鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

第3章

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法鋼結(jié)構(gòu)-原理與設(shè)計(jì)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，即平安性,適用性，耐久性。平安性：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

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法建筑物的基準(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)期的根本期限； 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，特殊建筑物可以除外；鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的變遷1957年以前：采用總平安系數(shù)的容許應(yīng)力計(jì)算法；1957～1974：采用三個(gè)系數(shù)的極限狀態(tài)計(jì)算法；1974～1989：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～：采用以概率論為根底的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。2023/7/10缺點(diǎn)：平安系數(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?？偲桨蚕禂?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)件的平安儲(chǔ)藏問題，防止單一平安系數(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。2023/7/10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)一的平安系數(shù)顯然不可能獲得相同的平安度。以結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)為依據(jù)，多系數(shù)分析后用單一平安系數(shù)的容許應(yīng)力計(jì)算法以概率為根底的極限狀態(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。2023/7/101.4.2結(jié)構(gòu)概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法1.根本概念結(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：平安性，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、根底下沉、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〔R〕：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受作用效應(yīng)的能力。2023/7/10〔1〕承載能力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件到達(dá)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)的一局部作為剛體失去平衡〔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)的一局部超過某一特定狀態(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)。2023/7/10〔2〕正常使用極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件到達(dá)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)生命的危害那么較小，主要是引起人們的不適，所以也應(yīng)該給予足夠的重視。2023/7/103.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到達(dá)人們可以接受的程度是平安的。2023/7/10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2023/7/10b2.52.73.23.74.2Pf5×10-33.5×10-36.9×10-41.1×10-41.3×10-5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)?！煽慷戎笜?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：Ⅲ類；設(shè)計(jì)地震分組：第一組。鳥巢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特性2023/7/10將改寫為假設(shè)規(guī)定了，并有μR、μS、σR、σS，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2023/7/10GB50068-2001?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，標(biāo)準(zhǔn)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)式2023/7/10鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理DesignPrinciplesofSteelStructure在荷載效應(yīng)的根本組合條件下，式〔〕可轉(zhuǎn)化為等效的以根本變量標(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?？勺兒奢d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)：〔〕2023/7/10〔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。2023/7/10fd

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)標(biāo)準(zhǔn)給出了各類鋼材和連接的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。〔P381－3頁，附錄1〕2023/7/10

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。υGk--永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值在