第3章 钢结构的设计方法

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1、第3章钢结构的设计方法本章导学『导学提示』本章主要介绍钢结构设计的目的，钢结构的基本计算方法—容许应力设计法、概率设计法、概率极限状态设计法的计算表达式。『本章要求』1.理解钢结构设计的目的；2.了解容许应力设计法；3.了解概率设计法的设计表达式；4.理解概率极限状态设计方法的设计表达式，掌握在不同极限状态下荷载的计算。『关键知识』1.概率极限状态设计方法的设计表达式。『重点讲解』1.概率极限状态设计方法的设计表达式。『难点解析』1.极限状态的概念和分类；2.概率极限状态设计方法的设计表达式。3.1概述3.1.1钢结构设计的目

2、的结构设计的目的在于使所设计的结构在设计使用年限内，满足预定功能的基础上，要求既能安全可靠的工作，又经济合理。（1）安全性结构能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种荷载及其它作用(如温度变化、基础不均沉降等）；当发生爆炸、撞击、人为错误等偶然事件时，结构能保持必需的整体稳固性，不出现与起因不相称的破坏后果，防止出现结构的连续倒塌。当发生火灾时，在规定的时间内可保持足够的承载力。（2）适用性指结构在正常使用条件下，满足预定使用要求的能力。例如不产生影响正常使用的过大变形等。（3）耐久性结构在正常的维护下，应随时间的变化仍能满

3、足预定的功能要求，例如不发生严重侵蚀而影响结构的使用寿命等。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（规定时间是指结构的设计使用年限，规定条件，是指正常设计、正常施工、正常使用和维护的条件，不包括非正常的，例如人为的错误等）。1.结构上的作用使结构产生效应(M、N、V、T、σ、τ、ε、f、θ)的各种因素的总和。2.作用效应(S)结构上的作用引起结构或构件的内力和变形。S=CQ3.结构抗力（R）结构或构件承受内力和变形的能力。R=f(σ、E、A、I)的函数。3.1.2结构上的作用和作用效应4.结构可

4、靠工作的基本条件结构完成预定功能的工作状态可用结构的功能函数Z来描述。3.2容许应力设计法容许应力法由于采用一个定值的安全系数来衡量结构的安全性，所以计算应用简便，是工程结构中的一种保守的设计方法，目前在公路、铁路工程设计中仍在应用。它的主要缺点是由于单一安全系数是一个笼统的经验系数，不从定量上度量结构的可靠度，更不能使各类结构的安全度达到同一水平，也未考虑荷载增大的不同比率或具有异号荷载效应情况对结构安全的影响，所以该方法对结构可靠度的研究是处于以经验为基础的定性分析阶段。3.3概率设计法3.3.1半概率极限状态设计法在概率

5、设计法的研究过程中，首先考虑荷载和材料强度的不确定性，用概率的方法确定它们的取值，以经验确定分项系数，但仍没有将结构的可靠度与概率联系起来，故称为半概率极限状态设计法。极限状态定义：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指定的某一功能要求，这个特定的状态称之为该功能的极限状态。3.3.2一次二阶矩法1．结构的可靠度结构的可靠度是结构可靠性的概率度量，即结构在设计使用年限内，在正常条件下，完成预定功能的概率。结构的可靠度是用可靠概率来描述的。失效概率：可靠概率：结构的可靠指标考虑到计算失效概率比较复杂，故引入可靠指

6、标代替失效概率来具体度量结构的可靠性。3.4概率极限状态设计法3.4.1目前我国建筑钢结构设计中采用的方法1.承载能力极限状态结构或结构构件达到最大承载能力或者达到不适于继续承载的变形状态，称为承载能力极限状态。超过承载能力极限状态后，结构或结构构件就不能满足安全性的要求。当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态：①结构构件或连接因超过材料强度而破坏，或因过度变形而不适于继续承载；②整个结构或其一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；③结构转变为机动体系；④结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）；⑤结构因局部破

7、坏而发生连续倒塌；⑥地基丧失承载力而破坏（如失稳等）；⑦结构或结构构件的疲劳破坏。2.正常使用极限状态结构或结构构件达到正常使用或耐久性能中某项规定限度的状态称为正常使用极限状态。超过了正常使用极限状态，结构或结构构件就不能保证适用性和耐久性的功能要求。当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了正常使用极限状态：①影响正常使用或外观的变形（如过大变形、过宽裂缝等）；②影响正常使用或耐久性能的局部损坏；③影响正常使用的振动；④影响正常使用的其他特定状态。现行钢结构设计规范除疲劳计算外，采用以概率理论为基础的极限状态设计方法

8、，用分项系数的设计表达式进行计算。3.4.2承载能力极限状态的设计表达式（2）永久荷载效应控制的组合1.承载能力极限状态荷载效应的基本组合（1）可变荷载效应控制的组合－结构重要性系数，对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件，不应小于1.1；对安全等级为二级或