1、钢结构设计原理第三章第三章第三章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法本讲主要内容本讲主要内容：1 概述2 一次二阶矩概率极限状态设计法3 现行规范的基本计算方法4 疲劳计算 钢结构设计原理第三章概概 述述3.1 问题：1、钢结构设计方法经历的三阶段分别是什么？2、现行钢结构设计标准采用的是哪种设计方法？钢结构设计原理第三章概概 述述3.1钢结构设计过程：根据建筑布局 确定结构方案 荷载计算 内力分析 选定材料及规格 构件及连接验算 精确计算的要求就是上述每一步都是很准确的，但事实上是很困难的。钢结构设计原理第三章主要问题在于：计算模型与实际结构有一定的差距 计算尺寸与实际尺寸有一定差距 计算荷载
2、与实际荷载有一定差距 此外，材料性能、施工质量等变化也较大。钢结构设计原理第三章钢结构的设计方法大体经历了以下三各阶段。1.容许应力设计法式中：N构件的内力；S截面几何特性；s钢材屈服强度；K安全系数；构件的计算应力。建国初到1957年以前一直采用该方法KSNs钢结构设计原理第三章2.半概率半极限状态设计法式中：N1 根据标准荷载求得的内力；fy 屈服强度；S 构件几何特性；K1、k2、k3 分别为荷载系数、材料系数和调整系数 K 安全系数；钢材的允许应力。我国在1974年1988年使用的是这种设计方法3211KfyKKKfySN3.近似概率极限状态设计法钢结构设计原理第三章1.目前我国钢结构
3、设计是（）全部采用以概率理论为基础的近似概率极限状态设计方法A采用分项系数表达的极限状态设计方法B除疲劳计算按容许应力幅、应力按弹性状态计算外,其他采用以概率理论为基础的近似概率极限状态设计方法C部分采用弹性方法,部分采用塑性方法D提交单选题1分钢结构设计原理第三章65.按近似概率方法设计的钢结构是()绝对可靠的A绝对不可靠的B存在一定风险的C具有相同可靠性指标的D提交单选题1分钢结构设计原理第三章一次二阶矩概率极限状态设计法3.2 问题：1、什么叫结构的可靠性？2、建筑结构安全等级分为几个等级？试举例说明。3、什么是结构的极限状态？极限状态是如何分类的？钢结构设计原理第三章一次二阶矩概率极限
4、状态设计法3.21、极限状态的概念建筑结构可靠度设计统一标准（GB500682001）规定，若整个结构或结构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。极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态。钢结构设计原理第三章 直接采用针对不同安全等级的目标可靠指标进行设计，将导致计算程序十分繁杂。建筑结构可靠性设计统一标准给出以概率极限状态设计法为基础的设计表达式，即，将一次二阶矩设计公式等效转化为以分项系数表达的概率极限状态实用设计表达式。结构目标可靠指标并不出现（已隐含在各种分项系数之中）。钢结构设计原理第三章1.1 结构的功能要求 安全性、适用性
5、、耐久性，合称“可靠性”1.2 结构的安全等级 1.3 作用效应与结构抗力 作用：直接作用，间接作用 永久作用，可变作用，偶然作用安全等级破坏后果的影响程度建筑物的类型一级很严重重要的建筑物二级严重一般的建筑物三级不严重次要的建筑物钢结构设计原理第三章1.4 结构的极限状态 承载力极限状态：这种极限状态对应于结构或结构构件达到或。正常使用极限状态这种极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。作用效应 结构抗力钢结构设计原理第三章承载能力极限状态的表现形式：整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），或因过度变形
6、而不适于继续承载；结构转变为机动体系；结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）；地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）；钢结构设计原理第三章影响正常使用或外观的变形；正常使用极限状态的表现形式：影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝等）；影响正常使用的振动；影响正常使用的其它特定状态。钢结构设计原理第三章56.钢结构的承载能力极限状态是指()结构发生剧烈振动A结构的变形已不能满足使用需要B结构达到最大承载力产生破坏C使用已达五十年D提交单选题1分钢结构设计原理第三章62.下列情况属于正常使用极限验算的是()受压构件的稳定计算A梁的挠度验算B受弯构件的弯曲强度验算C螺栓连接的强度验算D提交单选题1分钢
7、结构设计原理第三章现行规范的基本设计表达式 3.3 问题：1、荷载标准值、荷载设计值有何区别？如何应用？2、写出荷载组合的分项系数表达式，并说明各符号的含义。钢结构设计原理第三章现行规范的基本设计表达式 3.3现行钢结构设计标准（GB500172017）除疲劳计算外，采用分项系数设计表达式进行计算。承重结构设计均按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行计算。设计状况分为、和地震设计状况。1.承载能力极限状态计算 承载能力极限状态应考虑荷载效应的，必要时还要考虑荷载效应的。钢结构设计原理第三章由可变荷载效应控制的组合:由永久荷载效应控制的组合：011112()mnGjGjKQLQ KciQiLi
8、 QikjiSSsR 011()mnGjGjKciQiLi QikjiSsR钢结构设计原理第三章式中：0 结构重要性系数，按下列情况取值：对安全等级为一级或设计使用年限为100 年及以上的结构构件，不应小于1.1；对安全等级为二级或设计使用年限为50 年的结构构件，不应小于1.0；对安全等级为三级或设计使用年限为5 年的结构构件，不应小于0.9。对设计使用年限为25年的结构构件，各类材料结构设计规范可根据各自情况确定结构重要性系数0的取值。钢结构00.95.钢结构设计原理第三章G永久荷载分项系数，当其效应对结构不利时，对(1)式应取1.2，对(2)式应取1.35；当其效应对结构有利时，一般情况
9、下应取1.0，对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。SGK按永久荷载标准值计算的荷载效应值；n参与组合的可变荷载数。钢结构设计原理第三章SQiK和SQ1K第i个和第一个可变荷载的效应，设计时应把效应最大的可变荷载取为第一个；如果何者效应最大不明确，则需把不同的可变荷载作为第一个来比较，找出最不利组合。Qi和Q1第i个和第一个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应取1.3。Li第i个可变荷载考虑使用年限的调整系数，使用年限为5年，50年和100年的系数分别为Li=0.9，1.0,1.1ci第i个可变荷载的组合值系数，应分别按建筑结构荷载
10、规范（GB50009-2001）各章的规定采用钢结构设计原理第三章对于偶然组合，极限状态设计表达式宜按下列原则确定:偶然作用的代表值不乘以分项系数；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代表值。具体的设计表达式及各种系数，应符合专门规范的规定。钢结构设计原理第三章【例例3-2】一个跨度为一个跨度为l0m的工形截面简支梁，的工形截面简支梁，求受均布恒求受均布恒(永久永久)荷载和均布活荷载和均布活(可变可变)荷载，荷荷载，荷载分项系数分别为载分项系数分别为G1.2和和Ql.4。梁有足够。梁有足够的侧向支承点，不会发生侧扭屈曲。钢材为的侧向支承点，不会发生侧扭屈曲。钢材为Q
11、235钢。试按弹性设计求下列三种情况所需梁钢。试按弹性设计求下列三种情况所需梁截面抵抗矩截面抵抗矩W，并与按容许应力设计法计算结，并与按容许应力设计法计算结果比较。果比较。(1)gk80kNm,qk20kNm(2)gk50kNm,qk50kNm(3)gk20kNm,qk80kNm钢结构设计原理第三章解解按按GB50017-2003一次二阶矩概率极限状态一次二阶矩概率极限状态(分项分项系数表达系数表达)设计法，有设计法，有钢结构设计原理第三章钢结构设计原理第三章2.正常使用极限状态计算 对于正常使用极限状态，结构构件应按建筑结构可靠度设计统一标准的规定分别采用荷载效应的标准组合、频遇组合和准永久
12、组合进行设计，使变形、裂缝等荷载效应的设计值符合下式的要求：式中C为设计对变形裂缝等规定的相应限值。2nGKQIkCiQikiSSSC钢结构设计原理第三章对于钢结构，一般只考虑荷载的标准组合而且只验算变形值，因此上式中的荷载效应值可以直接用变形值代替，从而写成如下形式：V结构或构件中产生的变形值，V结构或构件中容许的变形值，按规范采用。12 nGKQ kCiQikiVVVVV钢结构设计原理第三章 注意：计算结构或构件的强度或稳定性及连接的强度时应采用荷载的基本组合设计值；计算疲劳和变形时，采用荷载的标准值。另外，直接承受动力荷载的结构尚应考虑动力系数，按照规范取值。钢结构设计原理第三章5.进行
13、强度验算时,荷载应采用()。将永久荷载的标准值乘以永久荷载分项系数A将可变荷载的标准值乘以可变荷载分项系数B永久荷载和可变荷载的标准值,均不乘以各自的分项系数C将永久荷载和可变荷载的标准值均乘以各自的分项系数D提交单选题1分钢结构设计原理第三章7.在进行正常使用极限状态计算时,计算用的荷载应采用()。将永久荷载的标准值乘以永久荷载分项系数A将可变荷载的标准值乘以可变荷载分项系数B永久荷载和可变荷载的标准值,均不乘以各自的分项系数C将永久荷载和可变荷载的标准值均乘以各自的分项系数D提交单选题1分钢结构设计原理第三章49.钢结构极限状态的设计表达式为:式中是()。结构重要性系数A荷载分项系数B可变
14、荷载组合系数C材料的抗力分项系数D提交011112()mnGjGjKQLQ KciQiLi QikjiSSsR 单选题1分钢结构设计原理第三章3 与设计表达式有关的一些概念 3.1设计基准期3.2设计使用年限5（0.9）25（0.95）50（1.0）100（1.1）3.3荷载代表值、荷载标准值与荷载设计值3.4强度标准值与强度设计值屈服强度钢结构设计原理第三章疲劳计算疲劳计算 3.4 问题：1、疲劳破坏计算采用的是什么设计方法？2、疲劳破坏的影响因素。3、试述疲劳强度、应力幅、应力比的含义。4、对下述应力循环进行应力幅和应力比计算：maxmin120,80,MPaMPa 钢结构设计原理第三章疲
15、劳计算疲劳计算 3.4 1 与疲劳有关的几个概念 2 影响疲劳强度的因素 3 常幅疲劳计算钢结构设计原理第三章疲劳计算疲劳计算 3.4在循环荷载作用下，即使截面上的应力小于钢材的抗拉强度甚至低于其屈服强度，也会发生断裂的现象称疲劳破坏。疲劳破坏与钢材的质量、构件的几何尺寸和缺陷、应力循环的特征、以及循环次数有关。钢结构设计原理第三章1 与疲劳有关的几个概念1.1 循环荷载和应力循环1.2 疲劳强度疲劳强度:钢材发生疲劳破坏时，应力循环中的最大应力。与构造细节、应力循环的形式及循环次数有关1.3 应力幅 常幅应力循环、变幅应力循环1.4 应力循环特征值(应力比)与应力循环形式“不出现拉应力的部位
16、不用验算疲劳”minmaxmaxmin钢结构设计原理第三章(b)(b)脉冲循环脉冲循环(a)(a)完全对称循环完全对称循环(c)(c)不完全对称循环不完全对称循环(d)(d)不完全对称循环不完全对称循环钢结构设计原理第三章64.引起疲劳破坏的荷载为()静载A动载B产生拉应力循环的荷载C产生全压应力循环的荷载D提交单选题1分钢结构设计原理第三章5.5.影响钢材疲劳的主要因素影响钢材疲劳的主要因素（1 1）构件和连接的分类）构件和连接的分类 规范将构件与连接类别，对正应力作用分为规范将构件与连接类别，对正应力作用分为14类（用类（用Z1，Z2表示）表示）对剪应力分为对剪应力分为3类（新增加，类（新
17、增加，用用J1，J2，J3表示）。表示）。构造细节，荷载循环次数构造细节，荷载循环次数，循环应力特征（应力幅），循环应力特征（应力幅）钢结构设计原理第三章钢结构设计原理第三章焊缝附近主体金属的最大应力已达焊缝附近主体金属的最大应力已达fy（2 2）应力幅（应力幅（）和应力循环特征（应力比）和应力循环特征（应力比）A.对于焊接结构：对于焊接结构：由于焊接残余应力由于焊接残余应力fyfyfyfyfyfy应力增大时保持应力增大时保持fy不变不变应力减小时从应力减小时从minyyff 钢结构设计原理第三章 焊接结构焊接结构 应力幅应力幅对焊接结构的疲劳强度有对焊接结构的疲劳强度有很大很大影响影响，而与
18、名义最大应力，而与名义最大应力maxmax和应力比和应力比无关。无关。名义应力比名义应力比minmax真实应力比真实应力比可见，只要可见，只要 为常数，不管名义为常数，不管名义为何值，为何值，真实真实也为常数，因此：也为常数，因此：yyff钢结构设计原理第三章（3 3）应力循环次数）应力循环次数N（疲劳寿命）（疲劳寿命）应力循环次数应力循环次数N5510104 4，不需要，不需要进行疲劳计算。进行疲劳计算。0 NX105 1N1 2N2 bf fy123456 非焊接结构非焊接结构 非焊接结构的残余应力很小或根本不存在，此时疲劳寿非焊接结构的残余应力很小或根本不存在，此时疲劳寿命除与命除与应力
19、幅应力幅有关外，也与应力比和最大应力有关有关外，也与应力比和最大应力有关。钢结构设计原理第三章7.对钢材的疲劳强度影响不显著的是_。应力幅A应力比B钢种C应力循环次数D提交单选题1分钢结构设计原理第三章 3 常幅疲劳的计算（要求了解概念）规范规定，当应力循环次数大于等于 次时，应对应力循环中出现拉应力的部位进行疲劳验算。不出现拉应力的部位可不计算疲劳。45 10n 钢结构设计原理第三章钢结构设计标准中，分正应力幅和剪应力幅疲劳验算公式。其中，正应力幅验算公式：式中：对焊接部位为应力幅maxmin，对非焊接部位为折算应力幅max0.7min，板厚或直径修正系数。计算应力时时采用荷载的标准值，也不乘动力系数，以拉为正压为负。*对非焊接结构，残余应力影响较小，疲劳寿命主要与对非焊接结构，残余应力影响较小，疲劳寿命主要与最大应力、应力比有关，但为统一采用一种验算公式，引入最大应力、应力比有关，但为统一采用一种验算公式，引入了了折算应力幅折算应力幅概念。概念。t t钢结构设计原理第三章3.进行疲劳验算时,计算设计应力幅应按()。标准荷载计算A考虑动力系数的标准荷载计算B设计荷载计算C考虑动力系数的设计荷载计算D提交单选题1分钢结构设计原理第三章8.我国钢结构设计规范规定,当构件承担循环应力的循环次数()时,应进行疲劳验算。5105A5104B2106C1108D提交单选题1分
