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1、钢结构的破坏形式及计算方法,3.1 钢材的破坏形式,强度破坏及塑性重分布两种性质完全不同的破坏形式：塑性破坏（延性破坏)脆性破坏（脆性断裂),塑性破坏,塑性破坏的特征是构件应力超过屈服点(fy)，并达到抗拉极限强度(fu)后，构件产生明显的变形并断裂；塑性破坏的断口常为杯形，呈纤维状，色泽发暗。塑性破坏在破坏前有很明显的变形，并有较长的变形持续时间，便于发现和补救。,塑性变形后出现内力重分布，使应力趋于均匀，提高了结构的承载能力 建筑钢材的塑性性能一定条件下可以加以利用，如简支钢梁可以容忍塑性在最大弯矩截面上有一定的发展、连续梁及钢框架结构按照塑性方法设计时，允许结构中出现塑性铰及内力重分布。
2、,脆性破坏,破坏前无明显变形，平均应力亦小(可能小于屈服点fy)，没有任何预兆，是突然发生的，危险性大，应尽量避免。破坏断口平直和呈有光泽的晶粒状。断裂从压力集中处发生。,引起脆性破坏的因素,钢材的质量（如S、P、C等的含量）时效应力集中使用温度力的作用性质冶金和机械加工中产生的缺陷（特别是缺口和裂纹）,整体失稳破坏,钢材强度较高，相同条件下，钢结构构件的截面较小。所以钢结构构件在受压时稳定性的问题特别突出，一旦结构或者构件局部有受压的可能，设计时就要考虑稳定因素防止发生整体失稳。,某些情况下，组成构件结构的板件的局部丧失稳定会先于构件整体失稳出现。局部失稳的发生可能最终促成或导致结构或结构构
3、件的整体丧失稳定，造成破坏。,板件局部失稳破坏,但在某些特定条件下，局部失稳并不是构件承载能力的最终极限，则可以容忍其发生，甚至有目的的对屈曲后强度加以利用。屈曲后强度的应用与计算。钢结构设计规范均给出了有关指导条文。,钢结构的疲劳破坏，是指在重复或交变荷载的作用下，裂纹不断发展最终达到其临界状态而产生的脆性断裂。如工业厂房中的吊车梁有可能出现疲劳问题。,3.1.4 疲劳破坏及损伤累积,裂纹的发展阶段,疲劳破坏是损伤累积的结果，一般经过裂纹形成、裂纹缓慢扩展、最后突然断裂三个阶段。建筑钢结构不可避免的存在微观缺陷，类似于微裂纹，因此建筑钢结构疲劳破坏过程实际只经历后两个阶段。,3.1.6 刚度
4、不足,钢结构由于材料强度高，在跨度比较大、层高比较高的情况下，构件尺寸往往设计的比较细长，因而刚度不足的问题比较突出。,一、钢结构设计方法的演变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:,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。,3.2 钢结构的计算方法,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
5、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)半经验半概率极
6、限状态设计法(容许应力法）,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
7、 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-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，标准差分 别为z、R、s，则:,因z0，故
8、：,因 服从标准正态分布，故上式又可写成：,式中:()-标准正态函数；-1()-标准正态函数 的反函数。,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
9、(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：,（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
10、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。,-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。,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。例如:按轴心受力计算单面 连接单角钢的强度时。见教材，,
