鋼結構設計：鋼結構設計方法

鋼結構設計方法第一節(jié)概率極限狀態(tài)設計法第二節(jié)概率極限設計法的設計表達式第三節(jié)鋼材的疲勞和疲勞計算

第一節(jié)概率極限狀態(tài)設計法結構設計規(guī)范《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》（GB50068）規(guī)定：結構的可靠度應采用以概率論為基礎的極限狀態(tài)設計方法分析確定。鋼結構和其他建筑結構一樣，遵循“統(tǒng)一標準”要求，采用的也是以概率論為基礎，用分項系數(shù)表達的極限狀態(tài)設計方法。通過學習應掌握以下概念：結構的極限狀態(tài)；結構的基本功能要求；結構的可靠度；荷載及強度的標準值與設計值。1建筑結構的功能要求和可靠度建筑結構的功能要求安全性—結構能承受在正常施工和正常使用時可能出現(xiàn)的各種作用和在設計規(guī)定的偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后仍能保持必須的整體穩(wěn)定性。適用性—在正常使用時具有良好的工作性能，如不產(chǎn)生影響正常使用的過大變形。耐久性—結構在正常維護下具有足夠的耐久性能，如不產(chǎn)生影響結構預期使用壽命的嚴重銹蝕等。結構的可靠性和可靠度結構的可靠性—是指結構在規(guī)定的時間內(nèi)（設計使用年限），在規(guī)定的條件(常設計、正常施工、正常使用）下完成預定功能（安全性、適用性、耐久性）的能力。結構的可靠度—是指結構在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下完成預定功能的概率。2、結構的極限狀態(tài)1）承載力極限狀態(tài)承載力極限狀態(tài)—結構或構件達到最大承載能力或出現(xiàn)不適于繼續(xù)承載的變形。傾覆、強度破壞、疲勞破壞、喪失穩(wěn)定、結構變?yōu)闄C動體系或出現(xiàn)過度的塑性變形。2）正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)—結構或構件達到正常使用或耐久性的某項規(guī)定值。出現(xiàn)影響正常使用的變形、振動和局部破壞。3、結構的荷載效應分析設計結構需要處理兩方面的因素結構和構件的抗力R—取決于材料性能和結構幾何特征荷載對結構產(chǎn)生的效應S—取決于荷載在結構中產(chǎn)生的內(nèi)力的總和

R、S都是隨機的變量，應按它們各自的統(tǒng)計數(shù)值應用概率理論來分析。概率極限狀態(tài)法

R、S概率運算函數(shù)可靠度Z=g(R、S)，Z有三種可能：Z=R-S＞0結構處于可靠狀態(tài)Z=R-S=0結構處于極限狀態(tài)Z=R-S＜0結構處于失效狀態(tài)結構的可靠度定義為：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。可靠的結構設計是指失效概率小到可以接受的程度，但并不意味著結構絕對可靠。第二節(jié)概率極限設計法的設計表達式鋼結構除疲勞計算外，采用以概率理論為基礎極限狀態(tài)設計方法，用分項系數(shù)表達式進行計算。規(guī)范把結構構件極限狀態(tài)設計表達為如下形式：1承載能力極限狀態(tài)：承載能力極限狀態(tài)一般按荷載效應的基本組合情況分別計算：①由可變荷載效應控制的組合：（3—1）②由永久荷載效應控制的組合（3—2）對于一般的排架、框架結構，可采用下列簡化的極限狀態(tài)設計表達式：

(3—3)式中：——結構的重要性系數(shù)：一級（使用年限100年及以上的結構）≥1.1

二級（使用年限50年及以上的結構）≥1.0

三級（使用年限5年及以上的結構）≥0.92正常使用極限狀態(tài)（控制變形和撓度）按標準荷載組合計算設計表達式：3、鋼材的強度設計值第三節(jié)鋼材的疲勞1鋼結構的疲勞—是微觀裂紋在連續(xù)重復荷載作用下不斷開展，直至最后斷裂的脆性破壞。疲勞斷裂經(jīng)歷三個階段，裂紋的形成、裂紋的緩慢擴展和最后迅速斷裂。2影響疲勞強度的主要因素⑴微觀裂紋和應力集中：鋼材在生產(chǎn)和結構制造等過程，不可避免會在結構某些部位存在局部微小缺陷，類似于微裂紋的作用，在重復連續(xù)荷載作用下，引起應力集中，裂紋逐漸擴展，當重復荷載達到一定循環(huán)次數(shù)時，最終發(fā)生脆性斷裂。⑵應力幅的影響⑶應力比的影響⑷應力的循環(huán)次數(shù)的影響3疲勞的兩種類型常幅疲勞——常幅交變荷載引起——常幅循環(huán)應力（簡稱循環(huán)應力）變幅疲勞——變幅交變荷載——變幅循環(huán)應力（簡稱變幅應力1)

常幅疲勞應力循環(huán)特征（應力比ρ）

按絕對值計算的最小應力和最大應力之比（拉應力取正值，壓應力取負值）ρ＝-1完全對稱循環(huán)ρ＝0脈沖循環(huán)ρ＝-1～0不完全對稱循環(huán)（以拉應力為主或以壓應力為主）影響扎制鋼材與非焊接結構疲勞強度的因素：最大應力、應力比、循環(huán)次數(shù)、缺口效應對焊接結構的疲勞強度

與非焊接結構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)域焊接結構疲勞強度與名義應力和應力比無關而與應力幅Δσ有關對焊接結構焊接部位的常幅疲勞驗算：常幅疲勞驗算：（3.7）（3.8）公式3.8中八類構件和連接形式的[Δσ]－N曲線參數(shù)β、C的確定對焊接結構非焊接部位及非焊接結構的常幅疲勞驗算：[Δσ]取σ0下限值k由試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計取0.7（3.10）吊車梁是鋼結構中變幅疲勞工作的典型構件令Δσe＝αfΔσmax

（αf－變幅荷載的欠載效應系數(shù)）規(guī)范給出了2×106循環(huán)次數(shù)的αf重級工作制硬鉤吊車αf＝1.0重級工作制吊車αf＝0.8中級工作制吊車αf＝0.5吊車梁疲勞驗算以常幅疲勞方式驗算：吊車梁變幅疲勞驗算（3.15）疲勞強度計算注意事項1.疲勞驗算用容許應力設計方法，疲勞強度按容許應力幅計算，荷載采用標準值，不考慮荷載