄壁型鋼結構設計規(guī)范》GB500187.《網架結構設計與施工規(guī)程》JGJ7-918.《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》JGJ99-989.《門式剛架輕型永恒鋼結構技術規(guī)程》CECS102:98第23頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四第四層次：與施工有關的10.《鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范》GB5020511.《鋼結構工程質量檢驗評定標準》GB50022112.《建筑鋼結構焊接技術規(guī)程》JGJ81-9113.《鋼結