鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法第一節(jié)概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法第二節(jié)概率極限設(shè)計(jì)法的設(shè)計(jì)表達(dá)式第三節(jié)鋼材的疲勞和疲勞計(jì)算

第一節(jié)概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范《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)的可靠度應(yīng)采用以概率論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法分析確定。鋼結(jié)構(gòu)和其他建筑結(jié)構(gòu)一樣，遵循“統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)”要求，采用的也是以概率論為基礎(chǔ)，用分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。通過(guò)學(xué)習(xí)應(yīng)掌握以下概念：結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)；結(jié)構(gòu)的基本功能要求；結(jié)構(gòu)的可靠度；荷載及強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值與設(shè)計(jì)值。1建筑結(jié)構(gòu)的功能要求和可靠度建筑結(jié)構(gòu)的功能要求安全性—結(jié)構(gòu)能承受在正常施工和正常使用時(shí)可能出現(xiàn)的各種作用和在設(shè)計(jì)規(guī)定的偶然事件發(fā)生時(shí)及發(fā)生后仍能保持必須的整體穩(wěn)定性。適用性—在正常使用時(shí)具有良好的工作性能，如不產(chǎn)生影響正常使用的過(guò)大變形。耐久性—結(jié)構(gòu)在正常維護(hù)下具有足夠的耐久性能，如不產(chǎn)生影響結(jié)構(gòu)預(yù)期使用壽命的嚴(yán)重銹蝕等。結(jié)構(gòu)的可靠性和可靠度結(jié)構(gòu)的可靠性—是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)（設(shè)計(jì)使用年限），在規(guī)定的條件(常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用）下完成預(yù)定功能（安全性、適用性、耐久性）的能力。結(jié)構(gòu)的可靠度—是指結(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。2、結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)1）承載力極限狀態(tài)承載力極限狀態(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。傾覆、強(qiáng)度破壞、疲勞破壞、喪失穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系或出現(xiàn)過(guò)度的塑性變形。2）正常使用極限狀態(tài)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的某項(xiàng)規(guī)定值。出現(xiàn)影響正常使用的變形、振動(dòng)和局部破壞。3、結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)分析設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)需要處理兩方面的因素結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的抗力R—取決于材料性能和結(jié)構(gòu)幾何特征荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng)S—取決于荷載在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的內(nèi)力的總和

R、S都是隨機(jī)的變量，應(yīng)按它們各自的統(tǒng)計(jì)數(shù)值應(yīng)用概率理論來(lái)分析。概率極限狀態(tài)法

R、S概率運(yùn)算函數(shù)可靠度Z=g(R、S)，Z有三種可能：Z=R-S＞0結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)Z=R-S=0結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)Z=R-S＜0結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)結(jié)構(gòu)的可靠度定義為：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?？煽康慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指失效概率小到可以接受的程度，但并不意味著結(jié)構(gòu)絕對(duì)可靠。第二節(jié)概率極限設(shè)計(jì)法的設(shè)計(jì)表達(dá)式鋼結(jié)構(gòu)除疲勞計(jì)算外，采用以概率理論為基礎(chǔ)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，用分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算。規(guī)范把結(jié)構(gòu)構(gòu)件極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)為如下形式：1承載能力極限狀態(tài)：承載能力極限狀態(tài)一般按荷載效應(yīng)的基本組合情況分別計(jì)算：①由可變荷載效應(yīng)控制的組合：（3—1）②由永久荷載效應(yīng)控制的組合（3—2）對(duì)于一般的排架、框架結(jié)構(gòu)，可采用下列簡(jiǎn)化的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式：

(3—3)式中：——結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)：一級(jí)（使用年限100年及以上的結(jié)構(gòu)）≥1.1

二級(jí)（使用年限50年及以上的結(jié)構(gòu)）≥1.0

三級(jí)（使用年限5年及以上的結(jié)構(gòu)）≥0.92正常使用極限狀態(tài)（控制變形和撓度）按標(biāo)準(zhǔn)荷載組合計(jì)算設(shè)計(jì)表達(dá)式：3、鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值第三節(jié)鋼材的疲勞1鋼結(jié)構(gòu)的疲勞—是微觀裂紋在連續(xù)重復(fù)荷載作用下不斷開(kāi)展，直至最后斷裂的脆性破壞。疲勞斷裂經(jīng)歷三個(gè)階段，裂紋的形成、裂紋的緩慢擴(kuò)展和最后迅速斷裂。2影響疲勞強(qiáng)度的主要因素⑴微觀裂紋和應(yīng)力集中：鋼材在生產(chǎn)和結(jié)構(gòu)制造等過(guò)程，不可避免會(huì)在結(jié)構(gòu)某些部位存在局部微小缺陷，類似于微裂紋的作用，在重復(fù)連續(xù)荷載作用下，引起應(yīng)力集中，裂紋逐漸擴(kuò)展，當(dāng)重復(fù)荷載達(dá)到一定循環(huán)次數(shù)時(shí)，最終發(fā)生脆性斷裂。⑵應(yīng)力幅的影響⑶應(yīng)力比的影響⑷應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)的影響3疲勞的兩種類型常幅疲勞——常幅交變荷載引起——常幅循環(huán)應(yīng)力（簡(jiǎn)稱循環(huán)應(yīng)力）變幅疲勞——變幅交變荷載——變幅循環(huán)應(yīng)力（簡(jiǎn)稱變幅應(yīng)力1)

常幅疲勞應(yīng)力循環(huán)特征（應(yīng)力比ρ）

按絕對(duì)值計(jì)算的最小應(yīng)力和最大應(yīng)力之比（拉應(yīng)力取正值，壓應(yīng)力取負(fù)值）ρ＝-1完全對(duì)稱循環(huán)ρ＝0脈沖循環(huán)ρ＝-1～0不完全對(duì)稱循環(huán)（以拉應(yīng)力為主或以壓應(yīng)力為主）影響扎制鋼材與非焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的因素：最大應(yīng)力、應(yīng)力比、循環(huán)次數(shù)、缺口效應(yīng)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度

與非焊接結(jié)構(gòu)存在根本差別的原因：由于焊接加熱及隨后的冷卻，在焊縫及其附近產(chǎn)生殘余應(yīng)力，使該部位形成和發(fā)展疲勞裂紋最為敏感的區(qū)域焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度與名義應(yīng)力和應(yīng)力比無(wú)關(guān)而與應(yīng)力幅Δσ有關(guān)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)焊接部位的常幅疲勞驗(yàn)算：常幅疲勞驗(yàn)算：（3.7）（3.8）公式3.8中八類構(gòu)件和連接形式的[Δσ]－N曲線參數(shù)β、C的確定對(duì)焊接結(jié)構(gòu)非焊接部位及非焊接結(jié)構(gòu)的常幅疲勞驗(yàn)算：[Δσ]取σ0下限值k由試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)取0.7（3.10）吊車梁是鋼結(jié)構(gòu)中變幅疲勞工作的典型構(gòu)件令Δσe＝αfΔσmax

（αf－變幅荷載的欠載效應(yīng)系數(shù)）規(guī)范給出了2×106循環(huán)次數(shù)的αf重級(jí)工作制硬鉤吊車αf＝1.0重級(jí)工作制吊車αf＝0.8中級(jí)工作制吊車αf＝0.5吊車梁疲勞驗(yàn)算以常幅疲勞方式驗(yàn)算：吊車梁變幅疲勞驗(yàn)算（3.15）疲勞強(qiáng)度計(jì)算注意事項(xiàng)1.疲勞驗(yàn)算用容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法，疲勞強(qiáng)度按容許應(yīng)力幅計(jì)算，荷載采用標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮荷載