钢结构

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、结构设计方法的基本概念二、结构设计方法三、用分项系数表示的极限状态四、容许应力法五、钢结构设计过程第三节钢结构设计的基本要求2（（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11、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》》（（GB50001GB50001--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，，偶然作用偶然作用一、结构设计方法的基本概念第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法322、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（（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。（（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4（（22）结构安全等级（结构重要性）：）结构安全等级（结构重要性）：三级三级国根据建筑结构破坏时可能产生的后果严重与否，分为三个安全等级：一级——破坏后果很严重、重要的建筑物；二级——破坏后果严重、一般的建筑物；三级——破坏后果不严重、次要建筑物。33、功能、功能要求要求第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法结构的设计使用年限，是指设计的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。结构的设计使用年限虽与其使用寿命有联系，但不相同。超过设计使用年限的结构并不是不能使用，而是指它的可靠度降低了。（（11））设计基准期设计基准期：：5（（33）满足功能要求）满足功能要求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。第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法678910111213——结构结构//构件验算方法构件验算方法二、结构设计方法第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法‹‹构件材料性能构件材料性能不确定性不确定性‹‹几何参数几何参数不确定性不确定性‹‹计算模式计算模式不确定性不确定性影响结构可靠性的影响因素影响结构可靠性的影响因素：①荷载不确定性②抗力不确定性14极限状态设计法极限状态设计法以概率理论为基础，把有变异性的设计参数通过以概率理论为基础，把有变异性的设计参数通过概率分析引入结构设计中。概率分析引入结构设计中。《《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第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法15承载能力极限承载能力极限状态状态——不发生破坏、倒塌、失稳、倾覆不发生破坏、倒塌、失稳、倾覆正常使用极限正常使用极限状态状态——不发生过大变形、振动、裂缝。不发生过大变形、振动、裂缝。22）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16Z0Z0，，或或RSRS，，安全状态；安全状态；Z0Z0，，或或RSRS，，失效状态；失效状态；Z=0Z=0，，或或R=SR=S，，极限状态极限状态44）功能函数）功能函数Z=RZ=R--S(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）若若SS、、RR均为正态分布，则均为正态分布，则ZZ也为正态分布，且有：也为正态分布，且有：--均值均值--标准差标准差SRzμμμ−=22SRzμσσ+=第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法17可靠度可靠度——度量结构可靠性的指标（度量结构可靠性的指标（结构在规定时结构在规定时间内、在规定条件下完成预定功能的概率间内、在规定条件下完成预定功能的概率））55））可靠度及可靠度指标可靠度及可靠度指标ββ第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法规定时间规定时间是指结构的设计使用年限；是指结构的设计使用年限；规定条件规定条件是指正常设是指正常设计、正常施工、正常使用和维护的条件，不包括非正常的，例计、正常施工、正常使用和维护的条件，不包括非正常的，例如人为的错误等。如人为的错误等。结构的可靠度结构的可靠度是结构可靠性的概率度量，即结构在设计工作是结构可靠性的概率度量，即结构在设计工作寿命内，在正常条件下，寿命内，在正常条件下，完成预定功能的概率完成预定功能的概率。。18可靠概率可靠概率（（PsPs））失效概率失效概率（（PPff））PsPs+PPff=1安全度安全度结构的失效概率结构的失效概率PfPf结构在规定的结构在规定的时间时间和和条件条件下下不能不能完成预定功能的概率。完成预定功能的概率。55））可靠度及可靠度指标可靠度及可靠度指标ββ习惯上常用习惯上常用失效概率失效概率来度量可靠性：来度量可靠性：PPff=P(Z0)=P(Z0)第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法19∫∞−=0)(dZZfPf失效概率：失效概率：功能函数功能函数Z=RZ=R--SSZZ也应该是服从也应该是服从正态分布正态分布的随机变量的随机变量55））可靠度及可靠指标可靠度及可靠指标ββ第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法设构件的荷载效应设构件的荷载效应SS、抗力、抗力RR，都是服从，都是服从正态分布正态分布的随机变量的随机变量2055））可靠度及可靠指标可靠度及可靠指标ββ第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法阴影部分的面积与阴影部分的面积与μμZZ和和σσZZ的大的大小有关，代表着小有关，代表着失效概率失效概率。。增大增大μμZZ，曲线，曲线右移右移，阴影面积将减少；，阴影面积将减少；减小减小σσZZ，曲线变得，曲线变得高而窄高而窄，阴影面积也将减少。，阴影面积也将减少。21∫∞−=0)(dZZfPf失效概率：失效概率：55））可靠度及可靠指标可靠度及可靠指标ββ将正态分布将正态分布标准化标准化：：⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−==ZZZZfZPZPPσμσμ)0(⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−Φ=ZZσμ()Φ--标准正态分布函数标准正态分布函数第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法2255））可靠度及可靠指标可靠度及可靠指标ββ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−Φ=ZZfPσμ定义：定义：ZZσμβ=则：则：()()ββΦ−=−Φ=1fP)1(1fP−Φ=−βββ与与PPff之间存在一一对应关系，反映了结构的之间存在一一对应关系，反映了结构的可靠度，称其为可靠度，称其为可靠度指标可靠度指标第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法2355））可靠度及可靠指标可靠度及可靠指标ββ)1(1fP−Φ=−β二阶矩设计法公式二阶矩设计法公式22ssRZσσβμμ++≥第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法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，特殊另定。一般工业与民用建筑钢结构的安全等级为二级，特殊另定。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的关系的关系安全等级安全等级破坏破坏类型类型一级一级二级二级三级三级延性破坏延性破坏3.7(1.08x103.7(1.08x10--44))3.2(6.87x103.2(6.87x10--44))2.7(3.47x102.7(3.47x10--33))脆性破坏脆性破坏4.2(1.34x104.2(1.34x10--55))3.7(1.08x103.7(1.08x10--44))3.2(6.87x103.2(6.87x10--44))第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法结构和结构构件的破坏类型分为结构和结构构件的破坏类型分为延性破坏延性破坏和和脆性破坏脆性破坏两类。两类。延性破坏有明显的延性破坏有明显的预兆预兆，可及时采取补救措施，所以目标可靠指，可及时采取补救措施，所以目标可靠指标可定得稍低些。标可定得稍低些。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、抗力的设计值第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法三、用分项系数表示的极限状态法(《钢结构设计规范》)26承载能力承载能力极限状态极限状态：基本组合：基本组合正常使用正常使用极限状态极限状态：：标准组合标准组合设计基准期内设计基准期内最不利组合最不利组合22、、荷载组合荷载组合：：荷载组合值荷载组合值：：对可变荷载，使对可变荷载，使组合后组合后的荷载效应在设计的荷载效应在设计基准期内的基准期内的超越概率超越概率与该荷载单独出现时的与该荷载单独出现时的相应概率相应概率趋趋于一致的荷载值；或组合后使结构于一致的荷载值；或组合后使结构具有统一规定的可靠具有统一规定的可靠指标指标的荷载值的荷载值第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法271)1)由由可变荷载可变荷载效应控制的组合：效应控制的组合：Rk2QikQciQ1kQ1Gko/)SSS(γγψγγγRniiG≤++∑=当永久荷载的效应对结构当永久荷载的效应对结构不利不利时取时取γγGG=1.2=1.2，，有利有利时一时一般取般取γγGG=1.0=1.0；；当可变荷载的效应对结构当可变荷载的效应对结构不利不利时取时取γγQQ=1.4=1.4，，有利有利时取时取γγQQ=0=0；；γγRR=1.087/1.111=1.087/1.11133、、承载能力极限状态承载能力极限状态设计表达式设计表达式第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法28ψψcici为荷载组合系数；为荷载组合系数；aakk为结构几何特性；为结构几何特性；ff为材料强度设计值。为材料强度设计值。γγoo为结构重要性指标，为结构重要性指标，γγoo==1.11.1((一级一级))；；γγoo==1.01.0((二级二级))；；γγoo==0.90.9((三级三级))fafaRkRkkRk//==γγ1)1)由由可变荷载可变荷载效应控制的组合：效应控制的组合：Rk2QikQciQ1kQ1Gko/)SSS(γγψγγγRniiG≤++∑=第二节第二节钢结构的设计方法钢结构的设计方法2922）由）由永久荷载永久荷载效应控制的组合：效应控