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文档简介
钢结构设计方法第1页,共24页,2023年,2月20日,星期四§3.1概述一、钢结构设计方法的演变(一)容许应力方法是一种传统的设计方法,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。此种方法计算简单方便,目前许多国家采用,我国铁路和公路桥梁规范也采用此法,钢结构疲劳验算也用此法)(二)概论极限状态设计方法第2页,共24页,2023年,2月20日,星期四§3.2概率极限状态设计方法一.极限状态概念: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。二.极限状态分为两类:
2.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。1.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。
第3页,共24页,2023年,2月20日,星期四三.概论极限状态设计表达式
1.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;
2.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;
3.钢结构设计用应力表达。第4页,共24页,2023年,2月20日,星期四(1)永久荷载分项系数
当其效应对结构不利时
--对可变荷载效应控制的组合,应取1.2;--对永久荷载效应控制的组合,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。(2)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荷载标准值应取1.3。4.荷载分项系数取值如下:第5页,共24页,2023年,2月20日,星期四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。1.可变荷载起控制作用时:2.永久荷载起控制作用时:(一)承载能力极限状态设计表达式第6页,共24页,2023年,2月20日,星期四(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);第7页,共24页,2023年,2月20日,星期四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。2.对于受压、受拉构件,规范规定应限制其长细比,即:
λ≤[λ]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。第8页,共24页,2023年,2月20日,星期四一.明确几个基本概念(一)循环(重复)荷载——结构或构件承受的随时间变化的荷载。PP11A1-1A§2.3钢材的疲劳第9页,共24页,2023年,2月20日,星期四(二)应力循环(三)应力循环特征—应力比ρ----构件截面应力随时间的变化。(四)应力幅----
在循环荷载作用下,应力从最大到最小重复一次为一次循环,最大应力与最小应力之差为应力幅:为常量1.常幅循环:为变量2.变幅循环:+σ-σt第10页,共24页,2023年,2月20日,星期四(b)脉冲循环(a)完全对称循环(c)不完全对称循环(d)不完全对称循环第11页,共24页,2023年,2月20日,星期四二.钢材的疲劳分类(一)按断裂寿命和应力高低的不同1.高周疲劳:断裂寿命较长,总应力幅小破坏前应力循环次数多,N>5×104
,断裂应力水平低,σ<fy,也称低应力疲劳或疲劳,工程上常见;2.低周疲劳:断裂寿命较短,破坏前应力循环次数少,N=102~5×104断裂应力水平高,σ≥fy,伴有塑性应变发生,因此也称为应变疲劳或高应力疲劳。第12页,共24页,2023年,2月20日,星期四三.影响钢材疲劳强度的主要因素(一)应力集中的影响1.以截面几何形状改变;2.钢材的缺陷。
规范将构件和连接的种类分为8类,详见钢结构教材P25~P27表3-2。第13页,共24页,2023年,2月20日,星期四实际应力循环均形成在拉应力范围2.应力幅(Δσ)和应力循环特征(应力比ρ)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σmax和应力比ρ无关。完全对称循环,其疲劳强度最低。第14页,共24页,2023年,2月20日,星期四3.应力循环次数N(疲劳寿命)
是指在连续重复荷载作用下应力由最大到最小的循环次数。应力循环次数N<5×104,不需要进行疲劳计算。
应力幅越低,作用循环次数越多,疲劳寿命越高;应力幅相同,作用的循环次数越多,疲劳寿命越高。0NX105N1N2fy123456第15页,共24页,2023年,2月20日,星期四
结论:
1.由试验结果,以及上述分析可知钢材的疲劳强度主要与构件和连接分类(内部缺陷、应力集中、残余应力)、应力循环次数和应力幅有关。2.焊接部位的疲劳强度与钢材的静力强度(屈服点fy)基本无关。3.对于只有压应力的应力循环作用,由于钢材内部缺陷不易开展,则不会发生疲劳破坏,不必进行疲劳计算。第16页,共24页,2023年,2月20日,星期四(六)疲劳强度计算
由于现阶段对钢材发生疲劳破坏尚处于进一步研究阶段,按概率极限状态计算疲劳强度还不成熟,故采用容许应力幅的计算方法。第17页,共24页,2023年,2月20日,星期四§3.5钢结构强度设计指标
P31~34第18页,共24页,2023年,2月20日,星期四第19页,共24页,2023年,2月20日,星期四第20页,共24页,2023年,2月20日,星期四第21页,共24页,2023年,2月20日,星期四第22页,共24页,2023年,2月20日,星期四五.有关钢结构的规范、规程及标准简介第一层次:通用1.《建筑结构可靠度设计统一标准》GB500682.《建筑结构设计通用符号、计量单位和基本术语》GBJ83-853.《建筑结构制图标准》GBJ105-87第二层次:通用4.《建筑结构荷载规范》GB50009第三层次:与设计有关的5.《钢结构设计规范》GB500176.《冷弯薄壁型钢结构设计规范》GB500187.《网架结构设计与施工规程》JGJ7-918.《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-989.《门式刚架轻型永恒钢结构技术规程》CECS102:98第23页,共24页,2023年,2月20日,星期四第四层次:与施工有关的10.《钢结构工程施工质量验收规范》GB5020511.《钢结构工程质量检验评定标准》GB50022112.《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81-9113.《钢结
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