鋼結構》第一章鋼結構緒論.ppt

1-2 鋼結構的設計方法,1-2-1概述,結構計算的目的:在于保證所設計的結構和結構件在施工和工作過程中能滿足預期的安全性和使用性要求. 結構設計準則可以這樣陳述:結構由各種荷載所產(chǎn)生的效應(內(nèi)力和變形)不大于結構(包括連接)由材料性能和幾何因素等所決定的抗力或規(guī)定限定.,結構的極限狀態(tài) 整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設計規(guī)定的某一功能要求，稱此特定狀態(tài)為該功能的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)實質(zhì)上是結構可靠與不可靠的界限，故也可稱為“界限狀態(tài)”。對于結構的各種極限狀態(tài)，均應規(guī)定明確的標志或限值,1-2-2概率極限狀態(tài)設計方法,結構的極限狀態(tài)可以分為以下兩類： （1）承載能力極限狀態(tài) （2）正常使用極限狀態(tài) 可建立如下（簡化后）函數(shù)： Z=RS 注：R-抗力 S-荷載效應,因上式中R和S是隨機變量，其函數(shù)Z也是一個隨機變量。因此在實際工程中，可能出現(xiàn)下列三種情況： Z0 結構處于可靠狀態(tài)； Z=0 結構達到臨界狀態(tài)，即極限狀態(tài)； Z0 結構處于失效狀態(tài)。,新型萬能材料試驗機,舊型號萬能材料試驗機,一. 結構的功能要求 建筑結構要解決的基本問題是，力求以較為經(jīng)濟的手段，使所要建造的結構具有足夠的可靠度(degree of reliability)，以滿足各種預定功能的要求。 結構在規(guī)定的設計使用年限內(nèi)應滿足的功能有： (1) 在正常施工和正常使用時，能承受可能出現(xiàn)的各種作用； (2) 在正常使用時具有良好的工作性能； (3) 在正常維護下具有足夠的耐久性； (4) 在設計規(guī)定的偶然事件（如地震、火災、爆炸、撞擊等）發(fā)生時及發(fā)生后，仍能保持必須的整體穩(wěn)定性。 上述“各種作用”是指凡使結構產(chǎn)生內(nèi)力或變形的各種原因，如施加在結構上的集中荷載或分布荷載，以及引起結構外加變形或約束變形的原因，例如地震、地基沉降、溫度變化等。,二. 結構的可靠度 結構在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預定功能的能力，稱為結構的可靠性(reliability)。結構可靠度是對結構可靠性的定量描述，即結構在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預定功能的概率。對結構可靠度的要求與結構的設計基準期長短有關，設計基準期長，可靠度要求就高，反之則低。一般建筑物的設計基準期為50年,我國鋼結構設計規(guī)范（以下簡稱GB50017規(guī)范或規(guī)范）規(guī)定，承重結構應按下列二類極限狀態(tài)進行設計： (1) 承載能力極限狀態(tài) 包括：構件和連接的強度破壞、疲勞破壞和因過度變形而不適于繼續(xù)承載，結構和構件喪失穩(wěn)定，結構轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系和結構傾覆。 (2) 正常使用極限狀態(tài) 包括：影響結構、構件和非結構構件正常使用或耐久性能的局部損壞（包括組合結構中混凝土裂縫）。 承載能力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)相比較，前者可能導致人身傷亡和大量財產(chǎn)損失，故其出現(xiàn)的概率應當很低，而后者對生命的危害較小，故允許出現(xiàn)的概率可高些，但仍應給予足夠的重視。,設計表達式 1 承載能力極限狀態(tài)表達式 為了應用簡便并符合人們長期已熟悉的形式，可將公式( )做如下變換：,1.3.10)左、右分別為S和R的設計驗算點坐標S*和R*，可寫為： R*S*,建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準(GB50068)規(guī)定結構構件的極限狀態(tài)設計表達式，應根據(jù)各種極限狀態(tài)的設計要求，采用有關的荷載代表值、材料性能標準值、幾何參數(shù)標準值以及各種分項系數(shù)等表達。 作用分項系數(shù)F（包括荷載分項系數(shù)G、Q）和結構構件抗力分項系數(shù)R應根據(jù)結構功能函數(shù)中基本變量的統(tǒng)計參數(shù)和概率分布類型，以及規(guī)定的結構構件可靠指標，通過計算分析，并考慮工程經(jīng)驗確定。,考慮到施加在結構上的可變荷載往往不止一種，這些荷載不可能同時達到各自的最大值，因此，還要根據(jù)組合荷載效應分布來確定荷載的組合系數(shù)和。結構重要性系數(shù) 應按結構構件的安全等級、設計使用年限并考慮工程經(jīng)驗確定。 根據(jù)結構的功能要求，進行承載能力極限狀態(tài)設計時，應考慮作用效應的基本組合，必要時尚應考慮作用效應的偶然組合（考慮如火災、爆炸、撞擊、地震等偶然事件的組合）。,1)基本組合 在荷載（作用）效應的基本組合條件下，式(1.3.11)可轉(zhuǎn)化為等效的以基本變量標準值、分項系數(shù)和組合系數(shù)，并以應力形式表達的極限狀態(tài)公式。其荷載效應的基本組合按下列設計表達式中的最不利值確定： 1.29公式,由永久荷載效應控制的組合，仍按上式進行計算 1.30公式 以上兩個式中，除第一個可變荷載的組合值系數(shù)c1的樓蓋（例如儀器車間倉庫、金工車間、輪胎廠準備車間、糧食加工車間等的樓蓋）或屋蓋（高爐附近的屋面積灰），必然由上式(控制設計取G=1.35 外，其他只有大型混凝土屋面板的重型屋蓋以及很特殊情況才有可能由上式控制設計。,對于一般排架、框架結構，可采用簡化式計算： 由可變荷載效應控制的組合： 1.31公式,(2)偶然組合 對于偶然組合，極限狀態(tài)設計表達式宜按下列原則確定：偶然作用的代表值不乘分項系數(shù)；與偶然作用同時出現(xiàn)的可變荷載，應根據(jù)觀測資料和工程經(jīng)驗采用適當?shù)拇碇?，具體的設計表達式及各種系數(shù)，應符合專門規(guī)范的規(guī)定。,1-3鋼結構的應用和新發(fā)展,1.3.2結構用鋼的新發(fā)展 國內(nèi)外在高性能鋼材的應用方面取得不少新進展，其中包括高強度高性能鋼、低屈服點鋼和耐火鋼的開發(fā)和應用等。我國新修訂的鋼結構設計規(guī)范中增列了性能優(yōu)良的Q420鋼，該鋼材已成功地應用在九江長江大橋的建設中。,另外我國冶金部門制訂了行業(yè)標準高層建筑結構用鋼板，該鋼板是專門供高層建筑和其他重要建(構)筑物用來生產(chǎn)厚板焊接截面構件的。其性能與日本建筑結構用鋼材相近，而且質(zhì)量上還有所改進。我國有些企業(yè)正在試生產(chǎn)屈服點達到100N/mm2的低屈服點鋼材，相當于日本的LY100鋼，可用于抗震結構的耗能部件。有的企業(yè)正在開發(fā)耐火鋼，該鋼即使加熱到600也能保持常溫2/3以上的強度。,日本在1994年制定了新的建筑結構專用鋼材規(guī)格建筑結構用軋制鋼材(JIS G3136):SN標準。該種鋼材的質(zhì)量等級已不再按夏比沖擊試驗分類，而是按使用部位、提示有關需要分類。如SN400A（相當于我國的Q235A）只能使用在次要構件處于彈性范圍的、原則上非焊接的構件或部位；,SN400B及SN490B（接近于我國Q345強度等級）是能保證塑性變形和焊接性能的鋼材。使用在抗震結構構件和部位中；SN400C及SN490C具有非常好的抗層狀撕裂性能，主要使用在如箱型柱的外部板材等需要板厚方向性能（Z向性能）的構件和部位中。SN B、C類鋼材均對屈服點的上限值做出了規(guī)定，以防構件需塑性變形耗能的部位不能進入塑性屈服；并對碳當量及磷、硫的上限予以嚴格限制。,SN C類鋼材對硫的含量提出了更嚴格的限制，并規(guī)定生產(chǎn)廠家有義務進行超聲探傷試驗，以確保板厚方向的性能。目前日本國內(nèi)建筑用厚鋼板的70為SN鋼材。日本已開發(fā)出LY225鋼、LY100鋼等低屈服點鋼和耐火鋼(FR鋼)。美國和歐洲等國家也在高強度高性能鋼材的研制和應用等方面做出了不少貢獻。如美國生產(chǎn)的經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的合金鋼板A514，其屈服點高達690 N/mm2，并可用于焊接生產(chǎn)。,1.3.3新型結構體系的應用和發(fā)展 近年來，在全國各地修建了大量的大跨空間結構，網(wǎng)架和網(wǎng)殼結構形式已在全國普及，張弦桁架、懸掛結構也有很多應用實例；直接焊接鋼管結構、變截面輕鋼門式剛架、金屬拱型波紋屋蓋等輕鋼結構也已遍地開花；鋼結構的高層建筑也在不少城市拔地而起；適合我國國情的鋼-混凝土組合結構和混合結構也有了廣泛應用；目前好多地方都在建造索膜結構的罩棚和建筑小品；。可以毫不夸張地說，我國已成了各種鋼結構體系的展覽館和試驗場。,各種不同的結構體系各有所長，但生命力較強的結構體系均具有如下特點： (1) 必須是幾何不可變的(除懸索、薄膜等張拉結構)空間整體，在各類作用的效應之下能保持穩(wěn)定性、必要的承載力和剛度； (2) 應使結構材料的強度得到充分地利用，使自重趨于最低；,(3) 能利用材料的長處，避免克服其短處； (4) 能使結構空間和建筑空間互相協(xié)調(diào)、統(tǒng)一； (5) 能適合本國情況，制作、安裝簡便，綜合效益好。,目前我國正在進行大規(guī)模的基本建設，許多大型復雜的鋼結構工程，包括2008年奧運場館工程的建設都正在進行中。選擇先進合理的結構體系，既能滿足建筑藝術需要，又能做到技術先進、經(jīng)濟合理、安全適用、確保質(zhì)量就顯得非常重要。目前有一種為追求建筑造型新奇、怪異，而不惜浪費鋼材采用最笨重的結構形式的傾向是值得警惕的。,1.3.4 設計方法的新發(fā)展 目前我國采用的概率極限狀態(tài)設計法的特點是用根據(jù)各種不定性分析所得到的失效概率(或可靠指標)去度量結構的可靠性，并使所計算的結構構件的可靠度達到預期的一致性和可比性。但是該方法還有待發(fā)展，因為用它計算的可靠度還只是構件或某一截面的可靠度而不是結構體系的可靠度，該方法也不適用于構件或連接的疲勞驗算。,目前大多數(shù)國家(當然包括我國)采用計算長度法計算鋼結構的穩(wěn)定問題。該方法的步驟是：采用一階分析求解結構內(nèi)力，按各種荷載組合求出各桿件的最不利內(nèi)力，按第一類彈性穩(wěn)定問題建立結構達臨界狀態(tài)時的特征方程，確定各壓桿的計算長度；將各桿件隔離出來，按單獨的壓彎構件進行穩(wěn)定承載力驗算，驗算中考慮了彈塑性、殘余應力和幾何缺陷等的影響。該方法的最大特點是采用計算長度系數(shù)來考慮結構體系對被隔離出來的構件的影響，計算比較簡單，對比較規(guī)則的結構也可給出較好的結果。,規(guī)范GB50017在5.3.3條中列入了有支撐框架柱計算長度系數(shù)的有關條款，并給出了強、弱支撐框架的概念。認為弱支撐不足以阻止框架的側移，其框架壓桿的穩(wěn)定系數(shù)可利用規(guī)范中查得的相應于有、無側移框架柱的穩(wěn)定系數(shù)經(jīng)插值求得。該法計算比較簡單，概念也較清楚，完善了有支撐框架的穩(wěn)定計算方法。,計算長度法存在以下缺陷（以框架結構為例）：不考慮節(jié)間荷載的影響，按理想框架分枝失穩(wěn)求特征值的方法求解穩(wěn)定問題，得不到失穩(wěn)時框架的準確位移，無法精確考慮二階效應的影響；不能考慮結構體系中內(nèi)力的塑性重分布，因此對大型結構體系常常給出保守的設計，使結構體系的可靠度高于構件的可靠度；,不能精確地考慮結構體系與它的構件之間的相互影響，無法在給定荷載下預測結構體系的破壞模式；需要花費大量時間進行各構件的承載力驗算，包括計算長度的計算；不便于基于計算機的分析和設計。,要克服上述問題，必須開展以整個框架結構體系為對象的二階非彈性分析，即所謂高等分析和設計。此時，可求得在特定荷載作用下框架體系的極限承載力和失效模態(tài)，而無需對各個構件進行驗算。,目前歐洲鋼結構試行規(guī)范(EC3)和澳大利亞鋼結構標準都列有二階彈塑性分析或高等分析的條款。我國新規(guī)范則列入了無支撐純框架可采用二階彈性分析的條款。上述的方法主要是用來計算內(nèi)力的，然后還要驗算構件的承載力，只是計算長度或取構件的實際長度，或者按無側移框架確定計算長度。,應當指出，同時考慮幾何非線性和材料非線性的全過程分析(高等分析)給出的結構承載能力，將同時滿足整個體系和它的組成構件的強度和穩(wěn)定性的要求，可完全拋棄計算長度和單個構件驗算的概念，對結構進行直接的分析和設計。但目前僅平面框架的高等分析和設計法研究的比較成熟，空間框架的高等分析距實用還有很大的一段距離有待跨越。,高等分析和設計方法的缺陷是：由于考慮了非線性的影響，對荷載的不同組合都需要單獨進行分析，疊加原理不再適用；高等分析依賴于精確的計算模型，如果初選截面不合理，將耗費較多的時間調(diào)整截面；構件的局部穩(wěn)定和出平面空間穩(wěn)定必須確保，目