第1章緒論(第一、二講)08

河南城建學(xué)院土木工程系結(jié)構(gòu)教研室鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理主講：張鋒劍4.了解桿件和板件穩(wěn)定的基本理論，理解影響穩(wěn)定性的主要因素及提高穩(wěn)定性的措施；3.掌握鋼結(jié)構(gòu)用鋼的主要性能及其主要影響因素，并能正確地選擇鋼材；2.理解“鋼結(jié)構(gòu)”的設(shè)計(jì)方法；1.了解鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展概況,掌握鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)；本課程的基本要求5.掌握各種連接（焊接、螺栓連接）和各類構(gòu)件(梁、柱和屋架)的工作性能、破壞特征及其設(shè)計(jì)的基本方法。6.理解構(gòu)件間的連接方法、力的傳遞方式和過程以及構(gòu)造原則；教學(xué)參考書及規(guī)范:鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理張耀春主編高等教育出版社鋼結(jié)構(gòu)（上下冊(cè)）陳紹蕃主編中國(guó)建筑工業(yè)出版社鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50017-2003）鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范（GB50205-2001)7.熟悉與土木工程相關(guān)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。陳紹蕃教授簡(jiǎn)介陳紹蕃，男，1919年2月生，浙江海鹽人，西安建筑科技大學(xué)資深教授。中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)第四、五屆理事，中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)理事，全國(guó)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)顧問委員。美國(guó)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定研究會(huì)終身會(huì)員。1943年重慶中央大學(xué)碩士。第一章緒論大綱要求1.

掌握鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍。2．理解鋼結(jié)構(gòu)按極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)方法，掌握其設(shè)計(jì)表達(dá)式的應(yīng)用。3．了解鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)的發(fā)展趨勢(shì)?！?.1鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展簡(jiǎn)史人類建筑發(fā)展土與木材石材磚瓦混凝土鋼材蘭津橋（中國(guó)公元65年）四川瀘定大渡河橋（中國(guó)公元1705年）湖北玉泉寺（中國(guó)公元1061年）美國(guó)金門大橋（公元1937年）§1.2鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍1.輕質(zhì)高強(qiáng);

由于鋼材強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)需要的構(gòu)件截面小,結(jié)構(gòu)自重輕。

a=容重/強(qiáng)度,a越小，結(jié)構(gòu)相對(duì)越輕。鋼材：a=1.7～3.7×10-4/m；

木材：a=5.4×10-4/m；鋼砼：a=18×10-4/m；一、鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)澳大利亞啤酒中心

2.鋼材的塑性和韌性好；塑性和韌性是概念上完全不同的兩個(gè)物理量。

塑性——承受靜力荷載時(shí)，材料吸收變形能的能力。塑性好，會(huì)使結(jié)構(gòu)一般情況下不會(huì)由于偶然超載而突然斷裂，給人以安全保證；

韌性——承受動(dòng)力荷載時(shí)，材料吸收能量的多少。

韌性好，說明材料具有良好的動(dòng)力工作性能。

3.鋼材具有良好的加工性能和焊接性能適合大規(guī)模機(jī)械化、工廠化加工和現(xiàn)場(chǎng)安裝拼接，既能保證質(zhì)量，也可以大大縮短工期。北京小湯山醫(yī)院（2003年）建筑面積：4000平米工期：6晝夜施工人員：2萬人接受病人：1061人4.鋼材具有良好的密封性能采用焊接連接的鋼板結(jié)構(gòu)，具有較好的水密性和氣密性，可用來制作壓力容器、管道等。壓力容器輸油管道5、鋼材可重復(fù)利用。6、鋼材耐熱性好，耐火性差;

當(dāng)結(jié)構(gòu)表面長(zhǎng)期受輻射熱達(dá)150℃以上或在短時(shí)間內(nèi)可能受到火焰作用時(shí)，須采用隔熱和防火措施。美國(guó)世貿(mào)大廈（撞擊前）美國(guó)世貿(mào)大廈（撞擊后）7、鋼材耐腐蝕性差。

埃菲爾鐵塔于1889年為巴黎世博會(huì)而建，每7年對(duì)高達(dá)324米、重達(dá)7300噸的埃菲爾鐵塔進(jìn)行重新粉刷，每次用油漆52噸，是鐵塔設(shè)計(jì)師居斯塔夫·埃菲爾遺囑中的一項(xiàng)要求。

二、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍1.大跨度結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)拱結(jié)構(gòu)橋梁天津體育場(chǎng)千年穹頂西班牙迪加航空港上海會(huì)展中心單層廠房多層工業(yè)廠房2.工業(yè)廠房金陵石化總廠工業(yè)廠房動(dòng)態(tài)演示3.承受動(dòng)力荷載及地震作用的結(jié)構(gòu)吊車梁動(dòng)態(tài)演示4.高層建筑與高聳結(jié)構(gòu)上海標(biāo)志性高聳建筑澳大利亞悉尼塔香港銀行5.道路、橋梁結(jié)構(gòu)澳大利亞悉尼橋6.水利、水工結(jié)構(gòu)海上石油平臺(tái)(1).波紋拱殼結(jié)構(gòu)7.輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)(2)門式剛架結(jié)構(gòu)(2)索膜結(jié)構(gòu)西安建筑科技大學(xué)網(wǎng)球場(chǎng)南京工業(yè)大學(xué)壘球場(chǎng)活動(dòng)車庫(kù)8.可拆卸、移動(dòng)房屋及移動(dòng)結(jié)構(gòu)9.構(gòu)筑物10.建筑小品§1.3鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法一、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的演變1.容許應(yīng)力方法

從20世紀(jì)初到20世紀(jì)5O年代，鋼結(jié)構(gòu)采用安全系數(shù)法設(shè)計(jì)，即:N--構(gòu)件截面的內(nèi)力；A--構(gòu)件截面幾何特征；f--鋼材的最大強(qiáng)度；k--大于1的安全系數(shù)；[σ]--鋼材的容許應(yīng)力。容許應(yīng)力方法存在缺陷加拿大魁北克大橋（1916年）加拿大魁北克大橋（現(xiàn)在）加拿大魁北克大橋（1907年）加拿大圣勞倫斯河

2.概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)的功能要求

再正常的施工和正常使用時(shí)，能承受可能出現(xiàn)的各種作用；在正常的使用時(shí)具有良好的工作性能；在正常維護(hù)下具有足夠的耐久性；在設(shè)計(jì)規(guī)定的偶然事件發(fā)生時(shí)及發(fā)生后，仍能夠保持必須的整體穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)的可靠度

結(jié)構(gòu)的可靠性——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；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)定功能的概率(1)極限狀態(tài)：當(dāng)結(jié)構(gòu)或其組成部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求時(shí)，此特定狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)。(2)極限狀態(tài)分為兩類：

b.正常使用極限狀態(tài):

包括：影響正常使用或外觀的變形、影響正常使用的振動(dòng)、影響正常使用的或耐久性的局部破壞等狀態(tài)。a.承載能力極限狀態(tài):

包括：強(qiáng)度破壞、疲勞破壞、不適于繼續(xù)承載的變形、失穩(wěn)、傾覆、變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系等狀態(tài)。

(3)根據(jù)應(yīng)用概率分析的程度不同，可分為三種水準(zhǔn)：

半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法;

近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法;

全概率設(shè)計(jì)方法。

a.半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法;1).三系數(shù)法（當(dāng)時(shí)稱為計(jì)算極限狀態(tài)法）:1957年至1973年我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用半概率的分項(xiàng)系數(shù)法,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入三個(gè)分項(xiàng)系數(shù)，即:

荷載分項(xiàng)系數(shù)--考慮荷載的不定性;

材料分項(xiàng)系數(shù)--考慮材料的不均性;

工作條件系數(shù)--考慮結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的工作特點(diǎn)以及某些假定的計(jì)算簡(jiǎn)圖與實(shí)際情況不完全相符等因素。2)半經(jīng)驗(yàn)半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法(容許應(yīng)力法）

N--構(gòu)件截面的內(nèi)力；

A--構(gòu)件截面幾何特征；

K1--荷載系數(shù)；

K2--材料系數(shù);K3--調(diào)整系數(shù)；

fyk--鋼材的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；

[σ]--鋼材容許應(yīng)力材料的幾種特征值：材料的平均值材料的標(biāo)準(zhǔn)值材料的設(shè)計(jì)值b、近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法（現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017－2003)）

結(jié)構(gòu)的工作性能可用結(jié)構(gòu)的“功能函數(shù)”來描述：

Z＝g（X1，X2，…，Xn）（1－3）

式中：

g（·）--結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)；

Xi(i＝1，2,…,n)--影響結(jié)構(gòu)可靠性的各物理量。

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，則公式（1-3）可以寫成：

Z＝g（R，S）＝R－S（1-4）在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中：

Z＞0表示結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；

Z＝0表示結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)

Z＜0表示結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)；判斷結(jié)構(gòu)是否可靠，要看結(jié)構(gòu)是否達(dá)到極限狀態(tài)，為此，通常將下式：

Z＝g(R，S)＝R－S＝0(1-5)

稱為極限狀態(tài)方程。結(jié)構(gòu)能完成預(yù)定功能的概率(可靠度)用Ps表示，則：Ps＝P{Z≥0}

（1-6）結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定功能的概率(失效概率)用Pf表示，則：Pf＝P{Z<0｝

（1-7）由于事件｛Z≥0｝與事件{Z＜0｝是對(duì)立事件，所以結(jié)

構(gòu)的可靠度與結(jié)構(gòu)的失效概率滿足:Ps＋Pf＝1

或

Ps＝1-Pf

（1-8）

因?yàn)镽和S都是隨機(jī)變量，且假定都服從正態(tài)分布，由概率論原理知功能函數(shù)Z=R-S也服從正態(tài)分布,則:f(z)PfμzZ的概率密度曲線Z=R-S

令：Z、R、S的平均值分別為

μz、μR、μs，標(biāo)準(zhǔn)差分別為σz、σR、σs，則:

因σz＞0，故：

f(z)μzZ的概率密度曲線PfZ=R-S因服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，故上式又可寫成：式中:φ(·)--標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)函數(shù)；φ-1(·)--標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)函數(shù)的反函數(shù)。從圖中可以看出β與失效概率Pf間存在著一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,即:1).β減小時(shí)，陰影部分的面積增大，即失效概率Pf增大；

2).β增大時(shí)，陰影部分的面積減少，亦即失效概率Pf減小。說明β可以作為衡量結(jié)構(gòu)可靠度的一個(gè)數(shù)量指標(biāo)。β—可靠度指標(biāo)f(z)μzZ的概率密度曲線PfZ=R-S標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布時(shí)與的對(duì)應(yīng)值

4.03.17X10-53.71.08X10-43.26.87X10-41.35X10-33.0

β的計(jì)算:

將式(1-10)、(1-11)代入β的定義式得：

c.全概率設(shè)計(jì)法對(duì)結(jié)構(gòu)的各種基本變量均采用隨機(jī)變量或隨機(jī)過程來描述，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的概率分析，求得結(jié)構(gòu)最優(yōu)失效概率作為結(jié)構(gòu)可靠度的直接度量。三、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表達(dá)式

a.采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法(疲勞問題除外)，用分項(xiàng)系數(shù)的表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算；

b.結(jié)構(gòu)的可靠度用可靠度指標(biāo)來度量，并以分項(xiàng)系數(shù)的形式考慮。

（一）按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮荷載效應(yīng)的基本組合或偶然組合進(jìn)行荷載（效應(yīng)）組合，采用下列表達(dá)式設(shè)計(jì)：式中：γo--結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；

S--荷載效應(yīng)（組合）的設(shè)計(jì)值；

R--鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接材料抗力的設(shè)計(jì)值。

荷載效應(yīng)組合如下：2.由永久荷載效應(yīng)控制的組合：3.荷載分項(xiàng)系數(shù)取值見教材P101.由可變荷載效應(yīng)控制的組合：

對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)這種單一材料，可以將荷載效應(yīng)表達(dá)式用應(yīng)力形式表示?？勺兒奢d起控制作用時(shí)：永久荷載起控制作用時(shí)：式中：4、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式--鋼材或連接材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。--鋼材或連接材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。--鋼材或連接材料抗力分項(xiàng)系數(shù)，對(duì)于Q235鋼γR=1.087;Q345、Q390、Q420鋼γR=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。(二)正常使用極限狀態(tài)1.

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，并使變形等不超過相應(yīng)的規(guī)定限值。νGk--永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值；νQ1k--第1個(gè)可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值（該值使計(jì)算結(jié)果為最大）；

νQik--其他第i個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值。

[ν]--結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的容許變形值。(315頁(yè)附錄2)

2.

對(duì)于受壓、受拉構(gòu)件，規(guī)范規(guī)定應(yīng)限制其長(zhǎng)細(xì)比，即:

λ≤[λ](1-24）式中：λ--受壓、受拉構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)細(xì)比；

[λ]--規(guī)范規(guī)定的受拉、受壓構(gòu)件容許長(zhǎng)細(xì)比，按規(guī)范采用。5、鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析方法（1）一階彈性分析方法建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力一般按結(jié)構(gòu)靜力學(xué)的方法進(jìn)行分析。分析時(shí)力的平衡條件按變形前的結(jié)構(gòu)桿件軸線建立，即不考慮結(jié)構(gòu)變形