《钢结构设计原理》讲义教案(83页WORD版)

《钢结构设计原理》讲义教案

钢结构的特点、设计方法和材料

一、钢结构的特点

（1）强度高，塑性和韧性好

强度高，适用于建造跨度大、承载重的结构。

塑性好，结构在一般条件下不会因超载而突然破坏。

韧性好，适宜在动力荷载下工作。

（2）重量轻

（3）材质均匀，和力学计算的假定比较符合

钢材内部组织比较均匀，接近各向同性，实际受力情况和工程力学计算结果比较符合。

（4）钢结构制作简便，施工工期短

钢结构加工制作简便，连接简单，安装方便，施工周期短。

（5）钢结构密闭性较好

水密性和气密性较好，适宜建造密闭的板壳结构。

（6）钢结构耐腐蚀性差

容易腐蚀，处于较强腐蚀性介质内的建筑物不宜采用钢结构。

（7）钢材耐热但不耐火

温度在200℃以内时，钢材主要力学性能降低不多。温度超过200℃后，不仅强度逐步降低，还会发生兰脆和徐变现象。温度达600℃时，钢材进入塑性状态不能继续承载。

（8）在低温和其他条件下，可能发生脆性断裂。

二、钢结构的设计方法和设计表达式

《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，用分项系数的设计表达式进行计算。

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，此特定状态就称为该功能的极限状态。

（1)承载能力极限状态包括构件和连接的强度破坏、疲劳破坏和因过度变形而不适于

继续承载，结构和构件丧失稳定，结构转变为机动体系和结构倾覆。

（2)正常使用极限状态 包括影响结构、构件和非结构构件正常使用或外观的变形，影响正常使用的振动，影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括混凝土裂缝）。

以结构构件的荷载效应S 和抗力R 这两个随机变量来表达结构的功能函数，则

Z ＝g (R ，S )＝R -S (1)

在实际工程中，可能出现下列三种情况：

Z ＞0 结构处于可靠状态；

Z ＝0 结构达到临界状态，即极限状态；

Z ＜0 结构处于失效状态。

按照概率极限状态设计方法，结构的可靠度定义为：结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。这里所说“完成预定功能”就是对于规定的某种功能来说结构不失效(Z ≥0)。这样结构的失效概率f p 表示为

)0(<=Z P p f (2)

可靠指标β与f p 存在对应的关系，β增大，f p 减小；β减小，f p 增大。

2．分项系数的设计表达式

对于承载能力极限状态荷载效应的基本组合按下列设计表达式中最不利值确定

可变荷载效应控制的组合： f n i QiK ci Qi K Q Q GK G ≤⎪⎭

⎫ ⎝⎛++∑=2110σϕγσγσγγ （3）

永久荷载效应控制的组合： f n i QiK ci Qi GK G ≤⎪⎭

⎫ ⎝⎛+∑=10σϕγσγγ （4）

式中 0γ— 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设计使用年限为50年及结构构件，不

应小于1.0；对安全等级为三级或设计使用年限为5年结构构件，不应小于0.9；

GK σ——永久荷载标准值在结构构件截面或连接中产生的应力；

K Q 1σ——起控制作用的第一个可变荷载标准值在结构构件截面或连接中产生的应力

（该值使计算结果为最大）；

QiK σ——其他第i 个可变荷载标准值在结构构件截面或连接中产生的应力；

G γ——永久荷载分项系数，当永久荷载效应对结构构件的承载力不利时取1.2，但对

式（4）则取1.35。当永久荷载效应对结构构件的承载力有利时取1.0；验算结

构倾覆、滑移或漂浮时取0.9；

1Q γ、Qi γ——第1个和其他第i 个可变荷载分项系数，当可变荷载效应对结构构件的

承载力不利时取1.4（当楼面活荷载大于4.02m /kN 时，取1.3）；有利时，

取为0；

ci ϕ——第i 个可变荷载组合值系数，可按荷载规范的规定采取。

对于一般排架、框架结构，可采用简化式计算。.

由可变荷载效应控制的组合：

f n i QiK Qi GK G ≤⎪⎭⎫ ⎝⎛+∑=10σγϕσγγ （5）

由永久荷载效应控制的组合，仍按式（4）进行计算。

式中 ϕ——简化式中采用的荷载组合值系数，一般情况下可采用0.9；当只有1个可变荷载时，取为1.0。

对于正常使用极限状态，采用荷载的标准组合进行设计，并使变形等设计不超过相应的规定限值。设计式为：

[]υυϕυυ≤++∑=n

i QiK ci K Q GK 21 （6）

式中 GK υ——永久荷载的标准值在结构或结构构件中产生的变形值；

K Q 1υ——起控制作用的第一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 υ——其他第i 个可变荷载标准值在结构或结构构件中产生的变形值；

[]υ——结构或结构构件的容许变形值。

三、钢结构的材料

1．对钢结构用钢的基本要求

（1）较高的抗拉强度u f 和屈服点y f ；

（2）较高的塑性和韧性 ；

（3）良好的工艺性能；

（4）根据具体工作条件，有时还要求钢材具有适应低温、高温和腐蚀性环境的能力。

2．钢材的主要性能

（1）强度性能

比例极限：OP 段为直线，表示钢材具有完全弹性性质，P 点应力p f 称为比例极限。 屈服点：随着荷载的增加，曲线出现ES 段，S 点的应力y f 称为屈服点。

抗拉强度或极限强度：超过屈服台阶，材料出现应变硬化，曲线上升，直至曲线最高处的B 点，这点的应力u f 称为抗拉强度或极限强度。

当以屈服点的应力y f 作为强度限值时，抗拉强度u f 成为材料的强度储备。

（2）塑性性能

伸长率：试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百分数，称为伸长率。伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性应变的能力。

（3） 冷弯性能

冷弯性能由冷弯试验确定。试验时使试件弯成l80°，如试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标。

（4） 冲击韧性

韧性是钢材强度和塑性的综合指标。

由于低温对钢材的脆性破坏有显著影响，在寒冷地区建造的结构不但要求钢材具有常温（20℃）冲击韧性指标，还要求具有负温（0℃、-20℃或-40℃）冲击韧性指标，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。

3．各种因素对钢材主要性能的影响

（1）化学成分

碳直接影响钢材的强度、塑性、韧性和可焊性等。碳含量增加，钢的强度提高，

而塑性、