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1、1-2 钢结构的设计方法,1-2-1概述,结构计算的目的:在于保证所设计的结构和结构件在施工和工作过程中能满足预期的安全性和使用性要求.结构设计准则可以这样陈述:结构由各种荷载所产生的效应(内力和变形)不大于结构(包括连接)由材料性能和几何因素等所决定的抗力或规定限定.,结构的极限状态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，称此特定状态为该功能的极限状态。极限状态实质上是结构可靠与不可靠的界限，故也可称为“界限状态”。对于结构的各种极限状态，均应规定明确的标志或限值,1-2-2概率极限状态设计方法,结构的极限状态可以分为以下两类：（1）承载能力极限状态（2）正常
2、使用极限状态可建立如下（简化后）函数：Z=RS 注：R-抗力 S-荷载效应,因上式中R和S是随机变量，其函数Z也是一个随机变量。因此在实际工程中，可能出现下列三种情况：Z0 结构处于可靠状态；Z=0 结构达到临界状态，即极限状态；Z0 结构处于失效状态。,新型万能材料试验机,旧型号万能材料试验机,一.结构的功能要求建筑结构要解决的基本问题是，力求以较为经济的手段，使所要建造的结构具有足够的可靠度(degreeofreliability)，以满足各种预定功能的要求。结构在规定的设计使用年限内应满足的功能有：(1)在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用；(2)在正常使用时具有良好的工作性
3、能；(3)在正常维护下具有足够的耐久性；(4)在设计规定的偶然事件（如地震、火灾、爆炸、撞击等）发生时及发生后，仍能保持必须的整体稳定性。上述“各种作用”是指凡使结构产生内力或变形的各种原因，如施加在结构上的集中荷载或分布荷载，以及引起结构外加变形或约束变形的原因，例如地震、地基沉降、温度变化等。,二.结构的可靠度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，称为结构的可靠性(reliability)。结构可靠度是对结构可靠性的定量描述，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。对结构可靠度的要求与结构的设计基准期长短有关，设计基准期长，可靠度要求就高，反之则低。一般
4、建筑物的设计基准期为50年,我国钢结构设计规范（以下简称GB50017规范或规范）规定，承重结构应按下列二类极限状态进行设计：(1)承载能力极限状态包括：构件和连接的强度破坏、疲劳破坏和因过度变形而不适于继续承载，结构和构件丧失稳定，结构转变为机动体系和结构倾覆。(2)正常使用极限状态包括：影响结构、构件和非结构构件正常使用或耐久性能的局部损坏（包括组合结构中混凝土裂缝）。承载能力极限状态与正常使用极限状态相比较，前者可能导致人身伤亡和大量财产损失，故其出现的概率应当很低，而后者对生命的危害较小，故允许出现的概率可高些，但仍应给予足够的重视。,设计表达式1承载能力极限状态表达式为了应用简便并符
5、合人们长期已熟悉的形式，可将公式()做如下变换：,1.3.10)左、右分别为S和R的设计验算点坐标S*和R*，可写为：R*S*,建筑结构可靠度设计统一标准(GB50068)规定结构构件的极限状态设计表达式，应根据各种极限状态的设计要求，采用有关的荷载代表值、材料性能标准值、几何参数标准值以及各种分项系数等表达。作用分项系数F（包括荷载分项系数G、Q）和结构构件抗力分项系数R应根据结构功能函数中基本变量的统计参数和概率分布类型，以及规定的结构构件可靠指标，通过计算分析，并考虑工程经验确定。,考虑到施加在结构上的可变荷载往往不止一种，这些荷载不可能同时达到各自的最大值，因此，还要根据组合荷载效应分
6、布来确定荷载的组合系数和。结构重要性系数应按结构构件的安全等级、设计使用年限并考虑工程经验确定。根据结构的功能要求，进行承载能力极限状态设计时，应考虑作用效应的基本组合，必要时尚应考虑作用效应的偶然组合（考虑如火灾、爆炸、撞击、地震等偶然事件的组合）。,1)基本组合在荷载（作用）效应的基本组合条件下，式(1.3.11)可转化为等效的以基本变量标准值、分项系数和组合系数，并以应力形式表达的极限状态公式。其荷载效应的基本组合按下列设计表达式中的最不利值确定：1.29公式,由永久荷载效应控制的组合，仍按上式进行计算 1.30公式以上两个式中，除第一个可变荷载的组合值系数c1的楼盖（例如仪器车间仓库、
7、金工车间、轮胎厂准备车间、粮食加工车间等的楼盖）或屋盖（高炉附近的屋面积灰），必然由上式(控制设计取G=1.35外，其他只有大型混凝土屋面板的重型屋盖以及很特殊情况才有可能由上式控制设计。,对于一般排架、框架结构，可采用简化式计算：由可变荷载效应控制的组合：1.31公式,(2)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。,1-3钢结构的应用和新发展,结构用钢的新发展 国内外在高性能钢材的应用方面取得不少新进展，其中包括高强度高性能
8、钢、低屈服点钢和耐火钢的开发和应用等。我国新修订的钢结构设计规范中增列了性能优良的Q420钢，该钢材已成功地应用在九江长江大桥的建设中。,另外我国冶金部门制订了行业标准高层建筑结构用钢板，该钢板是专门供高层建筑和其他重要建(构)筑物用来生产厚板焊接截面构件的。其性能与日本建筑结构用钢材相近，而且质量上还有所改进。我国有些企业正在试生产屈服点达到100N/mm2的低屈服点钢材，相当于日本的LY100钢，可用于抗震结构的耗能部件。有的企业正在开发耐火钢，该钢即使加热到600也能保持常温2/3以上的强度。,日本在1994年制定了新的建筑结构专用钢材规格建筑结构用轧制钢材(JISG3136):SN标准
9、。该种钢材的质量等级已不再按夏比冲击试验分类，而是按使用部位、提示有关需要分类。如SN400A（相当于我国的Q235A）只能使用在次要构件处于弹性范围的、原则上非焊接的构件或部位；,SN400B及SN490B（接近于我国Q345强度等级）是能保证塑性变形和焊接性能的钢材。使用在抗震结构构件和部位中；SN400C及SN490C具有非常好的抗层状撕裂性能，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）的构件和部位中。SNB、C类钢材均对屈服点的上限值做出了规定，以防构件需塑性变形耗能的部位不能进入塑性屈服；并对碳当量及磷、硫的上限予以严格限制。,SNC类钢材对硫的含量提出了更严格的限制
10、，并规定生产厂家有义务进行超声探伤试验，以确保板厚方向的性能。目前日本国内建筑用厚钢板的70为SN钢材。日本已开发出LY225钢、LY100钢等低屈服点钢和耐火钢(FR钢)。美国和欧洲等国家也在高强度高性能钢材的研制和应用等方面做出了不少贡献。如美国生产的经调质处理的合金钢板A514，其屈服点高达690N/mm2，并可用于焊接生产。,新型结构体系的应用和发展近年来，在全国各地修建了大量的大跨空间结构，网架和网壳结构形式已在全国普及，张弦桁架、悬挂结构也有很多应用实例；直接焊接钢管结构、变截面轻钢门式刚架、金属拱型波纹屋盖等轻钢结构也已遍地开花；钢结构的高层建筑也在不少城市拔地而起；适合我国国情
11、的钢-混凝土组合结构和混合结构也有了广泛应用；目前好多地方都在建造索膜结构的罩棚和建筑小品；。可以毫不夸张地说，我国已成了各种钢结构体系的展览馆和试验场。,各种不同的结构体系各有所长，但生命力较强的结构体系均具有如下特点：(1)必须是几何不可变的(除悬索、薄膜等张拉结构)空间整体，在各类作用的效应之下能保持稳定性、必要的承载力和刚度；(2)应使结构材料的强度得到充分地利用，使自重趋于最低；,(3)能利用材料的长处，避免克服其短处；(4)能使结构空间和建筑空间互相协调、统一；(5)能适合本国情况，制作、安装简便，综合效益好。,目前我国正在进行大规模的基本建设，许多大型复杂的钢结构工程，包括200
12、8年奥运场馆工程的建设都正在进行中。选择先进合理的结构体系，既能满足建筑艺术需要，又能做到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量就显得非常重要。目前有一种为追求建筑造型新奇、怪异，而不惜浪费钢材采用最笨重的结构形式的倾向是值得警惕的。,1.3.4设计方法的新发展目前我国采用的概率极限状态设计法的特点是用根据各种不定性分析所得到的失效概率(或可靠指标)去度量结构的可靠性，并使所计算的结构构件的可靠度达到预期的一致性和可比性。但是该方法还有待发展，因为用它计算的可靠度还只是构件或某一截面的可靠度而不是结构体系的可靠度，该方法也不适用于构件或连接的疲劳验算。,目前大多数国家(当然包括我国)采用计算长
13、度法计算钢结构的稳定问题。该方法的步骤是：采用一阶分析求解结构内力，按各种荷载组合求出各杆件的最不利内力，按第一类弹性稳定问题建立结构达临界状态时的特征方程，确定各压杆的计算长度；将各杆件隔离出来，按单独的压弯构件进行稳定承载力验算，验算中考虑了弹塑性、残余应力和几何缺陷等的影响。该方法的最大特点是采用计算长度系数来考虑结构体系对被隔离出来的构件的影响，计算比较简单，对比较规则的结构也可给出较好的结果。,规范GB50017在条中列入了有支撑框架柱计算长度系数的有关条款，并给出了强、弱支撑框架的概念。认为弱支撑不足以阻止框架的侧移，其框架压杆的稳定系数可利用规范中查得的相应于有、无侧移框架柱的稳
14、定系数经插值求得。该法计算比较简单，概念也较清楚，完善了有支撑框架的稳定计算方法。,计算长度法存在以下缺陷（以框架结构为例）：不考虑节间荷载的影响，按理想框架分枝失稳求特征值的方法求解稳定问题，得不到失稳时框架的准确位移，无法精确考虑二阶效应的影响；不能考虑结构体系中内力的塑性重分布，因此对大型结构体系常常给出保守的设计，使结构体系的可靠度高于构件的可靠度；,不能精确地考虑结构体系与它的构件之间的相互影响，无法在给定荷载下预测结构体系的破坏模式；需要花费大量时间进行各构件的承载力验算，包括计算长度的计算；不便于基于计算机的分析和设计。,要克服上述问题，必须开展以整个框架结构体系为对象的二阶非弹
15、性分析，即所谓高等分析和设计。此时，可求得在特定荷载作用下框架体系的极限承载力和失效模态，而无需对各个构件进行验算。,目前欧洲钢结构试行规范(EC3)和澳大利亚钢结构标准都列有二阶弹塑性分析或高等分析的条款。我国新规范则列入了无支撑纯框架可采用二阶弹性分析的条款。上述的方法主要是用来计算内力的，然后还要验算构件的承载力，只是计算长度或取构件的实际长度，或者按无侧移框架确定计算长度。,应当指出，同时考虑几何非线性和材料非线性的全过程分析(高等分析)给出的结构承载能力，将同时满足整个体系和它的组成构件的强度和稳定性的要求，可完全抛弃计算长度和单个构件验算的概念，对结构进行直接的分析和设计。但目前仅
16、平面框架的高等分析和设计法研究的比较成熟，空间框架的高等分析距实用还有很大的一段距离有待跨越。,高等分析和设计方法的缺陷是：由于考虑了非线性的影响，对荷载的不同组合都需要单独进行分析，叠加原理不再适用；高等分析依赖于精确的计算模型，如果初选截面不合理，将耗费较多的时间调整截面；构件的局部稳定和出平面空间稳定必须确保，目前的高等分析还不包括这些方面的验算内容；该法是基于计算机的设计方法，无法进行手算，因此计算程序的优劣将直接影响设计效率。,高等分析和设计是一个正在发展和完善的新设计方法，而且是一种较精确的方法，我们可以用其来评价计算长度法的精度和问题，提出有关计算长度法的改进建议。可以预期，在近期内这两种方法将并存，并获得共同的发展。今后，随着计算机技术的发展，高等分析和设计法将逐渐成为主要的设计方法。对于这一点，我们必须有清醒的认识，应加紧开展相应的研究，以便在下一次钢结构规范修订时能达到国际相同的水平。,
