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1、本科教学本科教学第 3 章 钢结构的设计方法钢结构-原理与设计第第3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法钢结构设计方法结构功能要求结构功能要求 在在设计基准期（设计基准期（一般一般5050年年，也有，也有100100和和2525年）内，满足功能要求，即年）内，满足功能要求，即安安全性全性,适用性，耐久性适用性，耐久性。u安全性：满足特定的与建筑物功能相适安全性：满足特定的与建筑物功能相适应的承载力极限状态应的承载力极限状态u适用性：保证结构在日常使用中满足要适用性：保证结构在日常使用中满足要求求u耐久性：保证结构的承载力的持续时间耐久性：保证结构的承载力的持续时间与环境适应度与环境适应度3.
2、1 3.1 结构设计目的结构设计目的 第第3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法钢结构设计方法第第3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法钢结构设计方法第第3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法第第3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法钢结构设计方法第第3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法钢结构设计方法第第3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法钢结构设计方法第第3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法第第3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法钢结构设计方法的变迁钢结构设计方法的变迁19571957年以前：年以前：采用总安全系数的容许应力计算法；采用总安全系数的容许应力计算法；19
3、57195719741974：采用三个系数的极限状态计算法；采用三个系数的极限状态计算法；1974197419891989：采用以结构极状态为依据，进行多系数分采用以结构极状态为依据，进行多系数分析，用单一的系数表示的容许应力计算法；析，用单一的系数表示的容许应力计算法；19891989 ：采用以概率论为基础的极限状态设计法。采用以概率论为基础的极限状态设计法。2023/2/21第第3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法缺点：安全系数凭工程经验确定的一定值，这样，各种构件的可靠性将不能保证比较一致的水平。总安全系数容许应力法总安全系数容许应力法三系数极限状态设计法三系数极限状态设计法特点：明
4、确提出了两种极限状态，采用三个系数来考虑结构构件的安全储备问题，避免单一安全系数的缺陷。缺点：材质均匀系数概念重复。强度标准不是明确概率取值，而是取钢的废品限值，不符合概率方法。2023/2/21第第3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法第第3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法1.4.2 1.4.2 结构概率极限状态设计法结构概率极限状态设计法1.基本概念基本概念结构可靠度：结构可靠度：结构在规定的时间（50年），规定的条件（正常设计、正常施工、正常使用、正常维护）下，完成预定功能的概率。失效概率：失效概率：结构不能完成预定功能的概率。结构的功能要求：结构的功能要求：安全性，适用性，耐久
5、性。结构作用：结构作用：施加在结构上的各种荷载及引起外加变形或约束变形的原因（如荷载、地震、基础下沉、温度变化、焊接等）作用：作用：永久作用，可变作用，偶然作用作用效应（作用效应（S S）:结构作用引起结构或构件的内力（轴、弯、剪）和变形（挠度、转角）。结构抗力（结构抗力（R R）：）：结构或构件承受作用效应的能力。2023/2/21第第3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法第第3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法（2 2）正常使用极限状态）正常使用极限状态 结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定值：结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定值：影响正常使用或外观的变形；影响正常使用
6、或外观的变形；影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；影响正常使用的振动；影响正常使用的振动；影响正常使用的其它特定状态。影响正常使用的其它特定状态。承载力极限状态与正常使用极限状态相比，前者可能导致人身承载力极限状态与正常使用极限状态相比，前者可能导致人身伤亡和大量的财产损失，而后者对生命的危害则较小，主要是引起伤亡和大量的财产损失，而后者对生命的危害则较小，主要是引起人们的不适，所以也应该给予足够的重视。人们的不适，所以也应该给予足够的重视。2023/2/21第第3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法3.3.概率极限状态设计原理概率极限
7、状态设计原理 设计基本原则：技术先进、经济合理、安全适用、确保质量。设计基本原则：技术先进、经济合理、安全适用、确保质量。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、作用效应作用效应S。0，结构处于可靠状态，结构处于可靠状态 功能函数功能函数 Z=R-S =0，结构处于极限状态，结构处于极限状态 0，结构处于失效状态，结构处于失效状态失效概率失效概率（1.3.3）Z=R-S 称为极限状态方程。这样，结构可靠概率为 Ps=p(R-S)0且可靠度且可靠度 Ps=1-Pf绝对可靠的结构是不存在的，只要绝对可靠的结构是不存在的，只要Pf达到人们可以接受的程度是安
8、全的。达到人们可以接受的程度是安全的。2023/2/21第第3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法第第3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法b2.52.73.23.74.2Pf510-33.510-36.910-41.110-41.310-5表表1.3.1 1.3.1 失效概率和可靠指标的对应关系失效概率和可靠指标的对应关系 值越大，值越大，Pf 就越小。就越小。可以作为衡量结构可以作为衡量结构可靠度可靠度的一个数的一个数量指量指 标标。可靠度指标可靠度指标表表1.3.2 1.3.2 结构构建承载力极限状态的可靠指标结构构建承载力极限状态的可靠指标破坏类型安全等级一级二级三级延性破坏3.7
9、3.73.23.22.72.7脆性破坏4.24.23.73.73.23.2 建筑结构安全等级：一一级；设计基准期：50年；设计使用年限：100年；抗震设防分类：乙乙类；抗震设防烈度：8度；场地类别：类；设计地震分组：第一一组。鸟巢结构设计特性鸟巢结构设计特性2023/2/21第第3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法将 改写为 若规定了若规定了，并有，并有R、S、R、S，就可利用上式，就可利用上式进行设计或验算。进行设计或验算。一次二阶矩的近似概率方法一次二阶矩的近似概率方法结构作用效应结构作用效应结构抗力结构抗力2023/2/21第第3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法 GB50068
10、-2001GB50068-2001建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准规定规定结构构件的极限状态设计表达式，应根据各种极限状态的结构构件的极限状态设计表达式，应根据各种极限状态的设计要求，采用有关的荷载代表值、材料性能标准值、几设计要求，采用有关的荷载代表值、材料性能标准值、几何参数标准值以及各种分项系数等表达。何参数标准值以及各种分项系数等表达。为为了了便便于于应应用用并并符符合合人人们们长长期期以以来来的的习习惯惯，规规范范并并不不直接使用直接使用 进行设计，而利用式进行设计，而利用式:来来完完成成。就就设设计计而言，问题被转化为计算效应而言，问题被转化为计算效应S S和抗
11、力和抗力R R。4.4.钢结构设计表达式钢结构设计表达式2023/2/21第第3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure 在在荷荷载载效效应应的的基基本本组组合合条条件件下下，式式（1.3.111.3.11）可可转转化化为为等等效效的的以以基基本本变变量量标标准准值值、分分项项系系数数和和组组合合系系数数，并并以以应应力力形形式式表表达达的的极限状态公式。极限状态公式。可变荷载起控制作用时：可变荷载起控制作用时：永久荷载永久荷载起控制作用时：起控制作用时：1 1）承载能力极限状态分项系数表达式）
12、承载能力极限状态分项系数表达式 对于一般排架和框架结构：对于一般排架和框架结构：（1.3.14）2023/2/21第第3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法（2 2）可变荷载的分项系数）可变荷载的分项系数 （g gQ Q）-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。（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
13、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。2023/2/21第第3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法第第3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法 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准组合、频荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计遇组合和准永久组合进行设计，并使变形等设计值不超过相应的，并使变形等设计值不超过相应的规定限值。对于钢结构只考虑荷载的标准组合
14、。规定限值。对于钢结构只考虑荷载的标准组合。Gk-永久荷载标准值永久荷载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起控制作用的起控制作用的第第1 1个个可变荷载的标准值可变荷载的标准值在结构或结构构件中产生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）；的变形值（该值使计算结果为最大）；(1.3.15)2 2）正常使用极限状态）正常使用极限状态 Qik-其他第其他第i i个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值。个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值。-结构或结构构件的容许变形值。结构或结构构件的容许变形值。(P384-5(P384-5页，附录页，附录2)2)2023/2/21本科教学本科教学