1、本科教学本科教学第 3 章 钢结构的设计方法钢结构-原理与设计中南大学中南大学 土木工程学院土木工程学院 欧阳震宇欧阳震宇 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇第第3 3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法钢结构设计方法 在在设计基准期（设计基准期（一般一般5050年年，也有，也有100100和和2525年）内，满足功能要求，即年）内，满足功能要求，即安全性安全性,适用性，耐久性适用性，耐久性。u安全性：满足特定的与建筑物功能相适应安全性：满足特定的与建筑物功能相适应的承载力极限状态的承载力极限状态u适用性：保证结构在日常使用中满足要求适用性：保证结构在日常使用中满足要求u耐久性：保证结构的承载
2、力的持续时间与耐久性：保证结构的承载力的持续时间与环境适应度环境适应度3.1 3.1 结构设计目的结构设计目的 2023-2-7 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇第第3 3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法钢结构设计方法2023-2-7 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇第第3 3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法建筑物的基准期建筑物的基准期1.1.结构保证其设计可靠度指标的时间期限结构保证其设计可靠度指标的时间期限称为称为设计基准期设计基准期，即在基准期内，结构的可靠度指标完全满足设计要求；即在基准期内，结构的可靠度指标完全满足设计要求；2.2.设计基准期是测算最大荷载重现期的基本期限
3、；设计基准期是测算最大荷载重现期的基本期限；3.3.在超过设计基准期后，并非意味着结构的失效，而是其可在超过设计基准期后，并非意味着结构的失效，而是其可 靠度有所降低，因此靠度有所降低，因此基准期不能等同于建筑物的使用寿命基准期不能等同于建筑物的使用寿命；4.4.我国对于多数建筑物的我国对于多数建筑物的设计基准期均为设计基准期均为5050年年，特殊建筑，特殊建筑物可以除外；物可以除外；结构的设计基准期结构的设计基准期2023-2-7 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇第第3 3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法钢结构设计方法的变迁钢结构设计方法的变迁19571957年以前：年以前：采用总安全
4、系数的容许应力计算法；采用总安全系数的容许应力计算法；1957195719741974：采用三个系数的极限状态计算法；采用三个系数的极限状态计算法；1974197419891989：采用以结构极状态为依据，进行多系数分采用以结构极状态为依据，进行多系数分析，用单一的系数表示的容许应力计算法；析，用单一的系数表示的容许应力计算法；19891989 ：采用以概率论为基础的极限状态设计法。采用以概率论为基础的极限状态设计法。2023-2-7 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇第第3 3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法 7.14.1kkfy安全系数实际应力缺点：安全系数凭工程经验确定的一定值，这样
5、，各种构件的可靠性将不能保证比较一致的水平。总安全系数容许应力法总安全系数容许应力法三系数极限状态设计法三系数极限状态设计法特点：明确提出了两种极限状态，采用三个系数来考虑结构构件的安全储备问题，避免单一安全系数的缺陷。123123iyik Nk k f skkkNs超载系数材料均匀系数工作条件系数荷载引起的内力构件的几何特性缺点：材质均匀系数概念重复。强度标准不是明确概率取值，而是取钢的废品限值，不符合概率方法。2023-2-7 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇第第3 3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法321kkkkkfsNyi缺点：各种载荷并不相同，各种构件承受荷载的情 况也不一定相
6、同，构件的几何尺寸变异并不完全一致，采用统一的安全系数显然不可能获得相同的安全度。以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一安全系数的以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一安全系数的容许应力计算法容许应力计算法2023-2-7 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇第第3 3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法 把各种参数（载荷效应、结构抗力等）作随机变量，运用概率分析法并考虑变异性来确定设计采用值。把概率分析引入结构设计方法，显然比容许应力法先进，标志我国在设计理论上前进了一大步，迈入了国际先进水平。2023-2-73.2 3.2 以概率为基础的极限状态设计法以概率为基础的极限状态设计法p 结构
7、上的作用、可靠度、极限状态的概念p 概率极限状态设计方法的基本原理p 荷载和材料强度的取值方法；荷载标准值，材料强度标准值p 极限状态设计表达式；荷载效应组合设计值，材料强度设计值；分项系数 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇第第3 3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法3.2.1 3.2.1 结构概率极限状态设计结构概率极限状态设计基本概念基本概念2023-2-7结构可靠度：结构可靠度：结构在规定的时间（50年），规定的条件（正常设计、正常施工、正常使用、正常维护）下，完成预定功能的概率。失效概率：失效概率：结构不能完成预定功能的概率。结构的功能要求：结构的功能要求：安全性，适用性，耐久性。
8、结构作用：结构作用：施加在结构上的各种荷载及引起外加变形或约束变形的原因（如荷载、地震、基础下沉、温度变化、焊接等）作用：作用：永久作用，可变作用，偶然作用作用效应（作用效应（S S）:结构作用引起结构或构件的内力（轴、弯、剪）和变形（挠度、转角）。结构抗力（结构抗力（R R）：）：结构或构件承受作用效应的能力。中南大学 土木工程学院 欧阳震宇第第3 3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法（1 1）承载能力极限状态）承载能力极限状态 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，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，包括以下几个方面：包括以下几个方面：3.2.2.3.
9、2.2.结构的极限状态结构的极限状态整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；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；结构构件或连接因超过材料强度而破坏；结构构件或连接在循环荷载作用下发生的疲劳破坏；结构构件或连接在循环荷载作用下发生的疲劳破坏；结构构件或结构转变为机动体系；结构构件或结构转变为机动体系；结构或构件丧失稳定（如压屈等）。结构或构件丧失稳定（如压屈等）。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，这一特定状态称为结构的极限状态。2023-2-7 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇第第3 3章章 钢
10、结构的设计方法钢结构的设计方法（2 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能的某项规定值：结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定值：影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；影响正常使用的振动；影响正常使用的振动；影响正常使用的其它特定状态。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，主要是引起伤亡和大量的财产损失，而后
11、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。人们的不适，所以也应该给予足够的重视。2023-2-7 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇第第3 3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法3.2.3 3.2.3 概率极限状态设计原理概率极限状态设计原理 设计基本原则：技术先进、经济合理、安全适用、确保质量。设计基本原则：技术先进、经济合理、安全适用、确保质量。将各因素概括为两个综合随机变量将各因素概括为两个综合随机变量结构的抗力结构的抗力R、作用效应作用效应S。0，结构处于可靠状态，结构处于可靠状态 功能函数功能函数 Z=R-S =0，结构处于极限状态，结构处于极限状态 0，
12、结构处于失效状态，结构处于失效状态失效概率失效概率 0fzpP（1.3.3）Z=R-S 称为极限状态方程。这样，结构可靠概率为 Ps=p(R-S)0可靠度可靠度 Ps=1-Pf 绝对可靠的结构是不存在的，只要绝对可靠的结构是不存在的，只要Pf达到人们可以接受的程度是安全的。达到人们可以接受的程度是安全的。2023-2-7 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇第第3 3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法22ZRSZRSZRS由概率论知识有也服从正态分布且可靠指标可靠指标 的引入的引入结构功能函数 Z=R-S由于S和R均为正态分布的随机变量，其均值和标准差分别为s、s和 R、R。（1.3.7）zz
13、设：zz（1.3.6）1 1 z1z1 2 2 z2z2可靠可靠失效失效 z1z1Z1 z2z2Z2f(z)Z=R-SoPf2Pf1 Z功能函数Z的概率密度曲线2023-2-7 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇第第3 3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法2.52.73.23.74.2Pf510-33.510-36.910-41.110-41.310-5表表1.3.1 1.3.1 失效概率和可靠指标的对应关系失效概率和可靠指标的对应关系 值越大，值越大，Pf 就越小。就越小。可以作为衡量结构可以作为衡量结构可靠度可靠度的一个数的一个数量指量指 标标。可靠度指标可靠度指标表表1.3.2 1.3
14、.2 结构构建承载力极限状态的可靠指标结构构建承载力极限状态的可靠指标破坏类型安全等级一级二级三级延性破坏3.73.73.23.22.72.7脆性破坏4.24.23.73.73.23.2 建筑结构安全等级：一一级；设计基准期：50年；设计使用年限：100年；抗震设防分类：乙乙类；抗震设防烈度：8度；场地类别：类；设计地震分组：第一一组。鸟巢结构设计特性鸟巢结构设计特性2023-2-7 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇第第3 3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法222222RSSRRSR22RSSRRS2222RSRSSSSRRRRSZZRS 令将 改写为 若规定了若规定了，并有，并有R、S
15、、R、S，就可利用上式，就可利用上式进行设计或验算。进行设计或验算。一次二阶矩的近似概率方法一次二阶矩的近似概率方法结构作用效应结构作用效应结构抗力结构抗力2023-2-7 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇第第3 3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法 GB50068-2001GB50068-2001建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准规定规定结构构件的极限状态设计表达式，应根据各种极限状态的结构构件的极限状态设计表达式，应根据各种极限状态的设计要求，采用有关的荷载代表值、材料性能标准值、几设计要求，采用有关的荷载代表值、材料性能标准值、几何参数标准值以及各种分项系数等表达。
16、何参数标准值以及各种分项系数等表达。为了便于应用并符合人们长期以来的习惯，规范并不为了便于应用并符合人们长期以来的习惯，规范并不直接使用直接使用 进行设计，而利用式进行设计，而利用式:来完成。来完成。就设就设计而言，问题被转化为计算效应计而言，问题被转化为计算效应S S和抗力和抗力R R。RS 3.2.4 3.2.4 钢结构设计表达式钢结构设计表达式2023-2-7 现行现行钢结构设计规范钢结构设计规范（GB50017-2003GB50017-2003）中除疲劳）中除疲劳计算外，都采用广大设计人员熟悉的分项系数设计表达式计算外，都采用广大设计人员熟悉的分项系数设计表达式表示以概率理论为基础的极
17、限状态设计方法。表示以概率理论为基础的极限状态设计方法。中南大学 土木工程学院 欧阳震宇第第3 3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法(i)由可变荷载效应控制的组合由可变荷载效应控制的组合：niQciQQQGGikikkSSS2011f(ii)由永久荷载效应控制的组合：由永久荷载效应控制的组合：niQciQGGikikSS10f 式中：式中：结构重要性系数；永久荷载的分项系数；第 i 个可变荷载的分项系数；按永久荷载标准值计算的荷载效应值；按可变荷载标准值计算的荷载效应值，其中为诸可变荷载效应中起控制因素者；0GiQkGSikQSRyff可变荷载的组合值系数；参与组合的可变荷载数；钢材的强度
18、设计值。fy 为钢材屈服点，为抗力分项系数，对于Q235钢：=1.087；对于Q345、Q390和Q420钢：=1.111。RRRcin 在荷载效应的基本组合条件下，等效转化为：在荷载效应的基本组合条件下，等效转化为：以基本变量的标准值（概率方以基本变量的标准值（概率方法）法），结合分项系数和组合系数，并以应力形式表达的极限状态公式。，结合分项系数和组合系数，并以应力形式表达的极限状态公式。1 1）承载能力极限状态分项系数表达式）承载能力极限状态分项系数表达式2023-2-7 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇第第3 3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法（2 2）可变荷载的分项系数）可变荷载
19、的分项系数 （Q Q）-一般情况下应取一般情况下应取1.41.4；-对标准值大于对标准值大于4kN/m4kN/m2 2的工业房屋楼面结构的的工业房屋楼面结构的 活荷载标准值应取活荷载标准值应取1.31.3。（1 1）永久荷载分项系数）永久荷载分项系数（G）当其效应对结构不利时当其效应对结构不利时 -对可变荷载效应控制的组合，应取对可变荷载效应控制的组合，应取1.2;1.2;-对永久荷载效应控制的组合，应取对永久荷载效应控制的组合，应取1.35;1.35;当其效应对结构有利时当其效应对结构有利时 -一般情况下应取一般情况下应取1.01.0；-对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取对结构的倾覆、滑移或
20、漂浮验算，应取0.90.9。2023-2-7 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇第第3 3章章 钢结构的设计方法钢结构的设计方法fd 或或f钢材或连接材料强度钢材或连接材料强度设计值设计值。ydRfffk钢材或连接材料强度钢材或连接材料强度标准值标准值。R钢材或连接材料抗力分项系数，对于钢材或连接材料抗力分项系数，对于Q235钢钢 R=1.087；Q345、Q390、Q420钢钢 R=1.111。钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。（P3813页页，附录，附录1）2023-2-7 中南大学 土木工程学院 欧阳震宇第第3 3章章 钢结构的设计方法
21、钢结构的设计方法 对于正常使用极限状态，要求分别采用对于正常使用极限状态，要求分别采用荷载的标准组合、频荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计遇组合和准永久组合进行设计，并使变形等设计值不超过相应的，并使变形等设计值不超过相应的规定限值。对于钢结构只考虑荷载的标准组合。规定限值。对于钢结构只考虑荷载的标准组合。12nGkQ kciQiKi(1.3.15)2 2）正常使用极限状态）正常使用极限状态2023-2-7 -永久荷载标准值永久荷载标准值在结构或构件中产生的变形值；在结构或构件中产生的变形值；-起控制作用的起控制作用的第第1 1个个可变荷载的标准值可变荷载的标准值在结构或结构构件中产生在结构或结构构件中产生的变形值（该值使计算结果为最大）；的变形值（该值使计算结果为最大）；-其他第其他第 i 个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值。个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值。-参与组合的可变荷载数参与组合的可变荷载数 -结构或结构构件的容许变形值。结构或结构构件的容许变形值。(P384-5(P384-5页，附录页，附录2)2)kGkQ1ikQci本科教学本科教学
