第3章-钢结构的设计方法.教学内容

结构构件或连接因超过材料强度而破坏；
结构构件或连接在循环荷载作用下发生的疲劳破坏；
结构构件或结构转变为机动体系；
结构或构件丧失稳定（如压屈等）。
2020/6/28
中南大学 土木工程学院 欧阳震宇
第3章 钢结构的设计方法
（2）正常使用极限状态
结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定值：
影响正常使用或外观的变形； 影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）； 影响正常使用的振动； 影响正常使用的其它特定状态。
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第3章 钢结构的设计方法
3.2.1 结构概率极限状态设计基本概念
结构可靠度：结构在规定的时间（50年），规定的条件（正常设计、 正常施工、正常使用、正常维护）下，完成预定功能的概率。
失效概率：结构不能完成预定功能的概率。 结构的功能要求：安全性，适用性，耐久性。
2.5
2.7
承载力极限状态与正常使用极限状态相比，前者可能导致人身 伤亡和大量的财产损失，而后者对生命的危害则较小，主要是引起 人们的不适，所以也应该给予足够的重视。
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第3章 钢结构的设计方法
3.2.3 概率极限状态设计原理
设计基本原则：技术先进、经济合理、安全适用、确保质量。
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第3章 钢结构的设计方法
可靠指标的引入
结构功能函数 Z=R-S
由于S和R均为正态分布的随机变量，其均值和标准差分别 为s、s和 R、R。
由 概 率 论 知 识 有 ZRS也 服 从 正 态 分 布
且 Z RS Z R 2S2
f(z) 1z1
2z2 z1
结构作用：施加在结构上的各种荷载及引起外加变形或约束变形的 原因（如荷载、地震、基础下沉、温度变化、焊接等）
作用：永久作用，可变作用，偶然作用 作用效应（S）:结构作用引起结构或构件的内力（轴、弯、剪）和 变形（挠度、转角）。
结构抗力（R）：结构或构件承受作用效应的能力。
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k1Ni k2k3 fys
k1超载系数 k2材料均匀系数 k3工作条件系数 Ni荷载引起的内力 s构件的几何特性
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缺点： • 材质均匀系数概念重复。 • 强度标准不是明确概率取值，而是 取钢的废品限值，不符合概率方法。
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➢以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一安全系数的
2.设计基准期是测算最大荷载重现期的基本期限；
3.在超过设计基准期后，并非意味着结物的使用寿命；
4.我国对于多数建筑物的设计基准期均为50年，特殊建筑 物可以除外；
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第3章 钢结构的设计方法
钢结构设计方法的变迁
➢1957年以前：采用总安全系数的容许应力计算法； ➢1957～1974：采用三个系数的极限状态计算法； ➢1974～1989：采用以结构极状态为依据，进行多系数分
析，用单一的系数表示的容许应力计算法； ➢1989～ ：采用以概率论为基础的极限状态设计法。
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第3章 钢结构的设计方法
第3章-钢结构的设计方法.
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钢结构设计方法
第3章 钢结构的设计方法
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建筑物的基准期
结构的设计基准期
1.结构保证其设计可靠度指标的时间期限称为设计基准期， 即在基准期内，结构的可靠度指标完全满足设计要求；
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。
>0，结构处于可靠状态 功能函数 Z=R-S =0，结构处于极限状态
<0，结构处于失效状态
Z=R-S 称为极限状态方程。 这样，结构可靠概率为 Ps=p{(R-S)≥0}
失效概率
P f pz0
（1.3.3）
可靠度 Ps=1-Pf
➢ 绝对可靠的结构是不存在的，只要Pf达到人们可以接受的程度是安全的。
容许应力计算法
Ni fy []
s
k
k k1k2k3
缺点：各种载荷并不相同，各种构件承受荷载的情 况也不一 定相同，构件的几何尺寸变异并不完全一致，采用统一的安全 系数显然不可能获得相同的安全度。
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§3.2 以概率为基础的极限状态设计法
Z1
设：
z z z
z
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（1.3.6）
（1.3.7）
Pf2
Pf1 o
失效
z2
Z2
可靠
Z
Z=R-S
功能函数Z的概率密度曲线
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值越大，Pf 就越小。 可以作为衡量结构可靠度的一个数 量指 标。 —可靠度指标
表1.3.1 失效概率和可靠指标的对应关系
• 把各种参数（载荷效应、结构抗力等）作随机变量，运用 概率分析法并考虑变异性来确定设计采用值。 • 把概率分析引入结构设计方法，显然比容许应力法先进， 标志我国在设计理论上前进了一大步，迈入了国际先进水平。
结构上的作用、可靠度、极限状态的概念 概率极限状态设计方法的基本原理 荷载和材料强度的取值方法；荷载标准值，材料强度标准值 极限状态设计表达式；荷载效应组合设计值，材料强度设计值；分项系数
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3.2.2. 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，这一特定状态称为结构的极限状态。
（1）承载能力极限状态
结构或构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形， 包括以下几个方面：
整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；
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➢总安全系数容许应力法
fy 实际应 安力 全 k 1 .4 系 ~ 1 .7数
k
缺点：安全系数凭工程经验确定的一定值，这样，各种构件的可靠性将 不能保证比较一致的水平。
➢三系数极限状态设计法
特点：明确提出了两种极限状态，采用三个系数来考虑结构构件的安全 储备问题，避免单一安全系数的缺陷。