第1章绪论(第一、二讲)08

河南城建学院土木工程系结构教研室钢结构设计原理主讲：张锋剑4.了解杆件和板件稳定的基本理论，理解影响稳定性的主要因素及提高稳定性的措施；3.掌握钢结构用钢的主要性能及其主要影响因素，并能正确地选择钢材；2.理解“钢结构”的设计方法；1.了解钢结构的应用和发展概况,掌握钢结构的特点；本课程的基本要求5.掌握各种连接（焊接、螺栓连接）和各类构件(梁、柱和屋架)的工作性能、破坏特征及其设计的基本方法。6.理解构件间的连接方法、力的传递方式和过程以及构造原则；教学参考书及规范:钢结构设计原理张耀春主编高等教育出版社钢结构（上下册）陈绍蕃主编中国建筑工业出版社钢结构设计规范（GB50017-2003）钢结构工程施工质量验收规范（GB50205-2001)7.熟悉与土木工程相关的钢结构设计规范。陈绍蕃教授简介陈绍蕃，男，1919年2月生，浙江海盐人，西安建筑科技大学资深教授。中国土木工程学会第四、五届理事，中国钢结构协会理事，全国钢结构技术标准委员会顾问委员。美国结构稳定研究会终身会员。1943年重庆中央大学硕士。第一章绪论大纲要求1.

掌握钢结构的特点和钢结构的应用范围。2．理解钢结构按极限状态的设计方法，掌握其设计表达式的应用。3．了解钢结构在我国的发展趋势。§1.1钢结构发展简史人类建筑发展土与木材石材砖瓦混凝土钢材兰津桥（中国公元65年）四川泸定大渡河桥（中国公元1705年）湖北玉泉寺（中国公元1061年）美国金门大桥（公元1937年）§1.2钢结构的特点和应用范围1.轻质高强;

由于钢材强度高，结构需要的构件截面小,结构自重轻。

a=容重/强度,a越小，结构相对越轻。钢材：a=1.7～3.7×10-4/m；

木材：a=5.4×10-4/m；钢砼：a=18×10-4/m；一、钢结构的特点澳大利亚啤酒中心

2.钢材的塑性和韧性好；塑性和韧性是概念上完全不同的两个物理量。

塑性——承受静力荷载时，材料吸收变形能的能力。塑性好，会使结构一般情况下不会由于偶然超载而突然断裂，给人以安全保证；

韧性——承受动力荷载时，材料吸收能量的多少。

韧性好，说明材料具有良好的动力工作性能。

3.钢材具有良好的加工性能和焊接性能适合大规模机械化、工厂化加工和现场安装拼接，既能保证质量，也可以大大缩短工期。北京小汤山医院（2003年）建筑面积：4000平米工期：6昼夜施工人员：2万人接受病人：1061人4.钢材具有良好的密封性能采用焊接连接的钢板结构，具有较好的水密性和气密性，可用来制作压力容器、管道等。压力容器输油管道5、钢材可重复利用。6、钢材耐热性好，耐火性差;

当结构表面长期受辐射热达150℃以上或在短时间内可能受到火焰作用时，须采用隔热和防火措施。美国世贸大厦（撞击前）美国世贸大厦（撞击后）7、钢材耐腐蚀性差。

埃菲尔铁塔于1889年为巴黎世博会而建，每7年对高达324米、重达7300吨的埃菲尔铁塔进行重新粉刷，每次用油漆52吨，是铁塔设计师居斯塔夫·埃菲尔遗嘱中的一项要求。

二、钢结构的应用范围1.大跨度结构网架结构拱结构桥梁天津体育场千年穹顶西班牙迪加航空港上海会展中心单层厂房多层工业厂房2.工业厂房金陵石化总厂工业厂房动态演示3.承受动力荷载及地震作用的结构吊车梁动态演示4.高层建筑与高耸结构上海标志性高耸建筑澳大利亚悉尼塔香港银行5.道路、桥梁结构澳大利亚悉尼桥6.水利、水工结构海上石油平台(1).波纹拱壳结构7.轻型房屋钢结构(2)门式刚架结构(2)索膜结构西安建筑科技大学网球场南京工业大学垒球场活动车库8.可拆卸、移动房屋及移动结构9.构筑物10.建筑小品§1.3钢结构的设计方法一、钢结构设计方法的演变1.容许应力方法

从20世纪初到20世纪5O年代，钢结构采用安全系数法设计，即:N--构件截面的内力；A--构件截面几何特征；f--钢材的最大强度；k--大于1的安全系数；[σ]--钢材的容许应力。容许应力方法存在缺陷加拿大魁北克大桥（1916年）加拿大魁北克大桥（现在）加拿大魁北克大桥（1907年）加拿大圣劳伦斯河

2.概率极限状态设计方法结构的功能要求

再正常的施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用；在正常的使用时具有良好的工作性能；在正常维护下具有足够的耐久性；在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能够保持必须的整体稳定性。结构的可靠度

结构的可靠性——结构在规定的时间内，在规定的条件下完成预定功能的能力；结构的可靠度——结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率(1)极限状态：当结构或其组成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时，此特定状态称为结构的极限状态。(2)极限状态分为两类：

b.正常使用极限状态:

包括：影响正常使用或外观的变形、影响正常使用的振动、影响正常使用的或耐久性的局部破坏等状态。a.承载能力极限状态:

包括：强度破坏、疲劳破坏、不适于继续承载的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。

(3)根据应用概率分析的程度不同，可分为三种水准：

半概率极限状态设计方法;

近似概率极限状态设计方法;

全概率设计方法。

a.半概率极限状态设计方法;1).三系数法（当时称为计算极限状态法）:1957年至1973年我国钢结构设计采用半概率的分项系数法,结构设计中引入三个分项系数，即:

荷载分项系数--考虑荷载的不定性;

材料分项系数--考虑材料的不均性;

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简图与实际情况不完全相符等因素。2)半经验半概率极限状态设计法(容许应力法）

N--构件截面的内力；

A--构件截面几何特征；

K1--荷载系数；

K2--材料系数;K3--调整系数；

fyk--钢材的屈服强度标准值；

[σ]--钢材容许应力材料的几种特征值：材料的平均值材料的标准值材料的设计值b、近似概率极限状态设计法（现行钢结构设计规范(GB50017－2003)）

结构的工作性能可用结构的“功能函数”来描述：

Z＝g（X1，X2，…，Xn）（1－3）

式中：

g（·）--结构的功能函数；

Xi(i＝1，2,…,n)--影响结构可靠性的各物理量。

将各因素概括为两个综合随机变量--结构的抗力R、作用效应S，则公式（1-3）可以写成：

Z＝g（R，S）＝R－S（1-4）在实际工程结构中：

Z＞0表示结构处于可靠状态；

Z＝0表示结构处于极限状态

Z＜0表示结构处于失效状态；判断结构是否可靠，要看结构是否达到极限状态，为此，通常将下式：

Z＝g(R，S)＝R－S＝0(1-5)

称为极限状态方程。结构能完成预定功能的概率(可靠度)用Ps表示，则：Ps＝P{Z≥0}

（1-6）结构不能完成预定功能的概率(失效概率)用Pf表示，则：Pf＝P{Z<0｝

（1-7）由于事件｛Z≥0｝与事件{Z＜0｝是对立事件，所以结

构的可靠度与结构的失效概率满足:Ps＋Pf＝1

或

Ps＝1-Pf

（1-8）

因为R和S都是随机变量，且假定都服从正态分布，由概率论原理知功能函数Z=R-S也服从正态分布,则:f(z)PfμzZ的概率密度曲线Z=R-S

令：Z、R、S的平均值分别为

μz、μR、μs，标准差分别为σz、σR、σs，则:

因σz＞0，故：

f(z)μzZ的概率密度曲线PfZ=R-S因服从标准正态分布，故上式又可写成：式中:φ(·)--标准正态函数；φ-1(·)--标准正态函数的反函数。从图中可以看出β与失效概率Pf间存在着一一对应关系,即:1).β减小时，阴影部分的面积增大，即失效概率Pf增大；

2).β增大时，阴影部分的面积减少，亦即失效概率Pf减小。说明β可以作为衡量结构可靠度的一个数量指标。β—可靠度指标f(z)μzZ的概率密度曲线PfZ=R-S标准正态分布时与的对应值

4.03.17X10-53.71.08X10-43.26.87X10-41.35X10-33.0

β的计算:

将式(1-10)、(1-11)代入β的定义式得：

c.全概率设计法对结构的各种基本变量均采用随机变量或随机过程来描述，对结构进行精确的概率分析，求得结构最优失效概率作为结构可靠度的直接度量。三、钢结构设计表达式

a.采用以概率理论为基础的极限状态设计方法(疲劳问题除外)，用分项系数的表达式进行计算；

b.结构的可靠度用可靠度指标来度量，并以分项系数的形式考虑。

（一）按承载能力极限状态设计应考虑荷载效应的基本组合或偶然组合进行荷载（效应）组合，采用下列表达式设计：式中：γo--结构重要性系数；

S--荷载效应（组合）的设计值；

R--钢结构构件或连接材料抗力的设计值。

荷载效应组合如下：2.由永久荷载效应控制的组合：3.荷载分项系数取值见教材P101.由可变荷载效应控制的组合：

对于钢结构这种单一材料，可以将荷载效应表达式用应力形式表示。可变荷载起控制作用时：永久荷载起控制作用时：式中：4、钢结构构件承载能力极限状态设计表达式--钢材或连接材料强度设计值。--钢材或连接材料强度标准值。--钢材或连接材料抗力分项系数，对于Q235钢γR=1.087;Q345、Q390、Q420钢γR=1.111

。钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。(二)正常使用极限状态1.

对于正常使用极限状态，要求分别采用荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合，并使变形等不超过相应的规定限值。νGk--永久荷载标准值在结构或结构构件中产生的变形值；νQ1k--第1个可变荷载的标准值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）；

νQik--其他第i个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值。

[ν]--结构或结构构件的容许变形值。(315页附录2)

2.

对于受压、受拉构件，规范规定应限制其长细比，即:

λ≤[λ](1-24）式中：λ--受压、受拉构件的计算长细比；

[λ]--规范规定的受拉、受压构件容许长细比，按规范采用。5、钢结构内力分析方法（1）一阶弹性分析方法建筑结构的内力一般按结构静力学的方法进行分析。分析时力的平衡条件按变形前的结构杆件轴线建立，即不考虑结构变形