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1、钢结构设计原理,4.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 肖亚明主编 合肥工业大学出版社,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
2、质量验收规范（GB50205-2001),第一章 绪 论,大纲要求,1.掌握钢结构的特点和钢结构的应用范围。,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。,3了解钢结构在我国的发展趋势和问题。,1.1 钢结构的特点和应用范围,1.轻质高强;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=1.73.710-4/m；木材：a=5.410-4/m；钢砼：a=1810-4/m；,一、钢结构的特点,2.钢材的塑性和韧性好；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
3、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;,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;6、钢材耐热性好，耐火性差;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。7、钢材耐腐蚀性差。二、钢结构的应用范围1.大跨度结构,网架结构,拱结构,桥梁,大连会展中心,明石海峡大桥,单层厂房,多层工业厂房,2.工业
4、厂房,金陵石化总厂,3.承受动力荷载及 地震作用的结构,4.高层建筑与高耸结构,金茂大厦88层420米,帝王大厦,东京千年塔,5.道路、桥梁结构,6.水利、水工结构,海上石油平台,船闸门,拦污栅,(1).波纹拱壳结构,7.轻型房屋钢结构,(2)门式刚架结构,（3）多层轻型房屋建筑,活动车库,8.可拆卸、移动房屋及 移动结构,9.构筑物,10.建筑小品,1.2 钢结构的设计方法,一、钢结构设计方法的演变1.传统的容许应力方法 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:,N-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；-钢材的容许应力。,2
5、.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：半概率极限状态设计方法;近似概率极限状态设计方法;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
6、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。,2)计算公式,N-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；-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(GB500172003)）结构的工作性能可用结构的“功能函数”来描述：Zg（X1，X2，Xn）（1 3）,式中：g（）-结构的功能函数；Xi(i1，2,n)-影响结构可靠性的各物理
7、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：Zg（R，S）RS（1-4）在实际工程结构中，可能出现下列三种情况：Z0表示结构处于可靠状态；Z0表示结构处于极限状态 Z0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：Zg(R，S)RS0(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：,PsPZ0（1-6）,结构不能完成预定功能的概率(失效概率)用Pf表示，则：,PfPZ0（1-7）,由于事件Z0与事件Z0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 Ps1
8、-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:,令：Z、R、S的平均值分别为 z、R、s，标准方差分 别为z、R、s，则:,因z0，故：,因 服从标准正态分布，故上式又可写成：,式中:()-标准正态函数；,从图中可以看出与失效概率Pf 间存在着一一对应关系,即:1).减小时，阴影部分 的面积增大，即失效概 率Pf增大；2).增大时，阴影部分 的面积减少，亦即失效 概率Pf减小。说明可以作为衡量结 构可靠度的一个数量指 标。可靠度指标,的计算:将式(1-10)、(1-11)代入的定义式得：,c.全概率设计法 对结构的各种
9、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。二、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：o-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。,荷载效应组合如下：,2.由永久荷载效应控制的组合：,3.荷载分项系数取值如下：,1.由可变荷载效应控制的组合：,
10、（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。,可变荷载起控制作用时：,永久荷载起控制作用时：,式中：,4、钢结构构件承载能力极限状态设计表达式,-钢材或连接材料强度设计值。,-钢材或连接材料强度标准值。,-钢材或连接材料抗力分项系数，对于Q235钢
11、R=1.087;Q345、Q390、Q420钢R=1.111。,钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。,(二)正常使用极限状态,1.对于正常使用极限状态，要求分别采用荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合，并使变形等不超过相应的规定限值。,Gk-永久荷载标准值在结构或结构构件中产生的 变形值；Q1k-第1个可变荷载的标准值在结构或结构构件中 产生的变形值（该值使计算结果为最大）；,Qik-其他第i个可变荷载标准值在结构或构件中产 生的变形值。-结构或结构构件的容许变形值。2.对于受压、受拉构件，规范规定应限制其长细比，即:(1-24）式中：-受压、受拉构件的计算长细比；-规范规定的受拉、受
12、压构件容许长 细比，按规范采用。,（三）使用设计表达式的注意事项 1.计算静力强度和稳定时，采用荷载的设计值；疲劳计算、变形计算采用荷载的标准值。2.强度设计指标f 1)强度设计值的种类、性质；2)按板厚或直径分组；3)强度设计值的折减。,1.3 钢结构的发展研究一、材料方面 发展高强度钢材和新品种型钢，如强度更高的钢材、耐候钢（抗腐蚀）以及提高厚板材的质量（抗层状撕裂）。二、结构设计计算方法的研究 三、新结构的推广应用四、钢结构的加工制造五、结构优化原理的研究和应用,1.4 我国钢结构的发展趋势 1由于火力电厂建设速度还会不断加快，主厂房和锅炉钢架用钢量会增加。2交通工程中的桥梁会有所增加。
13、铁路桥梁均采用钢结构，公路桥梁采用钢结构已也成为近几年来的一个发展趋势。3市政建设中地铁和轻轨工程、城市立交桥、高架桥、环保工程、城市公共设施及临时房屋等都越来越多的采用钢结构。4钢结构住宅将增加。5国际化,1.5 我国钢结构发展存在的问题 1对钢结构产业是符合节能环保和可持续发展型的行业的认识还待于提高。2设计理念不能适应市场需要。3部分地区钢结构企业盲目上马，一哄而起，造成户产能过剩，浪费大量资源。加之钢材涨价，市场无序竞争，竞相压价造成加工和安装企业亏损。4钢结构科研开发资金不足，标准及规范修订周期太长；标准及应用规范、规程缺项、滞后；钢材标准与工程设计、施工规范规程衔接不上。5钢结构加工厂和施工安装企业的装备、计算机管理水平、劳动生产率还需进一步改进和提高。,
