鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法3.1概述3.2概率極限狀態(tài)設(shè)計法3.3概率極限狀態(tài)設(shè)計法的表達(dá)式3.4鋼材的疲勞和疲勞計算第三章鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法本章目錄第2頁,共29頁，2024年2月25日，星期天鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的：3.1概述使所建造的結(jié)構(gòu)能充分滿足各種預(yù)定的功能要求。3.1.1鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的技術(shù)先進(jìn)經(jīng)濟合理安全適量確保質(zhì)量第三章鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法第3頁,共29頁，2024年2月25日，星期天3.1.2結(jié)構(gòu)的功能要求安全性：正常施工和使用時，能承受荷載、地震、溫度變化（引起變形）等作用。并且在偶然事件后不至整體垮塌。適用性：耐久性：正常使用時，具有良好的工作性能。正常維護下有足夠的耐久性能。第三章鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法第4頁,共29頁，2024年2月25日，星期天3.1.3結(jié)構(gòu)的可靠性和可靠度結(jié)構(gòu)的可靠性：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間（設(shè)計使用年限）內(nèi)，在規(guī)定的使用條件下完成預(yù)定功能的能力。是安全性、適用性和耐久性三者的統(tǒng)稱。類別設(shè)計使用年限（年）示例15臨時性建筑225易替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件350普通房屋和構(gòu)筑物4100紀(jì)念性建筑和特別重要建筑結(jié)構(gòu)第三章鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法第5頁,共29頁，2024年2月25日，星期天結(jié)構(gòu)的可靠度：結(jié)構(gòu)可靠度是對結(jié)構(gòu)可靠性的定量描述，即結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率。對結(jié)構(gòu)可靠度的要求與結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準(zhǔn)期長短有關(guān)，設(shè)計基準(zhǔn)期長，可靠度要求就高，反之則低。一般建筑物的設(shè)計基準(zhǔn)期為50年。第三章鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法第6頁,共29頁，2024年2月25日，星期天整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要求，稱此特定狀態(tài)為該功能的極限狀態(tài)。3.2概率極限狀態(tài)設(shè)計法3.2.1結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)在結(jié)構(gòu)的可靠和經(jīng)濟之間選擇一種合理的平衡的設(shè)計方法，稱為概率極限狀態(tài)設(shè)計法。第三章鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法第7頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第三章鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法（1）承載能力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或出現(xiàn)不適于繼續(xù)承載的變形時的極限狀態(tài)，包括以下幾個方面：整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡（如傾覆等）；結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過材料強度而破壞；結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接在循環(huán)荷載作用下發(fā)生的疲勞破壞；結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因過度變形（幾何形狀改變）而不適于繼續(xù)承載；結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系（靈活可變的體系）；

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如壓屈等）。第8頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第三章鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法（2）正常使用極限狀態(tài)

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定值時的極限狀態(tài)：影響正常使用或外觀的變形；影響正常使用或耐久性能的局部損壞（包括裂縫）；影響正常使用的振動(動荷載過度振動)；影響正常使用的其它特定狀態(tài)。承載力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)相比，前者可能導(dǎo)致人身傷亡和大量的財產(chǎn)損失，而后者對生命的危害則較小，主要是引起人們的不適，所以也應(yīng)該給予足夠的重視。第9頁,共29頁，2024年2月25日，星期天3.2.2失效概率Pf和可靠指標(biāo)β度量結(jié)構(gòu)的可靠性采用可靠概率PS（能完成預(yù)訂功能的概率）或失效概率Pf（不能完成預(yù)定功能的概率）；PS+Pf=1通常用失效概率度量結(jié)構(gòu)的可靠性。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載能力，也稱為抗力；用R表示，作用（荷載）對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生的效應(yīng)；用S表示；Z=g（R,S）=R-SZ>0，可靠狀態(tài)Z<0，失效狀態(tài)Z=0，極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)第三章鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法第10頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第三章鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法失效概率可靠指標(biāo)b2.52.73.23.74.2Pf6.21×10-33.5×10-36.9×10-41.1×10-41.3×10-5失效概率和可靠指標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系（3.4）（3.9）第11頁,共29頁，2024年2月25日，星期天根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、破壞性質(zhì)、失效后果等以及長期的工程實踐經(jīng)驗，對β值進(jìn)行了規(guī)定：對于承載力極限狀態(tài)，安全等級為二級的屬延性破壞的構(gòu)件β=3.2（對應(yīng)的失效概率=1/1450）,若使用年限50年，則其每年的失效概率為1/72500；脆性破壞的構(gòu)件β=3.7；安全等級為一級、三級時，在上面基礎(chǔ)上分別增減0.5。第三章鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法第12頁,共29頁，2024年2月25日，星期天3.3概率極限狀態(tài)設(shè)計法的設(shè)計表達(dá)式第三章鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法

GB50068-2001《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式，應(yīng)根據(jù)各種極限狀態(tài)的設(shè)計要求，采用有關(guān)的荷載代表值、材料性能標(biāo)準(zhǔn)值、幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值以及各種分項系數(shù)等表達(dá)。

為了便于應(yīng)用并符合人們長期以來的習(xí)慣，規(guī)范并不直接使用

進(jìn)行設(shè)計，而利用式: 來完成。就設(shè)計而言，問題被轉(zhuǎn)化為計算效應(yīng)S和抗力R。第13頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第三章鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法

在荷載效應(yīng)的基本組合條件下，式（3.14）可轉(zhuǎn)化為等效的以基本變量標(biāo)準(zhǔn)值、分項系數(shù)和組合系數(shù)，并以應(yīng)力形式表達(dá)的極限狀態(tài)公式。

可變荷載起控制作用時：永久荷載起控制作用時：1）承載能力極限狀態(tài)分項系數(shù)表達(dá)式

對于一般排架和框架結(jié)構(gòu)：（3.20）第14頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第三章鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法（2）可變荷載的分項系數(shù)（gQ1、gQi）

--一般情況下應(yīng)取1.4；

--對標(biāo)準(zhǔn)值大于4kN/m2的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的活荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)取1.3。（1）永久荷載分項系數(shù)（gG）當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利時

--對可變荷載效應(yīng)控制的組合，應(yīng)取1.2;--對永久荷載效應(yīng)控制的組合，應(yīng)取1.35;當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利時

--一般情況下應(yīng)取1.0；

--對結(jié)構(gòu)的傾覆、滑移或漂浮驗算，應(yīng)取0.9。第15頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第三章鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法f——鋼材或連接材料強度設(shè)計值。fk——鋼材或連接材料強度標(biāo)準(zhǔn)值。

R——鋼材或連接材料抗力分項系數(shù)，對于Q235鋼

R

=1.087；Q345、Q390、Q420鋼

R=1.111

。鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范給出了各類鋼材和連接的強度設(shè)計值。第16頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第三章鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法

對于正常使用極限狀態(tài)，要求分別采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合和準(zhǔn)永久組合進(jìn)行設(shè)計，并使變形等設(shè)計值不超過相應(yīng)的規(guī)定限值。對于鋼結(jié)構(gòu)只考慮荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合，荷載采用標(biāo)準(zhǔn)值。νGk--永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值；νQ1k—起控制作用的第1個可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值（該值使計算結(jié)果為最大）；(3.21)2）正常使用極限狀態(tài)

νQik--其他第i個可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值。

[ν]--結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的容許變形值。(查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》)

第17頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第三章鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法設(shè)計表達(dá)式中物理量和系數(shù)簡介:1、

0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，按下列規(guī)定采用：對安全等級為一級或設(shè)計使用年限為100年及以上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于1.1；對安全等級為二級或設(shè)計使用年限為50年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于1.0；對安全等級為三級或設(shè)計使用年限為5年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于0.9。安全等級破壞后果建筑物類型一級很嚴(yán)重重要的房屋二級嚴(yán)重一般的房屋三級不嚴(yán)重次要的房屋建筑結(jié)構(gòu)的安全等級第18頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第三章鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法2、荷載組合系數(shù)Ψc結(jié)構(gòu)承受兩個或兩個以上可變荷載時，考慮到所有可變荷載同時達(dá)到其單獨出現(xiàn)時可能達(dá)到的最大值的概率極小，因此除主導(dǎo)荷載外，將其他可變荷載乘以一個小于1的組合系數(shù),一般取為0.7.詳見《規(guī)范》。3.3.3鋼材的強度設(shè)計值（教材P45）強度設(shè)計值f=fk/γR例如：厚度小于16mm的Q235鋼，fy=235N/mm2，γR=1.087，f=fk/γR=fy/γR=215N/mm2。鋼材的抗剪強度設(shè)計值fv=0.58f。第19頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第三章鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法3.4鋼材的疲勞和疲勞計算定義：鋼結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂是微觀裂紋在連續(xù)重復(fù)荷載作用下不斷擴展以至斷裂的脆性破壞。

疲勞強度是指鋼結(jié)構(gòu)在連續(xù)重復(fù)載荷作用下而不破壞的最大應(yīng)力。破壞過程：裂紋的形成，裂紋的緩慢擴展和最后迅速斷裂。第20頁,共29頁，2024年2月25日，星期天破壞特點：（1）疲勞破壞時的應(yīng)力小于鋼材的屈服強度，鋼材的塑性還沒有展開，屬于脆性破壞。（3）疲勞對缺陷十分敏感。

（2）疲勞破壞的斷口與一般脆性破壞的斷口不同。一般脆性破壞后的斷口平直，呈有光澤的晶粒狀或人字紋。而疲勞破壞的主要斷口特征是放射和年輪狀花紋。第三章鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法第21頁,共29頁，2024年2月25日，星期天疲勞破壞中一些值得注意的問題（1）疲勞驗算采用的是容許應(yīng)力設(shè)計法，而不是以概率論為基礎(chǔ)的設(shè)計方法。這主要是因為焊接構(gòu)件焊縫周圍的力學(xué)性能非常復(fù)雜，目前還沒有較好試驗或數(shù)值方法對其進(jìn)行以概率論為基礎(chǔ)的研究。（2）對于只有壓應(yīng)力的應(yīng)力循環(huán)作用，由于鋼材內(nèi)部缺陷不易開展，則不會發(fā)生疲勞破壞，不必進(jìn)行疲勞計算。（3）國內(nèi)外試驗證明，大多數(shù)焊接連接類別的疲勞強度不受鋼材強度的影響，故可認(rèn)為疲勞容許應(yīng)力幅與鋼種無關(guān)。（4）提高疲勞強度和疲勞壽命的措施 （ａ）采取合理構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計，盡可能減少應(yīng)力集中； （ｂ）嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，減小初始裂紋尺寸； （ｃ）采取必要的工藝措施如打磨、敲打等。第三章鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法第22頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第三章鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法（1）微觀裂紋和應(yīng)力集中在鋼材生產(chǎn)制造過程中，其內(nèi)部就存在一些諸如化學(xué)成分偏析、非金屬夾雜以及制造時形成的毛邊和裂紋及焊縫內(nèi)部的工藝缺陷相當(dāng)于微裂紋的作用。在重復(fù)連續(xù)荷載作用時，在這些截面上引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，首先在高峰應(yīng)力處產(chǎn)生微觀裂紋，并隨著荷載的重復(fù)作用，裂紋繼續(xù)開展，達(dá)到一定循環(huán)次數(shù)時突然破壞。顯然應(yīng)力集中越明顯，其疲勞強度越低。3.4.1影響疲勞強度的主要因素第23頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第三章鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法（2）應(yīng)力幅在循環(huán)荷載作用下，應(yīng)力從最大到最小重復(fù)一次為一次循環(huán)。應(yīng)力幅為每次應(yīng)力循環(huán)中最大拉應(yīng)力（取正值）和最小拉應(yīng)力或壓應(yīng)力（拉取正、壓取負(fù)）的差值。t應(yīng)力譜為常量常幅循環(huán)：為變量變幅循環(huán)：第24頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第三章鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法完全對稱循環(huán)△σtρ=σmin/σmax=

-1σminσmax+σ-σ0脈沖循環(huán)△σtρ=σmin/σmax=0+σ-σ0循環(huán)應(yīng)力譜：（3）應(yīng)力比應(yīng)力比為循環(huán)應(yīng)力中絕對值最小的峰值應(yīng)力σmin與絕對值最大的峰值應(yīng)力σmax之比。ρ=σmin/σmax(拉應(yīng)力取正號而壓應(yīng)力取負(fù)號)。第25頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第三章鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法循環(huán)應(yīng)力譜：不完全對稱循環(huán)一△σt0＞ρ=σmin/σmax＞

-1σminσmax+σ-σ0+σ-σ不完全對稱循環(huán)二△σt0＞ρ=σmin/σmax＞