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1、第第3章章钢结构的构的设计方法方法现在学习的是第1页，共24页第 3 章 钢结构的设计方法钢结构-原理与设计同济大学 建筑工程系 沈德洪现在学习的是第2页，共24页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，即安全性安全性,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应安全性：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求适用性：保证结构在日常使用中满足要求u耐久性：保证结构的承载力的持续时间与环
2、境耐久性：保证结构的承载力的持续时间与环境适应度适应度3.1 3.1 结构设计目的结构设计目的 现在学习的是第3页，共24页钢结构设计方法现在学习的是第4页，共24页钢结构设计方法现在学习的是第5页，共24页钢结构设计方法现在学习的是第6页，共24页钢结构设计方法现在学习的是第7页，共24页钢结构设计方法现在学习的是第8页，共24页钢结构设计方法现在学习的是第9页，共24页建筑物的基准期建筑物的基准期结构的设计基准期结构的设计基准期1.1.结构保证其设计可靠度指标的时间期限结构保证其设计可靠度指标的时间期限成为成为设计基准期设计基准期，即，即在基准期内，结构的可靠度指标完全满足设计要求；在基准
3、期内，结构的可靠度指标完全满足设计要求；2.2.设计基准期是测算最大荷载重现期的基本期限；设计基准期是测算最大荷载重现期的基本期限；3.3.在超过设计基准期后，并非意味着结构的失效，而是其可在超过设计基准期后，并非意味着结构的失效，而是其可靠度有所降低，因此靠度有所降低，因此基准期不能等同于建筑物的使用寿命；基准期不能等同于建筑物的使用寿命；4.4.我国对于多数建筑物的我国对于多数建筑物的设计基准期均为设计基准期均为5050年年，特殊建筑物，特殊建筑物可以除外；可以除外；现在学习的是第10页，共24页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
4、力计算法；采用总安全系数的容许应力计算法；1957195719741974：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。2023/2/24现在学习的是第11页，共24页缺点：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
5、计法三系数极限状态设计法特点：明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。2023/2/24现在学习的是第12页，共24页缺点：各种载荷并不相同，各种构件承受荷载的情 况也不一定相同，构件的几何尺寸变异并不完全一致，采用统一的安全系数显然不可能获得相同的安全度。以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一安全系数的容许应力以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一安全系数的容许应力计算法计算法以概率为基础的极限状态设计法以概率为基础的极限状态设计法 把各种参数（载荷
6、效应、结构抗力等）作随机变量，运用概率分析法并考虑变异性来确定设计采用值。把概率分析引入结构设计方法，显然比容许应力法先进，标志我国在设计理论上前进了一大步，迈入了国际先进水平。2023/2/24现在学习的是第13页，共24页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
7、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。2023/2/24现在学习的是第14页，共24页（1 1）承载能力极限状态）承载能力极限状态 结构或构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形，包括以下几个结构或构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形，包括以下几个方面：方面：2.2.结构的极限状态结构的极限状态整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；整个结构或结构
8、的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；结构构件或连接因超过材料强度而破坏；结构构件或连接因超过材料强度而破坏；结构构件或连接在循环荷载作用下发生的疲劳破坏；结构构件或连接在循环荷载作用下发生的疲劳破坏；结构构件或结构转变为机动体系；结构构件或结构转变为机动体系；结构或构件丧失稳定（如压屈等）。结构或构件丧失稳定（如压屈等）。整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，这一特定状态称为结构的极限状态。2023/2/24现在学习的是第15页，共24页（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
9、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，前者可能导致人身伤亡和大量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，主要是引起人们的不适，所以也应的财产损失，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。该给予足够的重视。2023/2/24现在学习的是第16页，共2
10、4页3.3.概率极限状态设计原理概率极限状态设计原理 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
11、在的，只要Pf达到人们可以接受的程度是安全的。达到人们可以接受的程度是安全的。2023/2/24现在学习的是第17页，共24页可靠指标可靠指标 的引入的引入结构功能函数 Z=R-S 由于S和R均为正态分布的随机变量，其均值和标准差分别为s、s和 R、R。（1.3.7）设：（1.3.6）1 1 z1z1 2 2 z2z2可靠可靠失效失效 z1z1Z1 z2z2Z2f(z)Z=R-SoPf2Pf1 Z功能函数Z的概率密度曲线2023/2/24现在学习的是第18页，共24页b2.52.73.23.74.2Pf510-33.510-36.910-41.110-41.310-5表表1.3.1 1.3.1
12、 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量指的一个数量指 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3.73.73.23.22.72.7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/
13、24现在学习的是第19页，共24页将 改写为 若规定了若规定了，并有，并有R、S、R、S，就可利用上式进，就可利用上式进行设计或验算。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2023/2/24现在学习的是第20页，共24页 GB50068-2001GB50068-2001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结构构件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设计要求，采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、几何参数标准值以及用有关的荷载代表值、材料性能
14、标准值、几何参数标准值以及各种分项系数等表达。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直接接使使用用 进行设计，而利用式进行设计，而利用式:来来完完成成。就就设设计计而而言言，问问题被转化为计算效应题被转化为计算效应S S和抗力和抗力R R。4.4.钢结构设计表达式钢结构设计表达式2023/2/24现在学习的是第21页，共24页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
15、化化为为等等效效的的以以基基本本变量标准值、分项系数和组合系数，并以应力形式表达的极限状态公式。变量标准值、分项系数和组合系数，并以应力形式表达的极限状态公式。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）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）2023/2/24现在学习的是第22页，共24页（2 2）可变荷载的分项系数）可变荷载的分项系数 （Q 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
16、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）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。2023/2/24现在学习的是第23页，共24页fd 或或f钢材或连接材料强度钢材或连接材料强度设计值设计值。fk钢材或连接材料强度钢材或连接材料强度标准值标准值。R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Q235钢钢 R=1.087；Q345、Q390、Q420钢钢 R=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。（P3813页页，附录，附录1）2023/2/24现在学习的是第24页，共24页