鋼結(jié)構(gòu)》第一章鋼結(jié)構(gòu)緒論.ppt

1-2 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法,1-2-1概述,結(jié)構(gòu)計(jì)算的目的:在于保證所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)件在施工和工作過程中能滿足預(yù)期的安全性和使用性要求. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可以這樣陳述:結(jié)構(gòu)由各種荷載所產(chǎn)生的效應(yīng)(內(nèi)力和變形)不大于結(jié)構(gòu)(包括連接)由材料性能和幾何因素等所決定的抗力或規(guī)定限定.,結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài) 整個(gè)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(jì)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)。極限狀態(tài)實(shí)質(zhì)上是結(jié)構(gòu)可靠與不可靠的界限，故也可稱為“界限狀態(tài)”。對于結(jié)構(gòu)的各種極限狀態(tài)，均應(yīng)規(guī)定明確的標(biāo)志或限值,1-2-2概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法,結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)可以分為以下兩類： （1）承載能力極限狀態(tài) （2）正常使用極限狀態(tài) 可建立如下（簡化后）函數(shù)： Z=RS 注：R-抗力 S-荷載效應(yīng),因上式中R和S是隨機(jī)變量，其函數(shù)Z也是一個(gè)隨機(jī)變量。因此在實(shí)際工程中，可能出現(xiàn)下列三種情況： Z0 結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)； Z=0 結(jié)構(gòu)達(dá)到臨界狀態(tài)，即極限狀態(tài)； Z0 結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)。,新型萬能材料試驗(yàn)機(jī),舊型號(hào)萬能材料試驗(yàn)機(jī),一. 結(jié)構(gòu)的功能要求 建筑結(jié)構(gòu)要解決的基本問題是，力求以較為經(jīng)濟(jì)的手段，使所要建造的結(jié)構(gòu)具有足夠的可靠度(degree of reliability)，以滿足各種預(yù)定功能的要求。 結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)應(yīng)滿足的功能有： (1) 在正常施工和正常使用時(shí)，能承受可能出現(xiàn)的各種作用； (2) 在正常使用時(shí)具有良好的工作性能； (3) 在正常維護(hù)下具有足夠的耐久性； (4) 在設(shè)計(jì)規(guī)定的偶然事件（如地震、火災(zāi)、爆炸、撞擊等）發(fā)生時(shí)及發(fā)生后，仍能保持必須的整體穩(wěn)定性。 上述“各種作用”是指凡使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力或變形的各種原因，如施加在結(jié)構(gòu)上的集中荷載或分布荷載，以及引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因，例如地震、地基沉降、溫度變化等。,二. 結(jié)構(gòu)的可靠度 結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的能力，稱為結(jié)構(gòu)的可靠性(reliability)。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(shí)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(jì)基準(zhǔn)期長短有關(guān)，設(shè)計(jì)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(jì)基準(zhǔn)期為50年,我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（以下簡稱GB50017規(guī)范或規(guī)范）規(guī)定，承重結(jié)構(gòu)應(yīng)按下列二類極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)： (1) 承載能力極限狀態(tài) 包括：構(gòu)件和連接的強(qiáng)度破壞、疲勞破壞和因過度變形而不適于繼續(xù)承載，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件喪失穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系和結(jié)構(gòu)傾覆。 (2) 正常使用極限狀態(tài) 包括：影響結(jié)構(gòu)、構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件正常使用或耐久性能的局部損壞（包括組合結(jié)構(gòu)中混凝土裂縫）。 承載能力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)相比較，前者可能導(dǎo)致人身傷亡和大量財(cái)產(chǎn)損失，故其出現(xiàn)的概率應(yīng)當(dāng)很低，而后者對生命的危害較小，故允許出現(xiàn)的概率可高些，但仍應(yīng)給予足夠的重視。,設(shè)計(jì)表達(dá)式 1 承載能力極限狀態(tài)表達(dá)式 為了應(yīng)用簡便并符合人們長期已熟悉的形式，可將公式( )做如下變換：,1.3.10)左、右分別為S和R的設(shè)計(jì)驗(yàn)算點(diǎn)坐標(biāo)S*和R*，可寫為： R*S*,建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(GB50068)規(guī)定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式，應(yīng)根據(jù)各種極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)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(xiàng)系數(shù)等表達(dá)。 作用分項(xiàng)系數(shù)F（包括荷載分項(xiàng)系數(shù)G、Q）和結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力分項(xiàng)系數(shù)R應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)功能函數(shù)中基本變量的統(tǒng)計(jì)參數(shù)和概率分布類型，以及規(guī)定的結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠指標(biāo)，通過計(jì)算分析，并考慮工程經(jīng)驗(yàn)確定。,考慮到施加在結(jié)構(gòu)上的可變荷載往往不止一種，這些荷載不可能同時(shí)達(dá)到各自的最大值，因此，還要根據(jù)組合荷載效應(yīng)分布來確定荷載的組合系數(shù)和。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù) 應(yīng)按結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全等級(jí)、設(shè)計(jì)使用年限并考慮工程經(jīng)驗(yàn)確定。 根據(jù)結(jié)構(gòu)的功能要求，進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮作用效應(yīng)的基本組合，必要時(shí)尚應(yīng)考慮作用效應(yīng)的偶然組合（考慮如火災(zāi)、爆炸、撞擊、地震等偶然事件的組合）。,1)基本組合 在荷載（作用）效應(yīng)的基本組合條件下，式(1.3.11)可轉(zhuǎn)化為等效的以基本變量標(biāo)準(zhǔn)值、分項(xiàng)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。其荷載效應(yīng)的基本組合按下列設(shè)計(jì)表達(dá)式中的最不利值確定： 1.29公式,由永久荷載效應(yīng)控制的組合，仍按上式進(jìn)行計(jì)算 1.30公式 以上兩個(gè)式中，除第一個(gè)可變荷載的組合值系數(shù)c1的樓蓋（例如儀器車間倉庫、金工車間、輪胎廠準(zhǔn)備車間、糧食加工車間等的樓蓋）或屋蓋（高爐附近的屋面積灰），必然由上式(控制設(shè)計(jì)取G=1.35 外，其他只有大型混凝土屋面板的重型屋蓋以及很特殊情況才有可能由上式控制設(shè)計(jì)。,對于一般排架、框架結(jié)構(gòu)，可采用簡化式計(jì)算： 由可變荷載效應(yīng)控制的組合： 1.31公式,(2)偶然組合 對于偶然組合，極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式宜按下列原則確定：偶然作用的代表值不乘分項(xiàng)系數(shù)；與偶然作用同時(shí)出現(xiàn)的可變荷載，應(yīng)根據(jù)觀測資料和工程經(jīng)驗(yàn)采用適當(dāng)?shù)拇碇?，具體的設(shè)計(jì)表達(dá)式及各種系數(shù)，應(yīng)符合專門規(guī)范的規(guī)定。,1-3鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和新發(fā)展,1.3.2結(jié)構(gòu)用鋼的新發(fā)展 國內(nèi)外在高性能鋼材的應(yīng)用方面取得不少新進(jìn)展，其中包括高強(qiáng)度高性能鋼、低屈服點(diǎn)鋼和耐火鋼的開發(fā)和應(yīng)用等。我國新修訂的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中增列了性能優(yōu)良的Q420鋼，該鋼材已成功地應(yīng)用在九江長江大橋的建設(shè)中。,另外我國冶金部門制訂了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)高層建筑結(jié)構(gòu)用鋼板，該鋼板是專門供高層建筑和其他重要建(構(gòu))筑物用來生產(chǎn)厚板焊接截面構(gòu)件的。其性能與日本建筑結(jié)構(gòu)用鋼材相近，而且質(zhì)量上還有所改進(jìn)。我國有些企業(yè)正在試生產(chǎn)屈服點(diǎn)達(dá)到100N/mm2的低屈服點(diǎn)鋼材，相當(dāng)于日本的LY100鋼，可用于抗震結(jié)構(gòu)的耗能部件。有的企業(yè)正在開發(fā)耐火鋼，該鋼即使加熱到600也能保持常溫2/3以上的強(qiáng)度。,日本在1994年制定了新的建筑結(jié)構(gòu)專用鋼材規(guī)格建筑結(jié)構(gòu)用軋制鋼材(JIS G3136):SN標(biāo)準(zhǔn)。該種鋼材的質(zhì)量等級(jí)已不再按夏比沖擊試驗(yàn)分類，而是按使用部位、提示有關(guān)需要分類。如SN400A（相當(dāng)于我國的Q235A）只能使用在次要構(gòu)件處于彈性范圍的、原則上非焊接的構(gòu)件或部位；,SN400B及SN490B（接近于我國Q345強(qiáng)度等級(jí)）是能保證塑性變形和焊接性能的鋼材。使用在抗震結(jié)構(gòu)構(gòu)件和部位中；SN400C及SN490C具有非常好的抗層狀撕裂性能，主要使用在如箱型柱的外部板材等需要板厚方向性能（Z向性能）的構(gòu)件和部位中。SN B、C類鋼材均對屈服點(diǎn)的上限值做出了規(guī)定，以防構(gòu)件需塑性變形耗能的部位不能進(jìn)入塑性屈服；并對碳當(dāng)量及磷、硫的上限予以嚴(yán)格限制。,SN C類鋼材對硫的含量提出了更嚴(yán)格的限制，并規(guī)定生產(chǎn)廠家有義務(wù)進(jìn)行超聲探傷試驗(yàn)，以確保板厚方向的性能。目前日本國內(nèi)建筑用厚鋼板的70為SN鋼材。日本已開發(fā)出LY225鋼、LY100鋼等低屈服點(diǎn)鋼和耐火鋼(FR鋼)。美國和歐洲等國家也在高強(qiáng)度高性能鋼材的研制和應(yīng)用等方面做出了不少貢獻(xiàn)。如美國生產(chǎn)的經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的合金鋼板A514，其屈服點(diǎn)高達(dá)690 N/mm2，并可用于焊接生產(chǎn)。,1.3.3新型結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用和發(fā)展 近年來，在全國各地修建了大量的大跨空間結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式已在全國普及，張弦桁架、懸掛結(jié)構(gòu)也有很多應(yīng)用實(shí)例；直接焊接鋼管結(jié)構(gòu)、變截面輕鋼門式剛架、金屬拱型波紋屋蓋等輕鋼結(jié)構(gòu)也已遍地開花；鋼結(jié)構(gòu)的高層建筑也在不少城市拔地而起；適合我國國情的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)也有了廣泛應(yīng)用；目前好多地方都在建造索膜結(jié)構(gòu)的罩棚和建筑小品；。可以毫不夸張地說，我國已成了各種鋼結(jié)構(gòu)體系的展覽館和試驗(yàn)場。,各種不同的結(jié)構(gòu)體系各有所長，但生命力較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)體系均具有如下特點(diǎn)： (1) 必須是幾何不可變的(除懸索、薄膜等張拉結(jié)構(gòu))空間整體，在各類作用的效應(yīng)之下能保持穩(wěn)定性、必要的承載力和剛度； (2) 應(yīng)使結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度得到充分地利用，使自重趨于最低；,(3) 能利用材料的長處，避免克服其短處； (4) 能使結(jié)構(gòu)空間和建筑空間互相協(xié)調(diào)、統(tǒng)一； (5) 能適合本國情況，制作、安裝簡便，綜合效益好。,目前我國正在進(jìn)行大規(guī)模的基本建設(shè)，許多大型復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)工程，包括2008年奧運(yùn)場館工程的建設(shè)都正在進(jìn)行中。選擇先進(jìn)合理的結(jié)構(gòu)體系，既能滿足建筑藝術(shù)需要，又能做到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用、確保質(zhì)量就顯得非常重要。目前有一種為追求建筑造型新奇、怪異，而不惜浪費(fèi)鋼材采用最笨重的結(jié)構(gòu)形式的傾向是值得警惕的。,1.3.4 設(shè)計(jì)方法的新發(fā)展 目前我國采用的概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的特點(diǎn)是用根據(jù)各種不定性分析所得到的失效概率(或可靠指標(biāo))去度量結(jié)構(gòu)的可靠性，并使所計(jì)算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度達(dá)到預(yù)期的一致性和可比性。但是該方法還有待發(fā)展，因?yàn)橛盟?jì)算的可靠度還只是構(gòu)件或某一截面的可靠度而不是結(jié)構(gòu)體系的可靠度，該方法也不適用于構(gòu)件或連接的疲勞驗(yàn)算。,目前大多數(shù)國家(當(dāng)然包括我國)采用計(jì)算長度法計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題。該方法的步驟是：采用一階分析求解結(jié)構(gòu)內(nèi)力，按各種荷載組合求出各桿件的最不利內(nèi)力，按第一類彈性穩(wěn)定問題建立結(jié)構(gòu)達(dá)臨界狀態(tài)時(shí)的特征方程，確定各壓桿的計(jì)算長度；將各桿件隔離出來，按單獨(dú)的壓彎構(gòu)件進(jìn)行穩(wěn)定承載力驗(yàn)算，驗(yàn)算中考慮了彈塑性、殘余應(yīng)力和幾何缺陷等的影響。該方法的最大特點(diǎn)是采用計(jì)算長度系數(shù)來考慮結(jié)構(gòu)體系對被隔離出來的構(gòu)件的影響，計(jì)算比較簡單，對比較規(guī)則的結(jié)構(gòu)也可給出較好的結(jié)果。,規(guī)范GB50017在5.3.3條中列入了有支撐框架柱計(jì)算長度系數(shù)的有關(guān)條款，并給出了強(qiáng)、弱支撐框架的概念。認(rèn)為弱支撐不足以阻止框架的側(cè)移，其框架壓桿的穩(wěn)定系數(shù)可利用規(guī)范中查得的相應(yīng)于有、無側(cè)移框架柱的穩(wěn)定系數(shù)經(jīng)插值求得。該法計(jì)算比較簡單，概念也較清楚，完善了有支撐框架的穩(wěn)定計(jì)算方法。,計(jì)算長度法存在以下缺陷（以框架結(jié)構(gòu)為例）：不考慮節(jié)間荷載的影響，按理想框架分枝失穩(wěn)求特征值的方法求解穩(wěn)定問題，得不到失穩(wěn)時(shí)框架的準(zhǔn)確位移，無法精確考慮二階效應(yīng)的影響；不能考慮結(jié)構(gòu)體系中內(nèi)力的塑性重分布，因此對大型結(jié)構(gòu)體系常常給出保守的設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)體系的可靠度高于構(gòu)件的可靠度；,不能精確地考慮結(jié)構(gòu)體系與它的構(gòu)件之間的相互影響，無法在給定荷載下預(yù)測結(jié)構(gòu)體系的破壞模式；需要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行各構(gòu)件的承載力驗(yàn)算，包括計(jì)算長度的計(jì)算；不便于基于計(jì)算機(jī)的分析和設(shè)計(jì)。,要克服上述問題，必須開展以整個(gè)框架結(jié)構(gòu)體系為對象的二階非彈性分析，即所謂高等分析和設(shè)計(jì)。此時(shí)，可求得在特定荷載作用下框架體系的極限承載力和失效模態(tài)，而無需對各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。,目前歐洲鋼結(jié)構(gòu)試行規(guī)范(EC3)和澳大利亞鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)都列有二階彈塑性分析或高等分析的條款。我國新規(guī)范則列入了無支撐純框架可采用二階彈性分析的條款。上述的方法主要是用來計(jì)算內(nèi)力的，然后還要驗(yàn)算構(gòu)件的承載力，只是計(jì)算長度或取構(gòu)件的實(shí)際長度，或者按無側(cè)移框架確定計(jì)算長度。,應(yīng)當(dāng)指出，同時(shí)考慮幾何非線性和材料非線性的全過程分析(高等分析)給出的結(jié)構(gòu)承載能力，將同時(shí)滿足整個(gè)體系和它的組成構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求，可完全拋棄計(jì)算長度和單個(gè)構(gòu)件驗(yàn)算的概念，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接的分析和設(shè)計(jì)。但目前僅平面框架的高等分析和設(shè)計(jì)法研究的比較成熟，空間框架的高等分析距實(shí)用還有很大的一段距離有待跨越。,高等分析和設(shè)計(jì)方法的缺陷是：由于考慮了非線性的影響，對荷載的不同組合都需要單獨(dú)進(jìn)行分析，疊加原理不再適用；高等分析依賴于精確的計(jì)算模型，如果初選截面不合理，將耗費(fèi)較多的時(shí)間調(diào)整截面；構(gòu)件的局部穩(wěn)定和出平面空間穩(wěn)定必須確保，目