钢结构设计：钢结构的设计方法

钢结构的设计方法

钢结构的设计方法有与其它结构类型相同的设计法，遵循《建筑结构设计统一标准》（GB50068-2001）规定的概率极限状态设计法，也有与其它结构不一样的地方：应力表达设计式、疲劳计算应力幅等。

§3-1概述一、钢结构设计的目的完成预定功能，做到技术先进、经济合理、安全适用、保证质量。二、结构功能要求●安全性适用性耐久性三、结构的可靠性与可靠度●可靠性：结构在规定的时间（设计使用年限，见教材表3.1）内，在规定的条件（正常设计、正常施工、正常使用）下，完成预定功能的能力。●用来度量结构可靠性的指标成为可靠度。●影响结构可靠性的因素：如荷载、材料性能、施工质量、计算方法。§3-2概率极限状态设计法

传统的容许应力法（建国初～1957年）——三系数极限状态设计法（1957年～1975年）——半概率极限状态设计法（1975年～1988年）——概率极限状态设计法（1988年～发展中）钢结构设计方法的发展演变一、结构的极限状态

若整个结构或几个的一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，此特定状态称为该功能的极限状态。

承载能力极限状态：结构或结构构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形时的极限状态。如倾覆、强度破坏、丧失稳定、疲劳破坏、结构变为机动体系等

正常使用极限状态：结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限制时的极限状态。也称变形极限状态。如挠度、裂缝、振动等。§3-2概率极限状态设计法《钢结构设计规范》GB50017-2003规定：§3-2概率极限状态设计法

可靠概率：完成预定功能的概率；失效概率：不能完成预定功能的概率。

二、结构的失效概率和可靠指标设计结构需要处理两方面的因素结构抗力R—取决于材料性能和结构构件的几何特征荷载效应S—取决于荷载在结构和结构构件中产生的效应（内力的总和）

R、S都是随机的变量，应按它们各自的统计数值应用概率理论来分析。关于R和S的概率运算用一下功能函数Z表达：Z=R-S＞0，即R＞S，结构处于可靠状态Z=R-S=0，即R=S，结构处于极限状态Z=R-S＜0，即R＜

S，结构处于失效状态§3-2概率极限状态设计法《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068-2001规定：一般情况下：当永久荷载对结构有利时：当永久荷载效应与可变荷载效应相比很大时：特殊情况下，允许对做合理调整，如：对于标准值大于的工业建筑楼面活荷载，可取抗力分项系数：对Q235钢，取；对Q345、Q390钢取

一、分项系数的取值三、概率极限设计法的设计表达式二、承载力极限状态设计表达式1、对荷载效应基本组合：①由可变荷载效应控制的组合（3—1）§3-3概率极限状态的设计表达式②由永久荷载效应控制的组合（3—2）钢结构习惯的应力表达式：①由永久荷载效应控制的组合（3—3）②由永久荷载效应控制的组合（3—4）§3-3概率极限状态的设计表达式③对于一般的排架、框架结构，可采用下列简化的极限状态设计表达式：

（3—5）式中：§3-3概率极限状态的设计表达式2、对荷载效应偶然组合：偶然作用的代表值不乘分项系数；与偶然作用同时出现的可变荷载，应根据观测资料和工程经验采用适当的表达式。具体表达式及系数见专门规范。§3-3概率极限状态的设计表达式三、正常使用极限状态设计表达式

（3—6）式中：注意理解上述各表达式中系数的物理含义（教材P40）§3-3概率极限状态的设计表达式四、钢材的强度设计值疲劳破坏特征突然性，破坏前没有明显的宏观塑性变形，属于脆性断裂断口与一般脆性断口不同，可分为三个区域：裂纹源、裂纹扩展区和断裂区对缺陷（包括缺口、裂纹及组织缺陷等）十分敏感

§3-4钢材的疲劳和计算疲劳的两种类型：常幅疲劳——常幅交变荷载引起——常幅循环应力（简称循环应力）变幅疲劳——变幅交变荷载——变幅循环应力（简称变幅应力）应力循环特征（应力比ρ）

按绝对值计算的最小应力和最大应力之比（拉应力取正值，压应力取负值）ρ＝-1完全对称循环ρ＝0脉冲循环ρ＝-1～0不完全对称循环（以拉应力为主或以压应力为主）影响扎制钢材与非焊接结构疲劳强度的因素：

最大应力、应力比、循环次数、缺口效应一、常幅疲劳对焊接结构的疲劳强度

与非焊接结构存在根本差别的原因：由于焊接加热及随后的冷却，在焊缝及其附近产生残余应力，使该部位形成和发展疲劳裂纹最为敏感的区域焊接结构疲劳强度与名义应力和应力比无关而与应力幅Δσ有关常幅疲劳验算对焊接结构焊接部位的常幅疲劳验算：（3.7）（3.8）公式3.8中八类构件和连接形式的[Δσ]－N曲线参数β、C的确定对焊接结构非焊接部位及非焊接结构的常幅疲劳验算：（3.10）[Δσ]取σ0下限值k由试验数据统计取0.7Miner线性累积损伤准则（linear

cumulative

damage

criteria）

设某个构件或连接的设计应力谱由若干个不同应力幅水平Δσi的常幅循环应力组成，各应力幅水平Δσi所对应的循环次数为ni，相对的疲劳寿命为Ni，Miner的线性累积损伤准则为：

二、变幅疲劳（3.11）任一级应力幅水平公式（3.12）设有等效应力幅Δσe循环Σni次使同一结构发生疲劳破坏，则有：（3.13）（3.14）吊车梁是钢结构中变幅疲劳工作的典型构件令Δσe＝αfΔσmax

（αf

－变幅荷载的欠载效应系数）规范给出了2×106循环次数的αf

重级工作制硬钩吊车αf

＝1.0重级工作制吊车αf

＝0.8中级工作制吊车αf

＝0.5吊车梁疲劳验算以常幅疲劳方式验算：吊车梁变幅疲劳验算（3.15）疲劳验算用容许应力设计方法，疲劳强度按容许应力幅计算，荷载采用标准值，不考虑荷载分项系数和动力系数，应力按弹性工作计算