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1、3.1 钢材的破坏形式钢材的破坏形式强度破坏及塑性重分布强度破坏及塑性重分布两种性质完全不同的破坏形式：两种性质完全不同的破坏形式：塑性破坏塑性破坏（延性破坏延性破坏)脆性破坏脆性破坏（脆性断裂（脆性断裂)塑性破坏塑性破坏塑性破坏的特征是构件塑性破坏的特征是构件应力超过屈服点应力超过屈服点(fy)，并达到抗拉极限强度并达到抗拉极限强度(fu)后，构件产生明显后，构件产生明显的变形并断裂；的变形并断裂；塑性破坏的断口常为杯塑性破坏的断口常为杯形，呈纤维状，色泽发形，呈纤维状，色泽发暗。暗。塑性破坏在破坏前有很塑性破坏在破坏前有很明显的变形，并有较长明显的变形，并有较长的变形持续时间，便于的变形持
2、续时间，便于发现和补救。发现和补救。塑性变形后出现内力重分布，使应力塑性变形后出现内力重分布，使应力趋于均匀，提高了结构的承载能力趋于均匀，提高了结构的承载能力 建筑钢材的塑性性能一定条件下可以建筑钢材的塑性性能一定条件下可以加以利用，如简支钢梁可以容忍塑性加以利用，如简支钢梁可以容忍塑性在最大弯矩截面上有一定的发展、连在最大弯矩截面上有一定的发展、连续梁及钢框架结构按照塑性方法设计续梁及钢框架结构按照塑性方法设计时，允许结构中出现塑性铰及内力重时，允许结构中出现塑性铰及内力重分布。分布。脆性破坏脆性破坏破破坏坏前前无无明明显显变变形形，平平均均应应力力亦亦小小(可可能能小小于于屈屈服服点点f
3、y)，没没有有任任何何预预兆兆，是是突突然然发发生生的，危险性大，应尽量避免的，危险性大，应尽量避免。破坏断口平直和呈有光泽的晶粒状。破坏断口平直和呈有光泽的晶粒状。断裂从压力集中处发生。断裂从压力集中处发生。引起脆性破坏的因素钢材的质量（如钢材的质量（如S、P、C等的含量）等的含量）时效时效应力集中应力集中使用温度使用温度力的作用性质力的作用性质冶金和机械加工中产生的缺陷（特别冶金和机械加工中产生的缺陷（特别是缺口和裂纹）是缺口和裂纹）整体失稳破坏整体失稳破坏钢材强度较高，相同条件下，钢结构钢材强度较高，相同条件下，钢结构构件的截面较小。所以钢结构构件在构件的截面较小。所以钢结构构件在受压时
4、稳定性的问题特别突出，一旦受压时稳定性的问题特别突出，一旦结构或者构件局部有受压的可能，设结构或者构件局部有受压的可能，设计时就要考虑稳定因素防止发生整体计时就要考虑稳定因素防止发生整体失稳。失稳。某些情况下，组成构件结构的板件某些情况下，组成构件结构的板件的局部丧失稳定会先于构件整体失稳的局部丧失稳定会先于构件整体失稳出现。局部失稳的发生可能最终促成出现。局部失稳的发生可能最终促成或导致结构或结构构件的整体丧失稳或导致结构或结构构件的整体丧失稳定，造成破坏。定，造成破坏。板件局部失稳破坏板件局部失稳破坏但在某些特定条件下，局部失稳并不但在某些特定条件下，局部失稳并不是构件承载能力的最终极限，
5、则可以是构件承载能力的最终极限，则可以容忍其发生，甚至有目的的对屈曲后容忍其发生，甚至有目的的对屈曲后强度加以利用。强度加以利用。屈曲后强度的应用与计算。钢结构屈曲后强度的应用与计算。钢结构设计规范均给出了有关指导条文。设计规范均给出了有关指导条文。钢结构的疲劳破坏，是指在重复或交钢结构的疲劳破坏，是指在重复或交变荷载的作用下，裂纹不断发展最终变荷载的作用下，裂纹不断发展最终达到其临界状态而产生的脆性断裂。达到其临界状态而产生的脆性断裂。如工业厂房中的吊车梁有可能出现疲如工业厂房中的吊车梁有可能出现疲劳问题。劳问题。3.1.4 疲劳破坏及损伤累积疲劳破坏及损伤累积裂纹的发展阶段裂纹的发展阶段疲
6、劳破坏是损伤累积的结果，一般经疲劳破坏是损伤累积的结果，一般经过裂纹形成、裂纹缓慢扩展、最后突过裂纹形成、裂纹缓慢扩展、最后突然断裂三个阶段。建筑钢结构不可避然断裂三个阶段。建筑钢结构不可避免的存在微观缺陷，类似于微裂纹，免的存在微观缺陷，类似于微裂纹，因此建筑钢结构疲劳破坏过程实际只因此建筑钢结构疲劳破坏过程实际只经历后两个阶段。经历后两个阶段。3.1.6 刚度不足刚度不足钢结构由于材料强度高，在跨度比较钢结构由于材料强度高，在跨度比较大、层高比较高的情况下，构件尺寸大、层高比较高的情况下，构件尺寸往往设计的比较细长，因而刚度不足往往设计的比较细长，因而刚度不足的问题比较突出。的问题比较突出
7、。一、钢结构设计方法的演变一、钢结构设计方法的演变1.1.容许应力方法容许应力方法 从从2020世纪初到世纪初到2020世纪世纪5O5O年代，钢结构采用安年代，钢结构采用安 全系数法设计，即全系数法设计，即:N-构件截面的内力；构件截面的内力；A-构件截面几何特征；构件截面几何特征；F-钢材的最大强度；钢材的最大强度；K-K-大于大于1 1的安全系数；的安全系数；-钢材的容许应力。钢材的容许应力。3.2 钢结构的计算方法钢结构的计算方法2 2.概率极限状态设计方法概率极限状态设计方法(1)极限状态极限状态：当结构或其组成部分超过某一特定状当结构或其组成部分超过某一特定状 态就不能满足设计规定的
8、某一功能要求时，此特定态就不能满足设计规定的某一功能要求时，此特定状态称为结构的极限状态。状态称为结构的极限状态。(2)极限状态分为两类：极限状态分为两类：b.b.正常使用正常使用极限状态极限状态:包包括括：影影响响正正常常使使用用或或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的局局部部破破坏坏等等状态状态。a.a.承载能力承载能力极限状态极限状态:包包括括：强强度度破破坏坏、疲疲劳劳破破坏坏、不不适适于于继继续续承承载载的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。(3)根据应用概率分析的程度不
9、同，可分为三种水准：根据应用概率分析的程度不同，可分为三种水准：半概率极限状态设计方法半概率极限状态设计方法;近似概率极限状态设计方法近似概率极限状态设计方法;全概率设计方法。全概率设计方法。a.a.半概率极限状态设计方法半概率极限状态设计方法;1).1).三系数法三系数法（当时称为（当时称为计算极限状态法计算极限状态法）:1957 1957年至年至19731973年我国钢结构设计采用半概率的年我国钢结构设计采用半概率的分项系数法分项系数法,结构设计中引入三个分项系数，即结构设计中引入三个分项系数，即:荷载分项系数荷载分项系数-考虑荷载的不定性考虑荷载的不定性;材料分项系数材料分项系数-考虑材
10、料的不均性考虑材料的不均性;工作条件系数工作条件系数-考虑结构及构件的工作特点以及某考虑结构及构件的工作特点以及某些假定的计算简图与实际情况不完全相符等因素些假定的计算简图与实际情况不完全相符等因素。2)2)半经验半概率极限状态设计法半经验半概率极限状态设计法(容许应力法）容许应力法）N-N-构件截面的内力；构件截面的内力；A-A-构件截面几何特征；构件截面几何特征；K K1 1-荷载系数；荷载系数；K K2 2-材料系数材料系数;K K3 3-调整系数；调整系数；f fykyk-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b b、近似概率极限状态设计法、近似概率极限
11、状态设计法 （现行钢结构设计规范（现行钢结构设计规范(GB50017(GB500172003)2003)）结构的工作性能可用结构的结构的工作性能可用结构的“功能函数功能函数”来描述：来描述：Z Zg g（X X1 1，X X2 2，X Xn n）（1 1 3 3）式中：式中：g g（）-结构的功能函数；结构的功能函数；X Xi i(i(i1 1，2,n)-2,n)-影响结构可靠性的各物理量。影响结构可靠性的各物理量。将各因素概括为两个综合随机变量将各因素概括为两个综合随机变量-结构的抗力结构的抗力R R、作用效应作用效应S S，则公式（，则公式（1-31-3）可以写成：）可以写成：Z Zg g
12、（R R，S S）R RS S （1-41-4）在实际工程结构中，可能出现下列三种情况：在实际工程结构中，可能出现下列三种情况：Z Z0 0表示结构处于表示结构处于可靠可靠状态；状态；Z Z0 0表示结构处于表示结构处于极限极限状态状态 Z Z0 0表示结构处于表示结构处于失效失效状态；状态；判断结构是否可靠，要看结构是否达到极限状态，判断结构是否可靠，要看结构是否达到极限状态，为此，通常将下式：为此，通常将下式：Z Zg(Rg(R，S)S)R RS S0 0 (1-5)(1-5)称为称为极限状态方程极限状态方程。结构能完成预定功能的概率结构能完成预定功能的概率(可靠度可靠度)用用P Ps s
13、表示，则：表示，则：P Ps sPZ0PZ0 （1-61-6）结构不能完成预定功能的概率结构不能完成预定功能的概率(失效概率失效概率)用用P Pf f表示，则：表示，则：P Pf fPZ0PZ0 （1-71-7）由于事件由于事件Z0Z0与事件与事件ZZ0 0是对立事件，所以结是对立事件，所以结构的可靠度与结构的失效概率满足构的可靠度与结构的失效概率满足:P Ps s P Pf f 1 1 或或 P Ps s1-P1-Pf f （1-81-8）因为因为R R和和S S都是随机变量，且假定都服从正态分布，由都是随机变量，且假定都服从正态分布，由 概率论原理知功能函数概率论原理知功能函数 Z=R-S
14、 Z=R-S 也服从正态分布也服从正态分布,则则:f(z)f(z)P Pf fz zZ Z 的概率密度曲线的概率密度曲线Z=R-SZ=R-S 令：令：Z Z、R R、S S的平均值分别为的平均值分别为 z z、R R、s s，标准差分，标准差分 别为别为z z、R R、s s，则，则:因因z z0 0，故：，故：f(z)f(z)z zZ Z 的概率密度曲线的概率密度曲线P Pf fZ=R-SZ=R-S因因 服从标准正态分布，故上式又可写成：服从标准正态分布，故上式又可写成：式中式中:()-()-标准正态函数；标准正态函数；-1-1()-()-标准正态函数标准正态函数 的反函数的反函数。从图中可
15、以看出从图中可以看出与失效概率与失效概率P Pf f 间存在着一一对应间存在着一一对应关系关系,即即:1).1).减小减小时时，阴影部分，阴影部分 的面积增大，即失效概的面积增大，即失效概 率率P Pf f增大增大；2).2).增大增大时，阴影部分时，阴影部分 的面积减少，亦即失效的面积减少，亦即失效 概率概率P Pf f减小减小。说明说明可以作为衡量结可以作为衡量结 构构可靠度可靠度的一个数量指的一个数量指 标标。可靠度指标可靠度指标f(z)f(z)z zZ Z 的概率密度曲线的概率密度曲线P Pf fZ=R-SZ=R-S标标准准正正态态分分布布时时 与与 的的对对应值应值 4.04.03.
16、17X103.17X10-5-53.73.71.08X101.08X10-4-43.23.26.87X106.87X10-4-41.35X101.35X10-3-33.03.0 的计算的计算:将式将式(1-10)(1-10)、(1-11)(1-11)代入代入的定义的定义式得：式得：c.全概率设计法全概率设计法 对结构的各种基本变量均采用随机变量或随机过对结构的各种基本变量均采用随机变量或随机过程来描述，对结构进行精确的概率分析，求得结构最程来描述，对结构进行精确的概率分析，求得结构最优失效概率作为结构可靠度的直接度量。优失效概率作为结构可靠度的直接度量。三、钢结构设计表达式三、钢结构设计表达式
17、 a.a.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(疲疲劳问题除外劳问题除外)，用分项系数的表达式进行计算；，用分项系数的表达式进行计算；b.b.结构的可靠度用可靠度指标来度量，并以分项系结构的可靠度用可靠度指标来度量，并以分项系数的形式考虑。数的形式考虑。（一）（一）按承载能力极限状态设计按承载能力极限状态设计 应考虑荷载效应的基本组合或偶然组合进行荷应考虑荷载效应的基本组合或偶然组合进行荷 载（效应）组合，采用下列表达式设计：载（效应）组合，采用下列表达式设计：式中：式中：o o-结构重要性系数；结构重要性系数；S-S-荷载效应（组合）的设计值；荷载效应
18、（组合）的设计值；R-R-钢结构构件或连接材料抗力的设计值。钢结构构件或连接材料抗力的设计值。荷载效应组合如下：荷载效应组合如下：2.2.由永久荷载效应控制的组合：由永久荷载效应控制的组合：3.3.荷载分项系数取值如下：荷载分项系数取值如下：1.1.由可变荷载效应控制的组合：由可变荷载效应控制的组合：（1 1）永久荷载分项系数）永久荷载分项系数 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
19、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。（2 2）可变荷载的分项系数）可变荷载的分项系数 -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。-钢材或连接材料强度钢材或连接材料强度设计值设计值。-钢材或连接材料强度钢材或连接材料强度标准值标准值。-钢材或连接材料抗力分项系数，对于钢材或连接材料抗力分项系数，对于Q235Q235钢钢R R=1.087=1.087;Q345;Q345、Q3
20、90Q390、Q420Q420钢钢R R=1.111=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。(二二)正常使用极限状态正常使用极限状态1.1.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荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合准组合、频遇组合和准永久组合，并使变形等不超过，并使变形等不超过相应的规定限值。相应的规定限值。2.2.对于对于受压受压、受拉构件受拉构件，规范规定应限制其长细比，规范规定应限制其长细比，即即:(1-24 (1-24）式中：式中：-受压、受拉构件的计算长细比受压、受拉构件的计算长细比
21、 ；-规范规定的受拉、受压构件容许长规范规定的受拉、受压构件容许长 细比，按规范采用。细比，按规范采用。（三）使用设计表达式的注意事项（三）使用设计表达式的注意事项 1.1.计算静力强度和稳定时，采用荷载的设计值；疲劳计算静力强度和稳定时，采用荷载的设计值；疲劳计算、变形计算采用荷载的标准值。计算、变形计算采用荷载的标准值。2.2.强度设计指标强度设计指标f 1)1)强度设计值的种类、性质；强度设计值的种类、性质；2)2)按板厚或直径分组；按板厚或直径分组；3)3)强度设计值的折减。强度设计值的折减。例如例如:按轴心受力计算单面按轴心受力计算单面 连接单角钢的强度时。连接单角钢的强度时。见教材，见教材，