东北农业大学水利与土木工程学院钢结构课件 钢结构的计算原理.ppt

* 专题 钢结构的计算原理 第一节 概 述 第二节 结 构 概 率 设 计 法 第三节 钢结构设计的规定 第四节 钢结构的疲劳和疲劳强度 第五节 疲劳计算的方法 一、钢结构设计过程： 根据建筑布局 第一节 概 述 确定结构方案 荷载计算 内力分析 选定材料及规格 构件及连接验算 精确计算的要求就是上述每一步都是很准确的，但事实上是很困难的。主要问题在于： 计算模型与实际结构有一定的差距 计算尺寸与实际尺寸有一定差距 计算荷载与实际荷载有一定差距 材料性能、施工质量等变化也较大 因此，在设计中如何恰当的考虑这些因素的变动规律，就形成了结构设计方法的几个阶段。 1、总安全系数的容许应力计算法 2、三个系数的极限状态计算方法 3、以结构极限状态为依据,多系数分析后用单一设计安全系数的容许应力计算方法 4、概率论为基础的一次二阶矩极限状态设计法 时间：建国初到1957年以前 方法：把钢材可以使用的最大强度，除以一个笼统的安全系数作为结构设计计算时构件容许达到的最大应力，即允许应力法。 容许应力??? 式中： N —— 构件的内力； S —— 截面几何特性； σs—— 钢材屈服强度； K —— 总安全系数； σ—— 构件的计算应力 优点：简单、明确。 缺点：太笼统。各构件的可靠程度各不相同，而整个结构取决于可靠度最小的构件。 时间：1957年～1974年 方法：根据结构使用上的要求，在结构中规定两种使用极限状态，即承载能力的极限状态和变形极限状态。同时引入三个系数，即以超载系数 考虑荷载可能的变动；以材料均质系数 考虑材料性质的不一致性；以工作条件系数 考虑结构及构件的工作特点以及某些假定的计算图式与实际情况不完全相符等因素。 优点：比较细致，特别是荷载与材料强度取值上分别部分地考虑了概率原则； 缺点：某些系数的确定有时缺乏客观依据和科学方法。 时间：1974年～1988年 方法：以结构极限状态（强度、稳定、疲劳、变形等）为依据，对影响结构安全度的诸因素以数理统计，并结合工作实践经验进行分析。其实质是半概率、半经验的极限状态计算方法。 式中： N1—— 根据标准荷载求得的内力； fy —— 屈服强度； S—— 构件几何特性； K1、K2 、K3 —— 分别为荷载系数、材料系数和调整系数。 构件应力 式中： K —— 安全系数； [σ] —— 钢材的允许应力 如 [TJ17-74] 规范中： A3： fy =240N/mm2 K1=1.23 ，K2 =1.143 ，K3 =1.0 K=K1K2K3 =1.41 [σ]＝fy /K1K2K3＝170 N/mm2 优点：对结构可靠性的处理有所改进。 缺点：对荷载、材料性能等的处理都取一个经验定值，因为这对结构可靠度的研究仅处于以经验为基础的定性分析阶段。 事实上，由荷载引起的结构内力（称为荷载效应S），结构或构件的承载力或抵抗变形能力（称为结构抗力R）均受各种偶然因素的影响，是随时间和空间变动的随机变量，所以钢结构设计规范（GBJ17-88）采用以概率论为基础的一次二阶矩极限状态设计法。 虽然已经采用了这样的概率设计法，但由于在分析中忽略和简化了基本变量随时间变化的关系，所以确定基本变量分布时有相当程度的近似性，且进行了线性化简化计算，所以只能算是一种近似的概率设计法。 缺点：对荷载、材料性能等的处理都取一个经验定值，因为这对结构可靠度的研究仅处于以经验为基础的定性分析阶段。 第二节 结 构 概 率 设 计 法 对结构设计中需要考虑的多种非确定性因素，如荷载、材料性能等，运用概率论和数理统计的方法来寻找它们的规律性，从而进行结构设计，这就是结构概率设计法。 荷载效应S：取决于各种荷载（恒载、活载、风、地震作用，温度变化等）。 结构或构件的承载力或抗力R：取决于材料、构件的几何特性等。 结构可靠度：结构在规定时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。若以 Ps 表示结构的可靠度，则： 设结构状态方程： 当 时，结构可靠; 当 时，结构失效； 当 ? 时，结构或构件承载能力处于极限状态。 失效概率：结构处于失效状态的概率，以 表示，则有： 且 结构是否可靠就看结构可靠度 是否足够大或其失效概率是否小到可以接受的程度。 对于一个结构状态方程，其平均值 与其标准差 的比值 ，称为结构或构件的可靠度指标。 与 有确定的对应关系， 增大， 减小，而对于结构来说 容易确定得多。 第三节 钢结构设计的规定 承载能力极限状态 计算结构或构件的强度或稳定性及连接的强度时应采用荷载的设计值；计算疲劳和变形时，采用荷载的标准