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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
20、 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,Chapter 3 Design methed of Steel Structure,GB/T50068-2001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：,可变荷载起控制作用时：,永久荷载起控制作用时：,对于一般排架和框架结构：,1）承载能力极限状态分项系数表达式,钢结构设计原理 Design Principl
21、es of Steel Structure,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,（1）永久荷载分项系数（gG）,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；-对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。,（2）可变荷载的分项系数（gQ）-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。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢结构的设计方法,Desi
22、gn methed of Steel Structure,2）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）；,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。,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢结构的设计方法,Design meth
23、ed of Steel Structure,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。,钢材的强度设计值,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,钢结构规范给出了各类钢材的强度设计值。(P45页表3.5刘声扬)（P286页附表A3陈志华）,计算端部承压时的R，对于Q235钢R=1.15;Q345、Q390、Q420钢R=1.1.1
24、75。,第二章 钢结构的材料,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢材的疲劳和疲劳计算,疲劳破坏的特征,定义：钢材在循环荷载作用下，应力虽然低于极限强度，甚至低于屈服强度，但仍然会发生断裂破坏，这种破坏形式就称为疲劳破坏。,破坏过程：裂纹的形成-裂纹的扩展-最后的迅速断裂而破坏,破坏特点：（1）疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度，钢材的塑性还没有展开，属于脆性破坏。,（3）疲劳对缺陷十分敏感。,（2）疲劳破坏的断口与一般脆性破坏的断口不同。一般脆性破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或人字纹。而疲劳破坏的主要断口特征是放射和年轮状花纹。,第三
25、章 钢结构的设计方法,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,第二章 钢结构的材料,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,引起疲劳破坏交变荷载的两种类型,常幅交变荷载-常幅应力-常幅疲劳,变幅交变荷载-变幅应力-变幅疲劳,应力比（）循环应力中绝对值最小的峰值应力smin与绝对值最大的峰值应力smax之比。r=smin/smax(拉应力取正号而压应力取负号),应力幅（Ds）Ds=smax-smin，此处smax为最大拉应力，取正值，smin为最小拉应力或压应力。（拉应力取正号而压应力取负号）,应力循环
26、次数（n，疲劳寿命）结构或构件破坏时所经历的应力变化次数。,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,常幅疲劳当应力循环内的应力幅保持常量时，称为常幅疲劳。,1.非焊接结构的疲劳,大量试验研究表明，疲劳强度除与主体金属和连接类型有关外，还与循环应力比r和循环次数n有关。当以n=2106为疲劳寿命时，我国钢结构设计规范给出了验算以拉应力为主的疲劳计算公式,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,钢结构设计原理 Design
27、 Principles of Steel Structure,2.焊接结构的疲劳,通过大量试验研究表明，控制焊接结构疲劳寿命最主要的因素是构件和连接的类型、应力幅Ds以及循环次数n，而与应力比无关。,焊缝部位存在残余拉应力，通常达到钢材的屈服点fy，该处是产生和发展疲劳裂纹最敏感的区域。,最大：,最小：,真实应力比：,焊缝附近真实应力比的大小取决于应力幅Ds的大小,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,应力幅与应力循环次数n（疲劳寿命）的关系,(1)应力幅值越
28、低，应力循环次数就越多，疲劳寿命也越高。,(2)当应力幅值减小到一定程度时，应力循环次数趋向无穷大。,容许应力幅的定义（1）应力幅循环次数（红色实线所示）关系曲线为试验回归曲线，反应了平均值之间的关系。,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,（2）考虑到试验的离散性，取平均值减去两倍lgn的标准差（2s）作为疲劳强度的下限值，图中蓝色虚线所示。该虚线上的应力幅定义为对应于某疲劳寿命的容许应力幅。,（3）如果lgn符合正态分布，则构件或连接的疲劳强度的保证率为9
29、7.7。,(4）容许应力幅的表达式Ds可通过两个相似三角形求出：,(5)式中：系数、C根据钢结构设计规范-疲劳计算的构件和连接分类 查表得到。,(6)容许应力幅与钢材的强度无关，这表明不同种类的钢材具有相同的抗疲劳性能。,钢结构的设计方法,Chapter 3 Design methed of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,常幅疲劳验算,规范将不同构造和受力特点的钢构件和连接，按其疲劳性能的高低归并划分为8个疲劳计算类别，并对每个类别规定了相应的参数取值。,钢结构的设计方法,Design methed o
30、f Steel Structure,第二章 钢结构的材料,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,参数和b的取值,国内外试验证明，除了个别在疲劳计算中不起控制作用类别的疲劳强度有随钢材的强度提高而稍有增加外，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度的影响。,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,第章 钢结构的材料,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,疲劳计算采用容许应力幅法，按弹性状态计算应力进行计算。计算只适用于无高温（t150）、无严重腐蚀环
31、境中的高周低应变的疲劳计算（应力循环次数n5104)。,常幅疲劳的计算公式,标准荷载下的设计应力幅；对于焊接部位的设计应力幅:=max-min；对于非焊接部位的折算应力幅：=max-0.7min max每次应力循环中，计算部位的最大拉应力（取正值）min每次应力循环中，计算部位的最小拉应力或压应力（拉应力取正值，压应力取负值）；常幅疲劳的容许应力幅,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,第二章 钢结构的材料,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,变幅疲劳,当应力循环内的应力幅随机变化时为变幅疲劳。
32、,可将变幅疲劳折算为等效的常幅疲劳，然后按常幅疲劳检算式检算。,（a）检算公式e等效常幅疲劳应力幅。常幅疲劳的容许应力幅。,情形一能够测得使用期内应力变幅规律,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,第二章 钢结构的材料,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,（b)计算,若能预测结构在使用寿命期间各种荷载的应力幅以及次数分布所构成的设计应力谱，则根据累积损伤原理可将变幅疲劳折合为等效常幅疲劳，将随机变化的应力幅折算为等效应力幅e按下式进行疲劳计算：,ni 以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；ni
33、预期寿命内应力幅水平达到i的应力循环次数,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,第二章 钢结构的材料,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,情形二不能测得使用期内应力变幅规律,设计重级工作制吊车的吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架时，应力幅是按满载得出的，实际上常常发生不同程度欠载情况。如果没有对实际应力幅的统计资料，即属本情形。使用欠载效应系数，按常幅疲劳进行计算。,计算公式,欠载效应的等效系数,循环次数为n=2106次的容许应力幅。,钢结构的设计方法,Design methed of Steel
34、 Structure,第二章 钢结构的材料,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,第二章 钢结构的材料,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,疲劳破坏中一些值得注意的问题,（1）疲劳验算采用的是容许应力设计法，而不是以概率论为基础的设计方法。这主要是因为焊接构件焊缝周围的力学性能非常复杂，目前还没有较好试验或数值方法对其进行以概率论为基础的研究。,（2）对于只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展，
35、则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。,（3）国内外试验证明，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度的影响，故可认为疲劳容许应力幅与钢种无关。,（4）提高疲劳强度和疲劳寿命的措施（）采取合理构造细节设计，尽可能减少应力集中；（）严格控制施工质量，减小初始裂纹尺寸；（）采取必要的工艺措施如打磨、敲打等。,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,第二章 钢结构的材料,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,本章小结：,4疲劳验算采用的是容许应力设计法，而不是以概率论为基础的设计方法。这主要是因为焊接构件
36、焊缝周围的力学性能非常复杂。目前还没有较好试验或数值方法对其进行以概率论为基础的研究。,1钢结构采用的设计方法（疲劳计算除外）是概率极限状态设计法，它是在结构的可靠与经济之间选择的一种合理、平衡的设计方法。,2概率极限状态设计法是将影响结构功能的诸因素作为设计变量，因而对所设计的结构预定功能只做一定的概率保证，即保证使其失效概率Pf小到人们可以接受的程度时，便认为是安全可靠的。,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,3结构的极限状态分承载能力极限状态和正常使用极限状态两类。前者包括强度破坏、丧失稳定、疲劳破坏和达到不适于继续承载的过度塑性变形；后者
37、包括结构的耐久性和适用性。,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,设计注意点1）结构设计基准期为50年；桥梁结构为100年。2）结构按安全等级分为一、二、三级，其相应的重要性系数为1.1、1.0、0.93）标准值和设计值之间的关系荷载：荷载标准值荷载分项系数荷载设计值抗力：抗力标准值抗力分项系数抗力设计值4）进行强度、稳定计算时采用设计值，动荷载应乘动力系数进行变形、疲劳计算时用标准值，动荷载不乘动力系数,第二章 钢结构的材料,钢结构设计原理 Design P
38、rinciples of Steel Structure,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,掌握内容：1.结构的可靠性与可靠度2.结构的两种极限状态3.可靠指标与是失效概率的关系4.钢材的强度设计值,5.疲劳计算采用容许应力幅法，只计算应力循环次数n5104时的高周疲劳。,第二章 钢结构的材料,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,补充：,规范和规程编号中字母的含义：GB-国家标准（强制性）GB/T-国家标准（推荐性）GBJ-工程建设国家标准CECS-中国工程建设标准化协会标准JGJ-建筑工程行业标准JG/T-建筑工程行业标准（推荐性）,钢结构的设计方法,Design methed of Steel Structure,
