第一章 钢结构原理

1、第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure华中华中科技大学科技大学 土木工程与力学学院土木工程与力学学院钢结构设计原理Design Principles of Steel Structure第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure本课程的本课程的学习学习目标目标 了解钢结构的特点、历史和发展特点、历史和发展方向方向，掌握钢结构材料的工作性能材料的工作性能，掌握钢结构基本构件及各种连接的性连接的性能能、受力分析与设计计算受力分析与设计计算，了解钢结构体系的组成原理和典型结构形式的设计

2、要点。第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure1.1 1.1 钢结构的钢结构的发展简史发展简史1.2 1.2 钢结构的钢结构的特点及应用特点及应用1.4 1.4 钢结构的钢结构的设计方设计方法法1.3 1.3 钢结构的钢结构的主要结构形式主要结构形式1.5 1.5 钢结构的钢结构的新发展新发展第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure 由钢板、热轧型钢或冷加由钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢以及钢索为工成型的薄壁型钢以及钢索为主材建造的工程结构，如房屋、主材建造的工程结构，如房

3、屋、桥梁等，称为桥梁等，称为钢结构钢结构。 钢结构是土木工程的主要结构形式之一。钢结构与钢筋混凝土结构、砌体结构等都属于按材料划分的工程结构的不同分支。结构结构：基本基本构件构件组成组成的的受力受力体系体系，建筑物建筑物(构筑物构筑物)的的骨架骨架第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure1.1 钢结构的发展简史钢结构的发展简史古代古代钢钢(steel)(steel)是铁碳是铁碳合金合金。人类人类采用钢结构的历史和采用钢结构的历史和炼铁、炼钢技术炼铁、炼钢技术的发展的发展是密不可分的。是密不可分的。早早在战国时期，我国的炼铁技术已很盛行。

4、在战国时期，我国的炼铁技术已很盛行。我国是我国是最早用钢铁建造承重结构最早用钢铁建造承重结构的的国家国家。第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure公元公元6565年，汉明帝时代建造了年，汉明帝时代建造了铁链悬铁链悬桥桥云南云南“兰津桥兰津桥”17051705年建成的年建成的四川泸定大渡河桥四川泸定大渡河桥，桥，桥宽宽2.8m2.8m，跨长，跨长100m100m，由，由9 9根桥面铁链根桥面铁链和和4 4根桥栏铁链构成，两端系于直径根桥栏铁链构成，两端系于直径20cm20cm、长、长4m4m的生铁铸成的锚桩上。的生铁铸成的锚桩上。公元公元

5、10611061年（宋年（宋代）在湖北荆州代）在湖北荆州玉泉寺玉泉寺建成的建成的1313层铁塔层铁塔第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure 十九世纪五十年代前为十九世纪五十年代前为铸铁铸铁结构结构，这是钢结构的前身结，这是钢结构的前身结构。构。 18511851年英国伦敦第一届世博年英国伦敦第一届世博会的会的水晶宫水晶宫是铸铁结构的典是铸铁结构的典型建筑型建筑(9(9万平米万平米,6,6个月，用个月，用4 4500500吨铸铁、吨铸铁、1010吨玻璃建成，吨玻璃建成，19361936年火毁年火毁) )。它是英国工业它是英国工业革命时期

6、的最具有代表性的革命时期的最具有代表性的建筑。建筑。近代近代第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure18701870年年生产型钢，标志着人生产型钢，标志着人类社会开始由类社会开始由铸铁结构转为钢结铸铁结构转为钢结构。构。巴黎的标志巴黎的标志艾菲尔铁塔艾菲尔铁塔 1889年为纪念法国大革命100周年建造的艾菲尔铁塔。于1887年11月26日动工1889年3月31日竣工，历时21个月，铁塔占地12.5公顷，高320.7米,重7000吨,由18038个优质钢铁部件和 250 万个铆钉铆接而成，建筑设计中最著名的是防范强风吹袭的对称钢结构设计。

7、以艾菲尔铁塔为标志，钢结构应用有120多年的历史。第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure 第一座依照现代钢结构框第一座依照现代钢结构框架结构设计原理建造起来的高架结构设计原理建造起来的高层建筑是层建筑是芝加哥家庭保险公司芝加哥家庭保险公司大厦大厦（1883-18851883-1885）共十层。）共十层。这是真正意义上世界上建造的这是真正意义上世界上建造的第一座钢结构大厦。第一座钢结构大厦。芝加哥家庭保险公司大厦芝加哥家庭保险公司大厦Home Insurance Building 芝加哥是美国摩天大楼的发源芝加哥是美国摩天大楼的发源地地

8、，从此人们建造的房屋越来越，从此人们建造的房屋越来越高，结构和功能都同传统建筑相高，结构和功能都同传统建筑相比发生了非常大的改变。比发生了非常大的改变。第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure 建国以来钢结构的发展概况建国以来钢结构的发展概况5050年代年代, , 为初盛时期初盛时期（156156项援建工程大部分为重型钢结构）项援建工程大部分为重型钢结构）。60-7060-70年代年代,为限制使用时期，当时中国钢产量仅12千万吨，主要用于国防、机械业。当时国家政策建筑业中 “凡是可用其它材料代替的，均不用钢结构建造”。由于受到钢产量的制

9、约，钢结构仅在重型厂房、大跨度仅在重型厂房、大跨度公共建筑、铁路桥梁以及塔桅结构中采用公共建筑、铁路桥梁以及塔桅结构中采用。因此二十世纪钢筋混凝土结构成为中国主导结构。8080- -9090年代年代, 出现了新的发展新的发展时期时期,国家鼓励建筑用钢。中国钢结构应用发展的三个时期中国钢结构应用发展的三个时期&刚解放时钢产量几乎是零刚解放时钢产量几乎是零1949 十几万吨19905000万吨19957000万吨1996 1亿吨2000 1.285亿吨2004 2.72亿2006 4.62亿吨2007 4.89亿吨2008 5.84亿吨20096.92亿吨20116.83亿吨20127亿吨

10、？第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure& 2003年中国钢铁行业产量、消费量年中国钢铁行业产量、消费量均均占占世界第一。世界第一。& 历史上钢产过亿吨国家仅有历史上钢产过亿吨国家仅有前苏联、美国和日本，过前苏联、美国和日本，过2亿亿吨由中国开创。吨由中国开创。钢产钢产量每年以量每年以15%-20%的水平的水平递递增增亿吨亿吨 我国钢结构应用现状，与发达国家比较我国钢结构应用现状，与发达国家比较自自19961996年钢产量超过年钢产量超过1 1亿吨，连续亿吨，连续1010年居世界第一。年居世界第一。中国 1 9 4 9

11、 2 0 0 2 年钢产量变化1 8 2 2 8 .6020004000600080001000012000140001600018000194919521955195819611964196719701973197619791982198519881991199419972000万吨第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure我国建设部建筑用钢发展规划我国建设部建筑用钢发展规划“十五十五”期间建筑钢结构用钢达到总钢产量期间建筑钢结构用钢达到总钢产量3 32015年建筑钢结构用钢达到总钢产量年建筑钢结构用钢达到总钢产量6节约用钢节约用钢 开

12、始转向开始转向 鼓励用钢鼓励用钢第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure1.2 钢结构的特点及应用钢结构的特点及应用1.2.1 1.2.1 钢结钢结构的特点构的特点1.2.2 1.2.2 钢结钢结构的构的应应用范用范围围第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure1.1.强度高、重量强度高、重量轻轻（密度2400kg/m3 Vs7850 kg/m3）1.2 钢结构的特点及应用钢结构的特点及应用2.2.材质均匀，塑性、韧性好材质均匀，塑性、韧性好3.3.良好的加工性能和焊接性能良好的加

13、工性能和焊接性能4.4.密封性能好密封性能好5.5.可重复性可重复性使用使用6 6. .耐火耐火性差性差7.7.耐腐蚀性差耐腐蚀性差8.8.低温冷脆倾向低温冷脆倾向1.2.1 钢结构的特点钢结构的特点9.钢结钢结构基本构基本问题问题： ：材材质质构造构造（ （计计算和构造并重算和构造并重） ）稳稳定定（ （核心核心问题问题） ）疲疲劳劳202501012510125400040006000106005001800After reconstructionSteel PierRC Pier 钢桥墩和钢桥墩和RC桥墩的设计截面比较桥墩的设计截面比较第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Pre

14、face to Steel Structure良好的加工性能和焊接性能良好的加工性能和焊接性能易于工厂化生产，施工周期易于工厂化生产，施工周期短、效率高、质量好。短、效率高、质量好。第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure密封性能好密封性能好储存、运输储存、运输可重复性使用性可重复性使用性绿色环保可持续发展的建筑材料，符合当绿色环保可持续发展的建筑材料，符合当前节地节能政策。前节地节能政策。耐腐蚀性差耐腐蚀性差钢材在潮湿、腐蚀环境中易锈蚀，维护费用高。钢材在潮湿、腐蚀环境中易锈蚀，维护费用高。低温冷脆现象低温冷脆现象低温下有脆性破坏的倾

15、向。低温下有脆性破坏的倾向。 耐候钢的开发与应用耐候钢的开发与应用 高延性钢高延性钢(高性能钢的一种高性能钢的一种)的开发与应用的开发与应用第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure耐热性耐热性较较好好，耐火性差耐火性差钢材虽为非燃烧体，但裸露钢结构耐火极限一般为钢材虽为非燃烧体，但裸露钢结构耐火极限一般为1520分钟分钟第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure钢结构防火保护措施钢结构防火保护措施第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Str

16、ucture1.2.2 钢结构的应用范围钢结构的应用范围 多层与高层建筑（宾馆、办公楼、住宅等）多层与高层建筑（宾馆、办公楼、住宅等） 大跨度建筑（体育馆、会展、机场、厂房）大跨度建筑（体育馆、会展、机场、厂房） 大跨度桥梁（公路桥、铁路桥）大跨度桥梁（公路桥、铁路桥） 高耸构筑物（电视塔、发射塔、输电塔）高耸构筑物（电视塔、发射塔、输电塔） 密闭结构（油罐、煤气罐、天然气管道）密闭结构（油罐、煤气罐、天然气管道） 轻型钢结构轻型钢结构 其它结构其它结构 受动力荷载影响的结构受动力荷载影响的结构可拆移结构可拆移结构第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel

17、Structure 国家体育场体形上像鸟巢，建筑面积25.8m2，可容纳观众9.1万人，其中固定坐席8万座，临时坐席1.1万座。平面为椭圆形，长轴332.3m，短轴296.4m；最高点高度为68.5米，最低点高度为42.8米。大跨度屋盖支撑在24根桁架柱上，主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置，有22榀主桁架直通或接近直通，少量主桁架在内环附近截断。钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件，交叉布置的主桁架与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。主看台部分采用钢筋混凝土框架一剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。建建设设中中的的鸟鸟巢巢单单根根桁桁架架柱柱立柱高70m!重600t!

18、第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure 屋盖为大跨度焊接钢管拱形桁架网壳结构，主体结构由7榀拱形主桁架通过次桁架和水平支撑组成。主桁架拱跨94.6m，矢高27.5m，相邻主桁架轴线距为8m。华中科技大学光谷体育馆华中科技大学光谷体育馆第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure順序順序橋名橋名総延長総延長（ m）竣工年竣工年建設地建設地1杭州湾大桥362008 中国2港珠澳大桥35.62015年？ 中国3东海大桥32.52005 中国4青岛海湾大桥272011 中国5法赫德国王大桥

19、 251986 巴林6舟山大陆连岛工程252009 中国7大带桥17.51997 丹麦8厄勒海峡大桥162000 丹麦9尼特罗伊大桥13.31974 巴西10杭州湾嘉绍大桥10.12012年12月？ 中国世界10大跨海大橋第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure杭州湾大桥杭州湾大桥港珠澳大桥港珠澳大桥东海大桥东海大桥青岛海湾大桥青岛海湾大桥第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure

20、 该桥是一座公铁两用桥，铁路桥全长该桥是一座公铁两用桥，铁路桥全长10521m10521m，公路桥全长，公路桥全长5681m5681m，正桥，正桥钢梁钢梁长长2193.7m2193.7m，大桥采用了，大桥采用了连续钢桁梁结构连续钢桁梁结构，考虑到主跨达到了，考虑到主跨达到了180+312+180m180+312+180m，在桥上的，在桥上的低塔和钢桁梁之间设置了斜拉索参与受力，因此，芜湖长江大桥也叫做低塔和钢桁梁之间设置了斜拉索参与受力，因此，芜湖长江大桥也叫做连续钢桁梁连续钢桁梁斜拉桥斜拉桥。 芜湖长江大桥芜湖长江大桥第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Ste

21、el Structure广播电视塔火箭发射塔输电塔第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure东东京京千千年年塔塔巴巴黎黎的的埃埃菲菲尔尔铁铁塔塔东京晴空塔东京晴空塔东东京天空京天空树树第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure东方明珠电视塔东方明珠电视塔 东方明珠广播电视塔座东方明珠广播电视塔座落在上海浦东新区黄浦江畔，落在上海浦东新区黄浦江畔，以其以其468468米的高度成为亚洲米的高度成为亚洲第一高第一高 塔。她于塔。她于19941994年年1111月完工，总重量达月完工，总重量

22、达1212万吨。万吨。 东方明珠塔由三根直径东方明珠塔由三根直径为九米的擎天立柱、太空舱、为九米的擎天立柱、太空舱、上球体、下球体、五个小球、上球体、下球体、五个小球、塔座和广场组成。塔座和广场组成。第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure 深圳地王大厦深圳地王大厦 高高383.95m，地上，地上78层，地层，地下下3层高层高342.95m，加桅杆总高，加桅杆总高383.95m。于。于1996年完工，其年完工，其建筑形体的设计灵感来源于中建筑形体的设计灵感来源于中世纪西方的教堂和中国古代文世纪西方的教堂和中国古代文化中通、透、瘦的精髓，

23、它的化中通、透、瘦的精髓，它的宽高比例为宽高比例为1:9，创造了世界超，创造了世界超高层建筑最扁最瘦的记录。地高层建筑最扁最瘦的记录。地王大厦钢结构总量达王大厦钢结构总量达2.45万万t，高强度螺栓高强度螺栓50万个万个,焊缝长焊缝长60万万m。 1996年竣工。年竣工。第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure日日本本水水户户艺艺术术馆馆架架桥桥机机摩摩天天轮轮 其它结构其它结构化工厂生产设备支架第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure1.3 钢结构的主要结构形式钢结构的主要结构

24、形式第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure1.3 钢结构的主要结构形式钢结构的主要结构形式u 桁架结构（杆系）桁架结构（杆系）u 框架结构（杆系）框架结构（杆系）u 网架结构（杆系）网架结构（杆系）u 拱结构（曲杆）拱结构（曲杆）u 板式结构（板）板式结构（板）u 张拉结构张拉结构索桁架、斜拉索、悬索、索膜索桁架、斜拉索、悬索、索膜结构的组成：结构的组成：由若干个单元所组成的结构骨架。由若干个单元所组成的结构骨架。基本单元：基本单元：承重体系中具有独立力学性能的构件。可以承重体系中具有独立力学性能的构件。可以是杆件、板件、索等单元或这

25、些单元的组合。是杆件、板件、索等单元或这些单元的组合。第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure桁架桁架( (Truss)Truss)第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure钢屋架钢屋架第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure框架框架(Frame)(Frame)刚架刚架(Rigid Frame)第第1 1章章 绪绪 论论Ch

26、apter 1 Preface to Steel Structure框架框架(Frame)(Frame)第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure网架结构是由许多杆件按一定规律布置，通过网架结构是由许多杆件按一定规律布置，通过节点连接成节点连接成空间杆系结构空间杆系结构，其外形成平板状。，其外形成平板状。 网架结构螺栓球节点螺栓球节点 网网架架( (Spatial Grid Structure; Space Truss Structure ) )第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structu

27、re网壳网壳(Spatial Shell Structure) 网壳结构同网架结构一样，网壳结构同网架结构一样，网壳也是由许多杆件按一定规律网壳也是由许多杆件按一定规律布置，通过节点连接成空间杆系布置，通过节点连接成空间杆系结构，结构，但网架的外形呈平板状，但网架的外形呈平板状，而网壳的外形呈曲面状而网壳的外形呈曲面状。 一般为单层或双层，按其外一般为单层或双层，按其外形为单曲面或双曲面而构成网状形为单曲面或双曲面而构成网状穹顶、网状筒壳以及双曲抛物面穹顶、网状筒壳以及双曲抛物面网壳等多种形式。网壳等多种形式。 网壳结构的特点：外形美观、网壳结构的特点：外形美观、通透感好，建筑空间大、用材省，

28、通透感好，建筑空间大、用材省，设计施工较复杂。设计施工较复杂。 第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure加拿大蒙特利尔世界博览会美国馆加拿大蒙特利尔世界博览会美国馆直径为76m， 高60m上海商务中心上海商务中心（网状网壳）第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure拱结构拱结构(Arch Structure)第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure纵向跨度为纵向跨度为240m240m，顶部高，顶部高55m55m，拱形骨架有，

29、拱形骨架有1212度的倾角，其截面为度的倾角，其截面为3.5m3.5m2 2。 香港大球场香港大球场第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure板式结构板式结构(Plated Structure)第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure 以一系列拉索为主要以一系列拉索为主要承重构件，这些索按一承重构件，这些索按一定的规律组成各种不同定的规律组成各种不同的形式，悬挂于相应的的形式，悬挂

30、于相应的支撑结构上，支撑结构上，使材料强使材料强度在受拉情况下得到充度在受拉情况下得到充分发挥的结构形式分发挥的结构形式。索索(Cable)索桁架、斜拉索、悬索索桁架、斜拉索、悬索第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure武汉军山长江大桥武汉军山长江大桥（斜拉）美国旧金山大桥美国旧金山大桥（悬索）第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure张拉结构张拉结构索膜结构索膜结构第第1 1章章

31、 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure斜拉索在钢结构建筑物中的应用斜拉索在钢结构建筑物中的应用第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structurel 轴心受力构件轴心受力构件(Concentrically Loaded Member /Axial Force Member/Axial Member) 拉杆拉杆(Tension Member)压杆压杆(Compression Member)l 受弯构件受弯

32、构件(Bending Member) 梁梁(Beam)l 偏心受力构件偏心受力构件(Eccentrically Loaded Member/Combined Compression and Bending Member) 拉弯杆（偏心受拉拉弯杆（偏心受拉）Eccentrically Loaded Tension Member压弯杆（偏心受压）压弯杆（偏心受压） Eccentrically Loaded Comp. Memberl 拱拱(Arch)l 索索(Cable)结构中构件主要受力形式结构中构件主要受力形式本本课课程程学学习习第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface t

33、o Steel Structure1.4 钢结构的设计方法钢结构的设计方法1.4.1 1.4.1 钢结构设计变迁钢结构设计变迁1.4.2 1.4.2 结构概率极限状态设计法结构概率极限状态设计法 1.4.3 1.4.3 结构内力的分析方法结构内力的分析方法第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure1.4.1 1.4.1 钢结构设计变迁钢结构设计变迁第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure1.4 钢结构的设计方法钢结构的设计方法1.4.1 1.4.1 钢结构设计变迁钢结构设计变迁19

34、571957年以前：年以前：采用采用总安全系数总安全系数的的容许应力计算法容许应力计算法；1957195719741974：采用采用三个系数三个系数的的极限状态计算法极限状态计算法；1974197419891989：采用以采用以结构结构极限极限状态状态为依据，进行为依据，进行多系数多系数分析，用单一的系数表示分析，用单一的系数表示的的容许应力计算法容许应力计算法；19891989 ：采用采用以概率论为基础的以概率论为基础的极限状态设计法极限状态设计法。第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure 7 . 14 . 1kkfy安全系数实际应力

35、缺点：安全系数凭工程经验确定的一定值，这样，各种构件的可靠性将不能保证比较一致的水平。总安全系数容许应力法总安全系数容许应力法三系数极限状态设计法三系数极限状态设计法特点：明确提出了两种极限状态，采用三个系数来考虑结构构件的安全储备问题，避免单一安全系数的缺陷。123123iyik Nk k f skkkNs超载系数材料均匀系数工作条件系数荷载引起的内力构件的几何特性缺点： 材质均匀系数概念重复。 强度标准不是明确概率取值，而是取钢的废品限值，不符合概率方法。容许应力屈服应力或者屈曲应力第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure321kk

36、kkkfsNyi缺点：各种载荷并不相同，各种构件承受荷载的情 况也不一定相同，构件的几何尺寸变异并不完全一致，采用统一的安全系数显然不可能获得相同的安全度。以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一安全系数的以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一安全系数的容许应力计算法容许应力计算法以概率为基础的极限状态设计法以概率为基础的极限状态设计法 把各种参数（载荷效应、结构抗力等）作随机变量，运用概率分析法并考虑变异性来确定设计采用值。 把概率分析引入结构设计方法，显然比容许应力法先进，标志我国在设计理论上前进了一大步，迈入了国际先进水平。第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface

37、to Steel Structure1.4.2 1.4.2 结构概率极限状态设计法结构概率极限状态设计法第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure1.4.2 1.4.2 结构概率极限状态设计法结构概率极限状态设计法1. 基本概念基本概念结构可靠度：结构可靠度：结构在规定的时间（50年），规定的条件（正常设计、正常施工、正常使用、正常维护）下，完成预定功能的概率。失效概率：失效概率：结构不能完成预定功能的概率。结构的功能要求：结构的功能要求：安全性，适用性，耐久性。结构作用：结构作用：施加在结构上的各种荷载及引起外加变形或约束变形的原因（如

38、荷载、地震、基础下沉、温度变化、焊接等）作用：作用：永久作用，可变作用，偶然作用作用效应（作用效应（S S）: :结构作用引起结构或构件的内力（轴、弯、剪）和变形（挠度、转角）。结构抗力（结构抗力（R R）：）：结构或构件承受作用效应的能力。第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure（1 1）承载能力极限状态）承载能力极限状态 结构或构件达到结构或构件达到最大承载能力最大承载能力或出现不适于继续承载的变形，或出现不适于继续承载的变形，包括以下几个方面：包括以下几个方面：2. 2. 结构的极限状态结构的极限状态整个结构或结构的一部分作为刚体

39、整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡失去平衡（如（如倾覆倾覆等）；等）；结构构件或连接因超过材料结构构件或连接因超过材料强度强度而而破坏破坏；结构构件或连接在循环荷载作用下发生的结构构件或连接在循环荷载作用下发生的疲劳破坏疲劳破坏；结构构件或结构结构构件或结构转变为机动体系转变为机动体系；结构或构件结构或构件丧失稳定丧失稳定（如（如压屈压屈等）。等）。 整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，这一特定状态称为结构的极限状态。第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure承载能力极限承载能力极限状态状态 不发生

40、破坏、倒塌、失稳、倾覆不发生破坏、倒塌、失稳、倾覆；第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure（2 2）正常使用极限状态）正常使用极限状态 结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定值：结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定值：影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；影响正常使用的振动；影响正常使用的振动；影响正常使用的其它特定状态。影响正常使用的其它特定状态。 承载力极限状态与正常使用极限状态相比，前者可能导致人身承载力极限状态与

41、正常使用极限状态相比，前者可能导致人身伤亡和大量的财产损失，而后者对生命的危害则较小，主要是引起伤亡和大量的财产损失，而后者对生命的危害则较小，主要是引起人们的不适，所以也应该给予足够的重视。人们的不适，所以也应该给予足够的重视。第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure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。第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure3.3.概率极限状态设计原理概率极限状态设计原理 设计基本原则：技术先进、经济合理、安

42、全适用、确保质量。设计基本原则：技术先进、经济合理、安全适用、确保质量。将各因素概括为两个综合随机变量将各因素概括为两个综合随机变量结构的抗力结构的抗力R、作用效应作用效应S。 0， ，结结构构处处于可靠状于可靠状态态 功能函数功能函数 Z=R-S =0， ，结结构构处处于极限状于极限状态态 0， ，结结构构处处于失效状于失效状态态失效概率失效概率 0fzpP（ （1.3.3） ）Z=R-S 称为极限状态方程。这样，结构可靠概率为 Ps=p(R-S)0且可靠度且可靠度 Ps=1-Pf绝对可靠的结构是不存在的，只要绝对可靠的结构是不存在的，只要Pf达到人们可以接受的程度是安全的。达到人们可以接受

43、的程度是安全的。第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure22ZRSZRSZRS由概率论知识有也服从正态分布且可靠指标可靠指标 的引入的引入结构功能函数 Z=R-S 由于S和R均为正态分布的随机变量，其均值和标准差分别为s、s和 R、R。（1.3.7）zz设：zz（1.3.6） 1 1 z1z1 2 2 z2z2可靠可靠失效失效 z1z1Z1 z2z2Z2f(z)Z=R-SoPf2Pf1 Z功能函数Z的概率密度曲线第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure2.52.73.23.74.

44、2Pf510-33.510-36.910-41.110-41.310-5表表1.3.1 1.3.1 失效概率和可靠指标的对应关系失效概率和可靠指标的对应关系 值值越大，越大，Pf 就越小。就越小。 可以作可以作为为衡量衡量结结构构可靠度可靠度的一个数量的一个数量指指 标标。 。 可靠度指可靠度指标标表表1.3.2 1.3.2 结构构建承载力极限状态的可靠指标结构构建承载力极限状态的可靠指标破坏类型安全等级一级二级三级延性破坏3.73.73.23.22.72.7脆性破坏4.24.23.73.73.23.2 建筑结构安全等级：一一级； 设计基准期：50年； 设计使用年限：100年； 抗震设防分类：

45、乙乙类； 抗震设防烈度：8度； 场地类别：类； 设计地震分组：第一一组。鸟巢结构设计特性鸟巢结构设计特性第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure222222RSSRRSR22RSSRRS2222RSRSSSSRRRRSZZRS 令将 改写为 若规定了若规定了 ，并有，并有R、 S、R、 S，就可利用上式，就可利用上式进行设计或验算。进行设计或验算。一次二阶矩的近似概率方法一次二阶矩的近似概率方法结构作用效应结构作用效应结构抗力结构抗力第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure GB

46、50068-2001GB50068-2001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规定规定结构构件的极限状态设计表达式，应根据各种极限状态的结构构件的极限状态设计表达式，应根据各种极限状态的设计要求，采用有关的荷载代表值、材料性能标准值、几设计要求，采用有关的荷载代表值、材料性能标准值、几何参数标准值以及各种分项系数等表达。何参数标准值以及各种分项系数等表达。 为了便于应用并符合人们长期以来的习惯，规范并不为了便于应用并符合人们长期以来的习惯，规范并不直接使用直接使用 进行设计，而利用式进行设计，而利用式: : 来完成。来完成。就设计就设计而言，问题被转化为计算效应而言，问题被转

47、化为计算效应S S和抗力和抗力R R。RS4.4.设计表达式设计表达式第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure 在荷载效应的基本组合条件下，式（在荷载效应的基本组合条件下，式（1.3.111.3.11）可转化为等效的）可转化为等效的以基本变量标准值、分项系数和组合系数，并以应力形式表达的极以基本变量标准值、分项系数和组合系数，并以应力形式表达的极限状态公式。限状态公式。 1012()1.3.12nGkQ kQikGQcidiQif （）

48、1()(1.3.13)nGkQikoGQicidif 可变荷载起控制作用时：可变荷载起控制作用时：永久荷载永久荷载起控制作用时：起控制作用时：1 1）承载能力极限状态分项系数表达式）承载能力极限状态分项系数表达式 对于一般排架和框架结构：对于一般排架和框架结构：01()nGGkQiQikif （1.3.14）第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure（2 2）可变荷载的分项系数）可变荷载的分项系数 （ Q Q） - - 一般情况下应取一般情况下应取1.41.4； - - 对标准值大于对标准值大于4kN/m4kN/m2 2的工业房屋楼面结构

49、的的工业房屋楼面结构的 活荷载标准值应取活荷载标准值应取1.31.3。（1 1）永久荷载分项系数）永久荷载分项系数 （ （ G） ）当其效应对结构不利时当其效应对结构不利时 - - 对可变荷载效应控制的组合，应取对可变荷载效应控制的组合，应取1.2;1.2; - - 对永久荷载效应控制的组合，应取对永久荷载效应控制的组合，应取1.35;1.35;当其效应对结构有利时当其效应对结构有利时 - - 一般情况下应取一般情况下应取1.01.0； - - 对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.90.9。第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to

50、Steel Structurefd 或或f钢材或连接材料强度钢材或连接材料强度设计值设计值。fk钢材或连接材料强度钢材或连接材料强度标准值标准值。 R钢材或连接材料抗力分项系数，对于钢材或连接材料抗力分项系数，对于Q235钢钢 R =1.087；Q345、Q390、Q420钢钢 R=1.111 。钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。（P3813页页，附录，附录1）第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure 对于正常使用极限状态，要求分别采用对于正常使用极限状态，要求分别采用荷载的标准组合

51、、频荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计遇组合和准永久组合进行设计，并使变形等设计值不超过相应的，并使变形等设计值不超过相应的规定限值。对于钢结构只考虑荷载的标准组合。规定限值。对于钢结构只考虑荷载的标准组合。Gk -永久荷载标准值永久荷载标准值在结构或构件中产生的变形值；在结构或构件中产生的变形值；Q1k起控制作用的起控制作用的第第1 1个个可变荷载的标准值可变荷载的标准值在结构或结构构件中产生在结构或结构构件中产生的变形值（该值使计算结果为最大）；的变形值（该值使计算结果为最大）； 12nGkQ kciQiKi (1.3.15)2 2）正常使用极限状态）正常使用极限状态 Qik-其

52、他第其他第i i个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值。个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值。 -结构或结构构件的容许变形值。结构或结构构件的容许变形值。(P384-5(P384-5页，附录页，附录2)2) 第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure 1.4.3 1.4.3 结构内力的分析方法结构内力的分析方法第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure 1.4.3 1.4.3 结构内力的分析方法结构内力的分析方法1. 1. 一阶弹性分析一阶弹性分析3II223PhEI 框架

53、柱顶位移为：框架柱顶位移为：固端弯矩为：固端弯矩为：IMPh（1.3.16）（1.3.17）图图1.3.21.3.2b，e框架和悬臂柱按一阶弹性分析：框架和悬臂柱按一阶弹性分析： 力的平衡条件按力的平衡条件按变形前变形前的结构杆件轴线的结构杆件轴线建立，不考虑结构变形对内力的影响，建立，不考虑结构变形对内力的影响，可以可以利用叠加原理利用叠加原理。2hl2 PPPEI=EIEI2 PPP h PP PPx第第1 1章章 绪绪 论论Chapter 1 Preface to Steel Structure2. 2. 框架结构的近似二阶弹性分析框架结构的近似二阶弹性分析（1 1）二阶弹性分析）二阶弹性分析 力的平衡条件是按发生力的平衡条件是按发生变形后变形后的杆件轴线建立的的杆件轴线建立的图图1.3.21.3.2c c，f 框架和悬臂柱按二阶弹性分析：框架和悬臂柱按二阶弹性分析：0EIyPyPx（1.3.18）333 tan3uuPhE