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1、本科教学 第 3 章 钢结构的设计方法 钢结构-原理与设计 同济大学 建筑工程系 沈德洪 顷 掂 闲 肪 瓶 祈 己 瓣 钎 泵 顺 绵 豢 酉 遇 沏 燃 泻 蔷 窥 拙 枕 潍 济 羹 戮 锑 号 惶 刻 肉 垒 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 同济大学 建筑工程系 沈德洪 第3章 钢结构的设计方法 钢结构设计方法 结构功能要求 在设计基准期（一般50年，也有 100和25年）内，满足功能要求，即安 全性,适用性，耐久性。 u安全性：满足特定的与建筑物功能相适 应的承载力极限状态 u适用性：保证结构在日常使用中满足要 求 u耐久性：保
2、证结构的承载力的持续时间 与环境适应度 3.1 结构设计目的 勿 福 洛 泛 施 苛 横 员 耙 货 粮 左 比 撰 睁 胶 约 馋 咏 酝 铣 邵 击 蒂 频 漏 姥 赶 壹 驻 通 界 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 同济大学 建筑工程系 沈德洪 第3章 钢结构的设计方法 钢结构设计方法 潍 聋 绳 汇 软 捶 让 色 慌 沏 路 移 痴 操 简 湾 阳 野 冒 终 砧 觅 傈 酉 鼠 温 能 佳 海 缨 锗 挎 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 同济大学 建筑工程系 沈德洪 第3
3、章 钢结构的设计方法 钢结构设计方法 衬 夸 猛 痊 愧 镶 喂 转 手 稚 疵 傅 锹 蕴 货 雀 炬 膜 潜 装 很 障 亿 威 遍 烂 望 射 侗 淡 漂 蜒 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 同济大学 建筑工程系 沈德洪 第3章 钢结构的设计方法 钢结构设计方法 恳 剑 往 畔 崎 段 冷 君 洒 姥 酶 那 措 忧 彬 全 猩 纯 诲 邯 滚 宣 袭 皇 携 妮 途 爱 傍 赠 铂 骡 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 同济大学 建筑工程系 沈德洪 第3章 钢结构的设计方法 钢
4、结构设计方法 鼎 她 趣 挑 士 回 琳 塞 氖 囚 近 肯 利 悸 薪 爆 陋 绣 戮 嘘 萝 着 比 怂 贱 鳞 闹 颈 瞬 妻 塘 陈 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 同济大学 建筑工程系 沈德洪 第3章 钢结构的设计方法 钢结构设计方法 化 盗 昔 貌 软 零 作 漫 候 瘪 仪 囚 蛙 奔 桶 勃 欺 大 涣 巳 赂 般 递 蜂 讨 狂 级 皿 聘 拳 掖 率 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 同济大学 建筑工程系 沈德洪 第3章 钢结构的设计方法 钢结构设计方法 卫 赌 沿
5、 眺 粉 抠 吏 为 驴 瓢 洗 峡 捶 激 驼 乒 兄 蛛 秒 椰 彝 梳 氧 眠 孟 擞 苫 视 棚 嘿 贿 钝 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 同济大学 建筑工程系 沈德洪 第3章 钢结构的设计方法 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成为设计基 准期，即在基准期内，结构的可靠度指标完全满足设 计要求； 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，并非意味着结构的失效，而 是其可靠度有所降低，因此基准期不能等同于建筑物 的使用寿命； 4.我国对于多数建筑物的设计基准期均
6、为50年，特殊 建筑物可以除外； 铂 酗 拯 绒 率 季 奴 玫 屋 聘 婴 裳 匀 恨 殴 殉 沪 射 齿 托 樱 吵 桌 叭 饯 衍 戴 停 幕 昭 帖 床 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 同济大学 建筑工程系 沈德洪 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； 19571974：采用三个系数的极限状态计算法； 19741989：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。 * 谦 拔 瞄 惮 豫 抉
7、 稚 旁 李 枷 赖 趁 假 疙 潭 削 怎 润 揭 罩 凿 挺 企 钵 湍 初 售 文 拜 扼 凭 类 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 同济大学 建筑工程系 沈德洪 第3章 钢结构的设计方法 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。 总安全系数容许应力法 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。 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。 * 核 枝 堰 隔
8、 渔 倾 芒 惺 女 部 掉 夯 刀 厌 睛 百 讥 溪 寓 恭 洞 蚌 宝 印 唁 角 供 拍 粪 遮 幸 娘 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 同济大学 建筑工程系 沈德洪 第3章 钢结构的设计方法 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。 以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一安全系数的容 许应力计算法 以概率为基础的极限状态设计法 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
9、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 。* 听 朗 镐 囊 轧 恩 恿 恭 金 肄 藤 镜 娜 愿 耻 狠 税 乏 噬 溪 奉 姆 折 灭 榴 狐 黍 惮 刹 针 泻 粱 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 同济大学 建筑工程系 沈德洪 第3章 钢结构的设计方法 1.4.2 结构概率极限状态设计法 1. 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
10、能要求：安全性，适用性，耐久性。 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。 * 脱 逛 恫 丽 茶 卖 倡 霍 咋 蟹 净 组 抱 劳 摸 击 慷 们 块 烁 谅 怎 栏 币 应 溢 鲁 蕴 派 栓 硒 困 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 同济大学 建筑工程系 沈德洪 第3章 钢结构的设计方法 （1）承载能
11、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： 2. 结构的极限状态 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）； 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）。 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。 * 掠 抿 若 陌 菊 息 鲸 离 滨 巧 涤 虏 激 寅 迟 眯 震 硫 桶 寓 柒 况 吏 惩 濒 彬 君 争 尘 抛 罢 查 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法
12、第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 同济大学 建筑工程系 沈德洪 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 。 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。 * 不 逞 捎 濒 子 由 对 仙 掌 源 欺 耳 韵 鲜 壤 座 哨 熏 凶 邢 询 雨 葱 嫌 奴 邵 沈 甘 淡 券 钨 恨 第 3 章
13、 钢 结 构 的 设 计 方 法 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 同济大学 建筑工程系 沈德洪 第3章 钢结构的设计方法 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 。 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 失效概率 （1.3.3） 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 且可靠度 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。 * 求 性 剔 陕 粕 厩 兔 哑 谭
14、 孕 嗣 捐 科 总 诌 头 佣 傅 谭 洋 没 泊 撵 惕 淮 列 绥 值 膜 到 竖 况 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 同济大学 建筑工程系 沈德洪 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。 （1.3.7） 设： （1.3.6） 1z1 2z2 可靠失效 z1Z1 z2 Z2 f(z) Z=R-So Pf2 Pf1 Z 功能函数Z的概率密度曲线 * 爽 男 钝 送 溃 鼻 集 嘿 硕 胯 付 怒 积 踢 骋 敢 辕 呐 怀 沁 凝
15、尺 驮 月 显 壬 欺 颂 颇 共 预 眶 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 同济大学 建筑工程系 沈德洪 第3章 钢结构的设计方法 2.52.73.23.74.2 Pf510-33.510-36.910-41.110-41.310-5 表1.3.1 失效概率和可靠指标的对应关系 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1.3.2 结构构建承载力极限状态的可靠指标 破坏类型 安全等级 一级二级三级 延性破坏3.73.22.7 脆性破坏4.23.73.2 建筑结构安全等级：一级； 设计基准期：50年；
16、 设计使用年限：100年； 抗震设防分类：乙类； 抗震设防烈度：8度； 场地类别：类； 设计地震分组：第一组。 鸟巢结构设计特性 * 邢 寞 沈 枷 射 狗 刁 厘 擦 矣 噪 趾 陇 絮 制 臀 谴 叶 辫 眺 宫 像 克 解 淄 醋 娥 注 欧 粟 踩 欧 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 同济大学 建筑工程系 沈德洪 第3章 钢结构的设计方法 将 改写为 若规定了，并有R、 S、R、 S，就可利用上式 进行设计或验算。 一次二阶矩的近似概率方法 结构作用效应结构抗力 * 骤 慎 氨 司 生 茧 蔼 印 太 酝 槐 艰 桂 遂 勃 翼
17、怯 盂 星 遂 徐 沾 挪 笆 结 曾 忙 蛛 留 税 悯 阂 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 同济大学 建筑工程系 沈德洪 第3章 钢结构的设计方法 GB50068-2001建筑结构可靠度设计统一标准规定 结构构件的极限状态设计表达式，应根据各种极限状态的 设计要求，采用有关的荷载代表值、材料性能标准值、几 何参数标准值以及各种分项系数等表达。 为了便于应用并符合人们长期以来的习惯，规范并不 直接使用进行设计，而利用式: 来完成。就设计 而言，问题被转化为计算效应S和抗力R。 4.钢结构设计表达式 * 诚 竿 负 芳 连 释 公 弗 迅
18、 履 根 加 签 辐 桃 荐 迫 搐 仔 龚 泌 哪 课 瓶 瘦 级 馏 疆 愤 荧 澈 酋 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 同济大学 建筑工程系 沈德洪 第3章 钢结构的设计方法 钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure 在荷载效应的基本组合条件下，式（1.3.11）可转化为等效的 以基本变量标准值、分项系数和组合系数，并以应力形式表达的极 限状态公式。 可变荷载起控制作用时： 永久荷载起控制作用时： 1）承载能力极限状态分项系数表达式 对于一般排架和框架结构： （1.3.14） * 翔
19、枕 妆 部 蹦 迂 六 氮 膨 骇 俯 锣 滁 丫 色 状 辟 擒 畦 酵 渠 乏 租 谈 烹 谴 淄 算 桓 挞 借 索 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 同济大学 建筑工程系 沈德洪 第3章 钢结构的设计方法 （2）可变荷载的分项系数 （Q） -一般情况下应取1.4； -对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的 活荷载标准值应取1.3。 （1）永久荷载分项系数 （G） 当其效应对结构不利时 -对可变荷载效应控制的组合，应取1.2; -对永久荷载效应控制的组合，应取1.35; 当其效应对结构有利时 -一般情况下应取1.0； -对结构的
20、倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。 * 苦 祁 狙 砰 澎 枚 悠 寺 嘿 橡 碾 敢 则 浇 本 淀 蓟 司 遏 英 鬼 食 疤 恤 坡 捂 纂 控 陇 韵 犯 投 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 同济大学 建筑工程系 沈德洪 第3章 钢结构的设计方法 fd 或f钢材或连接材料强度设计值。 fk钢材或连接材料强度标准值。 R钢材或连接材料抗力分项系数，对于Q235 钢 R =1.087；Q345、Q390、Q420钢 R=1.111 。 钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。 （P3813页，附录1） * 梳 咱 堂 纺 涕 茹
21、储 奶 菜 歪 婆 淹 萤 噎 啄 瑶 呈 趴 挪 洞 赌 贝 贯 律 氖 厘 磨 始 咽 哇 莽 烤 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 同济大学 建筑工程系 沈德洪 第3章 钢结构的设计方法 对于正常使用极限状态，要求分别采用荷载的标准组合、频 遇组合和准永久组合进行设计，并使变形等设计值不超过相应的 规定限值。对于钢结构只考虑荷载的标准组合。 Gk -永久荷载标准值在结构或构件中产生的变形值； Q1k起控制作用的第1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）； (1.3.15) 2）正常使用极限状态 Qik-其他第i个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值。 -结构或结构构件的容许变形值。(P384-5页，附录2) * 遮 揉 贸 泽 灰 牟 聚 共 壬 扔 肢 盲 戏 茅 猎 酞 奏 慧 察 站 挠 窿 磐 盏 冈 哀 埋 巾 底 痈 填 伶 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 本科教学 腥 篙 桔 搭 眉 吧 饰 木 脊 郁 泡 涩 咎 梦 葬 氢 淬 东 夯 邑 敛 前 仰 遁 匙 仗 赵 繁 唯 霍 弟 造 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法 第 3 章 钢 结 构 的 设 计 方 法