钢结构设计方法--童根树解析

钢结构设计方法－总论浙江大学建筑工程学院童根树教授2006-11所谓的设计方法，由三个层次构成（1）第一层次是指安全度的考虑，荷载组合（2）第二层次的方法是内力分析方法（3）第三层次的方法是指具体A截面和连接的强度设计计算B构件的设计(稳定性设计计算）C挠度的控制D侧移的验算E疲劳验算一、安全度的考虑以概率理论为基础的极限状态设计法，实际上是75％概率。74年规范是半概率，50％更加确切的定义是荷载和抗力分项系数设计法，Load&ResistanceFactoredDesign(LRFD)或分项安全系数法：荷载和抗力两部分离散性大的荷载系数大：1.2，1.4离散性大的抗力系数大：钢Q235:1.087，钢Q345,Q420:1.10，混凝土1.40荷载组合有(低层)11.35Dead+0.7x(1.4Live)21.2Dead+1.4Live31.2D+1.4L+0.6x1.4Wind41.2D+1.4x0.7（或0.9)L+1.4W51.2(D+0.5L)+1.3E+(0.2x1.4W,60m以上)6D+0.5L+1.3E＋1.3E+(0.2x1.4W,60m以上)7(0.9or1.0)D＋1.4W总共有14种。但是还有一些允许的活荷载折减，在内力组合过程中要加以实现8某些构件和节点需要以下组合(D+0.5L)+3E中震弹性要求荷载组合有(高层)11.35D+0.7x(1.4L)21.2D+1.4L(允许按照层数的折减)31.2D+1.4L（允许按照层数的折减)+1.4W41.2(D+0.5L)+1.3E+(0.2x1.4W)5D+1.4W(基础拉力，倾覆）6（0.9)(D+0.5L)+1.3E（基础拉力1，倾覆0.9)7某些构件和节点需要以下组合(D+0.5L)+3E中震弹性的要求二、现在出现的第二层次的分析方法有1几何线性、弹性分析法－－理想化的结构2几何线性、弹性分析法中考虑P-Δ效应（近似的二阶弹性分析,必须考虑缺陷，引入假想水平力等效地考虑，也可以考虑初始倾斜）3几何非线性、弹性分析（精确的二阶分析，一个柱子要划分2～4个单元，必须考虑缺陷，可以等效地考虑)4几何非线性、弹塑性分析（方法变化很多，有集中塑性铰法，每根构件2～4个单元，有考虑塑性铰是逐步形成的，而且有一定的长度，称为塑性区法的。塑性区法的单元不能少于4个。要考虑初始缺陷)ABCD(a)变形前（b）变形后图14.4块体承受水平分布力的平衡几何线性－－平衡条件建立在未变形的基础上几何非线性－－平衡条件建立在变形后的基础上真正的平衡是建立在变形后的平衡：121+1+2+1-1-1+1+1-1+1-1()=()这是设计规范向二阶分析方法发展的重要原因真正的平衡是变形发生以后的平衡弹性，弹塑性，残余应力的因素，使得任何结构都不是在弹性阶段工作的10200100200300400500钢材σ-ε曲线fyfuσ(N/mm2)ε(%)1afyba=0.125ha=0.075hh1y-0.25f4311ay3-0.25f24a2ay-0.25fyyf1a=0.075bfa=0.125b钢材的应力应变关系焊接工字形截面的残余应力h/b1.2:=0.3fh/b1.2:=0.5fbhrryyrrrrrrfyhfy3.0tyh-0.29fyyf3.0tfy-0.29f1.5t1.5th/t=20热轧工字形截面的残余应力焊接箱形截面残余应力初始几何缺陷的存在－原因之三三、第三层次的设计方法－截面和构件的设计1允许钢构件的板件发生局部屈曲2钢截面的边缘最大应力不超过钢材的屈服强度（边缘纤维屈服准则）（2a允许部分开展开展塑性）3截面形成塑性铰4截面形成塑性铰，而且还要有一定的塑性转动能力。四类截面1有转动能力的塑性截面I(b1/t=9)2不要求转动的塑性截面II(b1/t=11)(部分塑性开展的IIIa）(b1/t=13)3弹性截面III（b1/t=15)4薄壁截面IV(b1/t=15~45)b1t四类截面-梁1有转动能力的塑性截面I(hw/tw=50)2不要求转动的塑性截面II(hw/tw=60)(部分塑性开展的IIIa）(hw/tw=70)3弹性截面III（hw/tw=85)4薄壁截面IV(hw/tw=85-250)hwtw1允许截面局部屈曲的设计：墙檩檩条腹板允许局部屈曲《冷弯薄壁型钢技术规范》GB50018-2002《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102:20022其他的截面设计方法：边缘纤维屈服准则；采用截面III截面形成塑性铰；采用截面II部分塑性开展：上述两者之间：采用截面IIa；允许内力充分重分布的设计：塑性分析，采用截面IfyMpMMyMp曲率弯矩p2py四、各个层次设计方法的配套第一层次，由结构的重要性决定，然后，第二层次和第3层次的方法的配套，构成了某项工程采用的设计方法各种不同的结构采用不同的内力分析方法和截面设计方法的组合。（1）E-E法（E-Elastic）弹性内力分析，构件设计采用弹性极限设计。冷弯薄壁型钢结构GB50017－2002门式刚架房屋钢结构CECS102-2002(2)E-P法:内力分析采用弹性分析，构件设计利用了截面塑性开展按照钢结构设计规范GB50017-2003的设计介于E-E和E-P法之间的（3）P-P法（P-Plastic）内力分析采用塑性分析，截面设计也利用截面的塑性开展按照钢结构设计规范GB50017-2003第9章的设计方法。/pRMM（4）CapacityDesignTechnique机构控制设计法。这种方法属于非常先进的设计方法，可以用于地震区和非地震区的超静定结构设计。目前主要用于抗震结构设计：下列概念来自于这种方法：（a）强柱弱梁（b）强节点弱杆件（c）EBF框架（EccentricallyBracedFrames）（d)弱支撑强框架（放大支撑内力的设计方法将导致柱子的无侧移屈曲，危险性比不放大支撑内力的设计方法危险性更大)(e)强钢梁，弱八(人)字支撑的设计思想它的基本思想是：结构的破坏按照人们设想的形式发生。实现强节点弱构件的措施：1端部加强：加盖板，或加宽翼缘，加腋梁梁端翼缘加厚梁端翼缘加宽宽厚比问题梁端加腋加贴板的方法2钢梁端部的削弱：狗骨式节点，腹板开口3有时作不到强节点时，必须采用延性好的节点，使得地震作用下节点不出现断裂。此时可以不再要求强节点弱构件的验算4全焊接节点优于栓焊混合连接节点自由翼缘式狗骨式节点Reducedbeam（1）梁柱连接焊接工艺孔1:不好（2）梁柱连接焊接工艺孔2全焊接节点通过此腹板的剪切屈服或两端形成塑性铰削减地震响应,保护总体结构的安全宜用更薄的腹板加劲肋防止屈曲EBF－EccentricallyBracedFrames支撑架一部分的框架支撑支撑支撑支撑强支撑框架的破坏模式(1)无侧移屈曲－危险（2)单一的抗震结构体系支撑架一部分的框架弱支撑框架的破坏模式(1)框架有侧移（2)支撑先屈服，削减地震响应框架继续提供抗震能力（3)罕遇地震下钢材的极限强度用是两道抗震设防（超出屈服强度部分）发挥作用(3)任何钢材的延性和超出屈服强度的抗拉强度都无法发挥作用。确保钢梁跨中不形成塑性铰的验算TyTyTyTyPPPPPP(1-0.3)TyPPP(1-0.3)Ty五、关于目前广泛采用的设计方法的一个评论：（1）内力分析采用线性弹性的分析，（2）构件设计采用利用截面塑性开展的极限状态设计法很多人批评这种前后不一致的方法。因此有人主张用前后一致的方法取代目前的方法，即内力分析也要考虑塑性开展，还有考虑二阶效应的方法。E-P法是一种下限法结构弹性内力分析考虑：（1）平衡条件，（2）HOOKE定律（3）变形协调条件（4）屈服条件（截面验算)塑性力学的上限解：如果一个解满足（1）平衡条件，（2）机构条件，（3）不检查屈服条件，则得到的解是上限解。结构塑性分析考虑的条件（1）平衡条件（2）变形协调条件：形成破坏机构的条件（3）屈服条件(截面验算）塑性力学下限解：如果一个解满足（1）平衡条件（2）所有截面都不违背屈服条件（截面验算)则获得的解是下限解。E-P法：（1）弹性内力分析得到的弯矩内力图是满足平衡条件的（2）截面设计阶段保证了每一个截面的内力都没有超过屈服条件所允许的范围内因此E-P法是一个下限解，可以永远应用下去。六、关于塑性设计方法的评论：（1）塑性设计方法是一种及其好的设计方法，掌握塑性分析方法对了解钢结构的真实性能非常有帮助。（2）地震区的钢结构特别适合采用塑性设计的方法进行设计。：梁截面较小，强柱弱梁的设计思想更加容易实现；：截面宽厚比小，延性更加好，耗能能力(塑性阻尼更大）（3）塑性设计方法必须与机构控制法结合，能够简化设计：采用加减乘除，就可以完成设计。(4)塑性设计相当于给结构施加“预应力”，而且这种预应力不影响结构的延性。（5)塑性设计方法是否存在一个固定的方法来求弯矩图？有：数学规划法（一种优化方法）（6）：代替完全的塑性设计的方法的是弯矩调幅法：仅对梁的弯矩进行重分配，对柱子基本不重分配的方法，方法简单。可以取得良好的经济效益。塑性设计法的替代方法：弯矩调幅法弹性阶段下的弯矩分布0130000=调幅1/3后的弯矩分布0000全部卸载－按照弹性卸载0000全部卸载后的弯矩分布（残余弯矩）0000请对照施加预应力后混凝土梁内的弯矩卸载1/3后的弯矩分布0000水平力作用下的弯矩分布QQ=QQQQQ（水平力产生的不得调幅)弹性阶段下的弯矩分布0130000=Q=Q+Q+QQ+130Q+0Q-因为截面按照0Q+设计，结构永远保持弹性，负弯矩区控制设计，承载力没有得到充分发挥调幅后的弯矩分布0130000=Q+Q+QQ+130Q+0Q-截面按照0Q+0Q+13的较大值设计即支座截面的承载力大于0在竖向活载＋活载作用下如果Q0结构的反应仍然是弹性的则在单纯的竖向荷载作用下但是在水平力作用的过程中产生塑性变形结论：塑性设计应用于水平力不控制设计的结构中：（1)连续梁（2)层数在4层以下的框架。（3)水平力80%以上由钢支撑架，钢筋混凝土剪力墙承受的双重抗侧力结构中的框架部分－－－一个24层钢结构假想塑性设计的算例－美国七、弯矩调幅法－同样应用于水平力不参与和控制设计的结构构件设计1只对竖向荷载作用下产生的弯矩进行调幅2水平力产生的弯矩不能进行调幅3调幅后的弯矩与水平力的弯矩进行组合对应多层，低层房屋,理论上讲的组合是（1.2D＋1.4L）x调幅系数＋0.6x1.4W（1.2D＋0.7x1.4L）x调幅系数＋1.4W1.2(D＋0.5L)x调幅系数＋1.3E1.2(D＋0.5L)x调幅系数＋1.3E截面设计方法内力分析方法宽厚比备注钢－混凝土组合梁塑性设计连续梁：塑性机构分析法I类截面满足塑性分析4条件简支梁III,II,I类等截面模型＋弯矩调幅法30%I类截面满足塑性分析4条件等截面模型＋弯矩调幅法20%II类截面变截面模型＋弯矩调幅法15%I类截面规范方法变截面模型＋弯矩调幅法10%II类截面钢－混凝土组合梁弹性设计简支梁（可以利用塑性开展）III，IIIa类截面可以不完全抗剪组合等截面模型＋弯矩调幅法15%III，IIIa类截面完全抗剪组合变截面模型＋弯矩不调幅III，IIIa类截面完全抗剪组合组合梁的要求塑性机构分析法满足塑性分析的条件I类截面应用范围弹性分析25%I类截面水平力很小或水平力80%以上由支撑架或剪力墙承担的结构弹性分析15%II类截面弹性分析10%III类截面弹性分析0％III，IV类截面钢框架主梁的弯矩调幅法内力分析模型调幅比例截面类型梁的建模等截面30％I类截面惯性矩放大建模变截面15％I类截面等截面20％II类截面惯性矩放大建模变截面10％II类截面等截面15%III类截面惯性矩放大建模变截面0%III类截面钢－混凝土框架组合主梁采用弯矩调幅的设计：八、关于一阶弹性分析，二阶弹性分析和假想水平力（1）所有结构都可以采用一阶弹性分析进