钢结构概述课件.ppt

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现代管理大学工程学院梁博钢结构 §1-1钢结构在我国的发展概况§1-2钢结构特点及合理应用范围§1-3钢结构的设计方法§1-4钢结构的发展第1章概述第1章概述 主要依据的规范《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）；《建筑结构荷载规范》（GB50009—2001）；《钢结构设计规范》（GB50017━2003）；《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-98）；《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）； 1.3钢结构的设计方法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。 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。 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degreeofreliability(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。 《钢结构设计规范》（GB50017━2003）极限状态设计？概率论为基础？分项系数设计表达式？ 极限状态设计？ 两种极限状态极限状态limitstate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。 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 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Z＞0时，结构处于可靠状态；当Z＜0时，结构处于失效状态；当Z＝0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。 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 概率论为基础？ 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） 可靠指标β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β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。 近似概率极极限状态设计法。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。 分项系数设计表达式？ 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。 设计表达式的规定 1.2.4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。 由永久荷载效应控制的组合：对于一般排架及框架结构，可采用下列简化的设计表达式：设计表达式由可变荷载效应控制的组合： 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 SGK——按永久荷载标准值计算的荷载效应值；SQ1k、SQik——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。ψci——第i个可变荷载的组合值系数,按《建筑结构荷载规范》的规定采用；ψ——简化设计表达式中采用的荷载组合系数，一般情况取0.9，只有一个可变荷载时取1.0；R(·)——结构构件的抗力函数gR——结构构件的抗力分项系数，其值应符合相关《规范》对各类材料的规定；fk——材料性能的标准值；设计表达式 αk——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∆α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 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: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(serviceabilitylimitstates)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 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。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： 第一章绪论钢结构的设计方法设计方法：以概率理论为基础的极限状态设计方法计算疲劳仍采用容许应力幅法计算强度、稳定、连接用荷载设计值计算疲劳、变形用荷载标准值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 谢谢！ 基本组合可变荷载控制；永久荷载控制； 框架排架 应力表达式 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。 正常使用极限状态 1.2.2设计方法及其发展（1）容许应力设计法容许应力设计法（allowablestressdesignmethod），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到的最大应力——容许应力。表达式为：式中：σ——构件的设计应力；［σ］——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 式中：K1——荷载系数;K2——材料系数;K3——调整系数。其他符号同前。（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（codefordesignofsteelstructure）》（GBJI7－88）和现行的《钢结构设计规范》（GB50017－2003）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： （4）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。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。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设计法的三个水准。设计方法 1.2.3概率极限状态设计法(1)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：a.承载能力极限状态:包括：强度破坏、疲劳破坏、不适于继续承载的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。b.正常使用极限状态:包括：影响正常使用或外观的变形、影响正常使用的振动、影响正常使用或耐久性的局部破坏等状态。 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。 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Z＞0时，结构处于可靠状态；当Z＜0时，结构处于失效状态；当Z＝0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。 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（degreeofreliability），则有：当结构处于失效状态（Z＜0）时的概率，称为失效概率（probabilityoffailure），用pf表示，即: 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。 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: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 极限状态设计法(3)可靠指标β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β： 功能函数Z＝R-S的正态分布图f(z)Pf＝面积μzZ=R-S失效可靠极限状态设计法从图中可以看出，β与失效概率pf之间存在着对应关系。当β值增大时，阴影面积减小，即失效概率pf减小；反之，当β变小时，pf增大。因此，β可以作为衡量结构可靠度的一个数量指标，称为可靠指标（reliabilityindex）。 极限状态设计法式中:为标准正态函数，只要知道可靠指标β的数值，即可查标准正态函数表，求出失效概率。表1.１为β与pf的对应值。 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3.16～3.62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 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 1.2.4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。 由永久荷载效应控制的组合：对于一般排架及框架结构，可采用下列简化的设计表达式：设计表达式由可变荷载效应控制的组合： 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 SGK——按永久荷载标准值计算的荷载效应值；SQ1k、SQik——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。ψci——第i个可变荷载的组合值系数,按《建筑结构荷载规范》的规定采用；ψ——简化设计表达式中采用的荷载组合系数，一般情况取0.9，只有一个可变荷载时取1.0；R(·)——结构构件的抗力函数gR——结构构件的抗力分项系数，其值应符合相关《规范》对各类材料的规定；fk——材料性能的标准值；设计表达式 αk——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∆α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 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: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(serviceabilitylimitstates)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 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。《《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： 谢谢！