钢结构的设计原理与材料设计二

钢结构设计原理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”的计算方法；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:1.钢结构

肖亚明主编合肥工业大学出版社2.钢结构设计规范

（GB50017-2003)7.熟悉与土木工程相关的钢结构设计规范。3.钢结构工程施工质量验收规范

（GB50205-2001)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和问题。§1.1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

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.材质均匀、各向同性，接近理想的弹塑性体，与力

学假定符合较好;

钢材屈服前看作弹性材料,屈服以后看作塑性或弹塑性材料4.制作、安装简便，工期短，符合工业化要求;

国家大剧院屋架安装钢结构住宅5、密闭性好，不渗漏;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。7、钢材耐腐蚀性差。二、钢结构的应用范围1.大跨度结构网架结构拱结构桥梁大连会展中心明石海峡大桥单层厂房多层工业厂房2.工业厂房金陵石化总厂3.承受动力荷载及地震作用的结构4.高层建筑与高耸结构金茂大厦88层420米帝王大厦东京千年塔5.道路、桥梁结构6.水利、水工结构海上石油平台船闸门拦污栅(1).波纹拱壳结构7.轻型房屋钢结构(2)门式刚架结构（3）多层环轻型房影屋建筑活动车库8.可拆卸烂、移动成房屋及移动结胃构9.构筑物10.建筑潮小品§1乡丰.2钢结构费的设计便方法一、辣钢结摄构设领计方悉法的追演变1.传统膨的容路许应责力方布法从20世纪初夺到20世纪5O年代，晌钢结构隐采用安全系逝数法辟设计色，即:N--构件截揉面的内暂力；A--构件截特面几何庄特征；F--钢材的吩最大强脾度；K-怕-大于1的安和全系挎数；[σ史]-谋-钢材的等容许应茶力。2.概率极艺限状态要设计方笨法(1)极限吓状态：当结构乏或其组脂成部分辅超过某话一特定派状禁态就不北能满足矿设计规脾定的某祖一功能暂要求时羞，此特佩定状态廊称为结索构的极舱限状态批。(2题)极限舞状态骨分为行两类转：b.正常侄使用极限裙状态:包括孔：影响除正常变使用洒或外尸观的脂变形罚、影骂响正章常使观用的饮振动筹、影割响正炒常使乒用的帖或耐功久性偶的局巧部破等坏等闸状态。a.承载能响力极限状岩态:包括楚：强度丛破坏摧、疲旷劳破饰坏、笼不适浇于继体续承鲁载的宋变形恭、失稀稳、艰倾覆旁、变害为机鄙动体载系等胃状态炊。(3)根据锹应用移概率虚分析液的程郑度不谨同，路可分朝为三避种水削准：半概顽率极茅限状炒态设刮计方届法;近似概璃率极限赶状态设窗计方法;全概坐率设落计方吴法。a.半概率播极限状毙态设计储方法;1).三系数过法（当肃时称妇为计算午极限毒状态签法）:19第57年至197摘3年我纹国钢佩结构握设计揪采用菌半概霉率的弓分项凶系数少法,结构设踩计中引皆入三个友分项系界数，即:荷载分争项系数--考虑荷驱载的不塘定性;材料胁分项述系数--考虑材屿料的不唤均性;工作墨条件泡系数--考虑结乓构及构兰件的工售作特点瘦以及某那些假定果的计算柴简图与深实际情青况不完跃全相符雀等因素。2)计算持公式N--构件季截面范的内征力；A--构件截肚面几何嚼特征；K1--荷载系干数；K2--材料系馋数;K3--调整系快数；fyk--钢材的壤屈服强佩度标准勉值；[σ]均--钢材容西许应力b、近植似概疗率极宋限状窄态设保计法（现行润钢结构石设计规暖范(GB虎500蔬17－20福03诊)）结构的春工作性锤能可用碧结构的“功能函咏数”来描拜述：Z＝g（X1，X2，…，Xn）（1－3）式中深：g（·）--结构碎的功脸能函孙数；Xi(i＝1，2,…,n)遵--影响结违构可靠渔性的各完物理量颈。将各因容素概括仗为两个览综合随榜机变量--结构的敲抗力R、作用效骑应S，则城公式祥（1-纺3）可萝以写桨成：Z＝g（R，S）＝R－S（1-脱4）在实际太工程结旅构中，控可能出幼现下列清三种情蛛况：Z＞0表示重结构稀处于可靠状态；Z＝0表示耐结构抱处于极限状态Z＜0表示结搭构处于失效状态；判断币结构掌是否哄可靠纤，要滤看结南构是钢否达原到极卸限状探态，为此，觉通常将尤下式：Z＝g(R，S)＝R－S＝0(1-颤5)称为极限而状态肥方程。结构拼能完俘成预精定功鼠能的辽概率(可靠高度)用Ps表示箭，则百：Ps＝P{皇Z≥兴0}（1-6）结构不足能完成辈预定功渣能的概歌率(失效概做率)用Pf表示，蛮则：Pf＝P{Z历<0｝（1-解7）由于事晕件｛Z≥0｝与级事件{Z＜0｝是对喝立事件供，所以骆结

构散的可靠晓度与结分构的失结效概率蹲满足:Ps＋Pf＝1或Ps＝1-卡Pf（1-领8）因为R和S都是随启机变量青，且假减定都服过从正态大分布，碧由概率论爬原理知助功能函信数Z=景R-污S也服从掩正态分虑布,则:令：Z、R、S的平均踏值分别三为μz、μR、μs，标赤准方挣差分别为σz、σR、σs，则:f(z)PfμzZ的概率密度曲线Z=R-S

失效可靠因σz＞0，故：因服从标准正态分布，故上式又可写成：式中:φ(·)-镜-标准茂正态生函数滥；f(z)μzZ的概率密度曲线PfZ=R-S从图中宅可以看薯出β与失尿效概未率Pf间存嘱在着钓一一偷对应蔑关系,即:1).β减小时，阴逃影部轮分的面鹊积增最大，龟即失赵效概率Pf增大；2)伐.β增大时，阴该影部分的面滨积减披少，驻亦即果失效概率Pf减小。说明β可以痰作为建衡量垫结构可靠度的一个婚数量指标。β—可靠度仿指标f(z)μzZ的概率密度曲线PfZ=R-S

失效可靠标准正态分布时与的对应值4.03.17X10-53.71.08X10-43.26.87X10-41.35X10-33.0β的计锹算:将式(1-肚10)、(1-费11)代入β的定纠义式得：c.全概淘率设捎计法对结构非的各种考基本变逼量均采任用随机炸变量或呢随机过粮程来描真述，对家结构进策行精确艇的概率离分析，从求得结摊构最优禽失效概敢率作为惜结构可剥靠度的膀直接度差量。二、钢弱结构设悟计表达睛式a.采用以平概率理衰论为基您础的极坛限状态是设计方详法(疲劳膊问题厅除外)，用骑分项

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。（一梳）按承缘瑞载能认力极从限状玻态设虽计应考心虑荷阔载效炉应的猜基本彻组合井或偶依然组糠合进怪行荷载（颠效应全）组维合，卸采用夫下列捆表达往式设搭计：式中谋：γo--结构重钳要性系哀数；S飞--荷载效存应（组填合）的仍设计值分；R捷--钢结构潮构件或振连接材留料抗力橡的设计偏值。荷载珠效应爆组合豆如下粥：2.由永开久荷价载效唉应控娱制的肚组合甚：3.荷载农分项心系数成取值主如下欢：1.由可庙变荷毒载效敌应控逢制的孕组合班：（1）永久胀荷载分礼项系数当其竿效应宗对结秆构不神利时--对可闸变荷膏载效彩应控休制的兴组合未，应档取1.阿2;--对永久绪荷载效类应控制冻的组合磁，应取1.3敢5;当其破效应斗对结未构有你利时--一般拥情况叛下应盘取1.穴0；--对结构绒的倾覆糟、滑移湖或漂浮基验算，匠应取0.9。（2）可详变荷分载的旦分项县系数--一般情陶况下应匆取1.4；--对标准六值大于4kN丈/m2的工业逝房屋楼破面结构爷的活荷载俗标准值旱应取1.3。对于栽钢结循构这君种单替一材专料，鸭可以旺将荷泻载效滔应表治达式绒用应券力形柴式表牲示。可变荷辨载起控由制作用丧时：永久炒荷载起控掀制作魄用时究：式中：4、钢结康构构件俯承载能组力极限迈状态设论计表达趟式--钢材或挑连接材坚料强度设计值。--钢材似或连圾接材孕料强造度标准聋值。--钢材或题连接材梦料抗力牧分项系缝数，对晕于Q23休5钢γR=1.劲087;Q3英45、Q3判90、Q42呼0钢γR=1吃.1晒11。钢结构渐规范给乎出了各白类钢材拘和连接愿的强度滚设计值狭。(二)正常使法用极限护状态1.对于正秒常使用谋极限状饱态，要咬求分别骄采用荷载的焰标准组宋合、频素遇组合月和准永宾久组合，并使鸣变形等溜不超过格相应的侮规定限霉值。νGk--永久荷句载标准斑值在结构茄或结构齿构件中宵产生的变形阵值；νQ1k--第1个可变奸荷载费的标咏准值在结构受或结构识构件中产生钉的变羡形值额（该豆值使庙计算未结果雕为最稿大）档；νQi柱k--其他森第i个可宫变荷保载标巩准值稠在结尸构或古构件