钢结构的计算原理

钢结构的计算原理一、概述钢结构设计过程：根据建筑布局 确定结构方料及规格 构件及连接验算

荷载计算 内力分析 选定材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。因此，在设计中如何恰当的考虑这些因素的变动规律，就形成了结构设计方法的几个阶段。1、总安全系数的容许应力计算法2、三个系数的极限状态计算方法3以结构极限状态为依据,算方法4、概率论为基础的一次二阶矩极限状态设计法1、总安全系数的容许应力计算法1957时构件容许达到的最大应力，即允许应力法。容许应力式中：N——构件的内力；S——截面几何特性；σ——钢材屈服强度；sK——总安全系数；σ——构件的计算应力。优点：简单、明确。缺点：太笼统。各构件的可靠程度各不相同，而整个结构取决于可靠度最小的构件。2、三个系数的极限状态计算方法时间：1957年～1974年方法：根据结构使用上的要求，在结构中规定两种使用极限状态，即承载能力的极限状态和变形极限状态。同时引入三个系数，即以超载系数 考虑荷载可能的变动以材料均质系数 考虑材料性质的不一致性以工作条件系数 考虑结构及构件的工作特点以及某些假定的计算图式与实际情况不完全相符等因素。优点：比较细致，特别是荷载与材料强度取值上分别部分地考虑了概率原则；缺点：某些系数的确定有时缺乏客观依据和科学方法。3、以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一设计安全系数的容许应力计算方法时间：1974年～1988年方以结构极限状态（强度、稳定、疲劳、变形等）为依据，对影响结构安全半经验的极限状态计算方法。式中：——根据标准荷载求得的内力；——屈服强度；——构件几何特性；、 、 ——分别为荷载系数、材料系数和调整系数。构件应力式中：——安全系数；——钢材的允许应力。如[TJ17-74]规范中：A3： =240N/mm2 =1.23 =1.143 =1.0优点：对结构可靠性的处理有所改进。因为这对结构可靠度的研究仅处于以经验为基础的定性分析阶段。4、概率论为基础的一次二阶矩极限状态设计法事实上，由荷载引起的结构内力（S），结构或构件的承载力或抵抗变形能力（R）采用以概率论为基础的一次二阶矩极限状态设计法。虽然已经采用了这样的概率设计法，但由于在分析中忽略和简化了基本变量性化简化计算，所以只能算是一种近似的概率设计法。缺点：对荷载、材料性能等的处理都取一个经验定值，因为这对结构可靠度的研究仅处于以经验为基础的定性分析阶段。二、结构概率设计法率设计法。S：取决于各种荷载（恒载、活载、风、地震作用，温度变化等）。设结构状态方程：当 时，结构可靠；当 时，结构失效；当 时，结构或构件承载能力处于极限状态。能的概率。若以 表示结构的可靠度，则：，且

表示，则有：结构是否可靠就看结构可靠度接受的程度。对于一个结构状态方程，其平均值

是否足够大或其失效概率是否小到可以与其标准差 的比值 ，称为结构或构件的可靠度指标。与

有确定的对应关系，增大，

减小，而对于结构来说

容易确定得多。（图）三、钢结构设计的规定承重结构设计均按承载能力极限状态和正常使用极限状态来进行的。疲劳和变形时，采用荷载的标准值。其它规定：直接承受动力荷载的结构尚应考虑动力系数，按照规范进行。承载力极限状态承载能力极限状态为结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形的极限状态。组合。强度、稳定性设计采用的极限状态设计表达式：式中：——结构重要性系数，当安全等级为一级时

，安全等级为二级时，安全等级为三级时 ，安全等级按照重要性程度不而区分，见有关标准、规范；——永久荷载设计值 在结构构件中或连接中产生的应力， ，为标准值， 为分项系数，一般取1.2，当永久荷载效应对结构有时取1.0；——第个可变荷载设计值 在结构构件或连接中的应力， ，为第i个可变荷载标准值，——荷载组合系数；——结构构件或连接的强度设计值，抗力分项系数。

为分项系数，一般取1.4；， 为材料强度标准值，正常使用极限状态（变形或耐久性能值的极限状态。其表示式为：式中：——永久荷载标准值在结构或构件中产生的变形；——第一个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形；i个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形；——结构或构件的容许变形值。梁以容许挠度表示。四、钢结构的疲劳和疲劳强度力还低于屈服点，而发生的断裂。（请看动画）钢材在疲劳破坏之前，并不出现明显的变形和局部收缩，它和脆性破坏一样，是一种突然发生的断裂。钢材的疲劳过程可分为裂纹的形成，裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂三个阶段。疲劳强度与反复荷载引起的应力种类（拉应力、压应力、剪应力和复杂应力等）、应力循环形式、应力循环次数、应力集中程度和残余应力等有关。对钢结构进行疲劳计算时有如下规定：n次时，应进行疲劳计算；在应力循环中不出现拉应力的部位，可不计算疲劳；计算疲劳时，应采用荷载的标准值；五、疲劳计算的方法面进行计算。左侧疲劳计算只适用于常温下、无强烈腐蚀环境中钢结构的高周疲劳计算（应力循环次数 ）。计算范围只限于中级承受重复作用动力荷载的钢结 构构件及其连接。对构件表面温度大于150℃、海水腐蚀环境、低周高力等特殊条件下的疲劳，则应参照其它有关规定进行计算。常幅疲劳当应力循环内的应力幅保持常量时，称为常幅疲劳。常幅疲劳的验算公式为：式中 ：——对焊接部位称为应力幅，其值为 ，对非焊接部位称为折算应力幅，其值为，——每次应力循环中，计算部位的最大拉应力（取正值），——每次应力循环中，计算部位的最小拉应力或压应力（拉应力取正值，压应力取负值）；2——容许应力幅（N/mm），按构件和连接的类别及应力循环2n由下式确定：式中参数 和 根据构件和连接的类别按下表采用参数 、232345678861×3.26×2.18×1.47×0.96×0.65×0.41×101210121012101210121012101243333331类别1940×10124、、Q390三种钢材，和与钢号无关。1918的八个类别。类别数字愈大，则其疲劳性能愈差。变幅疲劳幅疲劳折合为等效常幅疲劳，按下式计算：式中:——为变幅疲劳的等效应力幅，按下式计算：——以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；——预期寿命内应力幅水平达到 的应力循环次数。数n应根据构件使用中满负荷的程度予以折减。吊车梁及吊车桁架疲劳计算（桁架式吊车梁式计算：式中：——为所验算部位的应力幅或折算应力幅；——为欠载效应的等效