钢结构设计方法.ppt
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1、教学目的、要求掌握钢结构设计方法,理解钢结构的疲劳和疲劳计算。教学内容(包括基本内容、重点、难点):1、钢结构概率极限状态设计法难点,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,2、钢结构的疲劳和疲劳计算,钢结构的设计方法,参考文献:1、中华人民共和国行业标准公路桥涵设计通用规范JTG D60-20042、中华人民共和国行业标准公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-20043、李扬海鲍卫刚公路桥梁结构可靠度与概率极限状态设计北京人民交通出版社199
2、74、叶见曙结构设计原理(第二版)北京人民交通出版社2004,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,一、概述1 设计原则与目的:结构或构件在满足功能要求的基础上安全可靠的工作。技术先进、经济合理、安全适用、确保质量。2 设计方法的发展过程工程结构的设计方法经历了经验定值设计法,半经验半概率
3、设计法和概率极限状态设计法三个阶段。目前国际上关于工程结构设计普遍采用概率极限状态设计法。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,二、概率极限状态设计法,概率极限状态设计法:以结构概率可靠度为基础,以确定荷载和确定结构抗力为形式的结构设计方法。这种设计方法既方便,又具有明确的概率可靠度意义。钢结构设计方法采用以概率理论为基础的极限状态设计法(疲劳计算除外),钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢结构的设计方
4、法,Design methed of Steel Structure,结构设计几个重要概念1结构的功能要求1)能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用(安全性)2)在偶然事件(地震、温度变化等)发生时或发生后,仍能保持必要的整体稳定性(安全性)。3)在正常使用时,具有良好的工作性能(适用性要求)4)在正常维护下,具有足够的耐久性(耐久性要求)结构的可靠性是结构的安全性、适用性、耐久性的统称。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,2结构的可靠性、可靠度、
5、可靠指标和失效概率a 可靠性(reliability):结构在规定的时间内,在规定的条件下完成预定功能的能力。规定时间:一般指结构设计基准期,一般结构的设计基准期为50年,桥梁工程的设计基准期为100年。设计基准期(design reference period):为了确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数。设计使用期与设计使用寿命的关系:当结构的设计使用年限超过设计基准期时,表明它的失效概率可能会增大,但并不等于结构丧失所要求的功能甚至报废。规定条件:指正常设计、正常施工、正常使用条件,不考虑人为或过失因素。,钢结构设计原理 Design Principles of Ste
6、el Structure,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,3结构上的作用、作用效应和结构构件抗力作用(action):施加在结构上的一种分布力或集中力,或引起结构外加变形或约束变形的原因。前者亦称为直接作用,俗称荷载(自重,车辆荷载、人群荷载等);后者亦称为间接作用(温度变化、基础沉降焊接、地震等)。永久作用(permanent action):在结构使用期间,其量值不随
7、时间而变化,或其变化值与平均值相比可以忽略不计的作用。(自重、土压力、预加应力等)亦称静载。可变作用(variable action):在结构使用期间,其量值随时间而变化,或其变化值与平均值相比不可忽略不计的作用。(车辆荷载、人群荷载、风荷载和雪荷载等),亦称活载。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,偶然作用(accidental action):在结构使用期出现的概率很小,一旦出现,其值很大且持续时间很短的作用。(地震、撞击力、爆炸力等)作用的代表值(r
8、epresentative value of an action):结构或结构构件设计时,针对不同设计目的所采用的各种作用规定值,它包括作用标准值、准永久值和频遇值。作用标准值(characteristic value of an action):结构或结构构件设计时,采用的各种作用的基本代表值,其值可根据作用在设计基准期内最大值概率分布的某一分位值确定。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,作用频遇值(frequent value of an action
9、):结构或构件按正常使用极限状态短期效应组合进行设计时,采用的另一种可变作用代表值。其值可根据在足够长期观测内作用任意时点概率分布的0.95分位值确定。作用准永久值(quasi-permanent value of an action):结构或构件按正常使用极限状态长期效应组合进行设计时,采用的一种可变作用代表值。其值可根据在足够长期观测内作用任意时点概率分布的0.5分位值确定。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,作用效应基本组合(fundamental
10、combination for action effects):承载能力极限状态设计时,永久作用设计值效应与可变作用设计值效应的组合。作用效应偶然组合(accidental combination for action effects):承载能力极限状态设计时,永久作用设计值效应与可变作用某种代表值效应、一种偶然作用标准值效应的组合。作用短期效应组合(combination for short-term action effects):正常使用极限状态设计时,永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应的组合。作用长期效应组合(combination for long-term action eff
11、ects):正常使用极限状态设计时,永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应的组合。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,作用效应S(effect of an action):结构对所受作用的反应,如弯矩、扭矩、剪力、应力、裂缝、变形、位移等。结构(构件)抗力R(resistance):结构或构件承受内力和变形的能力,如构件的承载能力、刚度等。抗力只和材料的性能(强度、弹性模量等)、几何参数和计算模式有关。4 安全等级根据结构物的重要性和造成的破坏后果,安全
12、等级分为三级一级:重要性建筑物,造成破坏后果很严重(r0=1.1)二级:一般建筑物,造成破坏后果严重(r0=1.0)三级:次要建筑物,造成破坏后果不严重(r0=0.9),钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,三种设计状况和两种极限状态1、三种设计状况公路桥规根据桥梁在施工和使用过程中面临的不同情况,规定了结构设计的三种状况:持久状况、短暂状况、偶然状况。1)持久状况:桥涵建成后承受自重、车辆荷载等作用持续时间很长的状况。这个阶段指桥的使用阶段。这个阶段持续时间
13、很长,结构可能承受的作用在设计时均需考虑,需接受结构是否能完成其预定功能的考验,因而必须进行承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计。2)短暂状况:指桥涵施工过程中承受临时性作用(或荷载)的状况。短暂状况对应桥梁的施工阶段。这个阶段持续时间相对于使用阶段是短暂的。一般只需进行承载能力极限状态计算,必要时才作正常使用极限状态设计。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,3)偶然状况:在桥涵使用过程中偶然出现的状况。偶然状况指桥梁可能遇到的地震等作用的状况。这种状
14、况出现的概率极小,且持续时间极短,结构在极短时间内承受作用以及结构可靠度水平等在设计中均需考虑。偶然状况的设计原则是主要承重结构不致因非主要承重结构发生破坏而导致丧失承载力;或允许主要承重结构发生局部破坏而剩余部分在一段时间内不发生连续倒坍。偶然状况只需进行承载能力极限状态的计算。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,2.结构的两种极限状态,(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
15、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;,结构构件或连接因过度变形而不适于继续承载;,结构转变为机动体系;,结构或构件丧失稳定(如压屈等)。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,(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
16、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。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,概率极限状态设计原理,一次二阶矩的近似概率方法,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,失效概率和可靠指标的对应关系,钢结构设计原理 Design
17、 Principles of Steel Structure,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,概率极限状态设计法的设计表达式,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。,公路工程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 GB/T50283-999公路工程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。,钢结构设计原理 Design P
18、rinciples of Steel Structure,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢结构的设计方法,D
19、esign methed of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,钢结构设计原理
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