钢结构概述PPT课件

主要依据的规范建筑结构可靠度设计统一标准（GB 50068-2001 ）；建筑结构荷载规范 （ GB 500092001 ）；钢结构设计规范 （ GB 500172003 ）；高层民用建筑钢结构技术规程 （JGJ 99-98 ）；建筑抗震设计规范 （ GB 50011-2001 ）； 第1页/共63页1.3 1.3 钢结构的设计方法 钢结构设计的基本要求钢结构设计的基本要求 1）保证结构安全可靠。构件在运输、安装和使用过程中具有足够的强度、刚度、整体稳定性和局部稳定性。2）满足建筑物的使用要求。建筑外形尽量简洁、美观。 3）在设计中采用先进的设计理论，新型的结构形式和连接方式。优先选用高强度低合金钢等优质钢材，减轻结构自重和节省钢材。4）设计时尽量使结构构造简单，制造、运输、安装方便，从而缩短施工周期，降低造价。5）采取有效措施，提高钢结构的防锈蚀能力和满足钢结构的防火要求。第2页/共63页设计计算用的数据与实际有差异设计用的数据荷载；1 永久荷载，例如结构自重、土压力、预应力等。2 可变荷载，例如楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等。3 偶然荷载，例如爆炸力、撞击力等。钢材的性能（屈服强度、设计取值）；构件的物理特征（截面、长度、容重）； 或多或少存在差异差异性，都是随机变量（即量的大小有随机性）；合理考虑这些差异，要求设计的结构具有一定的可靠度。第3页/共63页 可靠性reliability - 建筑结构可靠度设计统一标准 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. 包括结构安全性、适应性和耐久性 可靠度degree of reliability (reliability) 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。 第4页/共63页钢结构设计规范 （ GB 500172003 ） 极限状态设计？ 概率论为基础？ 分项系数设计表达式？第5页/共63页极限状态设计？第6页/共63页两种极限状态极限状态limit state 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，此特定状态为该功能的极限状态。 第7页/共63页极限状态设计法 R 结构的抗力 材料性能、几何参数 S 结构的作用效应 结构上的各种作用： 荷载 温变 不均匀沉降 地震结构的功能函数 Z = R - S第8页/共63页( , )0Zg R SRS（1.5）极限状态设计法在实际工程结构中，可能出现下列三种情况： 当Z0时，结构处于可靠状态； 当Z0时，结构处于失效状态； 当Z0时，结构处于极限状态。由此可见，结构的极限状态是结构由可靠转变为失效的临界状态。判断结构是否可靠，要看结构是否达到极限状态，为此，通常将下式：称为极限状态方程。第9页/共63页极限状态设计法 结构按极限状态设计应符合下列要求 Z = R S 0 第10页/共63页概率论为基础？第11页/共63页 R和S为两个基本的随机变量，Z是R和S的函数，也是一个随机变量； 根据结构上的各种作用和材料性能、几何参数等各自的统计数值运用概率论来确定它们的设计值； 然后来求解Z = R S 0 的概率 （可靠度）第12页/共63页可靠指标 求解Z = R S 0 的概率 ，一般转化为求解失效概率（Pf）； 计算失效概率比较复杂，故引入了可靠指标 用于一般工业与民用建筑物的钢结构，其构件设计的目标可靠指标一般为3.2，钢结构连接的目标可靠指标比构件略高，一般推荐为4.5。第13页/共63页第14页/共63页近似概率极极限近似概率极极限状态设计法状态设计法。这种运用概率理论的极限状态设计法称为概率极限状态设计法；由于影响结构可靠度的因素很多，且极为复杂，求R和S的理论概率密度困难很大（只有部分参数的统计资料）。所以现行钢结构设计规范采用的设计方法可称为近似概率极极限状态设计法近似概率极极限状态设计法。第15页/共63页分项系数设计表达式？第16页/共63页为什么采用分项系数设计表达式？采用计算结构的失效概率或可靠指标与所定的最优失效概率或目标可靠指标相比较的设计方法较难掌握，许多设计工作者不习惯。现规范采用分项系数来表达的方式进行设计计算。RS 0第17页/共63页设计表达式的规定第18页/共63页钢结构设计表达式 采用计算结构的失效概率或可靠指标与所定的最优失效概率或目标可靠指标相比较的设计方法较难掌握。现规范采用分项系数来表达的方式进行设计计算。1）承载能力极限状态 按承载能力极限状态设计时，应考虑荷载效应的基本组合，必要时尚应考虑荷载效应的偶然组合。基本组合时按下列设计表达式中最不利值计算。 第19页/共63页由永久荷载效应控制的组合：0GGkQ1Q1kQcQ kRkk2)(,.)niiiiSSSRf （1.15）0GGkQcQ kRkk1)(,.)niiiiSSRf （1.16）对于一般排架及框架结构，可采用下列简化的设计表达式：0GGiQQ kRkk1)(,.)niiiSSRf（1.17）设计表达式由可变荷载效应控制的组合：第20页/共63页式中g0 结构重要性系数，对安全等级为一级和设计使用年限为100年及以上的结构构件，不应小于1.1，对安全等级为二级和设计使用年限为50年的结构构件，不应小于1.0，对安全等级为三级和设计使用年限5年及以下的结构构件，不应小于0.9； gG永久荷载分项系数，一般情况下对式（1.15）、（1.17）取1.2；对式（1.16）取1.35；当作用效应对结构有利时取1.0；对抗倾覆和滑移有利时可取0.9； gQi第一个和其它任意第个可变荷载的分项系数,一般情况取1.4（第一个可变荷载取可变荷载中最大者）；当楼面活荷载标准值4kN/m2时取1.3；设计表达式第21页/共63页 S SGKGK按永久荷载标准值计算的荷载效应按永久荷载标准值计算的荷载效应值；值；S SQ1kQ1k、S SQikQik按第一个和其它任意第个可变荷按第一个和其它任意第个可变荷载标准值计算的可变荷载效应。载标准值计算的可变荷载效应。 cici第第i i个可变荷载的组合值系数个可变荷载的组合值系数, ,按按建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范的规定采用；的规定采用； 简化设计表达式中采用的荷载组合系简化设计表达式中采用的荷载组合系数，一般情况取数，一般情况取0.90.9，只有一个可变荷载时取，只有一个可变荷载时取1.01.0； R( () )结构构件的抗力函数结构构件的抗力函数 gR R结构构件的抗力分项系数，其值应符结构构件的抗力分项系数，其值应符合相关合相关规范规范对各类材料的规定；对各类材料的规定； fk k材料性能的标准值；材料性能的标准值； 设计表达式第22页/共63页k几何参数的标准值；当几何参数的变异性对结构性能有明显影响时，可另增减一个附加值考虑其不利影响。 对于荷载效应的偶然组合，应按现行建筑结构设计荷载规范确定。设计表达式第23页/共63页 在工程应用中，考虑到钢结构主要为单一材料制成，而且设计人员习惯于用应力形式表达和计算，故也可将计算公式（1.15）写成应力表达式:0kQ1Q1kQcQk2)nGGiiiif （1.18）式中 f=fy/gR,称为钢材强度设计值。 2）正常使用极限状态 正常使用极限状态(serviceability limit states)为结构或结构构件达到正常使用的某项规定限值时的极限状态。按正常使用极限状态设计时，除钢与混凝土组合梁外，只考虑荷载短期效应组合。 设计表达式第24页/共63页式中：C结构或构件达到正常使用要求的规定限值，如变形、裂缝、振幅等，按相关规范的规定采用。 q1kGcQk2(1.19)niiiiSSSSC设计表达式对于正常使用极限状态，要求分别采用荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合，并使变形等不超过相应的规定限值。对钢结构设计只考虑荷载的标准组合，其表达式为： 第25页/共63页第26页/共63页第一章 绪论钢结构的设计方法u 设计方法：以概率理论为基础的极限状态设计方法 u 计算疲劳仍采用容许应力幅法u 计算强度、稳定、连接用荷载设计值u 计算疲劳、变形用荷载标准值u 对于直接承受动力荷载的结构： 在计算强度和稳定时，动力荷载设计值应乘动力系数 在计算疲劳和变形时，动力荷载标准值不应乘动力系数1.4 钢结构的极限状态和概率极限状态法第27页/共63页谢 谢！第28页/共63页基本组合 可变荷载控制； 永久荷载控制；第29页/共63页第30页/共63页框架 排架第31页/共63页应力表达式第32页/共63页偶然组合对于偶然组合，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。第33页/共63页正常使用极限状态第34页/共63页第35页/共63页第36页/共63页第37页/共63页第38页/共63页第39页/共63页设计方法及其发展设计方法及其发展（1 1）容许应力设计法）容许应力设计法 容许应力设计法（容许应力设计法（allowable stress allowable stress design methoddesign method），即把钢材可以使用的最大强），即把钢材可以使用的最大强度，除以一个安全系数，作为结构设计时容许达度，除以一个安全系数，作为结构设计时容许达到的最大应力到的最大应力容许应力。表达式为：容许应力。表达式为： yi fNSK（1.1）式中：构件的设计应力；钢材的容许应力； Ni根据标准荷载求得的内力组合值; S构件的几何特性 ; fy钢材的屈服点 ; K安全系数 .设计方法第40页/共63页式中：式中：K K1 1荷载系数荷载系数;K;K2 2材料系数材料系数; ; K K3 3调整系数。其他符号同前。调整系数。其他符号同前。 yyi123 1.2ffNSKKKK（）（3）近似概率极限状态设计法 该方法简化了基本变量随时间变化的关系，同时，将一些复杂的关系进行了线性化 。1989年实施的 钢结构设计规范（code for design of steel structure）（GBJI788）和现行的钢结构设计规范（GB500172003）均采用此法。 设计方法（2）半概率极限状态设计法形式表示为： 第41页/共63页（4 4）全概率极限状态设计法）全概率极限状态设计法 即将影响结构安全的各种因素分别采用随机即将影响结构安全的各种因素分别采用随机变量或随机过程的概率模型来描述，对整个结构变量或随机过程的概率模型来描述，对整个结构体系进行精确的概率分析后，用求得的失效概率体系进行精确的概率分析后，用求得的失效概率直接度量结构的安全性。此法需大量的技术资料，直接度量结构的安全性。此法需大量的技术资料，目前尚不具备条件，世界各国都还尚未列入规范。目前尚不具备条件，世界各国都还尚未列入规范。随着分析理论的发展和各种技术资料的丰富与积随着分析理论的发展和各种技术资料的丰富与积累，最终必将采用全概率设计法。累，最终必将采用全概率设计法。半概率极限状态设计法，近似概率极限状态设计半概率极限状态设计法，近似概率极限状态设计法和全概率极限状态设计法也称为概率极限状态法和全概率极限状态设计法也称为概率极限状态设计法的三个水准。设计法的三个水准。 设计方法第42页/共63页概率极限状态设计法概率极限状态设计法(1)(1)结构的极限状态：当结构或构件超过某个特结构的极限状态：当结构或构件超过某个特定的状态，就不能满足设计规定的某一功能要定的状态，就不能满足设计规定的某一功能要求时，则此特定状态称为该功能的极限状态。求时，则此特定状态称为该功能的极限状态。极限状态分为两类：极限状态分为两类： a.a.承载能力极限状态承载能力极限状态: :包括：强度破坏、疲劳破坏、不适于继续承载包括：强度破坏、疲劳破坏、不适于继续承载的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。 b.b.正常使用极限状态正常使用极限状态: :包括：影响正常使用或外观的变形、影响正常包括：影响正常使用或外观的变形、影响正常使用的振动、影响正常使用或耐久性的局部破使用的振动、影响正常使用或耐久性的局部破坏等状态。坏等状态。第43页/共63页1,2n(,)Zg x xx（1.3）( , )Zg R SRS（1.4）极限状态设计法结构的工作性能可用结构的功能函数来描述，设x1 ,x2,，xn为n个随机变量，则:式中：Z结构的功能函数，也可用结构的荷载效应S和抗力R来表达，即:式中：R和S为两个基本的随机变量，Z是R和S的函数，也是一个随机变量。第44页/共63页( , )0Zg R SRS（1.5）极限状态设计法在实际工程结构中，可能出现下列三种情况： 当Z0时，结构处于可靠状态； 当Z0时，结构处于失效状态； 当Z0时，结构处于极限状态。由此可见，结构的极限状态是结构由可靠转变为失效的临界状态。判断结构是否可靠，要看结构是否达到极限状态，为此，通常将下式：称为极限状态方程。第45页/共63页 s(0)1.6pp Z（）极限状态设计法(2)结构的可靠度 结构的可靠性（reliability）包括结构的安全性（safety）、适用性（usability）和耐久性（durability）。而结构的可靠度则是结构可靠性的概率度量，即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。用ps表示结构的可靠度（degree of reliability），则有： 当结构处于失效状态（Z0）时的概率，称为失效概率（probability of failure），用pf表示，即:spspspsp第46页/共63页 s(0)pp Z（1.7）sf1pp （1.8）极限状态设计法由于可靠度与失效概率是两个相反的概率，两者的关系应满足下式：所以，结构可靠度的计算可以转化为结构失效率的计算。用概率的观点来观察结构是否可靠，是指失效概率是否已经达到可以接受的预定要求。在实际工程中绝对可靠的结构（ ps 1），即失效概率为零（ pf 0）的结构是没有的。第47页/共63页 已知功能函数设fR(R)和fS(S)分别是结构的抗力R和荷载效应S的概率密度函数，为R和S的联合概率密度函数，R和S是相互独立的随机变量，则有:其失效概率为其失效概率为: :( , )0Zg R SRSRS( , )( )( )(1.9)f R SfRf SfRSR S 0R S 0(0)(0)( , )( )( )(1.10)pp Zp R Sf R S dRdSfRf S dRdS 由于影响结构可靠度的因素很多，且极为复杂，求R和S的理论概率密度困难很大，所以目前无法从上述理论公式直接求出结构的失效概率，这就是目前我们还不能采用全概率设计法的原因之一。极限状态设计法第48页/共63页0fz0( )pp zf z dz（1.11）22zRSzRS,（1.12）RSz22zRS（1.13）极限状态设计法(3) 可靠指标 在功能函数中，R和S是两个服从正态分布的随机变量，可分别求出它们的平均值和标准差，则功能函数Z也服从正态分布，有：它的平均值和标准差分别为：可以求出：第49页/共63页功能函数ZR-S的正态分布图 f(z)Pf面积zZ=R-S Z失效可靠极限状态设计法从图中可以看出，与失效概率pf之间存在着对应关系。当值增大时，阴影面积减小，即失效概率pf减小；反之，当变小时，pf增大。因此，可以作为衡量结构可靠度的一个数量指标 ，称为可靠指标（reliability index）。第50页/共63页f()p（1.14）)(极限状态设计法式中: 为标准正态函数，只要知道可靠指标的数值，即可查标准正态函数表，求出失效概率。表1.为与pf的对应值。第51页/共63页 为了使结构达到安全可靠与经济上的最佳平衡，必须选择一个结构的最优失效概率或目标可靠指标，但这是一个非常复杂而困难的工作。目前，我国与其他很多国家一样，采用“校准法”，就是以长期的工程实践为基础，通过对原有设计的反演分析，找出校准点，再经过综合分析后，确定设计采用的目标可靠指标。对钢结构各类主要构件校准的结果，一般在3.163.62之间。建筑结构设计统一标准规定各类构件的可靠指标见表1.2。用于一般工业与民用建筑物的钢结构，其构件设计的目标可靠指标一般为3.2，钢结构连接的目标可靠指标比构件略高，一般推荐为4.5。极限状态设计法第52页/共63页 设计钢结构时，应根据结构破坏可能产生的后果（危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等）的严重性，采用不同的安全等级。一般工业建筑钢结构的安全等级可取为二级，民用建筑钢结构的安全等级可按现行民用建筑等级标准划分。对于特殊建筑钢结构，其安全等级可根据具体情况另行确定。当按抗震要求设计时，建筑结构的安全等级应符合建筑抗震设计规范的规定。 极限状态设计法第53页/共63页钢结构设计表达式 采用计算结构的失效概率或可靠指标与所定的最优失效概率或目标可靠指标相比较的设计方法较难掌握。现规范采用分项系数来表达的方式进行设计计算。1）承载能力极限状态 按承载能力极限状态设计时，应考虑荷载效应的基本组合，必要时尚应考虑荷载效应的偶然组合。基本组合时按下列设计表达式中最不利值计算。 第54页/共63页由永久荷载效应控制的组合：0GGkQ1Q1kQcQ kRkk2)(,.)niiiiSSSRf （1.15）0GGkQcQ kRkk1)(,.)niiiiSSRf （1.16）对于一般排架及框架结构，可采用下列简化的设计表达式：0GGiQQ kRkk1)(,.)niiiSSRf（1.17）设计表达式由可变荷载效应控制的组合：第55页/共63页式中g0 结构重要性系数，对安全等级为一级和设计使用年限为100年及以上的结构构件，不应小于1.1，对安全等级为二级和设计使用年限为50年的结构构件，不应小于1.0，对安全等级为三级和设计使用年限5年及以下的结构构件，不应小于0.9； gG永久荷载分项系数，一般情况下对式（1.15）、（1.17）取1.2；对式（1.16）取1.35；当作用效应对结构有利时取1.0；对抗倾覆和滑移有利时可取0.9； gQi第一个和其它任意第个可变荷载的分项系数,一般情况取1.4（第一个可变荷载取可变荷载中最大者）；当楼面活荷载标准值4kN/m2时取1.3；设计表达式第56页/共63页 S SGKGK按永久荷载标准值计算的荷载效应按永久荷载标准值计算的荷载效应值；值；S SQ1kQ1k、S SQikQik按第一个和其它任意第个可变荷按第一个和其它任意第个可变荷载标准值计算的可变荷载效应。载标准值计算的可变荷载效应。 cici第第i i个可变荷载的组合值系数个可变荷载的组合值系数, ,按按建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范的规定采用；的规定采用； 简化设计表达式中采用的荷载组合系简化设计表达式中采用的荷载组合系数，一般情况取数，一般情况取0.90.9，只有一个可变荷载时取，只有一个可变荷载时取1.01.0； R( () )结构构件的抗力函数结构构件的抗力函数 gR R结构构件的抗力分项系数，其值应符结构构件的抗力分项系数，其值应符合相关合相关规范规范对各类材料的规定；对各类材料的规定； fk k材料性能的标准值；材料性能的标准值； 设计表达式第57页/共63页k几何参数的标准值；当几何参数的变异性对结构性能有明显影响时，可另增减一个附加值考虑其不利影响。 对于荷载效应的偶然组合，应按现行建筑结构设计荷载规范确定。设计表达式第58页/共63页 在工程应用中，考虑到钢结构主要为单一材料制成，而且设计人员习惯于用应力形式表达和计算，故也可将计算公式（1.15）写成应力表达式:0kQ1Q1kQcQk2)nGGiiiif （1.18）式中 f=fy/gR,称为钢材强度设计值。 2）正常使用极限状态 正常使用极限状态(serviceability limit states)为结构或结构构件达到正常使用的某项规定限值时的极限状态。按正常使用极限状态设计时，除钢与混凝土组合梁外，只考虑荷载短期效应组合。 设计表达式第59页/共63页式中：C结构或构件达到正常使用要求的规定限值，如变形、裂缝、振幅等，按相关规范的规定采用。 q1kGcQk2(1.19)niiiiSSSSC返回设计表达式对于正常使用极限状态，要求分别采用荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合，并使变形等不超过相应的规定限值。对钢结构设计只考虑荷载的标准组合，其表达式为： 第60页/共63页第61页/共63页谢 谢！第62页/共63页感谢您的观看。第63页/共63页