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1、钢结构设计原理（甲）,第一章 绪论,钢结构的特点和应用,钢结构的定义：用H型钢、工字钢、槽钢、角钢等热轧型钢和钢板组成的以及用冷弯薄壁型钢制成的承重构件或承重结构统称为钢结构，如钢梁、钢屋架、钢框架、钢塔架等都是最常见的钢结构。,与混凝土结构相比，钢结构具有的一些主要特点,强度高，重量轻 质地均匀，各向同性 施工质量好，且工期短 密闭性好 用螺栓连接的钢结构，可装拆，适用于移动性结构,在建筑结构领域钢结构主要应用,重型工业厂房 高层房屋钢结构 大跨度结构 高耸结构 因运输条件不利，或施工工期要求尽量短，或施工现场场地受到限制等原因也常采用钢结构，如电力工业中的高压输电塔等,密闭性要求较高的板壳
2、结构，如高压容器、煤气柜、储油罐、高炉和高压输水管等 需经常装拆和移动的各类起重运输设备和钻探设备，如塔式起重机和采油井架等 此外，如交通运输业中的大跨桥梁结构、水工结构中的闸门、各种工业设备的支架如锅炉支架等，也都需要采用钢结构。,轻钢结构是一种新型结构，它主要是指使用轻质屋面和轻质墙体、采用新的结构形式和高效钢材，导致单位面积用钢量相对较轻、施工建造期短的钢结构。它主要用于荷载不是很大的单层和多层房屋。轻质屋面常采用冷弯C型钢或Z型钢檩条、压型钢板或轻质复合板材屋面；轻质墙体采用冷弯薄壁型钢做墙梁以彩色钢板等薄板做墙面。,选用钢结构后要注意的几个方面,钢材的耐腐蚀性较差，因而需采用防腐措施
3、，在有腐蚀性环境中使用的钢结构还必须对其作定期检查，维护费用大于钢筋混凝土结构。钢结构设计规范对钢结构的防护作了专门规定钢结构有一定的耐热性但不防火，当其温度达到450650度时，强度下降极快，在600度时已不能承重，只有在200度以下时钢材的性质变化不大。钢结构设计规范对钢结构的防火也作了专门规定,由于钢材强度大、构件截面小、厚度薄，因而在压力和弯矩等作用下，可能会出现构件甚至整个结构的稳定问题。在设计中考虑如何防止结构或构件失稳，是钢结构设计中的一个重要内容钢材具有良好的塑性性能，但当钢材处于复杂受力状态且承受三向或双向同号应力时、当钢材处于低温工作条件下或受有较大应力集中时，钢材均会由塑
4、性转变为脆性，产生突然的脆性破坏，这是很危险的。因此，设计钢结构时如何防止钢材的脆性破坏是一个必须重视的问题,钢结构设计和设计规范,一个具体的钢结构，首先应安全地承受结构所承受的各种荷载，并把所受荷载以明确和直接的传递路线传给结构的基础，最后传至支承基础的地基，同时应满足建成后的各种使用要求,钢结构设计,结构设计是在建筑物的方案设计之后进行的。方案设计中根据建筑物的使用要求和具体条件确定建筑物的形状、平面尺寸、层次、高度、建筑面积、室内交通运输设备（如车间内吊车、民用房屋中的楼梯和电梯设备）、采光和通风措施以及选用的结构型式等。,钢结构的结构设计内容,根据建筑物的使用要求、具体条件和方案设计中
5、已确定的内容，进行结构选型和结构布置确定选用的钢材牌号建立结构的计算简图，确定其所受的各类荷载按不同荷载分别进行结构内力分析，进行内力组合，确定各构件在最不利组合下产生的最大内力进行各构件的截面设计进行构件相互间的连接设计绘制施工详图，编制材料表,设计规范,钢结构设计规范GB50017-2003：适用于采用热轧钢材建造的钢结构，对钢结构的设计原则、采用的钢材要求、各种设计指标、三大基本构件的计算内容和要求、连接计算方法、构造要求以及疲劳计算等都作了明确的规定，供设计人员遵照执行冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50018-2002，适用于冷成型的薄壁型钢结构,设计规范,钢结构工程施工质量验收规范门式
6、刚架轻型房屋钢结构技术规程高层建筑钢结构技术规程网架结构设计与施工规程其它还有如适用于设计铁路、公路、桥梁、水工闸门、输电塔架的专门规范或规程。各个国家都有自己的设计规范。,钢结构课程的内容和要求,钢结构的特点和应用范围结构钢材的基本性能及影响性能的主要因素，钢材发生脆性破坏的原因及预防措施，钢材牌号的正确选用钢结构的设计原则，我国采用的概率设计法及其优点，与容许应力设计法的比较各种连接方法及其计算规定钢结构各类基本构件的截面型式、破坏特征、工作性能、构造要求及计算方法等,钢结构各构件间的连接构造及计算，包括柱头、柱脚、梁与梁的连接、梁与柱的连接等钢结构的疲劳计算钢屋架的设计实腹式吊车梁的设计
7、门式刚架的塑性设计,本书前8章着重介绍钢结构的设计原理，后3章通过桁架及屋盖、实腹式吊车梁和门式刚架三个具体而又较简单的结构或构件介绍钢结构的一般设计步骤和设计方法，包括钢结构中荷载的传递路线、结构选型、结构布置、荷载的计算、构件及连接的计算和构造等。,第2章 钢结构的材料及其性能,钢结构所用钢材的力学性能,钢结构所用钢材的力学性能应由下列试验得到，试件的制作和试验方法等都必须按照各个试验有关的国家标准规定进行。,拉伸试验,拉伸试验是试件在常温下受到一次单向均匀拉伸，在拉力试验机或万能试验机上进行，由零开始缓慢加载直到试件被拉断。由试验读数可绘制应力-应变曲线。,比例极限 屈服点 颈缩现象 拉
8、断 抗拉强度或强度极限 弹性极限阶段1 为弹性变形阶段 阶段2 为弹塑性变形阶段 残余应变 上屈服点 下屈服点 阶段3塑性变形阶段 4应变硬化阶段 5颈缩阶段,一般结构钢比例极限处的应变约为0.1%，开始屈服时的应变约为0.15%，二者极为相近，而开始应变硬化时的应变约为2.5%，约为屈服点处应变的17倍，因而可把钢材应变硬化阶段以前的曲线简化，简化曲线由两段折线组成。这样就把钢材看成了理想的弹塑性体，在屈服点前为弹性体，在到达屈服点后立即转为理想的塑性体。,开始硬化时的应变与屈服点处的应变的比值称为延性系数，用以表示钢材延性的大小，其值随不同钢材而变，约为1025.含碳量较高的钢材，拉伸试验
9、时常不出现图2.1所示的塑性流动，即没有明显的屈服点。此时常取产生残余应变为0.2%时的应力作为名义上的屈服点，记作。为了与 相区别，称 为屈服强度。为简化，二者常不加区别。,从钢材的拉伸试验还可以得到下面的一些重要的力学性能指标,屈服点fy 这是表示钢材强度的一个重要指标。在弹性设计时，常以纤维应力到达屈服点作为强度计算时的限值。屈服点的数值由试件开始屈服时的荷载N除以未变形前的截面积A0得到。,抗拉强度fu 这是表示钢材强度的另一个指标，是曲线上的最高点的应力，即由试件拉伸时的最大荷载除以试件未变形前的截面积A0得到。当以纤维应力达到屈服点作为强度计算的限值时，fu与fy的差值可作为构件的
10、强度储备。fu的大小能直接反映钢材内部组织的优劣。,弹性模量E 是弹性阶段应力与应变的比值。对钢材而言，E值变化不大，计算时不论钢种，通常均取。在钢材强化阶段的切线模量称为应变硬化模量，记作。,拉伸率 由下列公式求取,伸长率是表示钢材塑性性能的一个指标，用以表示钢材断裂前发展塑性变形的能力。,必须注意：拉伸构件有长短之分，国家标准中规定的长试件是,或,短试件是,或,其伸长率分别记为 和,拉伸试件在达到抗拉强度之前，试件沿标距产生均匀拉伸变形。在颈缩阶段，均匀拉伸变形停止而代之以颈缩变形。颈缩变形在长试件和短试件中是相同的，因而同一钢材由短试件求得的 将大于长试件的。,断面收缩率是钢材塑性性能的
11、另一个指标，是指试件横断面面积在试验前后的相对减缩，即,因已有伸长率这个指标表示钢材的塑性性能，通常不再要求给出。,钢材压缩试验所得的曲线常与拉伸试验时的 相同，因而压缩时采用相同的参数。,冷弯试验,冷弯试验用以试验钢材的弯曲变形性能和抗分层的性能。试验时将厚度为a的试件置于图2.3（a）所示的支座上，在常温下加压使其弯曲180度，即试件绕着弯心弯到两表面平行。试验在压力机或万能试验机上进行。弯曲后检查试件弯曲处的外面及侧面，如无裂缝、断裂或起层，即认为试件合格。弯心直径d随试验的钢种及其厚度不同而异，如取d为1.5a、2a和3a等，应按有关技术条件的规定采用。,冷弯试验合格是评估钢材质量优劣
12、的一个综合指标，它不仅要求钢材具有必要的塑性，同时还要求钢材中没有或极少有冶炼过程中产生的缺陷，如非金属夹杂、裂纹、分层和偏析等。因此，我国设计规范第3.3.3条中规定，对焊接承重结构及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验合格的保证。此外，结构在制作中和安装过程中常需进行冷加工，特别是焊接结构的焊后变形需要进行调直和调平等，都要求钢材有较好的冷弯性能。,冲击韧性,冲击韧性也叫缺口韧性，表示带缺口的钢材标准试件在冲击试验机上被摆锤击断时所能吸收的机械能。对直接承受动力荷载的钢结构，其钢材需作冲击韧性试验。根据试件上缺口形状的不同，冲击韧性试验的试件有梅氏试件和夏比试件两种。前者缺口为U
13、形，后者缺口为V形。由于试件上有缺口，因此受力后在缺口处有应力集中，使该处出现三向同号应力，材质变脆。击断有缺口试件所需的机械功大小实际上就是表示了试件抵抗脆性破坏的能力。,由于V形缺口处的应力集中较U形缺口严重，因此V形缺口试件更能反映钢材的韧性。目前我国只用夏比（V形缺口）试件。夏比（V形缺口）试件所的冲击韧性（冲击吸收功）记作，单位为“J”，即直接击断标准试件所需做的功。摆锤击断试件所做的功可由试验机度盘直接读取，也可按下式计算：,必须注意：钢材的冲击韧性随温度而不同，低温时冲击韧性将明显降低。图2.5表示冲击韧性与温度之间的关系，此曲线由试验得出。,影响钢材性能的主要因素,用以建造钢结
14、构的称为结构钢，它必须同时具有较高的强度、塑性和韧性，还必须具有良好的加工性能，对焊接结构还应保证其可焊性。结构钢主要有两类，一是碳素结构钢中的低碳钢，另一是低合金高强度结构钢。影响钢材性能的因素较多，主要是钢的化学成分的影响和生产过程不同的影响。,化学成分的影响,碳素钢主要是铁和碳的合金。因含碳量不同可以将其分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。碳的含量愈高，钢的强度也愈高，但其塑性、韧性和可焊性却显著降低，因而用作建造钢结构材料的只能是低碳钢，要求。对焊接结构，为了使其有良好的可焊性，通常限制。,国家标准碳素结构钢中对碳素钢根据其屈服点的不同分为Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五种牌
15、号。用于钢结构时，我国钢结构设计规范推荐采用Q235，其平均含碳量，符合同时具有较高的强度、塑性和韧性的要求，可焊性也良好。其它牌号的钢材均不适于用以建造钢结构。,为了得到较Q235钢更高的强度，可在低碳钢的基础上冶炼时加入为提高钢材强度的合金元素如锰、钒等，得到低合金钢。加入适量的合金成分后，可使钢水在冷却时得到细而均匀的晶粒，从而提高了强度又不损害塑性和韧性。我国钢结构设计规范推荐采用的低合金钢是国家标准中的Q345、Q390和Q420钢三种。,钢中除铁和碳及有意加入的合金元素外，尚含有少量的其它元素如锰、硅、硫及磷等，此外，也还可能存在钢冶炼过程中不易除尽的氧、氮和氢等,锰对钢是有益元素
16、，是钢液的弱脱氧剂。锰能消除钢液中所含的氧，又能与硫化合，消除硫对钢的热脆（高温时使钢产生裂纹）影响。含适量的锰，可提高钢的强度同时又不影响钢的塑性和冲击韧性。但含量过高，则有可能降低钢的可焊性硅对钢也是一种有益的元素，是钢液的强脱氧剂。硅还能使铁中的晶粒变细而均匀，改善钢的质量。钢中含适量的硅，可提高钢的强度而不影响其塑性、韧性和可焊性。但含量过高，对钢的塑性、韧性、可焊性和抗锈性也将有影响。,硫和磷都是钢中的有害杂质，硫与铁能生成易于熔化的硫化铁。含硫量增大，会降低钢的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈性等。硫化铁的熔化温度为11701185度，比钢的熔点低得多，其与铁形成的共晶体，熔点更低，
17、约为985度。当对钢材进行轧制等热加工或电焊时，硫化铁及行熔化使钢内形成微小裂纹，称为“热脆”。磷的存在虽可提高钢的强度和抗锈性，但会降低钢的塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性等。特别是磷能使钢材在低温时变脆，称为“冷脆”。因此，设计规范中规定承重结构的钢材应具有硫和磷含量的合格证。,氧、氮和氢也都是有害杂质。氧在炼钢过程中可能以氧化铁残留于钢液中，氮和氢则可能从空气中进入高温的铁液中。氧和氮都会使钢的晶粒粗细不均，氧和硫一样还会使钢热脆，氮与磷相似，会使钢冷脆。氢能使钢产生裂纹。因此，对这些有害杂质都必须使其在炼钢过程中析出或防止其从空气中进入钢液。,生产过程对钢材性能的影响,生产过程的影响包
18、括冶炼时的炉种、浇注前的脱氧和热轧等的影响。,炼钢主要是将生铁或铁水中的碳和其它有害杂质如锰、硅、硫、磷等元素氧化成炉气和炉渣后而得到的钢液的过程。炼钢时采用的炉种有电炉、平炉和转炉等。,钢的脱氧,钢液中残留氧，将使钢材晶粒粗细不均并发生热脆。因此浇注钢锭时在炉中或盛钢桶中加入脱氧剂以消除氧，可大大改善钢材的质量。因脱氧程度的不同，钢可分成沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢四类。如采用锰作为脱氧剂，由于锰是弱脱氧剂，脱氧不完全，浇注后钢液中仍残留较多的氧化铁，它与钢液中的碳相互作用而成一氧化碳气体，气体从钢液中逸出时使钢液在钢锭模中产生“沸腾”，故名沸腾钢。其冲击韧性较低，脆性转变温度较高，
19、抵抗冷脆性能差，抗疲劳性能也较镇静钢差。,除用锰外，如另增加一定数量的硅作为脱氧剂，由于硅是较强的脱氧剂，脱氧充分。硅与氧化铁反应，产生较多的热量，因而在钢锭模中的钢液冷却较慢，大部分气体可以析出。钢液是在平静状态下凝固，故名镇静钢。镇静钢的化学成分较均匀，晶粒细而均匀，组织密实，因而冲击韧性较高，特别是低温时的韧性大大高于沸腾钢，抗低温冷脆能力和抗疲劳性能都较强。半镇静钢的脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间。如用硅脱氧后再用更强的脱氧剂铝补充脱氧，则可得特殊镇静钢，其冲击韧性，特别是低温冲击韧性都较高。,钢的轧制,我国的钢材大都是热轧型钢和热轧钢板.,热轧：将钢锭加热至塑性状态，通过轧钢机将其轧
20、成钢胚，然后再令其通过一系列不同形状和孔径的轧机，最后轧成所需形状和尺寸的钢材。调质钢：对轧制后的钢材再经过热处理，可得到调质钢。热处理的方式是先淬火，后高温回火。淬火可提高钢的强度，但降低了钢的韧性，再回火可恢复钢的韧性。它包括调质合金钢和调质碳素钢等，目前仅用于制作高强度螺栓。钢材出厂后，在制造和使用过程中还会有许多因素影响钢的力学性能。如冷加工时发生的应变硬化和时效硬化。,图2.7给出了拉伸试验时的应力-应变曲线。当加荷不超过弹性阶段，在此范围内重复卸荷和加荷，不会产生残余应变，应力-应变曲线始终保持原来的曲线。如加荷超过了弹性阶段，则卸荷后将产生残余变形。重新加荷，则钢材的塑性变形能力
21、降低，如加荷到强化阶段后再卸载，则再加载时，可使钢材的屈服点提高，但其塑性和韧性却大大降低，这种现象称为冷加工硬化或应变硬化。在钢结构中由于对钢材的塑性和韧性要求都较高，一般不采用这种方式提高钢材的屈服点。,钢材的时效硬化：即加荷到应变硬化阶段卸载后隔一定时间，再重新加载，钢材的强度将继续有所提高，屈服点将比卸载点的高。在钢材产生塑性变形后对钢材进行加热到200300度，可使钢材的时效在几小时内完成，这称为人工时效。,复杂应力状态下钢材的屈服条件,钢材在单向拉应力或压应力状态下，可借助于试验得到屈服条件。在复杂应力条件下，钢材的屈服条件就不能由试验得出其普遍适用的表达式，一般只能借助于材料力学
22、中的强度理论得出。对钢材最适用并已被试验证实的强度理论是第四强度理论，也叫畸变能量理论。该理论认为复杂应力状态时单位体积的单元体发生畸变的应变能与单向拉伸时单位体积的单元体屈服时的畸变能量相等，则该复杂应力状态的单元体达到了屈服。,复杂应力状态下单位体积的单元体畸变应变能为：,单向受力时单位体积的单元体畸变应变能为：,单向受力下达到屈服时的单元体畸变应变能为,则可得到折算应力：,上式就是根据畸变能量理论得出的复杂应力状态下钢的屈服准则。,如改用主应力表示复杂应力状态，则屈服条件为：,当钢材处于三向同号主应力下，不论主应力有多大，只要三主应力的相互差值甚小，钢材就不易屈服而处于弹性状态，刚才呈脆
23、性。反之，若存在异号应力，则钢材易屈服而进入塑性状态，将呈塑性破坏。,若,则为平面应力状态，其屈服条件为,当为平面纯剪切时，,则得到的剪切屈服条件为,当为平面纯剪切时，,则得到的剪切屈服条件为,注意：在以上公式中，所有应力分量都必须是在钢材同一点由同一种荷载产生的应力。,钢材的脆性断裂（冷脆）,钢材在一般情况下是弹塑性材料，但在特殊情况下可以转变为脆性材料，因而钢材的破坏可区分为塑性破坏和脆性破坏两种方式，脆性破坏只发生在承受拉力时。,钢材拉伸时的破坏特征(塑性破坏),破坏前有较大的塑性变形，有明显的颈缩现象，因而易于及时发现，危险性小。构件断裂发生在应力达到钢材的抗拉强度时。,脆性破坏的特征
24、,破坏前的变形很小，破坏系突然发生，事先无警告，因而危险性大。破坏时的应力常小于钢材的屈服点。断口平直，呈有光泽的晶粒状。,影响钢材脆断的因素主要,钢材的质量 钢板的厚度 加荷的速度 应力的性质（拉、弯等）和大小,最低使用温度 连接的方法（焊接）应力集中程度等,钢材的层状撕裂,钢材的层状撕裂是一种脆性破坏，主要发生在厚板中。,钢材的牌号和选用,关于应用较广的碳素结构钢，我国的现行国家标准是GB/T 700-88，主要是参照国际标准化组织的结构钢标准ISO 630种的有关规定。,牌号的表示方法（以Q235为例），完整表示方法为：,Q235-质量等级符号-脱氧方法符号 质量等级分A、B、C、D四级
25、。依次A级质量最差，D级质量最高。脱氧方法的符号为：F、b、Z、TZ.但在牌号的表示方法中，Z和TZ的符号可以省略。,钢材的质量等级不同，其化学成分、脱氧要求和冲击韧性要求将有所不同，但由拉伸试验确定的力学性能则与等级无关。A级和B级钢各有F、b、Z三种脱氧方法，C级钢只有镇静钢，D级钢只有特殊镇静钢。,冲击韧性要求,Q235A 不作冲击韧性试验要求 Q235B 作常温下（20度）冲击韧性试验 Q235C 作0度冲击韧性试验 Q235D 作-20度冲击韧性试验,我国国家标准低合金高强度结构钢也是参照ISO的标准制定的，其牌号表示方法与上述碳素结构钢的相同，只是质量等级分为AE共5级。由于低合金
26、钢一般都是镇静钢，因而其牌号后面无脱氧方法的符号。,对钢结构设计规范中推荐采用的三个牌号（Q345钢、Q390钢和Q420钢）的冲击韧性要求,对A级都不做冲击韧性试验 对其B、C和D级钢规定依次各做+20度、0度和-20度时的冲击韧性试验，其合格标准均为 对三个牌号的E级钢都要求做-40度的冲击韧性试验，其合格标准为,钢材的选用需注意以下几点,所有的承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构的钢材尚应具有冷弯试验的合格保证。对需验算疲劳的结构，不论其为焊接或非焊接，其钢材都应具有常温的冲击韧性的
27、合格保证。吊车起重量等于或大于50吨的中级工作制吊车梁，对钢材冲击韧性的要求应与需要验算疲劳的构件相同。,正确选用钢材，是保证结构的安全使用和降低造价所必须做到的。钢材质量等级愈高，钢材的价格也愈高。因此应根据实际需要来选用合适的钢材质量等级。一般情况下，应根据结构的重要性、荷载特征、结构形式、应力状态、连接方法、板件厚度和工作环境等因素综合考虑，选用合适的钢材牌号和材性要求。,型钢及钢板,钢结构所用钢材通常由钢厂以热轧钢板和热轧型钢供应，由钢结构制造厂按设计图纸制成结构或扩大件，然后运到工地现场拼装和吊装。,热轧钢板,钢结构中常用的热轧厚板，厚度由4.5到60毫米。钢板的符号是“-厚度宽度长
28、度”，也有把宽度放在厚度前面的表示方法。,热轧型钢,我国生产的热轧型钢有等边角钢、不等边角钢、普通槽钢、普通工字钢、H型钢和部分T型钢。角钢的符号：边长厚度（等边角钢）长边短边厚度槽钢的符号：型号 普通工字钢的符号：I型号 H热轧型钢的符号：“H高度宽度腹板厚度翼缘厚度”。T型钢的符号：标注方法与H热轧型钢相同。钢管的符号：外径厚度,冷弯薄壁型钢,冷弯薄壁型钢是由钢板经冷加工而成的型材，采用冷弯型钢机成型、压力机上模压成型或在弯曲机上弯曲成型。截面较多，有角钢、槽钢、Z型钢、帽型钢、钢管等，其中前三种可带卷边或不带卷边。,我国目前常用的冷弯薄壁型钢厚度在26毫米之间。由于薄壁型钢有其特殊性，如
29、型材厚度较薄，受压时易失去局部稳定而需按有效截面计算，且整个构件易扭转失稳等，因此有关冷弯薄壁型钢的钢结构设计需按专门的设计规范执行。冷弯薄壁型钢目前在我国的轻型建筑钢结构中常有应用。,第3章 钢结构的设计方法,结构设计的目的:在经济合理的前提下使所设计的结构满足各种预定的功能，这是结构设计的主要目的。,建筑结构的功能有下列三项(也总称为可靠性),结构应能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用（作用是指各种荷载和如基础沉降、温度变化及地震等对结构的外加变形；以后将这些作用称为荷载）；在偶然事件发生时及发生后，结构仍能保持必需的整体稳定性。(安全性)在正常使用荷载情况下，结构具有良好的工作
30、性能，满足正常的使用要求，如不发生影响正常使用的过大变形等。(适用性)在正常维护下，结构应具有足够的耐久性，如不发生严重的锈蚀而影响结构的使用寿命等。(耐久性),经济合理是指所设计的结构具有用料省、重量轻、易于制造、运输和安装，建造工期短，造价低和便于今后的维修与保养等。可靠性与经济合理有时会出现矛盾，此时应在综合考虑各个情况下力求使两个矛盾得到统一，因此，结构设计应分结构方案设计和结构物的具体设计两步进行。结构的方案设计主要包括结构选型和材料选用，应进行各种方案的比较后确定。具体结构设计在方案确定后进行，包括结构布置、截面和连接设计等，最后画出施工图。本章所指钢结构设计方法是指具体结构设计的
31、方法。,容许应力设计法,影响完成结构功能的两个基本因素是荷载效应和结构的抗力。结构设计时应使可能产生的荷载效应小于或等于结构能提供的抗力。,概率设计法一次二阶矩法,由于荷载效应S和结构抗力R的不确定性，两者间的关系将出现三种可能，及SR，S=R，SR时，表明结构存在破坏即失效的风险。概率设计法主要是要使所设计的结构SR的概率或出现破坏风险的概率为很小，小到人们可以接受的程度的一种设计方法。结构功能函数Z=R-S,结构不能完成某预定功能的概率称为失效概率，结构能完成某预定功能的概率称为可靠概率，如99.93%。,我国建筑钢结构设计中目前采用的方法,1984年我国批准和颁发了国家标准建筑结构设计统
32、一标准GBJ68-84，作为我国制定和修订有关建筑结构标准和规范必须共同遵守的准则。2001年对上述统一标准进行修订并更名为建筑结构可靠度设计统一标准GB50068-2001。钢结构设计规范GBJ17-88及其修订本GB50017-2003分别以上述统一标准为准则，规范中规定除疲劳计算外，采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数设计表达式进行计算。,结构在规定的设计使用年限内应具有足够的可靠度。所谓设计使用年限是指结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的设计规定时间。5、25、50、100年四种。可靠度是指在规定的时间内，在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和正常维护
33、），完成预定功能的概率。结构可靠度是衡量结构可靠性的一个概率指标，即可靠概率。当超过结构的设计使用年限而不大修，则其可靠度将有所降低。我国设计规范中规定采用以概率理论为基础的极限状态设计法，就是要保证结构具有必要的可靠度，以一定的概率保证不使所设计的结构超过极限状态。,承重结构的设计应考虑两种极限状态,承载能力极限状态结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形时的极限状态。它包括构件或连接的强度破坏、疲劳破坏和因过度变形而不适合于继续承载，结构和构件丧失稳定，结构转变为机动体系和结构倾覆等。,正常使用极限状态结构或构件达到正常使用的某项规定的限值时的极限状态。如挠度限值和振动限制等。
34、同是限制变形，承载能力极限状态是指不产生不适于继续承载的变形，而正常使用极限状态是要求不产生影响正常使用的变形。,按承载能力极限状态计算是保证结构的安全性，而按正常使用极限状态是为了保证结构的适用性和耐久性。安全等级为一级者属重要的房屋，其破坏后果很严重；二级者为一般的用房，其破坏后果为严重；三级者为次要的房屋，其破坏后果不严重。,对于承载力极限状态,当采用荷载效应的基本组合（即只考虑永久荷载和可变荷载的组合，不考虑偶然荷载参与组合）时，其设计表达式取下列各式的最不利者：由可变荷载效应控制的组合 当对S1Qk无法明显判断时，可轮次以各可变荷载效应为S1Qk，选其中最不利的荷载效应组合。,由永久
35、荷载效应控制的组合,当为永久荷载控制时，只按前一式计算可能导致可靠指标偏低，因而增补了上式。在钢结构设计中，此种情况一般较少出现。,当考虑以竖向的永久荷载效应控制的组合时，参与组合的可变荷载可仅限于竖向荷载。对于一般排架、框架结构，可采用简化规则，并应从下列组合值中取最不利值确定。,由可变荷载效应控制的组合,由永久荷载效应控制的组合仍按（3-18）进行：注意，上述公式仅适用于荷载和荷载效应为线性的情况，即一阶弹性分析，当采用二阶弹性分析时，荷载与荷载效应呈非线性关系，应先进行荷载组合。,基本组合的荷载分项系数应按下列规定采用,永久荷载的分项系数 当其效应对结构不利时对由可变荷载效应控制的组合，
36、取1.2 对由永久荷载效应控制的组合，取1.35 当其效应对结构有利时，一般情况下取1.0。如对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，取0.9。,可变荷载的分项系数,一般情况下取1.4 对标准值大于 4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载取1.3。,各种荷载的组合值系数可查建筑结构荷载规范GB50009-2001。对于承载能力极限状态，除荷载的基本组合外，必要时还应采用荷载的偶然组合。偶然组合中的偶然荷载在结构使用期内不一定出现，但一旦出现，其值很大且持续时间较短，如爆炸力、撞击力等都是偶然荷载。对于偶然组合，荷载效应组合的设计值应按规定确定；偶然荷载的代表值不乘以分项系数，其具体的计算式可查规范。,对于正常使用极限状态,应根据不同的设计要求，采用荷载效应的标准组合、频遇组合或永久组合。计算表达式为：C为结构或构件达到正常使用要求的规定限值，如变形、裂缝、振幅、加速度、应力等的限值，应按各有关部门建筑结构设计规范采用。,
