鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法有與其它結(jié)構(gòu)類型相同的設(shè)計(jì)法，遵循《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50068-2001）規(guī)定的概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，也有與其它結(jié)構(gòu)不一樣的地方：應(yīng)力表達(dá)設(shè)計(jì)式、疲勞計(jì)算應(yīng)力幅等。

§3-1概述一、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的完成預(yù)定功能，做到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用、保證質(zhì)量。二、結(jié)構(gòu)功能要求●安全性適用性耐久性三、結(jié)構(gòu)的可靠性與可靠度●可靠性：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間（設(shè)計(jì)使用年限，見教材表3.1）內(nèi)，在規(guī)定的條件（正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用）下，完成預(yù)定功能的能力?！裼脕?lái)度量結(jié)構(gòu)可靠性的指標(biāo)成為可靠度?！裼绊懡Y(jié)構(gòu)可靠性的因素：如荷載、材料性能、施工質(zhì)量、計(jì)算方法?！?-2概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法

傳統(tǒng)的容許應(yīng)力法（建國(guó)初～1957年）——三系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法（1957年～1975年）——半概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法（1975年～1988年）——概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法（1988年～發(fā)展中）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展演變一、結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)

若整個(gè)結(jié)構(gòu)或幾個(gè)的一部分超過(guò)某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。

承載能力極限狀態(tài)：結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或達(dá)到不適于繼續(xù)承載的變形時(shí)的極限狀態(tài)。如傾覆、強(qiáng)度破壞、喪失穩(wěn)定、疲勞破壞、結(jié)構(gòu)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系等

正常使用極限狀態(tài)：結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項(xiàng)規(guī)定限制時(shí)的極限狀態(tài)。也稱變形極限狀態(tài)。如撓度、裂縫、振動(dòng)等。§3-2概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003規(guī)定：§3-2概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法

可靠概率：完成預(yù)定功能的概率；失效概率：不能完成預(yù)定功能的概率。

二、結(jié)構(gòu)的失效概率和可靠指標(biāo)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)需要處理兩方面的因素結(jié)構(gòu)抗力R—取決于材料性能和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何特征荷載效應(yīng)S—取決于荷載在結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的效應(yīng)（內(nèi)力的總和）

R、S都是隨機(jī)的變量，應(yīng)按它們各自的統(tǒng)計(jì)數(shù)值應(yīng)用概率理論來(lái)分析。關(guān)于R和S的概率運(yùn)算用一下功能函數(shù)Z表達(dá)：Z=R-S＞0，即R＞S，結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)Z=R-S=0，即R=S，結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)Z=R-S＜0，即R＜

S，結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)§3-2概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50068-2001規(guī)定：一般情況下：當(dāng)永久荷載對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)：當(dāng)永久荷載效應(yīng)與可變荷載效應(yīng)相比很大時(shí)：特殊情況下，允許對(duì)做合理調(diào)整，如：對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)值大于的工業(yè)建筑樓面活荷載，可取抗力分項(xiàng)系數(shù)：對(duì)Q235鋼，??；對(duì)Q345、Q390鋼取

一、分項(xiàng)系數(shù)的取值三、概率極限設(shè)計(jì)法的設(shè)計(jì)表達(dá)式二、承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式1、對(duì)荷載效應(yīng)基本組合：①由可變荷載效應(yīng)控制的組合（3—1）§3-3概率極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)表達(dá)式②由永久荷載效應(yīng)控制的組合（3—2）鋼結(jié)構(gòu)習(xí)慣的應(yīng)力表達(dá)式：①由永久荷載效應(yīng)控制的組合（3—3）②由永久荷載效應(yīng)控制的組合（3—4）§3-3概率極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)表達(dá)式③對(duì)于一般的排架、框架結(jié)構(gòu)，可采用下列簡(jiǎn)化的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式：

（3—5）式中：§3-3概率極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)表達(dá)式2、對(duì)荷載效應(yīng)偶然組合：偶然作用的代表值不乘分項(xiàng)系數(shù)；與偶然作用同時(shí)出現(xiàn)的可變荷載，應(yīng)根據(jù)觀測(cè)資料和工程經(jīng)驗(yàn)采用適當(dāng)?shù)谋磉_(dá)式。具體表達(dá)式及系數(shù)見專門規(guī)范。§3-3概率極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)表達(dá)式三、正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式

（3—6）式中：注意理解上述各表達(dá)式中系數(shù)的物理含義（教材P40）§3-3概率極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)表達(dá)式四、鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值疲勞破壞特征突然性，破壞前沒有明顯的宏觀塑性變形，屬于脆性斷裂斷口與一般脆性斷口不同，可分為三個(gè)區(qū)域：裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)和斷裂區(qū)對(duì)缺陷（包括缺口、裂紋及組織缺陷等）十分敏感

§3-4鋼材的疲勞和計(jì)算疲勞的兩種類型：常幅疲勞——常幅交變荷載引起——常幅循環(huán)應(yīng)力（簡(jiǎn)稱循環(huán)應(yīng)力）變幅疲勞——變幅交變荷載——變幅循環(huán)應(yīng)力（簡(jiǎn)稱變幅應(yīng)力）應(yīng)力循環(huán)特征（應(yīng)力比ρ）

按絕對(duì)值計(jì)算的最小應(yīng)力和最大應(yīng)力之比（拉應(yīng)力取正值，壓應(yīng)力取負(fù)值）ρ＝-1完全對(duì)稱循環(huán)ρ＝0脈沖循環(huán)ρ＝-1～0不完全對(duì)稱循環(huán)（以拉應(yīng)力為主或以壓應(yīng)力為主）影響扎制鋼材與非焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的因素：

最大應(yīng)力、應(yīng)力比、循環(huán)次數(shù)、缺口效應(yīng)一、常幅疲勞對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度

與非焊接結(jié)構(gòu)存在根本差別的原因：由于焊接加熱及隨后的冷卻，在焊縫及其附近產(chǎn)生殘余應(yīng)力，使該部位形成和發(fā)展疲勞裂紋最為敏感的區(qū)域焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度與名義應(yīng)力和應(yīng)力比無(wú)關(guān)而與應(yīng)力幅Δσ有關(guān)常幅疲勞驗(yàn)算對(duì)焊接結(jié)構(gòu)焊接部位的常幅疲勞驗(yàn)算：（3.7）（3.8）公式3.8中八類構(gòu)件和連接形式的[Δσ]－N曲線參數(shù)β、C的確定對(duì)焊接結(jié)構(gòu)非焊接部位及非焊接結(jié)構(gòu)的常幅疲勞驗(yàn)算：（3.10）[Δσ]取σ0下限值k由試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)取0.7Miner線性累積損傷準(zhǔn)則（linear

cumulative

damage

criteria）

設(shè)某個(gè)構(gòu)件或連接的設(shè)計(jì)應(yīng)力譜由若干個(gè)不同應(yīng)力幅水平Δσi的常幅循環(huán)應(yīng)力組成，各應(yīng)力幅水平Δσi所對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)為ni，相對(duì)的疲勞壽命為Ni，Miner的線性累積損傷準(zhǔn)則為：

二、變幅疲勞（3.11）任一級(jí)應(yīng)力幅水平公式（3.12）設(shè)有等效應(yīng)力幅Δσe循環(huán)Σni次使同一結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞，則有：（3.13）（3.14）吊車梁是鋼結(jié)構(gòu)中變幅疲勞工作的典型構(gòu)件令Δσe＝αfΔσmax

（αf

－變幅荷載的欠載效應(yīng)系數(shù)）規(guī)范給出了2×106循環(huán)次數(shù)的αf

重級(jí)工作制硬鉤吊車αf

＝1.0重級(jí)工作制吊車αf

＝0.8中級(jí)工作制吊車αf

＝0.5吊車梁疲勞驗(yàn)算以常幅疲勞方式驗(yàn)算：吊車梁變幅疲勞驗(yàn)算（3.15）疲勞驗(yàn)算用容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法，疲勞強(qiáng)度按容許應(yīng)力幅計(jì)算，荷載采用標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)和動(dòng)力系數(shù)，應(yīng)力按彈性工作計(jì)算