钢结构设计方法

钢结构设计方法一、工程结构的设计方法经历了经验定值设计法、半经验半概率设计法和概率极限状态设计法三个阶段。目前国际上关于工程结构设计普遍采用概率极限状态设计法。我国也是以概率极限状态设计法进行钢结构设计。所谓以概率极限状态设计法进行钢结构设计，就是以结构概率可靠度为基础，以确定荷载和确定结构抗力为形式的结构设计方法。这种设计方法既方便，又具有明确的概率可靠度意义。钢结构设计方法采用以概率理论为基础的极限状态设计法（疲劳计算除外）。二、钢结构设计方法对于承重结构来说，有以下两种极限状态设计方法：1.承载力极限状态设计方法定义：对应于结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的最大塑性变形。当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态：（1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡(如倾覆等)；（2）结构构件或连接因材料强度被超过而破坏(包括疲劳破坏)，或因过度的塑性变形而不适于继续承载；（3）结构转变为机动体系；（4）结构或结构构件丧失稳定(如压屈等）。2.正常使用极限状态设计方法定义：对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值的情况。当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态：（1）影响正常使用或外观的变形；（2）影响正常使用或耐久性能的局部损坏(包括裂缝)；（3）影响正常使用的振动；（4）影响正常使用的其它特定状态。承载力极限状态与正常使用极限状态相比，前者可能导致人身伤亡和大量的财产损失，而后者对生命的危害则较小，主要是引起人们的不适，所以也应该给予足够的重视。三、结构设计必须足够可靠、经济合理。下面述说一下可靠度应满足的功能要求：可靠是指结构必须满足下列各项功能要求：（1）能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用；（2）在正常使用时具有良好的工作性能；（3）在正常维护下具有足够的耐久性能；（4）在偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性，不致倒塌。上述四项功能可以概括为结构应具有安全性、适用性、耐久性，或统称为结构的可靠性。四、几个非常重要的概念1.可靠性（reliability）：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。规定时间：一般指结构设计基准期，一般结构的设计基准期为50年，桥梁工程的设计基准期为100年。设计基准期（designreferenceperiod）：为了确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数。设计使用期与设计使用寿命的关系：当结构的设计使用年限超过设计基准期时，表明它的失效概率可能会增大，但并不等于结构丧失所要求的功能甚至报废。规定条件：指正常设计、正常施工、正常使用条件，不考虑人为或过失因素。2.结构的功能要求安全适用耐久3.可靠性可靠度可靠概率失效概率4.结构上的作用使结构产生效应(M、N、V、T、σ、τ、ε、f、θ)的各种因素的总和。5.作用效应(S)结构上的作用引起结构或构件的内力和变形。S=CQ6.结构抗力（R）结构或构件承受内力和变形的能力R=f(σ、E、A、I)的函数。五、必须要注意的问题有：（1）正常使用极限状态下应采用荷载标准值（2）承载力极限状态下应采用荷载设计值（3）二者之间关系：荷载设计值=荷载标准值×荷载分项系数六、钢材的两种疲劳破坏：钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤、产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏，此现象称为疲劳（fatigue）。按照断裂寿命和应力高低的不同，疲劳分为高周疲劳（high-cycle

fatigue）和低周疲劳（low-cycle

fatigue）两类。高周疲劳的断裂寿命较长，断裂前的应力循环次数n≥5×104，断裂应力水平较低，因此也称低应力疲劳或疲劳，一般常见的疲劳多属于这类。低周疲劳的断裂寿命较短，破坏前的循环次数n＝102～5×104，断裂应力水平较高，伴有塑性应变发生，因此也称为应变疲劳或高应力疲劳。对于钢材的疲劳破坏，有以下总结：1、承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化的循环次数N≥5×104次时，应进行疲劳计算。2、在应力循环中不出现拉应力的部位，可不计算疲劳。根据应力幅概念，不论应力循环是拉应力还是压应力，只要应力幅超过容许值就会产生疲劳裂纹。但由于裂纹形成的同时，残余应力自行释放，在完全压应力(不出现拉应力)循环中，裂纹不会继续发展，故规范规定此种情况可不于验算。3、计算疲劳时，应采用荷载的标准值，不考虑荷载分项系数和动力系数，而且应力按弹性工作计算。4、根据试验，不同钢种的不同静力强度对焊接部位的疲劳强度无显著影响。可认为，疲劳容许应力幅与钢种无关。七、一些重要的概念1、作用（action）：施加在结构上的一种分布力或集中力，或引起结构外加变形或约束变形的原因。前者亦称为直接作用，俗称荷载（自重，车辆荷载、人群荷载等）；后者亦称为间接作用（温度变化、基础沉降焊接、地震等）。2、永久作用（permanentaction）：在结构使用期间，其量值不随时间而变化，或其变化值与平均值相比可以忽略不计的作用。（自重、土压力、预加应力等）亦称静载。3、可变作用（variableaction）：在结构使用期间，其量值随时间而变化，或其变化值与平均值相比不可忽略不计的作用。（车辆荷载、人群荷载、风荷载和雪荷载等），亦称活载。4、偶然作用（accidentalaction）：在结构使用期出现的概率很小，一旦出现，其值很大且持续时间很短的作用。（地震、撞击力、爆炸力等）5、作用的代表值(representativevalueofanaction)：结构或结构构件设计时，针对不同设计目的所采用的各种作用规定值，它包括作用标准值、准永久值和频遇值。6、作用标准值(characteristicvalueofanaction)：结构或结构构件设计时，采用的各种作用的基本代表值，其值可根据作用在设计基准期内最大值概率分布的某一分位值确定。7、作用频遇值(frequentvalueofanaction)：结构或构件按正常使用极限状态短期效应组合进行设计时，采用的另一种可变作用代表值。其值可根据在足够长期观测内作用任意时点概率分布的0.95分位值确定。8、作用准永久值(quasi-permanentvalueofanaction)：结构或构件按正常使用极限状态长期效应组合进行设计时，采用的