钢结构设计：钢结构设计方法

钢结构设计方法第一节概率极限状态设计法第二节概率极限设计法的设计表达式第三节钢材的疲劳和疲劳计算

第一节概率极限状态设计法结构设计规范《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068）规定：结构的可靠度应采用以概率论为基础的极限状态设计方法分析确定。钢结构和其他建筑结构一样，遵循“统一标准”要求，采用的也是以概率论为基础，用分项系数表达的极限状态设计方法。通过学习应掌握以下概念：结构的极限状态；结构的基本功能要求；结构的可靠度；荷载及强度的标准值与设计值。1建筑结构的功能要求和可靠度建筑结构的功能要求安全性—结构能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用和在设计规定的偶然事件发生时及发生后仍能保持必须的整体稳定性。适用性—在正常使用时具有良好的工作性能，如不产生影响正常使用的过大变形。耐久性—结构在正常维护下具有足够的耐久性能，如不产生影响结构预期使用寿命的严重锈蚀等。结构的可靠性和可靠度结构的可靠性—是指结构在规定的时间内（设计使用年限），在规定的条件(常设计、正常施工、正常使用）下完成预定功能（安全性、适用性、耐久性）的能力。结构的可靠度—是指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。2、结构的极限状态1）承载力极限状态承载力极限状态—结构或构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形。倾覆、强度破坏、疲劳破坏、丧失稳定、结构变为机动体系或出现过度的塑性变形。2）正常使用极限状态正常使用极限状态—结构或构件达到正常使用或耐久性的某项规定值。出现影响正常使用的变形、振动和局部破坏。3、结构的荷载效应分析设计结构需要处理两方面的因素结构和构件的抗力R—取决于材料性能和结构几何特征荷载对结构产生的效应S—取决于荷载在结构中产生的内力的总和

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。概率极限状态法

R、S概率运算函数可靠度Z=g(R、S)，Z有三种可能：Z=R-S＞0结构处于可靠状态Z=R-S=0结构处于极限状态Z=R-S＜0结构处于失效状态结构的可靠度定义为：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。可靠的结构设计是指失效概率小到可以接受的程度，但并不意味着结构绝对可靠。第二节概率极限设计法的设计表达式钢结构除疲劳计算外，采用以概率理论为基础极限状态设计方法，用分项系数表达式进行计算。规范把结构构件极限状态设计表达为如下形式：1承载能力极限状态：承载能力极限状态一般按荷载效应的基本组合情况分别计算：①由可变荷载效应控制的组合：（3—1）②由永久荷载效应控制的组合（3—2）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—3)式中：——结构的重要性系数：一级（使用年限100年及以上的结构）≥1.1

二级（使用年限50年及以上的结构）≥1.0

三级（使用年限5年及以上的结构）≥0.92正常使用极限状态（控制变形和挠度）按标准荷载组合计算设计表达式：3、钢材的强度设计值第三节钢材的疲劳1钢结构的疲劳—是微观裂纹在连续重复荷载作用下不断开展，直至最后断裂的脆性破坏。疲劳断裂经历三个阶段，裂纹的形成、裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。2影响疲劳强度的主要因素⑴微观裂纹和应力集中：钢材在生产和结构制造等过程，不可避免会在结构某些部位存在局部微小缺陷，类似于微裂纹的作用，在重复连续荷载作用下，引起应力集中，裂纹逐渐扩展，当重复荷载达到一定循环次数时，最终发生脆性断裂。⑵应力幅的影响⑶应力比的影响⑷应力的循环次数的影响3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1)

常幅疲劳应力循环特征（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有关对焊接结构焊接部位的常幅疲劳验算：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：[Δσ]取σ0下限值k由试验数据统计取0.7（3.10）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）疲劳强度计算注意事项1.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