钢构设计原理.docx

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钢构设计原理

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本课程的基本要求

1.了解钢结构的应用和发展概况,掌握钢结构的特点；1.了解钢结构的应用和发展概况,掌握钢结构的特点；了解钢结构的应用和发展概况2.理解“钢结构”的计算方法；2.理解“钢结构”的计算方法；理解3.掌握钢结构用钢的主要性能及其主要影响因素，3.掌握钢结构用钢的主要性能及其主要影响因素，并掌握钢结构用钢的主要性能及其主要影响因素能正确地选择钢材；能正确地选择钢材；4.了解杆件和板件稳定的基本理论，4.了解杆件和板件稳定的基本理论，理解影响稳定性了解杆件和板件稳定的基本理论的主要因素及提高稳定性的措施；的主要因素及提高稳定性的措施；掌握各种连接（焊接、螺栓连接）和各类构件（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。

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、6.理解构件间的连接方法、力的传递方式和过程以及理解构件间的连接方法构造原则；构造原则；7.熟悉与土木工程相关的钢结构设计规范。

7.熟悉与土木工程相关的钢结构设计规范。

熟悉与土木工程相关的钢结构设计规范

教学参考书及规范:

教学参考书及规范

1.钢结构1.钢结构魏明钟主编武汉工业大学出版社

GB500172.钢结构设计规范（GB50017-2003）2.钢结构设计规范3.钢结构工程施工质量验收规范3.钢结构工程施工质量验收规范（GB50205-2001）GB50205-

第一章绪论

大纲要求

掌握钢结构的特点和钢结构的应用范围。

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，掌握其设理解钢结构按极限状态的设计方法，计表达式的应用。

计表达式的应用。

了解钢结构在我国的发展趋势。

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

一、钢结构的特点

1.轻质高强;1.轻质高强;轻质高强由于钢材强度高，由于钢材强度高，结构需要的构件截面小,结构自重轻。

的构件截面小,结构自重轻。

a=容重/强度,a越小越小，a=容重/强度,a越小，结构容重相对越轻。

相对越轻。

钢材：

a=1.7～3.7×钢材：

a=1.7～3.7×10-4/m；木材：

a=5.4×木材：

a=5.4×10-4/m；钢砼：

18×钢砼：

a=18×10-4/m；

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2.钢材的塑性韧性好2.钢材的塑性和韧性好；钢材的塑性和塑性和韧性是概念上完全不同的两个物理量。

塑性和韧性是概念上完全不同的两个物理量。

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。

承受静力荷载时，

塑性好，会使结构一般情况下不会由于偶然超载而塑性好，突然断裂，给人以安全保证；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。

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。

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，3.材质均匀、各向同性，接近理想的弹塑性体，与力材质均匀学假定符合较好;学假定符合较好;钢材屈服前看作弹性材料,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;制作、安装简便，工期短，符合工业化要求;

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5、密闭性好，不渗漏;密闭性好，不渗漏;6、钢材耐热性好，耐火性差;钢材耐热性好，耐火性差;℃以上或在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，短时间内可能受到火焰作用时，须采用隔热和防火措施。

火措施。

7、钢材耐腐蚀性差。

钢材耐腐蚀性差。

二、钢结构的应用范围1.大跨度结构1.大跨度结构

拱结构

网架结构

桥梁

天津体育场

千年穹顶

2.工业厂房

金陵石化总厂

多层工业厂房

单层厂房

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3.承受动力荷载及地震作用的结构

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4.高层建筑与高耸结构高层建筑与高耸结构

北京财富中心

金茂大厦88层420米

帝王大厦

东京千年塔

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5.道路、桥梁结构道路、

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6.水利、水工结构水利、

海上石油平台

7.轻型房屋钢结构

（1）.波纹拱壳结构

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（2）门式刚架结构

（3）多层轻型房屋建筑

8.可拆卸、8.可拆卸、移动房屋及可拆卸移动结构

活动车库

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9.构筑物9.构筑物

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10.建筑小品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.容许应力方法1.容许应力方法

20世纪初到20世纪年代，世纪初到20世纪5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:

全系数法设计，

Nf≤=[σ]Ak

（1?

1）

N--构件截面的内力；A--构件截面几何特征；--构件截面的内力；--构件截面几何特征；--构件截面几何特征--构件截面的内力F--钢材的最大强度；K--大于1的安全系数；--钢材的最大强度大于1--钢材的最大强度；--大于的安全系数；[σ]--钢材的容许应力。

--钢材的容许应力[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极限状态：

态就不能满足设计规定的某一功能要求时，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。

状态称为结构的极限状态。

（2）极限状态分为两类：

极限状态分为两类：

承载能力极限状态极限状态:

a.承载能力极限状态:

包括：

强度破坏、疲劳破坏、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。

的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。

极限状态:

b.正常使用极限状态:

正常使用极限状态包括：

影响正常使用或外观的变形、包括：

影响正常使用或外观的变形、影响正常使用的振动、使用的振动、影响正常使用的或耐久性的局部破坏等状态。

等状态。

（3）根据应用概率分析的程度不同，可分为三种水准：

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;半概率极限状态设计方法;近似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。

全概率设计方法。

半概率极限状态设计方法;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）:

1）.三系数法（三系数法1957年至1973年我国钢结构设计采用半概率的年至19731957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，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;--考虑荷载的不定性荷载分项系数--考虑荷载的不定性;材料分项系数--考虑材料的不均性;--考虑材料的不均性材料分项系数--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。

些假定的计算简图与实际情况不完全相符等因素。

半经验半概率极限状态设计法（容许应力法）2）半经验半概率极限状态设计法（容许应力法）

fykfykN≤=＝[σ]AK1K2K3K

N--构件截面的内力；--构件截面的内力；构件截面的内力--构件截面几何特征构件截面几何特征；A--构件截面几何特征；--荷载系数荷载系数；K1--荷载系数；--材料系数材料系数;K2--材料系数;--调整系数调整系数；K3--调整系数；--钢材的屈服强度标准值钢材的屈服强度标准值；fyk--钢材的屈服强度标准值；[σ]--钢材容许应力[σ]--钢材容许应力--

（1?

2）

b、近似概率极限状态设计法现行钢结构设计规范（GB500172003））（GB50017－（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：

结构的工作性能可用结构的“功能函数”来描述：

…，Z＝g（X1，X2，…，Xn）

式中：

式中：

结构的功能函数；g（·）--结构的功能函数；）--结构的功能函数（i＝2,…,n）--影响结构可靠性的各物理量,n）--影响结构可靠性的各物理量。

Xi（i＝1，2,,n）--影响结构可靠性的各物理量。

（1－3）

将各因素概括为两个综合随机变量--结构的抗力R将各因素概括为两个综合随机变量--结构的抗力R、--结构的抗力作用效应S则公式（可以写成：

作用效应S，则公式（1-3）可以写成：

Z＝g（R，S）＝R－S

表示结构处于可靠状态；可靠状态Z＞0表示结构处于可靠状态；Z＝0表示结构处于极限状态表示结构处于极限极限状态表示结构处于失效状态；失效状态Z＜0表示结构处于失效状态；

（1-4）

在实际工程结构中，可能出现下列三种情况：

在实际工程结构中，可能出现下列三种情况：

判断结构是否可靠，要看结构是否达到极限状态，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：

为此，通常将下式：

g（R，S）＝Z＝g（R，S）＝R－S＝0称为极限状态方程。

称为极限状态方程。

极限状态方程（1-5）

结构能完成预定功能的概率（可靠度）表示，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）表示，结构不能完成预定功能的概率（失效概率）用Pf表示，则：

Pf＝P{Z<0｝P{Z<0｝（1-7）

由于事件｛Z≥0｝与事件{Z{Z＜是对立事件，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:

构的可靠度与结构的失效概率满足:

或Ps＋Pf＝1Ps＝1-Pf（1-8）

因为R都是随机变量，且假定都服从正态分布，因为R和S都是随机变量，且假定都服从正态分布，由Z=R-也服从正态分布,概率论原理知功能函数Z=R-S也服从正态分布,则:

f（z）

Pf=P（Z<0）=∫f（Z）dZ

∞0

（1?

9）

βσZ

令：

Z、R、S的平均值分别为μz、μR、μs，标准差分别为σ别为σz、σR、σs，则:

Pfμz

Z=RZ=R-S

μZ=μR?

μS

22σZ=σR+σS

（1?

10）（1?

11）

Z的概率密度曲线

因σz＞0，故：

μZPf{Z<0}=Pf{}<0}=Pf{

σZσZσZZ?

μZμZP令：

=则：

f{Z<0}=Pf{

β}βσZσZ

Z

Z?

μZ

Z?

μZ

（1?