第一章--2设计方法

1第一章第一章绪论绪论第一节钢结构的特点和应用第二节钢结构的设计方法一、结构设计的原则二、结构设计的方法三、用分项系数表示的极限状态四、钢结构设计过程2第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法11、、目标目标承受承受各种各种作用，满足作用，满足功能功能要求：要求：安全性：安全性：承受作用，保持稳定，不倒塌承受作用，保持稳定，不倒塌;;适用性：适用性：工作性能良好，满足使用要求工作性能良好，满足使用要求;;耐久性：耐久性：随时间仍能满足使用要求。随时间仍能满足使用要求。一、结构设计的原则3（（11））使结构产生使结构产生效应效应（作用效应（作用效应))的各种原因的总的各种原因的总称称,,属于属于外部因素外部因素22、作用、作用（（22））直接作用直接作用→→荷载荷载（（永久、可变、偶然）永久、可变、偶然）恒载恒载((G)G)，，活载活载((Q)Q)，，风载风载((W)W)静载，动载静载，动载--《《建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范》》（（B50009B50009--2001)2001)间接作用间接作用→→温度温度,,沉降，地震沉降，地震等等永久作用永久作用，，可变作用可变作用，，偶然作用偶然作用（（33））作用效应作用效应（（SS））：作用引起的：作用引起的内力内力和和应力、位应力、位移、应变、裂缝等。移、应变、裂缝等。存在变异性，是存在变异性，是随机变量。随机变量。第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法433、抗力、抗力（（RR））（（11））结构结构或或构件构件承受承受作用作用效应（内力和变形等）效应（内力和变形等）的的能力能力，属于，属于结构结构自身的自身的特性特性。。如：构件的承载力、刚度如：构件的承载力、刚度（（22）抗力）抗力与与结构结构形式形式、、几何参数几何参数、、材料材料性能性能((强强度、弹性模量度、弹性模量))有关有关。。也存在变异性，是也存在变异性，是随机变量随机变量第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法5（（11））设计基准期设计基准期：：一般一般5050年年，也有，也有100100年、年、2525和和55年年（（22）结构安全等级（结构重要性）：）结构安全等级（结构重要性）：三级三级（（33）满足功能要求：）满足功能要求：安全性安全性((SRSR))，，适用性，耐久性适用性，耐久性44、功能、功能第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法622、容许应力设计法（、容许应力设计法（TJ17TJ17--7474，，AISCAISC--ASDASD，现行的桥，现行的桥梁规范梁规范ALLOWABLESTRESSDESIGNALLOWABLESTRESSDESIGN））33、极限状态设计法（、极限状态设计法（GB50017GB50017--2003,AISC2003,AISC--LRFD,LRFD,EuroCode3EuroCode3））LOADANDRESISTANCEFACTORLOADANDRESISTANCEFACTORDESIGNDESIGN——结构结构//构件验算方法构件验算方法第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法二、结构设计方法11、最大荷载法、最大荷载法711、最大荷载法（了解）、最大荷载法（了解）第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法K’1称为安全系数，最大荷载法要求用试验的方法确定最大抗力R，当构件或结构的尺寸较大时，R的确定困难，这使该方法的使用受到很大的限制。RSK≤⋅′最大荷载法是针对某一具体构件的。设该构件的最大抗力为R，荷载效应为S，为保证结构安全性应822、容许应力设计法、容许应力设计法非确定性问题的确定性解法，形式简单、应用方便非确定性问题的确定性解法，形式简单、应用方便第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法从从2020世纪初到世纪初到2020世纪世纪5050年代，钢结构采用安全系年代，钢结构采用安全系数法设计，即数法设计，即::][σ=≤kfANN--构件截面的内力构件截面的内力；A--构件截面几何特征构件截面几何特征；f--钢材的最大强度钢材的最大强度；k--大于大于11的安全系数，的安全系数，钢结钢结构取构取1.4~1.71.4~1.7；[σ]--钢材的容许应力钢材的容许应力。922、容许应力设计法、容许应力设计法任何结构无论设计怎样保守，都有失效概率；从任何结构无论设计怎样保守，都有失效概率；从结构安全度的角度出发，没有结构安全度的角度出发，没有100100％安全的结构，％安全的结构，安全系数安全系数KK＝＝1.71.7（或（或KK=1.4=1.4））是什么含义？是什么含义？140140％％的安全度？的安全度？容许应力法有何容许应力法有何缺点缺点？？11））““安全系数安全系数””含义不严谨含义不严谨第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法1022）无法区别荷载性质）无法区别荷载性质一般地讲，动载（可变荷载）比恒载（永久恒一般地讲，动载（可变荷载）比恒载（永久恒载）的变异性大，式中无法区别，即用该法设计钢载）的变异性大，式中无法区别，即用该法设计钢结构，无论动载还是恒载，只要按荷载图式确定的结构，无论动载还是恒载，只要按荷载图式确定的内力相等，设计出的构件截面就相等内力相等，设计出的构件截面就相等44）无法区别结构的重要性）无法区别结构的重要性只要内力相等，无论结构重要性如何，该法给出只要内力相等，无论结构重要性如何，该法给出同样的截面设计。同样的截面设计。33）不区别材料性能）不区别材料性能对同一种钢材，钢板越薄，型钢尺寸越小，对同一种钢材，钢板越薄，型钢尺寸越小，钢材的力学性能就越好。钢材的力学性能就越好。第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法1133、极限状态设计法、极限状态设计法《《建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准》》GB50068GB50068--20012001若结构或结构的某一部分超过某一若结构或结构的某一部分超过某一特定状态特定状态后，就后，就不能满足某一规定功能要求，则此特定状态称为该功能不能满足某一规定功能要求，则此特定状态称为该功能的极限状态。的极限状态。极限状态极限状态是与是与结构特定功能结构特定功能对应的。对应的。11）结构极限状态的基本概念）结构极限状态的基本概念考虑基本变量概论分布类型的一次二阶矩概率极限状考虑基本变量概论分布类型的一次二阶矩概率极限状态设计法态设计法第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法1222）两种极限状态）两种极限状态作用作用、作用效应、作用效应SS抗力抗力RR33）基本）基本随机变量随机变量第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法a.承载能力极限状态:包括：强度破坏、疲劳破坏、不适于继续承载的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。b.正常使用极限状态:包括：影响正常使用或外观的变形、影响正常使用的振动、影响正常使用的或耐久性的局部破坏等状态。134)根据应用概率分析的程度不同，可分为三种水准：半概率极限状态设计方法;近似概率极限状态设计方法;全概率设计方法。a.半概率极限状态设计方法;（1).三系数法（当时称为计算极限状态法）:1957年至1973年我国钢结构设计采用半概率的分项系数法,结构设计中引入三个分项系数，即:荷载分项系数--考虑荷载的不定性;材料分项系数--考虑材料的不均性;工作条件系数--考虑结构及构件的工作特点以及某些假定的计算简图与实际情况不完全相符等因素。14][321σ＝KfKKKfANykyk=≤N--构件截面的内力；A--构件截面几何特征；K1--荷载系数；K2--材料系数;K3--调整系数；fyk--钢材的屈服强度标准值；[σ]--钢材容许应力（2)半经验半概率极限状态设计法(改进容许应力法）15b、近似概率极限状态设计法（现行钢结构设计规范(GB50017－2003)）结构的工作性能可用结构的“功能函数”来描述：Z＝g（X1，X2，…，Xn）式中：g（·）--结构的功能函数；Xi(i＝1，2,…,n)--影响结构可靠性的各物理量。16将各因素概括为两个综合随机变量--结构的抗力R、作用效应S则上式可以写成：Z＝g（R，S）＝R－S（随机变量，表示一种结构功能）（随机变量，表示一种结构功能）在实际工程结构中，可能出现下列三种情况：Z＞0表示结构处于可靠状态；Z＝0表示结构处于极限状态Z＜0表示结构处于失效状态；判断结构是否可靠，要看结构是否达到极限状态，Z＝g(R，S)＝R－S＝0称为极限状态方程。1718结构能完成预定功能的概率(可靠度)用Ps表示，则：Ps＝P{Z≥0}结构不能完成预定功能的概率(失效概率)用Pf表示，则：Pf＝P{Z0｝由于事件｛Z≥0｝与事件{Z＜0｝是对立事件，所以结构的可靠度与结构的失效概率满足:Ps＋Pf＝1或Ps＝1-Pf19因为R和S都是随机变量，且假定都服从正态分布，由概率论原理知功能函数Z=R-S也服从正态分布,则:∫∞−==0)()0(dZZfZPPff(z)PfμzZ的概率密度曲线Z=R-SZβσ22SRZSRZσσσμμμ+=−=令：Z、R、S的平均值分别为μz、μR、μs，标准差分别为σz、σR、σs，则:20因σz＞0，故：f(z)μzZ的概率密度曲线PfZβσZ=R-S}{}0{}0{ZZZZfZffZPZPZPσμσμσ−−==)1(1fP−=−φβZZZσμ−因服从标准正态分布，故上式又可写成：式中:φ(·)--标准正态函数；φ-1(·)--标准正态函数的反函数。}{}0{βσμσμβ−−==ZZffZZZPZP则：令：则：则：()()ββΦ−=−Φ=1fP21•从图中可以看出β与失效概率Pf间存在着一一对应关系,即:1).β减小时，阴影部分的面积增大，即失效概率Pf增大；2).β增大时，阴影部分的面积减少，亦即失效概率Pf减小。•说明β可以作为衡量结构可靠度的一个数量指标。β—可靠度指标f(z)μzZ的概率密度曲线PfZβσZ=R-S22ββfP标准正态分布时与的对应值pf4.03.17X10-53.71.08X10-43.26.87X10-41.35X10-33.0β的计算:由β的定义式得：σ＋－＝22SRsRZZσμμσμβ=目标可靠指标目标可靠指标，，校准法校准法二阶矩设计法公式二阶矩设计法公式22ssRZσσβμμ++≥23c.全概率设计法对结构的各种基本变量均采用随机变量或随机过程来描述，对结构进行精确的概率分析，求得结构最优失效概率作为结构可靠度的直接度量。2466）结构安全等级）结构安全等级按结构重要性分三级（一级、二级、三级）按结构重要性分三级（一级、二级、三级）一般工业与民用建筑钢结构的安全等级为二级，特一般工业与民用建筑钢结构的安全等级为二级，特殊另定。殊另定。结构安全等级与结构安全等级与可靠度指标可靠度指标ββ和和失效概率失效概率PPff的关系的关系3.2(6.87x103.2(6.87x10--44))3.7(1.08x103.7(1.08x10--44))4.2(1.34x104.2(1.34x10--55))脆性破坏脆性破坏2.7(3.47x102.7(3.47x10--33))3.2(6.87x103.2(6.87x10--44))3.7(1.08x103.7(1.08x10--44))延性破坏延性破坏三级三级二级二级一级一级安全等级安全等级破坏破坏类型类型第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法25荷载的标准值荷载的标准值：结构在正常情况下比较可能出现的最大荷：结构在正常情况下比较可能出现的最大荷载，按设计基准期最大荷载概论分布的某一分位值确定。载，按设计基准期最大荷载概论分布的某一分位值确定。11、、统计变量统计变量：：恒载恒载SSGG==γγGGSSGkGk；；活载活载SSQQ==γγQQSSQkQk；；抗力抗力RR==RRkk//γγRR荷载的设计值荷载的设计值：荷载代表值与荷载：荷载代表值与荷载分项系数分项系数的乘积的乘积。。抗力的标准值、抗力的设计值抗力的标准值、抗力的设计值第