鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

1、鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法第1頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)10分，星期三鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)功能要求 在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期（一般50年，也有100和25年）內(nèi)，滿足功能要求，即安全性,適用性，耐久性。安全性：滿足特定的與建筑物功能相適應(yīng)的承載力極限狀態(tài)適用性：保證結(jié)構(gòu)在日常使用中滿足要求耐久性：保證結(jié)構(gòu)的承載力的持續(xù)時(shí)間與環(huán)境適應(yīng)度3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目的 第2頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)10分，星期三鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法第3頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)10分，星期三鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法第4頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)10分，星期三鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法第5頁(yè)，共25頁(yè)，2

2、022年，5月20日，23點(diǎn)10分，星期三鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法第6頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)10分，星期三鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法第7頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)10分，星期三鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法第8頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)10分，星期三建筑物的基準(zhǔn)期結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期1.結(jié)構(gòu)保證其設(shè)計(jì)可靠度指標(biāo)的時(shí)間期限成為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，即在基準(zhǔn)期內(nèi)，結(jié)構(gòu)的可靠度指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)要求；2.設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期是測(cè)算最大荷載重現(xiàn)期的基本期限；3.在超過設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期后，并非意味著結(jié)構(gòu)的失效，而是其可靠度有所降低，因此基準(zhǔn)期不能等同于建筑物的使用壽命；4.我國(guó)對(duì)于多數(shù)建筑物的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期均為50年，

3、特殊建筑物可以除外；第9頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)10分，星期三鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的變遷1957年以前：采用總安全系數(shù)的容許應(yīng)力計(jì)算法；19571974：采用三個(gè)系數(shù)的極限狀態(tài)計(jì)算法；19741989：采用以結(jié)構(gòu)極狀態(tài)為依據(jù)，進(jìn)行多系數(shù)分析，用單一的系數(shù)表示的容許應(yīng)力計(jì)算法；1989 ：采用以概率論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。2022/9/12第10頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)10分，星期三缺點(diǎn)：安全系數(shù)憑工程經(jīng)驗(yàn)確定的一定值，這樣，各種構(gòu)件的可靠性將不能保證比較一致的水平?？偘踩禂?shù)容許應(yīng)力法三系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法特點(diǎn)：明確提出了兩種極限狀態(tài)，采用三個(gè)系數(shù)來考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)

4、件的安全儲(chǔ)備問題，避免單一安全系數(shù)的缺陷。缺點(diǎn)： 材質(zhì)均勻系數(shù)概念重復(fù)。 強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)不是明確概率取值，而是取鋼的廢品限值，不符合概率方法。2022/9/12第11頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)10分，星期三缺點(diǎn)：各種載荷并不相同，各種構(gòu)件承受荷載的情 況也不一定相同，構(gòu)件的幾何尺寸變異并不完全一致，采用統(tǒng)一的安全系數(shù)顯然不可能獲得相同的安全度。以結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)為依據(jù)，多系數(shù)分析后用單一安全系數(shù)的容許應(yīng)力計(jì)算法以概率為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 把各種參數(shù)（載荷效應(yīng)、結(jié)構(gòu)抗力等）作隨機(jī)變量，運(yùn)用概率分析法并考慮變異性來確定設(shè)計(jì)采用值。 把概率分析引入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，顯然比容許應(yīng)力法先進(jìn)，標(biāo)志我

5、國(guó)在設(shè)計(jì)理論上前進(jìn)了一大步，邁入了國(guó)際先進(jìn)水平。2022/9/12第12頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)10分，星期三1.4.2 結(jié)構(gòu)概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法1. 基本概念結(jié)構(gòu)可靠度：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間（50年），規(guī)定的條件（正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用、正常維護(hù)）下，完成預(yù)定功能的概率。失效概率：結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定功能的概率。結(jié)構(gòu)的功能要求：安全性，適用性，耐久性。結(jié)構(gòu)作用：施加在結(jié)構(gòu)上的各種荷載及引起外加變形或約束變形的原因（如荷載、地震、基礎(chǔ)下沉、溫度變化、焊接等）作用：永久作用，可變作用，偶然作用作用效應(yīng)（S）:結(jié)構(gòu)作用引起結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的內(nèi)力（軸、彎、剪）和變形（撓度、轉(zhuǎn)角）。結(jié)構(gòu)抗力

6、（R）：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受作用效應(yīng)的能力。2022/9/12第13頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)10分，星期三（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，包括以下幾個(gè)方面：2. 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(qiáng)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)件或結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系；結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如壓屈等）。 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，這一特定狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)。2022/9/12第14頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，

7、23點(diǎn)10分，星期三（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(xiàng)規(guī)定值：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(dòng)；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(cái)產(chǎn)損失，而后者對(duì)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。2022/9/12第15頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)10分，星期三3.概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原理 設(shè)計(jì)基本原則：技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用、確保質(zhì)量。將各因素概括為兩個(gè)綜合隨機(jī)變量結(jié)構(gòu)的抗力R、作用效應(yīng)S。 0，結(jié)構(gòu)處于可靠狀

8、態(tài) 功能函數(shù) Z=R-S =0，結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài) 0，結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)失效概率（1.3.3）Z=R-S 稱為極限狀態(tài)方程。這樣，結(jié)構(gòu)可靠概率為 Ps=p(R-S)0且可靠度 Ps=1-Pf絕對(duì)可靠的結(jié)構(gòu)是不存在的，只要Pf達(dá)到人們可以接受的程度是安全的。2022/9/12第16頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)10分，星期三可靠指標(biāo)的引入結(jié)構(gòu)功能函數(shù) Z=R-S 由于S和R均為正態(tài)分布的隨機(jī)變量，其均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為s、s和 R、R。（1.3.7）設(shè)：（1.3.6）1z12z2可靠失效z1Z1z2Z2f(z)Z=R-SoPf2Pf1Z功能函數(shù)Z的概率密度曲線2022/9/12第17頁(yè)

9、，共25頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)10分，星期三b2.52.73.23.74.2Pf510-33.510-36.910-41.110-41.310-5表1.3.1 失效概率和可靠指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系 值越大，Pf 就越小。 可以作為衡量結(jié)構(gòu)可靠度的一個(gè)數(shù)量指 標(biāo)。 可靠度指標(biāo)表1.3.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)建承載力極限狀態(tài)的可靠指標(biāo)破壞類型安全等級(jí)一級(jí)二級(jí)三級(jí)延性破壞3.73.22.7脆性破壞4.23.73.2 建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)：一級(jí)； 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：50年； 設(shè)計(jì)使用年限：100年； 抗震設(shè)防分類：乙類； 抗震設(shè)防烈度：8度； 場(chǎng)地類別：類； 設(shè)計(jì)地震分組：第一組。鳥巢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特性2022/9/12第1

10、8頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)10分，星期三將 改寫為 若規(guī)定了，并有R、 S、R、 S，就可利用上式進(jìn)行設(shè)計(jì)或驗(yàn)算。一次二階矩的近似概率方法結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)結(jié)構(gòu)抗力2022/9/12第19頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)10分，星期三 GB50068-2001建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)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(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)。 為了便于應(yīng)用并符合人們長(zhǎng)期以來的習(xí)慣，規(guī)范并不直接使用進(jìn)行設(shè)計(jì)，而利用式: 來完成。就設(shè)計(jì)而言，問題被轉(zhuǎn)化為計(jì)算效應(yīng)S和抗力R。4.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表達(dá)

11、式2022/9/12第20頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)10分，星期三鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理 Design Principles of Steel Structure 在荷載效應(yīng)的基本組合條件下，式（）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。 可變荷載起控制作用時(shí)：永久荷載起控制作用時(shí)：1）承載能力極限狀態(tài)分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)式 對(duì)于一般排架和框架結(jié)構(gòu)：（）2022/9/12第21頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)10分，星期三（2）可變荷載的分項(xiàng)系數(shù) （gQ） -一般情況下應(yīng)取1.4； -對(duì)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

12、標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)取1.3。（1）永久荷載分項(xiàng)系數(shù) （gG）當(dāng)其效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí) -對(duì)可變荷載效應(yīng)控制的組合，應(yīng)取1.2; -對(duì)永久荷載效應(yīng)控制的組合，應(yīng)取1.35;當(dāng)其效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí) -一般情況下應(yīng)取1.0； -對(duì)結(jié)構(gòu)的傾覆、滑移或漂浮驗(yàn)算，應(yīng)取0.9。2022/9/12第22頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)10分，星期三fd 或f鋼材或連接材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。fk鋼材或連接材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。R鋼材或連接材料抗力分項(xiàng)系數(shù)，對(duì)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(qiáng)度設(shè)計(jì)值。（P3813頁(yè)，附錄1）2022/9/12第23頁(yè)，共25頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)10分，星期三 對(duì)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(jì)，并使變形等設(shè)計(jì)值不超過相應(yīng)的規(guī)定限值。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)只考慮荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合。Gk -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；Q1k起控制作用的第1個(gè)可變