钢结构设计原理

SteelStructures4.了解杆件和板件稳定的基本理论，理解影响稳定性的主要因素及提高稳定性的措施；3.掌握钢结构用钢的主要性能及其主要影响因素，并能正确地选择钢材；2.理解“钢结构”的计算方法；1.了解钢结构的应用和发展概况,掌握钢结构的特点；本课程的基本要求5.掌握各种连接（焊接、螺栓连接）和各类构件(梁、柱和屋架)的工作性能、破坏特征及其设计的基本方法。6.理解构件间的连接方法、力的传递方式和过程以及构造原则；教学参考书及规范:1.钢结构魏明钟主编武汉工业大学出版社2.钢结构设计规范（GB50017-2003)7.熟悉与土木工程相关的钢结构设计规范。3.钢结构工程施工质量验收规范（GB50205-2001)第一章绪论(introduction)学习要点–掌握钢结构的特点和钢结构的应用范围。(Characteristicsandapplicationofsteelstructure)2．理解钢结构按极限状态的设计方法，掌握其设计表达式的应用。(Limitingstate,Designingmethod)3．了解钢结构在我国的发展趋势。§1.1钢结构的特点和应用范围1.轻质高强;(light-weight,highstrength)由于钢材强度高，结构需要的构件截面小,结构自重轻。a=容重/强度,a越小，结构相对越轻。钢材：a=1.7～3.7×10-4/m；木材：a=5.4×10-4/m；钢砼：a=18×10-4/m；一、钢结构的特点澳大利亚啤酒中心2.钢材的塑性和韧性好；（plasticity,ductility)塑性和韧性是概念上完全不同的两个物理量。塑性——承受静力荷载时，材料吸收变形能的能力。塑性好，会使结构一般情况下不会由于偶然超载而突然断裂，给人以安全保证；韧性——承受动力荷载时，材料吸收能量的多少。韧性好，说明材料具有良好的动力工作性能。3.材质均匀、各向同性，接近理想的弹塑性体，与力学假定符合较好;(uniform,isotropic,ideal)钢材屈服前看作弹性材料,屈服以后看作塑性或弹塑性材料4.制作、安装简便，工期短，符合工业化要求;国家大剧院屋架安装钢结构住宅5、密闭性好，不渗漏;便于做成密闭结构（气罐，液罐等）6、钢材耐热性好，耐火性差;低温易冷脆；当结构表面长期受辐射热达150℃以上或在短时间内可能受到火焰作用时，须采用隔热和防火措施。若发生火灾结构达到500℃以上温度时，可能骤然崩溃。7、钢材耐腐蚀性差。（Corruption）镀锌或油漆，定期维护。维护费用比钢砼结构高。1.撞机12.撞机2二、世界贸易中心倒塌过程网架结构拱结构桥梁二、钢结构的应用范围1.大跨度结构（LongSpanStructure)•国家体育场的“鸟巢”是由一系列辐射式门式钢桁架围绕碗状坐席区旋转而成，结构科学简洁，设计新颖独特，为国际上极富特色的巨型建筑。天津体育场千年穹顶西班牙迪加航空港上海会展中心单层厂房多层工业厂房2.工业厂房金陵石化总厂Factoryworkshopwithcranecarryingheavyloads厂房结构3.承受动力荷载及地震作用的结构Dynamicorseismicload帝王大厦4.高层建筑与高耸结构High-risebuilding金茂大厦88层420米北京财富中心东京千年塔•高耸结构包括塔架以及桅杆等结构，如广播、电视发射塔架和高压输电线路等，高耸结构主要承受风荷载5.道路、桥梁结构(highway,bridge)6.水利、水工结构海上石油平台(1).波纹拱壳结构7.轻型房屋钢结构(light-weightstructure)大跨度波纹拱屋盖我国东北、内蒙古、新疆曾有大量使用，用于仓库、临时罩棚等设施。但有些结构在大雪后倒塌。破坏原因：波纹拱的畸变屈曲没有给予很好的考虑。•结构形式上看，拱形波纹钢屋盖结构是一种薄壁钢拱壳结构，由于所用钢板很薄，（0.6—1.5mm），结构的截面高度受成型设备的限制又不能随意加大，因此当跨度较大时，这种结构刚度较低，在荷载作用下明显表现出二阶受力特征。•结构组成板件上因结构成型需要而压出的横向小波纹，对板件的局部力学性能及结构整体受力性能影响很大，薄壁结构对缺陷也敏感。破坏后所有事故均与大雪有关，97年至今有10万平方米塌落。(2)门式刚架结构(Gabledframes)（5）轻型钢结构（3）多层轻型房屋建筑活动车库8.可拆卸及移动房屋法尔科克转轮（FalkirkWheel）--会工作的雕塑•2002年5月24日，FalkirkWheel由英女皇揭幕正式落成。建筑设计：RMJM其中，升降转轮部分由RMJM爱丁堡公司设计，游客接待中心由RMJM格拉斯高公司设计。结构设计：TonyGeeandPartners主要分析软件：LUSASBridgeanalysissoftware•建筑+机械的创举，多学科的融合也许是未来结构发展应用的一个方向。作为世界第一个旋转式船舶吊桥，耗资2600万美元的FalkirkWheel的开通使苏格兰中部连接大西洋和北海的水道再度畅通。旋转吊桥的巨大起重机配备10个水压马达，能在15分钟内，将4艘船（包括水）起吊到33米高度。与此同时，另一只吊臂将4艘船放下。转轮位于格拉斯哥和爱丁堡两个城市的中央，一条100米水渠的顶端。工业技术的美停止状态，上部船只可以离开转轮。下部等待船只进入。工作中•施工中1：游客中心背景•施工中2：游客中心内部施工中3：游客中心另端•运载船只的漕箱的腹部齿轮转轮全景上方沟渠桥渠底部施工的工人和转轮的尺寸使用中9.构筑物及容器container壳体结构壳体结构§1.2钢结构的设计方法一、钢结构设计方法的演变1957年以前：采用总安全系数的容许应力计算法1957~1974：采用三个系数的极限状态计算法1974~1989：采用以结构极限状态为依据，进行多系数分析，用单一的系数表示的容许应力计算法1989~：采用以概率论为基础的极限状态设计法1.容许应力方法从20世纪初到20世纪5O年代，钢结构采用安全系数法设计，即:)11(][kfANN--构件截面的内力；A--构件截面几何特征；f--钢材的最大强度；K--大于1的安全系数；[σ]--钢材的容许应力。2.概率极限状态设计方法(1)极限状态：当结构或其组成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时，此特定状态称为结构的极限状态。(2)极限状态分为两类：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、影响正常使用的或耐久性的局部破坏等状态。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。(3)根据应用概率分析的程度不同，可分为三种水准：a.半概率极限状态设计方法;b.近似概率极限状态设计方法;c.全概率设计方法。a.半概率极限状态设计方法;1).三系数法（当时称为计算极限状态法）:1957年至1973年我国钢结构设计采用半概率的分项系数法,结构设计中引入三个分项系数，即:荷载分项系数--考虑荷载的不定性;材料分项系数--考虑材料的不均性;工作条件系数--考虑结构及构件的工作特点以及某些假定的计算简图与实际情况不完全相符等因素。三系数极限状态设计法特点：明确提出了两种极限状态，采用三个系数来考虑结构构件的安全储备问题，避免单一安全系数的缺陷缺点：材质均匀系数概念重复。强度标准不是明确概率取值，而是取钢的废品限值，不符合概率方法构件的几何特性荷载引起的内力工作条件系数材料均匀系数超载系数sNkkksfkkNkiyi3213212)半经验半概率极限状态设计法(容许应力法）)21(][321＝KfKKKfANykykN--构件截面的内力；A--构件截面几何特征；K1--荷载系数；K2--材料系数;K3--调整系数；fyk--钢材的屈服强度标准值；[σ]--钢材容许应力b、近似概率极限状态设计法（现行钢结构设计规范(GB50017－2003)）结构的工作性能可用结构的“功能函数”来描述：Z＝g（X1，X2，…，Xn）（1－3）式中：g（·）--结构的功能函数；Xi(i＝1，2,…,n)--影响结构可靠性的各物理量。将各因素概括为两个综合随机变量--结构的抗力R、作用效应S，则公式（1-3）可以写成：Z＝g（R，S）＝R－S（1-4）在实际工程结构中，可能出现下列三种情况：Z＞0表示结构处于可靠状态；Z＝0表示结构处于极限状态Z＜0表示结构处于失效状态；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：Z＝g(R，S)＝R－S＝0(1-5)称为极限状态方程。结构能完成预定功能的概率(可靠度)用Ps表示，则：Ps＝P{Z≥0}（1-6）结构不能完成预定功能的概率(失效概率)用Pf表示，则：Pf＝P{Z0｝（1-7）由于事件｛Z≥0｝与事件{Z＜0｝是对立事件，所以结构的可靠度与结构的失效概率满足:Ps＋Pf＝1或Ps＝1-Pf（1-8）因为R和S都是随机变量，且假定都服从正态分布，由概率论原理知功能函数Z=R-S也服从正态分布,则:)91()()0(0dZZfZPPff(z)PfμzZ的概率密度曲线Z=R-SZ)111()101(22SRZSRZ令：Z、R、S的平均值分别为μz、μR、μs，标准差分别为σz、σR、σs，则:因σz＞0，故：f(z)μzZ的概率密度曲线PfZZ=R-S)121(}{}0{}0{ZZZZfZffZPZPZP)151()()141()1(1ffPPZZZ因服从标准正态分布，故上式又可写成：式中:φ(·)--标准正态函数；φ-1(·)--标准正态函数的反函数。)131(}{}0{ZZffZZZPZP则：令：•从图中可以看出β与失效概率Pf间存在着一一对应关系,即:1).β减小时，阴影部分的面积增大，即失效概率Pf增大；2).β增大时，阴影部分的面积减少，亦即失效概率Pf减小。•说明β可以作为衡量结构可靠度的一个数量指标。β—可靠度指标f(z)μzZ的概率密度曲线PfZZ=R-SfP标准正态分布时与的对应值pf4.03.17X10-53.71.08X10-43.26.87X10-41.35X10-33.0β的计算:将式(1-10)、(1-11)代入β的定义式得：)161(22σ＋－＝SRsRRZc.全概率设计法对结构的各种基本变量均采用随机变量或随机过程来描述，对结构进行精确的概率分析，求得结构最优失效概率作为结构可靠度的直接度量。三、钢结构设计表达式a.采用以概率理论为基础的极限状态设计方法(疲劳问题除外)，用分项系数的表达式进行计算；b.结构的可靠度用可靠度指标来度量，并以分项系数的形式考虑。（一）按承载能力极限状态设计应考虑荷载效应的基本组合或偶然组合进行荷载（效应）组合，采用下列表达式设计：式中：γo--结构重要性系数；S--荷载效应（组合）的设计值；R--钢结构构件或连接材料抗力的设计值。)171(0RS荷载效应组合如下：)181(211SSSSQikciQinikQQGkG2.由永久荷载效应控制的组合：)191(1SSSQikciQiniGkG3.荷载分项系数取值如下：1.由可变荷载效应控制的组合：（1）永久荷载分项系数当其效应对结构不利时--对可变荷载效应控制的组合，应取1.2;--对永久荷载效应控制的组合，应取1.35;当其效应对结构有利时--一般情况下应取1.0；--对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。（2）可变荷载的分项系数--一般情况下应取1.4；--对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载标准值应取1.3。对于钢结构这种单一材料，可以将荷载效应表达式用应力形式表示。）－（201)(2110fdQiknicikQQGkGQi)211()(1