鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法一、工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法經(jīng)歷了經(jīng)驗(yàn)定值設(shè)計(jì)法、半經(jīng)驗(yàn)半概率設(shè)計(jì)法和概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法三個(gè)階段。目前國(guó)際上關(guān)于工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)普遍采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。我國(guó)也是以概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。所謂以概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就是以結(jié)構(gòu)概率可靠度為基礎(chǔ)，以確定荷載和確定結(jié)構(gòu)抗力為形式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)方法既方便，又具有明確的概率可靠度意義。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法（疲勞計(jì)算除外）。二、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法對(duì)于承重結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，有以下兩種極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法：1.承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法定義：對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或達(dá)到不適于繼續(xù)承載的最大塑性變形。當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時(shí)，即認(rèn)為超過(guò)了承載能力極限狀態(tài)：（1）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)；（2）結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因材料強(qiáng)度被超過(guò)而破壞(包括疲勞破壞)，或因過(guò)度的塑性變形而不適于繼續(xù)承載；（3）結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系；（4）結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定(如壓屈等）。2.正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法定義：對(duì)應(yīng)于結(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)定限值的情況。當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時(shí)，即認(rèn)為超過(guò)了正常使用極限狀態(tài)：（1）影響正常使用或外觀的變形；（2）影響正常使用或耐久性能的局部損壞(包括裂縫)；（3）影響正常使用的振動(dòng)；（4）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。三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須足夠可靠、經(jīng)濟(jì)合理。下面述說(shuō)一下可靠度應(yīng)滿足的功能要求：可靠是指結(jié)構(gòu)必須滿足下列各項(xiàng)功能要求：（1）能承受在正常施工和正常使用時(shí)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能；（4）在偶然事件發(fā)生時(shí)及發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性，不致倒塌。上述四項(xiàng)功能可以概括為結(jié)構(gòu)應(yīng)具有安全性、適用性、耐久性，或統(tǒng)稱(chēng)為結(jié)構(gòu)的可靠性。四、幾個(gè)非常重要的概念1.可靠性（reliability）：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。規(guī)定時(shí)間：一般指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，一般結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，橋梁工程的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期（designreferenceperiod）：為了確定可變作用及與時(shí)間有關(guān)的材料性能等取值而選用的時(shí)間參數(shù)。設(shè)計(jì)使用期與設(shè)計(jì)使用壽命的關(guān)系：當(dāng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限超過(guò)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期時(shí)，表明它的失效概率可能會(huì)增大，但并不等于結(jié)構(gòu)喪失所要求的功能甚至報(bào)廢。規(guī)定條件：指正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用條件，不考慮人為或過(guò)失因素。2.結(jié)構(gòu)的功能要求安全適用耐久3.可靠性可靠度可靠概率失效概率4.結(jié)構(gòu)上的作用使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生效應(yīng)(M、N、V、T、σ、τ、ε、f、θ)的各種因素的總和。5.作用效應(yīng)(S)結(jié)構(gòu)上的作用引起結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的內(nèi)力和變形。S=CQ6.結(jié)構(gòu)抗力（R）結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受內(nèi)力和變形的能力R=f(σ、E、A、I)的函數(shù)。五、必須要注意的問(wèn)題有：（1）正常使用極限狀態(tài)下應(yīng)采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值（2）承載力極限狀態(tài)下應(yīng)采用荷載設(shè)計(jì)值（3）二者之間關(guān)系：荷載設(shè)計(jì)值=荷載標(biāo)準(zhǔn)值×荷載分項(xiàng)系數(shù)六、鋼材的兩種疲勞破壞：鋼材在連續(xù)交變荷載作用下，會(huì)逐漸累積損傷、產(chǎn)生裂紋及裂紋逐漸擴(kuò)展，直到最后破壞，此現(xiàn)象稱(chēng)為疲勞（fatigue）。按照斷裂壽命和應(yīng)力高低的不同，疲勞分為高周疲勞（high-cycle

fatigue）和低周疲勞（low-cycle

fatigue）兩類(lèi)。高周疲勞的斷裂壽命較長(zhǎng)，斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n≥5×104，斷裂應(yīng)力水平較低，因此也稱(chēng)低應(yīng)力疲勞或疲勞，一般常見(jiàn)的疲勞多屬于這類(lèi)。低周疲勞的斷裂壽命較短，破壞前的循環(huán)次數(shù)n＝102～5×104，斷裂應(yīng)力水平較高，伴有塑性應(yīng)變發(fā)生，因此也稱(chēng)為應(yīng)變疲勞或高應(yīng)力疲勞。對(duì)于鋼材的疲勞破壞，有以下總結(jié)：1、承受動(dòng)力荷載重復(fù)作用的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其連接，當(dāng)應(yīng)力變化的循環(huán)次數(shù)N≥5×104次時(shí)，應(yīng)進(jìn)行疲勞計(jì)算。2、在應(yīng)力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位，可不計(jì)算疲勞。根據(jù)應(yīng)力幅概念，不論應(yīng)力循環(huán)是拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力，只要應(yīng)力幅超過(guò)容許值就會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋。但由于裂紋形成的同時(shí)，殘余應(yīng)力自行釋放，在完全壓應(yīng)力(不出現(xiàn)拉應(yīng)力)循環(huán)中，裂紋不會(huì)繼續(xù)發(fā)展，故規(guī)范規(guī)定此種情況可不于驗(yàn)算。3、計(jì)算疲勞時(shí)，應(yīng)采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)和動(dòng)力系數(shù)，而且應(yīng)力按彈性工作計(jì)算。4、根據(jù)試驗(yàn)，不同鋼種的不同靜力強(qiáng)度對(duì)焊接部位的疲勞強(qiáng)度無(wú)顯著影響?？烧J(rèn)為，疲勞容許應(yīng)力幅與鋼種無(wú)關(guān)。七、一些重要的概念1、作用（action）：施加在結(jié)構(gòu)上的一種分布力或集中力，或引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因。前者亦稱(chēng)為直接作用，俗稱(chēng)荷載（自重，車(chē)輛荷載、人群荷載等）；后者亦稱(chēng)為間接作用（溫度變化、基礎(chǔ)沉降焊接、地震等）。2、永久作用（permanentaction）：在結(jié)構(gòu)使用期間，其量值不隨時(shí)間而變化，或其變化值與平均值相比可以忽略不計(jì)的作用。（自重、土壓力、預(yù)加應(yīng)力等）亦稱(chēng)靜載。3、可變作用（variableaction）：在結(jié)構(gòu)使用期間，其量值隨時(shí)間而變化，或其變化值與平均值相比不可忽略不計(jì)的作用。（車(chē)輛荷載、人群荷載、風(fēng)荷載和雪荷載等），亦稱(chēng)活載。4、偶然作用（accidentalaction）：在結(jié)構(gòu)使用期出現(xiàn)的概率很小，一旦出現(xiàn)，其值很大且持續(xù)時(shí)間很短的作用。（地震、撞擊力、爆炸力等）5、作用的代表值(representativevalueofanaction)：結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)不同設(shè)計(jì)目的所采用的各種作用規(guī)定值，它包括作用標(biāo)準(zhǔn)值、準(zhǔn)永久值和頻遇值。6、作用標(biāo)準(zhǔn)值(characteristicvalueofanaction)：結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，采用的各種作用的基本代表值，其值可根據(jù)作用在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)最大值概率分布的某一分位值確定。7、作用頻遇值(frequentvalueofanaction)：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件按正常使用極限狀態(tài)短期效應(yīng)組合進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用的另一種可變作用代表值。其值可根據(jù)在足夠長(zhǎng)期觀測(cè)內(nèi)作用任意時(shí)點(diǎn)概率分布的0.95分位值確定。8、作用準(zhǔn)永久值(quasi-permanentvalueofanaction)：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件按正常使用極限狀態(tài)長(zhǎng)期效應(yīng)組合進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用的