钢结构的设计方法(新规32)课件

1、第三章 钢结构的设计方法本讲主要内容：1 概述2 一次二阶矩概率极限状态设计法3 现行规范的基本计算方法4 疲劳计算 概 述3.1 问题： 1、钢结构设计方法经历的三阶段分别是什么？ 2、现行钢结构设计标准采用的是哪种设计方法？概 述3.1钢结构设计过程： 根据建筑布局 确定结构方案 荷载计算 内力分析 选定材料及规格 构件及连接验算 精确计算的要求就是上述每一步都是很准确的，但事实上是很困难的。主要问题在于： 计算模型与实际结构有一定的差距 计算尺寸与实际尺寸有一定差距 计算荷载与实际荷载有一定差距 此外，材料性能、施工质量等变化也较大。 钢结构的设计方法大体经历了以下三各阶段。 1.容许应

2、力设计法 式中： N构件的内力； S截面几何特性； s钢材屈服强度； K安全系数； 构件的计算应力。建国初到1957年以前一直采用该方法 2. 半概率半极限状态设计法式中： N1 根据标准荷载求得的内力； fy 屈服强度； S 构件几何特性； K1、k2、k3 分别为荷载系数、材料系数和调整系数 K 安全系数； 钢材的允许应力。 我国在1974年1988年使用的是这种设计方法3. 近似概率极限状态设计法1.目前我国钢结构设计是（ ）全部采用以概率理论为基础的近似概率极限状态设计方法A采用分项系数表达的极限状态设计方法B除疲劳计算按容许应力幅、应力按弹性状态计算外,其他采用以概率理论为基础的近似

3、概率极限状态设计方法C部分采用弹性方法,部分采用塑性方法D提交单选题1分65.按近似概率方法设计的钢结构是( )绝对可靠的A绝对不可靠的B存在一定风险的C具有相同可靠性指标的D提交单选题1分一次二阶矩概率极限状态设计法3.2 问题： 1、什么叫结构的可靠性？ 2、建筑结构安全等级分为几个等级？试举例说明。 3、什么是结构的极限状态？极限状态是如何分类的？一次二阶矩概率极限状态设计法3.21、极限状态的概念 建筑结构可靠度设计统一标准 （GB500682001）规定，若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，此特定状态称为该功能的极限状态。 极限状态分为承载能力极

4、限状态和正常使用极限状态。现行标准中-结构目标可靠指标的理解直接采用针对不同安全等级的目标可靠指标进行设计，将导致计算程序十分繁杂。建筑结构可靠性设计统一标准给出以概率极限状态设计法为基础的设计表达式，即，将一次二阶矩设计公式等效转化为以分项系数表达的概率极限状态实用设计表达式。结构目标可靠指标并不出现（已隐含在各种分项系数之中）。1.1 结构的功能要求 安全性、适用性、耐久性，合称“可靠性”1.2 结构的安全等级 1.3 作用效应与结构抗力 作用：直接作用，间接作用 永久作用，可变作用，偶然作用安全等级破坏后果的影响程度建筑物的类型一级很严重重要的建筑物二级严重一般的建筑物三级不严重次要的建

5、筑物1.4 结构的极限状态 承载力极限状态： 这种极限状态对应于结构或结构构件达到最大 承载能力或不适于继续承载的变形。 正常使用极限状态 这种极限状态对应于结构或结构构件达到正常 使用或耐久性能的某项规定限值。 作用效应 结构抗力 承载能力极限状态的表现形式：整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）； 结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），或因过度变形而不适于继续承载； 结构转变为机动体系； 结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）； 地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）；影响正常使用或外观的变形；正常使用极限状态的表现形式：影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝等）；影

6、响正常使用的振动；影响正常使用的其它特定状态。56.钢结构的承载能力极限状态是指( )结构发生剧烈振动A结构的变形已不能满足使用需要B结构达到最大承载力产生破坏C使用已达五十年D提交单选题1分62.下列情况属于正常使用极限验算的是( )受压构件的稳定计算A梁的挠度验算B受弯构件的弯曲强度验算C螺栓连接的强度验算D提交单选题1分现行规范的基本设计表达式 3.3 问题： 1、荷载标准值、荷载设计值有何区别？如何应用？ 2、写出荷载组合的分项系数表达式，并说明各符号的含义。现行规范的基本设计表达式 3.3 现行钢结构设计标准（GB500172017）除疲劳计算外，采用分项系数设计表达式进行计算。 承

7、重结构设计均按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行计算。 设计状况分为持久设计状况、短暂设计状况、偶然设计状况和地震设计状况。 1.承载能力极限状态计算 承载能力极限状态应考虑荷载效应的基本组合，必要时还要考虑荷载效应的偶然组合。由可变荷载效应控制的组合:由永久荷载效应控制的组合： 式中： 0 结构重要性系数，按下列情况取值： 对安全等级为一级或设计使用年限为100 年及以上的结构构件，不应小于1.1； 对安全等级为二级或设计使用年限为50 年的结构构件，不应小于1.0； 对安全等级为三级或设计使用年限为5 年的结构构件，不应小于0.9。 对设计使用年限为25年的结构构件，各类材料结构设计规

8、范可根据各自情况确定结构重要性系数0的取值。钢结构00.95.G 永久荷载分项系数， 当其效应对结构不利时，对(1)式应取1.2，对(2)式应取1.35； 当其效应对结构有利时，一般情况下应取1.0，对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。SGK 按永久荷载标准值计算的荷载效应值；n 参与组合的可变荷载数。 SQiK和SQ1K 第i 个和第一个可变荷载的效应，设计时应把效应最大的可变荷载取为第一个；如果何者效应最大不明确，则需把不同的可变荷载作为第一个来比较，找出最不利组合。 Qi和Q1第i 个和第一个可变荷载的分项系数，一般情况下应取1.4，对标准值大于4kN/m2 的工业房屋楼面结构的活

9、荷载应取1.3。 Li第i 个可变荷载考虑使用年限的调整系数， 使用年限为5年，50年和100年的系数分别为Li=0.9，1.0,1.1 ci第i个可变荷载的组合值系数，应分别按建筑结构荷载规范（GB50009-2001）各章的规定采用 对于偶然组合，极限状态设计表达式宜按下列原则确定:偶然作用的代表值不乘以分项系数；与偶然作用同时出现的可变荷载，应根据观测资料和工程经验采用适当的代表值。具体的设计表达式及各种系数，应符合专门规范的规定。【例3-2】一个跨度为l0m的工形截面简支梁，求受均布恒(永久)荷载和均布活(可变)荷载，荷载分项系数分别为G1.2和Ql.4。梁有足够的侧向支承点，不会发生

10、侧扭屈曲。钢材为Q235钢。试按弹性设计求下列三种情况所需梁截面抵抗矩W，并与按容许应力设计法计算结果比较。 (1)gk80kNm, qk20kNm (2) gk50kNm, qk 50kNm (3) gk 20kNm , qk 80kNm 解 按GB50017-2003一次二阶矩概率极限状态(分项系数表达)设计法，有2.正常使用极限状态计算 对于正常使用极限状态，结构构件应按建筑结构可靠度设计统一标准的规定分别采用荷载效应的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计，使变形、裂缝等荷载效应的设计值符合下式的要求： 式中 C 为设计对变形裂缝等规定的相应限值。 对于钢结构，一般只考虑荷载的标准组合

11、而且只验算变形值，因此上式中的荷载效应值可以直接用变形值代替，从而写成如下形式： V 结构或构件中产生的变形值， V 结构或构件中容许的变形值，按规范采用。 注意：计算结构或构件的强度或稳定性及连接的强度时应采用荷载的基本组合设计值；计算疲劳和变形时，采用荷载的标准值。另外，直接承受动力荷载的结构尚应考虑动力系数，按照规范取值。 5.进行强度验算时,荷载应采用()。将永久荷载的标准值乘以永久荷载分项系数A将可变荷载的标准值乘以可变荷载分项系数B永久荷载和可变荷载的标准值,均不乘以各自的分项系数C将永久荷载和可变荷载的标准值均乘以各自的分项系数D提交单选题1分7.在进行正常使用极限状态计算时,计

12、算用的荷载应采用()。将永久荷载的标准值乘以永久荷载分项系数A将可变荷载的标准值乘以可变荷载分项系数B永久荷载和可变荷载的标准值,均不乘以各自的分项系数C将永久荷载和可变荷载的标准值均乘以各自的分项系数D提交单选题1分49.钢结构极限状态的设计表达式为:式中是( )。结构重要性系数A荷载分项系数B可变荷载组合系数C材料的抗力分项系数D提交单选题1分3 与设计表达式有关的一些概念 3.1 设计基准期 3.2 设计使用年限 5（0.9） 25（0.95） 50（1.0） 100（1.1）3.3 荷载代表值、荷载标准值与荷载设计值3.4 强度标准值与强度设计值屈服强度 疲劳计算 3.4 问题： 1、

13、疲劳破坏计算采用的是什么设计方法？ 2、疲劳破坏的影响因素。 3、试述疲劳强度、应力幅、应力比的含义。 4、对下述应力循环进行应力幅和应力比计算：疲劳计算 3.41 与疲劳有关的几个概念2 影响疲劳强度的因素3 常幅疲劳计算疲劳计算 3.4 在循环荷载作用下，即使截面上的应力小于钢材的抗拉强度甚至低于其屈服强度，也会发生断裂的现象称疲劳破坏。 疲劳破坏与钢材的质量、构件的几何尺寸和缺陷、应力循环的特征、以及循环次数有关。1 与疲劳有关的几个概念1.1 循环荷载和应力循环1.2 疲劳强度疲劳强度:钢材发生疲劳破坏时，应力循环中的最大应力。 与构造细节、应力循环的形式及循环次数有关1.3 应力幅

14、常幅应力循环、变幅应力循环1.4 应力循环特征值(应力比)与应力循环形式“不出现拉应力的部位不用验算疲劳”(b)脉冲循环(a)完全对称循环(c)不完全对称循环(d)不完全对称循环64.引起疲劳破坏的荷载为( )静载A动载B产生拉应力循环的荷载C产生全压应力循环的荷载D提交单选题1分5.影响钢材疲劳的主要因素（1）构件和连接的分类 规范将构件与连接类别，对正应力作用分为14类（用Z1，Z2表示）对剪应力分为3类（新增加，用J1，J2，J3表示）。构造细节，荷载循环次数 ，循环应力特征（应力幅） 焊缝附近主体金属的最大应力已达fy（2）应力幅（）和应力循环特征（应力比）A. 对于焊接结构：由于焊接

15、残余应力应力增大时保持fy不变应力减小时从 焊接结构 应力幅对焊接结构的疲劳强度有很大影响，而与名义最大应力max和应力比无关。名义应力比真实应力比可见，只要 为常数，不管名义为何值，真实也为常数，因此：（3）应力循环次数N（疲劳寿命）应力循环次数N5104，不需要进行疲劳计算。0NX105N1N2fy123456 非焊接结构 非焊接结构的残余应力很小或根本不存在，此时疲劳寿命除与应力幅有关外，也与应力比和最大应力有关。7.对钢材的疲劳强度影响不显著的是_。应力幅A应力比B钢种C应力循环次数D提交单选题1分 3 常幅疲劳的计算 （要求了解概念） 规范规定，当应力循环次数大于等于 次时，应对应力循环中出现拉应力的部位进行疲劳验算。不出现拉应力的部位可不计算疲劳。钢结构设计标准中，分正应力幅和剪应力幅疲劳验算公式。其中，正应力幅验算公式： 式中：对焊接部位为应力幅maxmin， 对非焊接部位为折算应力幅max0.7min，