第三章 钢结构的破坏形式及计算方法

剧。当荷载反复循环达一定次数n（疲劳寿命）时，裂纹扩展
使得净截面承载力不足以承受外力作用时，构件突然断裂， 发生疲劳破坏。 疲劳破坏一般经历裂纹形成、裂纹缓慢扩展 和最后迅速断裂三个阶段。
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第 三 章
二、疲劳计算 反复荷载作用产生的应力重复一周叫做一个循环。
失稳，又称屈曲。
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第三章 钢结构的破坏形式及计算方法
第一节 钢结构的可能破坏形 式
三、板件局部失稳破坏
某些情况下，组成构件结构的板件的局部丧失稳定 会先于整体失稳出现。局部失稳的发生可能最终促成或 导致结构或构件的整体失稳，造成破坏。
Pf =P (z<0) Ps=P(z≥0)=1- Pf
设计使用年限分类
类别 1 2 3
4
设计使用年限 5 25 50
100
示例 临时性结构 易于替换的结构构件 普通房屋和构筑物
纪念性建筑和特别重要的结构
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第 三 章
三．设计表达式：
R
0
RK
0 R
GSGK
QSQK
RK
R
SSK
《钢结构设计规范(GB50017)》设计方法
R 0S
对于承载能力极限状态 采用应力表达式
n
0 ( GGK Q1 Q1K ci QiQiK ) f i2
正常使用极限状态
n
W WGK WQ1K W ci QiK [W ] i2
➢ 在完全压应力（不出现拉应力）循环中，由于压应力不会 使裂纹继续扩展，故规范规定此种情况可不进行疲劳计算。
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第三章 钢结构的破坏形式及计算方法
第一节 钢结构的可能破坏形 式
二、整体失稳破坏
钢材与其他建筑材料相比，强度要高的多。在相同 的结构体系和荷载情况下，钢结构构件截面较小。结构 或构件受压时的稳定问题在钢结构设计中就非常突出， 一旦结构或构件局部有受压的可能，设计时就应当考虑 稳定因素，设法防止结构或构件的整体失稳。
第三章 钢结构的破坏形式及计算方法
第一节 钢结构的可能破坏形 式
一、强度破坏及塑形重分布
建筑钢材的塑性性能在一定条件下可以加以利用。 简支钢梁可以容忍塑性在最大弯矩截面上有一定的发 展，连续梁以及钢框架结构按塑性方法设计时允许结构 中出现塑性绞及内力重分布等。 需要建立在充分的工程经验和科学的计算方法基础 之上。
荷载效应S （荷载作用引起的结构或构件的内力、变形等）
结构抗力R （结构或构件承受荷载效应的能力，如承载力、刚度等）
Z = R- S Z——结构完成预定功能状态的函数。 Z >0结构处于可靠状态； Z <0 结构处于失效状态； Z＝0结构处于临界状态，一旦超过这一状态，结构将不再能满足设计要
求，因此它也称为极限状态。
2、结构的功能函数
Z RS
0 结构处于安全状态
0 结构达到临界状态，即极限状态
0 结构处于失效状态
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二．概率极限状态设计法 3、结构可靠度Ps与失效概率Pf
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(Ps )
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 限值的极限状态。
结构包括出现影响正常使 用或外观的变形、振动和 局部破坏。
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二．概率极限状态设计法 1、结构设计经历的阶段
1）、直接经验阶段 2）、安全系数阶段 3）、基于现代概率统计学理论的概率方法阶段
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二、疲劳计算
疲劳计算的公式是以试验为依据的，分为常幅和变幅疲劳两种情况进
行计算。
1. 常幅疲劳计算
Δσ≤[Δσ]
[ ] ( C )1/
n
C、β—参数，根据表2-2中的构件和连接类别按表2-3采用。 Δσ—-对焊接部位σ =σmax-σmin；对非焊接部位
在某些特定条件下，局部失稳并不是构件承载能力 的极限，则可以容忍其发生，甚至有目的地对屈曲后强 度加以利用。
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第三章 钢结构的破坏形式及计算方法
第一节 钢结构的可能破坏形 式
四、疲劳破坏及损失累积 钢材在重复或交变荷载作用下，裂纹不断发展最终达到
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第四节 钢材的疲劳
一、钢材疲劳的基本概念
钢材在反复荷载作用下，在应力低于钢材抗拉强度甚至 低于屈服点时突然断裂，称为钢材的疲劳或疲劳破坏。
钢结构中总存在有微观裂纹或类似的缺陷，导致应力集 中。在反复荷载作用下，微观裂纹不断开展，应力集中加
其临界状态而产生的脆性断裂。 钢结构中总存在有微观裂纹或类似的缺陷，导致应力集
中。在反复荷载作用下，微观裂纹不断开展，应力集中加
剧。当荷载反复循环达一定次数n（疲劳寿命）时，裂纹扩展
使得净截面承载力不足以承受外力作用时，构件突然断裂， 发生疲劳破坏。 疲劳破坏一般经历裂纹形成、裂纹缓慢扩展 和最后迅速断裂三个阶段。
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第二节 钢结构的设计方法
一．极限状态
结构计算的目的
1
结构在正常施工和 正常使用条件下， 承受可能出现的各 种作用的能力，以 及在偶然事件发生 时和发生后，仍保 持必要的整体稳定 性的能力。
安全性
2
结构在正常使用条 件下，满足预定使 用要求的能力。
在设计、施工和使用钢结构时，要特别注意防止出现 脆性破坏。
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第三章 钢结构的破坏形式及计算方法
第一节 钢结构的可能破坏形 式
六、刚度不足 结构或结构构件由于刚度设计不恰当可能造成受荷后
变形过大，在动力荷载作用下出现振动并削弱结构或构件 的稳定性能。但不一定必然导致结构破坏而“不能使用”， 其直接影响主要是与结构适用性有关的“不好使用”问题。
适用性
3
结构在正常维护条 件下，随时间变化 而仍能满足预定功 能要求的e
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第二节 钢结构的设计方法
一．极限状态
承载能力 极限状态
结构或构件达到最
大承载力，或出现 不适于继续承载的 变形的极限状态。
结构包括倾覆、疲劳、丧 失稳定、结构变为机动体 系或出现过度的塑性变形
f 2106
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三、疲劳计算应注意问题
➢ 当n≥105时，应进行疲劳计算。
➢ 疲劳计算采用的是容许应力幅法，计算公式是以实验为依 据的，实验中已包含了动力的影响，故荷载应采用标准值 且不乘动力系数，应力幅按弹性工作计算。
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第二节 钢结构的设计方法
一．极限状态 结构的安全性、适用性、耐久性总称为结构的可靠性。结构设计（计算）
的目的是在满足各种预定功能的前提下，做到技术先进、安全适用、经济合 理和确保质量。要实现这一目的，必须借助于合理的设计方法。
影响结构 可靠性的因素
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第三章 钢结构的破坏形式及计算方法
第一节 钢结构的可能破坏形 式
五、脆性断裂破坏 钢材虽然有较高的塑性和韧性，但在一定的条件下，
仍然有脆性破坏的可能性。 构件脆性破坏前塑性变形很小，甚至没有塑性变形，
计算应力可能小于钢材的屈服强度，断裂从压力集中处开 始。
Δσ=σmax-σmin称为应力幅，表示应力变化的幅度。
试验表明，焊接结构发生疲劳破坏并不是名义最大应力
σmax作用的结果，而是焊缝部位足够大小的应力幅反复作用的
结果。非焊接结构的的疲劳寿命不仅与应力幅有关，还与 其 他因素有关。规范把疲劳计算公式中的应力幅调整为折算应力 幅，以反映其实际工作情况。
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第三章 钢结构的破坏形式及计算方法
第一节 钢结构的可能破坏形 式
一、强度破坏及塑形重分布
1.塑性破坏
钢材在产生很大的变形以后发生的断裂 破坏称为塑性破坏，也称为延性破坏。
2.脆性破坏
钢材在变形很小的情况下突然发生断裂 破坏。
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第 三 章
幅折算为等效应力幅Δσe，按下式进行疲劳计算：

e
ni i
1/


ni
吊车梁：根据实测结果，推算出设计基准期50年内各种吊车梁的应力
循环总次数n(等效于满荷载时n= 2106次)，相应的欠载效应的等效系数 f值如表2-3所示，重级工作制吊车梁的疲劳验算公式为
σ=σmax-0.7σmin。
由上式可见，容许应力幅与钢材的强度无关，这表明不同 钢材具有相同的抗疲劳性能。
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二、疲劳计算
疲劳计算的公式是以试验为依据的，分为常幅和变幅疲劳两种情况进 行计算。
2. 变幅疲劳计算
可近似地按照线性疲劳累积损伤原则，将随机变化的应力