钢结构课件全套.ppt
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1、1.1.了解钢结构的特点了解钢结构的特点和应用。和应用。2.2.掌握钢结构的设计掌握钢结构的设计方法和设计要求。方法和设计要求。3.3.了解钢结构的发展了解钢结构的发展概况。概况。1.1 1.1 钢结构的特点钢结构的特点1.2 1.2 钢结构的设计方法钢结构的设计方法1.3 1.3 钢结构的设计规范钢结构的设计规范1.4 1.4 钢结构的应用和发展钢结构的应用和发展1.5 1.5 本课程的主要内容和特点本课程的主要内容和特点本章目录本章目录基本要求基本要求第第1.11.1节节 钢结构的特点钢结构的特点1. 1. 钢结构的定义钢结构的定义2. 2. 钢结构的特点钢结构的特点了解钢结构的定义和特点
2、了解钢结构的定义和特点 本节目录本节目录基本要求基本要求1.1.1 1.1.1 钢结构的定义钢结构的定义定义:定义:由钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢等钢由钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢等钢材为主建造的工程结构,称为材为主建造的工程结构,称为钢结构钢结构。如高层建筑、大。如高层建筑、大跨桥梁、高耸的塔等。跨桥梁、高耸的塔等。 钢结构是土木工程的主要结构形式之一。钢结构与钢结构是土木工程的主要结构形式之一。钢结构与混凝土结构、砌体结构等都属于按材料划分的工程结构混凝土结构、砌体结构等都属于按材料划分的工程结构的不同分支。的不同分支。 1.1.2 1.1.2 钢结构的特点钢结构的特点1
3、1、强度高,结构重量轻、强度高,结构重量轻 由于钢材强度高,结构需要的构件截面小,结构自由于钢材强度高,结构需要的构件截面小,结构自重轻。重轻。a=a=容重容重/ /强度,强度,a a越小,结构相对越轻。越小,结构相对越轻。 钢材:钢材:a=1.7a=1.73.73.71010-4-4/m/m 木材:木材:a=5.4a=5.41010-4-4/m/m 钢砼:钢砼:a= 18a= 181010-4-4/m /m 1.1.2 1.1.2 钢结构的特点钢结构的特点2 2、材质均匀,塑性和韧性好、材质均匀,塑性和韧性好主要表现在:主要表现在: (1 1)钢材在使用阶段接近理想弹塑性体,这使得理)钢材在
4、使用阶段接近理想弹塑性体,这使得理论计算与实际情况相吻合。论计算与实际情况相吻合。 (2 2)钢材具有良好的塑性和韧性,不会因偶然的超)钢材具有良好的塑性和韧性,不会因偶然的超载而破坏,对动力荷载适应性强。钢结构的抗震性能优载而破坏,对动力荷载适应性强。钢结构的抗震性能优于其它结构。于其它结构。1.1.2 1.1.2 钢结构的特点钢结构的特点3 3、便于工业化生产,施工周期短、便于工业化生产,施工周期短 钢结构构件一般可以在专业化工厂由专门机具钢结构构件一般可以在专业化工厂由专门机具加工,生产效率高,且不受气候影响。加工,生产效率高,且不受气候影响。1.1.2 1.1.2 钢结构的特点钢结构的
5、特点4 4、密闭性好,不渗漏、密闭性好,不渗漏 钢材本身组织致密,因而具有良好的气密性和水钢材本身组织致密,因而具有良好的气密性和水密性。密性。5 5、良好的加工性能和焊接性能、良好的加工性能和焊接性能6 6、可重复使用性、可重复使用性1.1.2 1.1.2 钢结构的特点钢结构的特点7 7、耐热性较好,耐火性差、耐热性较好,耐火性差 钢材在表面温度不超过钢材在表面温度不超过200200时时, ,其性能变化很其性能变化很小小, ,因而适合于热车间。温度超过因而适合于热车间。温度超过200200以后,强度和弹以后,强度和弹性模量显著下降。达性模量显著下降。达600 600 时时, ,钢材进入塑性状
6、态已不钢材进入塑性状态已不能承载。能承载。1.1.2 1.1.2 钢结构的特点钢结构的特点 新建钢结构,一般都需要采用油漆、喷铝、镀锌新建钢结构,一般都需要采用油漆、喷铝、镀锌等进行防锈涂装,在涂装前需认真除锈,以后定期涂等进行防锈涂装,在涂装前需认真除锈,以后定期涂装,所以维修费用较高,这是钢结构的主要缺点。装,所以维修费用较高,这是钢结构的主要缺点。8 8、耐腐蚀性差、耐腐蚀性差1.1.2 1.1.2 钢结构的特点钢结构的特点 在动荷载作用下,钢结构容易因震动而产生噪在动荷载作用下,钢结构容易因震动而产生噪声,在对环境有要求的场所需采用必要的消声措施。声,在对环境有要求的场所需采用必要的消
7、声措施。9 9、低温冷脆倾向、低温冷脆倾向1010、容易发生噪声、容易发生噪声第第1.21.2节节 钢结构的设计方法钢结构的设计方法1. 1. 概述概述2. 2. 概率极限状态设计法概率极限状态设计法3. 3. 规范设计表达式规范设计表达式1.1.了解钢结构的设计准则和设计方法了解钢结构的设计准则和设计方法本节目录本节目录基本要求基本要求2.2.掌握现行规范设计方法和设计表达式掌握现行规范设计方法和设计表达式 1.2.1 1.2.1 概述概述1 1、设计目的、设计目的 结构设计的目的是要使设计的结构和结构构件在施结构设计的目的是要使设计的结构和结构构件在施工和工作过程中均能满足各种预定功能的要
8、求。工和工作过程中均能满足各种预定功能的要求。 建筑结构功能包括:建筑结构功能包括: (1 1)安全性)安全性 (2 2)适用性)适用性 (3 3)耐久性)耐久性2 2、设计准则设计准则 结构由各种荷载所产生的效应结构由各种荷载所产生的效应( (内力和变形内力和变形) )不大于不大于结构结构( (包括连接包括连接) )由材料性能和几何因素等所决定的抗力由材料性能和几何因素等所决定的抗力或规定限值。或规定限值。3 3、设计设计方法方法 (1 1)容许应力方法)容许应力方法 (1-1)kfk式中式中 由标准荷载与构件截面公称尺寸所由标准荷载与构件截面公称尺寸所 计算的应力;计算的应力; f fk
9、k构件截面几何特征;构件截面几何特征; K K大于大于1 1的安全系数;的安全系数; 钢材的容许应力。钢材的容许应力。 (2 2)概率极限状态设计方法)概率极限状态设计方法 根据应用概率分析程度的不同,可分为三种水准:根据应用概率分析程度的不同,可分为三种水准: 半概率极限状态设计方法半概率极限状态设计方法; ; 近似概率极限状态设计方法近似概率极限状态设计方法; ; 全概率设计方法。全概率设计方法。3 3、设计设计方法方法1.2.2 1.2.2 概率极限状态设计方法概率极限状态设计方法1 1、半经验半概率极限状态设计法、半经验半概率极限状态设计法 123-(1 2)ykykffK K KK式
10、中式中 K K1 1 荷载系数;荷载系数; K K2 2 材料系数材料系数; ; K K3 3 调整系数;调整系数; f fykyk 钢材的屈服强度标准值;钢材的屈服强度标准值; 钢材容许应力。钢材容许应力。2 2、近似概率极限状态设计法、近似概率极限状态设计法 极限状态:极限状态:当结构或其组成部分超过某一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,特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求时,此特定状态称为该功能的极限状态。此特定状态称为该功能的极限状态。现行钢结构设计规范(现行钢结构设计规范(GB50017GB5001720032003)采用该法。)采用该法。(1
11、)(1)极限状态的概念极限状态的概念(2) (2) 极限状态分为两类极限状态分为两类b.b.正常使用正常使用极限状态极限状态: : 包括:包括:影响正常使用或外观的变形、影响正常影响正常使用或外观的变形、影响正常使用的振动、影响正常使用的或耐久性的局部破使用的振动、影响正常使用的或耐久性的局部破坏等状态。坏等状态。a.a.承载能力承载能力极限状态极限状态: : 包括:包括:强度破坏、疲劳破坏、不适于继续承载强度破坏、疲劳破坏、不适于继续承载的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。的变形、失稳、倾覆、变为机动体系等状态。 结构的工作性能可用结构的结构的工作性能可用结构的“功能函数功能函数”来描述
12、,来描述,一般情况:一般情况: Z Zg g(x x1 1,x x2 2,x xn n) (1-1-3 3)(3) (3) 功能函数和极限状态方程功能函数和极限状态方程式中式中 g g() 结构的功能函数;结构的功能函数; x xi i(i(i1,2,n) 1,2,n) 影响结构可靠性的影响结构可靠性的各物理量。各物理量。 为简化,将各因素概括为两个综合随机变量为简化,将各因素概括为两个综合随机变量结构结构抗力抗力R R和和作用效应作用效应S S,则式(,则式(1-31-3)可写成:)可写成: Z Zg g(R R,S S)R RS S (1-41-4) 在实际工程结构中,可能出现下列三种情况
13、:在实际工程结构中,可能出现下列三种情况: Z Z0 0 表示结构处于表示结构处于可靠可靠状态状态 Z Z0 0 表示结构处于表示结构处于极限极限状态状态 Z Z0 0 表示结构处于表示结构处于失效失效状态状态 判断结构是否可靠,要看结构是否达到极限状态,判断结构是否可靠,要看结构是否达到极限状态,为此,通常将下式:为此,通常将下式: Z Zg g(R R,S S)R RS S=0=0 (1-5)(1-5)称为极限状态方程。称为极限状态方程。(4) (4) 结构可靠度和失效概率结构可靠度和失效概率 可靠度可靠度是指结构在规定的时间内、规定的条件下,是指结构在规定的时间内、规定的条件下,完成预定
14、功能的概率。完成预定功能的概率。 结构能完成预定功能的概率结构能完成预定功能的概率( (可靠度可靠度) )用用P Ps s表示,则:表示,则: 结构不能完成预定功能的概率结构不能完成预定功能的概率( (失效概率失效概率) )用用P Pf f表示,表示,则:则: 由于事件由于事件Z0Z0与事件与事件ZZ0 0是对立事件,所以是对立事件,所以结构的可靠度与结构的失效概率满足结构的可靠度与结构的失效概率满足: : P Ps sP PZ0Z0 (1-61-6) P Pf fP PZ0Z0 (1-71-7) P Ps sP Pf f1 1 或或 P Ps s1- 1- P Pf f (1-81-8) 已
15、知已知Z Z的概率密度曲线的概率密度曲线 f fz z(z) (z) 如图如图1.2.11.2.1,则失效,则失效概率可用积分求得:概率可用积分求得:fz z(z)(z)Pf fz z图图1.2.1 1.2.1 Z的概率密度曲线的概率密度曲线Z=R-S Z0(0)( )(1 9)fPP Zf Z dZ(5) (5) 可靠指标可靠指标 因因Z Z的分布很难得到,因此式(的分布很难得到,因此式(1-91-9)实际上很难求)实际上很难求出,这使概率设计法一直不能付诸实用。出,这使概率设计法一直不能付诸实用。 20 20世纪世纪6060年代末期,美国学者康奈尔提出系统的一年代末期,美国学者康奈尔提出系
16、统的一次二阶矩设计方法,才使得概率设计法进入实用阶段。次二阶矩设计方法,才使得概率设计法进入实用阶段。 一次二阶矩法不直接计算一次二阶矩法不直接计算P Pf f ,通过可靠指标,通过可靠指标度量。度量。可靠指标可靠指标22RSZZRS(1-101-10)Z Z服从标准正态分布时,服从标准正态分布时,与与Pf的关系为:的关系为:式中式中: : () ()标准正态函数;标准正态函数; -1-1()()标准正态函数的反函数。标准正态函数的反函数。1ff(1)(111)()(112)PP 从图从图1.2.11.2.1中可以看出中可以看出与失效概率与失效概率P Pf f 间存在着一间存在着一一对应关系,
17、即一对应关系,即: : 1 1)减小时,阴影部分的面积增大,减小时,阴影部分的面积增大, 即失效概率即失效概率P Pf f增大;增大;说明说明可以作为衡量结构可靠度的一个数量指标。可以作为衡量结构可靠度的一个数量指标。 2 2)增大时,阴影部分的面积减少,增大时,阴影部分的面积减少, 亦即失效概率亦即失效概率P Pf f 减小。减小。2.52.73.23.74.2Pf510-33.510-36.910-41.110-41.310-5正态分布时可靠指标和失效概率的对应关系正态分布时可靠指标和失效概率的对应关系 计算避开了计算避开了Z Z的全分布的推求,而只需要分布特的全分布的推求,而只需要分布特
18、征值,即一阶原点矩和二阶中心矩,故此得名。征值,即一阶原点矩和二阶中心矩,故此得名。 3 3、全概率极限状态设计法、全概率极限状态设计法 对结构的各种基本变量均采用随机变量或随机过对结构的各种基本变量均采用随机变量或随机过程来描述,对结构进行精确的概率分析,求得结构最程来描述,对结构进行精确的概率分析,求得结构最优失效概率作为结构可靠度的直接度量。优失效概率作为结构可靠度的直接度量。1.2.3 1.2.3 规范设计表达式规范设计表达式 为了便于应用并符合人们长期以来的习惯,规范并为了便于应用并符合人们长期以来的习惯,规范并不直接使用不直接使用进行设计,而是采用以概率理论为基础的进行设计,而是采
19、用以概率理论为基础的极限状态设计方法极限状态设计方法( (疲劳问题除外疲劳问题除外) ),用分项系数的表达,用分项系数的表达式进行计算;式进行计算; 结构的可靠度用可靠度指标来度量,并以分项系数结构的可靠度用可靠度指标来度量,并以分项系数的形式考虑。的形式考虑。 我国规范分别按承载能力和正常使用极限状态设计我国规范分别按承载能力和正常使用极限状态设计给出表达式。给出表达式。1 1、承载能力极限状态分项系数表达式、承载能力极限状态分项系数表达式1012()1 13nGkQ kQikGQciiQif ()1()(1 14)nGkQikoGQiciif 可变荷载效应起控制作用时:可变荷载效应起控制作
20、用时:永久荷载效应起控制作用时:永久荷载效应起控制作用时: 对于一般排架和框架结构:对于一般排架和框架结构:01(1 15)()nGGkQiQikif (1 1)永久荷载分项系数)永久荷载分项系数g gG G当其效应对结构不利时当其效应对结构不利时 对可变荷载效应控制的组合,应取对可变荷载效应控制的组合,应取1.21.2 对永久荷载效应控制的组合,应取对永久荷载效应控制的组合,应取1.351.35当其效应对结构有利时当其效应对结构有利时 一般情况下应取一般情况下应取1.01.0 对结构的倾覆、滑移或漂浮验算,应取对结构的倾覆、滑移或漂浮验算,应取0.90.9。(2 2)可变荷载的分项系数)可变
21、荷载的分项系数g gQ Q 一般情况下应取一般情况下应取1.41.4; 对标准值大于对标准值大于4kN/m4kN/m2 2的工业房屋楼面结构的活的工业房屋楼面结构的活荷载,标准值应取荷载,标准值应取1.31.3。f f 钢材或连接材料强度设计值钢材或连接材料强度设计值; ;f fk k 钢材或连接材料强度标准值钢材或连接材料强度标准值; ; R R钢材或连接材料抗力分项系数,钢材或连接材料抗力分项系数, 对于对于Q235Q235钢钢, , R R =1.087; =1.087; 对于对于Q345Q345、Q390Q390、Q420Q420钢钢, , R R=1.111=1.111。钢结构规范给
22、出了各类钢材和连接的强度设计值。钢结构规范给出了各类钢材和连接的强度设计值。(116)kRfRfA其中:其中:式中:式中:2 2、正常使用极限状态、正常使用极限状态 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。限值。对于钢结构只考虑荷载的标准组合。 12 (1-17 ) nGkQ kciQiKi 式中:式中:GkGk 永久荷载标准值在结构或构件中产生的变形值;永久荷载标准值在结构
23、或构件中产生的变形值;Q1kQ1k起控制作用的第起控制作用的第1 1个可变荷载的标准值在结构或结构构件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);中产生的变形值(该值使计算结果为最大);Qik Qik 其他第其他第i i个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值;个可变荷载标准值在结构或构件中产生的变形值; 结构或结构构件的变形容许值。结构或结构构件的变形容许值。第第1.31.3节节 钢结构的设计规范钢结构的设计规范1. 1. 概述概述2. 2. 主要设计规范主要设计规范1.1.了解与钢结构有关的主要设计规范了解与钢结构有关的主要设计规范本节目录本节目录基本要求基
24、本要求1.3.1 1.3.1 概述概述1 1、什么是设计规范、什么是设计规范 设计规范是国家颁布的关于设计计算和构造要求的设计规范是国家颁布的关于设计计算和构造要求的技术规定和标准,是带有一定约束性和立法性的文件。技术规定和标准,是带有一定约束性和立法性的文件。2 2、颁布设计规范的目的、颁布设计规范的目的 (1 1)贯彻国家技术经济政策、保证设计的质量,达)贯彻国家技术经济政策、保证设计的质量,达到方法上必要的统一化和标准化。到方法上必要的统一化和标准化。 (2 2)设计、校核、审批工程结构的依据。)设计、校核、审批工程结构的依据。1.3.2 1.3.2 主要设计规范主要设计规范与钢结构设计
25、有关的一些规范:与钢结构设计有关的一些规范: GB50017GB500172003 2003 钢结构设计规范钢结构设计规范 TB10002.2-2005 TB10002.2-2005 铁路桥梁钢结构设计规范铁路桥梁钢结构设计规范 GB50009-2001 GB50009-2001 建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范 GB50018-2002 GB50018-2002 冷弯薄壁型钢结构技术规范冷弯薄壁型钢结构技术规范 GB50205-2001 GB50205-2001 钢结构工程施工质量验收规范钢结构工程施工质量验收规范 JTJ025-86 JTJ025-86 公路桥涵钢结构及木结构设计规范公路桥
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