1、第1章 緒 論1-1 鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展簡史鋼(steel)是鐵碳合金，人類采用鋼結(jié)構(gòu)的歷史和煉鐵、煉鋼技術(shù)的發(fā)展是密不可分的。早在公元前2000年左右，在人類古代文明的發(fā)祥地之一的美索不達(dá)米亞平原（位于現(xiàn)代伊拉克境內(nèi)的幼發(fā)拉底河和底格里斯河之間）就出現(xiàn)了早期的煉鐵術(shù)。我國也是較早發(fā)明煉鐵技術(shù)的國家之一，在河南輝縣等地出土的大批戰(zhàn)國時代（公元前475前221年）的鐵制生產(chǎn)工具說明，早在戰(zhàn)國時期，我國的煉鐵技術(shù)已很盛行了。公元65年（漢明帝時代），已成功地用鍛鐵(wrought iron)為環(huán)，相扣成鏈，建成了世界上最早的鐵鏈懸橋蘭津橋。此后，為了便利交通，跨越深谷，曾陸續(xù)建造了數(shù)十座鐵鏈橋。其中跨度最

2、大的為1705年（清康熙四十四年）建成的四川瀘定大渡河橋，橋?qū)?.8m，跨長100m，由9根橋面鐵鏈和4根橋欄鐵鏈構(gòu)成，兩端系于直徑20cm、長4m的生鐵鑄成的錨樁上。該橋比美洲1801年才建造的跨長23m的鐵索橋早近百年，比號稱世界最早的英格蘭30m跨鑄鐵(cast iron)拱橋也早74年。除鐵鏈懸橋外，我國古代還建有許多鐵建筑物，如公元694年（周武氏十一年）在洛陽建成的“天樞”，高35m，直徑4m，頂有直徑為11.3m的“騰云承露盤”，底部有直徑約16.7m用來保持天樞穩(wěn)定的“鐵山”，相當(dāng)符合力學(xué)原理。又如公元1061年（宋代）在湖北荊州玉泉寺建成的13層鐵塔，目前依然存在。所有這些都

3、表明，我們中華民族對鐵結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，曾經(jīng)居于世界領(lǐng)先地位。歐美等國家中最早將鐵做為建筑材料的當(dāng)屬英國，但直到1840年以前，還只采用鑄鐵來建造拱橋。1840年以后，隨著鉚釘(rivets)連接和鍛鐵技術(shù)的發(fā)展，鑄鐵結(jié)構(gòu)逐漸被鍛鐵結(jié)構(gòu)取代，1846-1850年間在英國威爾士修建的布里塔尼亞橋(Brittania Bridge)是這方面的典型代表。該橋共有4跨，跨長分別為70-140-140-70m，每跨均為箱型梁式橋，由鍛鐵型板和角鐵經(jīng)鉚釘連接而成。隨著1855年英國人發(fā)明貝氏轉(zhuǎn)爐煉鋼法和1865年法國人發(fā)明平爐煉鋼法，以及1870年成功軋制出工字鋼之后，形成了工業(yè)化大批量生產(chǎn)鋼材(steel p

4、roducts)的能力，強(qiáng)度高且韌性好的鋼材才開始在建筑領(lǐng)域逐漸取代鍛鐵材料，自1890年以后成為金屬結(jié)構(gòu)的主要材料。20世紀(jì)初焊接(welding)技術(shù)的出現(xiàn)，以及1934年高強(qiáng)度螺栓(high-strength bolts)連接的出現(xiàn)，極大地促進(jìn)了鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。除西歐、北美之外，鋼結(jié)構(gòu)在前蘇聯(lián)和日本等國家也獲得了廣泛的應(yīng)用，逐漸發(fā)展成為全世界所接受的重要結(jié)構(gòu)體系。由于我國長期處于封建主義統(tǒng)治之下，束縛了生產(chǎn)力的發(fā)展，1840年鴉片戰(zhàn)爭以后，更淪為半封建半殖民地國家，經(jīng)濟(jì)凋敝，工業(yè)落后，古代在鐵結(jié)構(gòu)方面的技術(shù)優(yōu)勢早已喪失殆盡。我國在1907年才建成了漢陽鋼鐵廠，年產(chǎn)鋼只有0.85萬噸。日本帝

5、國主義侵略中國期間，曾在東北的鞍山、本溪建設(shè)了幾個鋼鐵企業(yè)，瘋狂掠奪我國的寶貴資源。1943年是我國歷史上鋼鐵產(chǎn)量最高的一年，生產(chǎn)生鐵180萬噸，鋼90萬噸，絕大部分是在東北生產(chǎn)的。這些鋼鐵很少用于建設(shè)，大部分被日本帝國主義用于反動的侵略戰(zhàn)爭。新中國成立后，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)曾起過重要作用，如第一個五年計劃期間，建設(shè)了一大批鋼結(jié)構(gòu)廠房、橋梁。但由于受到鋼產(chǎn)量的制約，在其后的很長一段時間內(nèi)，鋼結(jié)構(gòu)被限制使用在其他結(jié)構(gòu)不能代替的重大工程項目中，在一定程度上，影響了鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。自1978年我國實(shí)行改革開放政策以來，經(jīng)濟(jì)建設(shè)獲得了飛速的發(fā)展，鋼產(chǎn)量逐年增加。自1996年超過1億噸以來，一直位

6、列世界鋼產(chǎn)量的首位，2003年更達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的2.2億噸，逐步改變著鋼材供不應(yīng)求的局面。我國的鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)政策，也從“限制使用”改為積極合理地推廣應(yīng)用。近年來，隨著市場經(jīng)濟(jì)的不斷完善，鋼結(jié)構(gòu)制作和安裝企業(yè)像雨后春筍般在全國各地涌現(xiàn)，外國著名鋼結(jié)構(gòu)廠商也紛紛打入中國市場。在多年工程實(shí)踐和科學(xué)研究的基礎(chǔ)之上，我國新的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50017和冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范GB50018也已發(fā)布實(shí)施。所有這些，為鋼結(jié)構(gòu)在我國的快速發(fā)展創(chuàng)造了條件。1-2 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用1.2.1 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與其他材料的結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)：(1) 鋼材強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)重量輕。 鋼與磚石和混凝土相比，雖然密度較大，

7、但強(qiáng)度更高，故其密度與強(qiáng)度的比值較小，承受同樣荷載時，鋼結(jié)構(gòu)要比其他結(jié)構(gòu)輕。例如，當(dāng)跨度和荷載均相同時，鋼屋架的重量僅為鋼筋混凝土屋架的1/31/4，冷彎薄壁型鋼屋架甚至接近1/10。為運(yùn)輸和吊裝提供了方便。由于鋼構(gòu)件常較柔細(xì)，因此穩(wěn)定問題比較突出，應(yīng)給予充分注意。(2) 材質(zhì)均勻，且塑性韌性好。 與磚石和混凝土相比，鋼材屬單一材料，由于生產(chǎn)過程質(zhì)量控制嚴(yán)格，因此組織構(gòu)造比較均勻，且接近各向同性，鋼材的彈性模量很高，在正常使用情況下具有良好的延性，可簡化為理想彈塑性體，最符合一般工程力學(xué)的基本假定，計算結(jié)果比較可靠。由于重量輕和韌性好，鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能也好于其他結(jié)構(gòu)。(3) 良好的加工性能和焊

8、接性能。 鋼材具有良好的冷熱加工性能和焊接性能，便于在專業(yè)化的金屬結(jié)構(gòu)廠大批量生產(chǎn)出精度較高的構(gòu)件，然后運(yùn)至現(xiàn)場，進(jìn)行工地拼接和吊裝，既可保證質(zhì)量，又可縮短施工周期。(4) 密封性好。 采用焊接連接的鋼板結(jié)構(gòu)，具有較好的水密性和氣密性，可用來制作壓力容器、管道，甚至載人太空結(jié)構(gòu)。(5) 鋼材的可重復(fù)使用性。 鋼結(jié)構(gòu)加工制造過程中產(chǎn)生的余料和碎屑，以及廢棄和破壞了的鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，均可回爐重新冶煉成鋼材重復(fù)使用。因此鋼材被稱為綠色建筑材料或可持續(xù)發(fā)展的材料。(6) 鋼材耐熱但不耐火。 鋼材長期經(jīng)受100輻射熱時，性能變化不大，具有一定的耐熱性能。但當(dāng)溫度超過200時，會出現(xiàn)蘭脆現(xiàn)象，當(dāng)溫度達(dá)600

9、時，鋼材進(jìn)入熱塑性狀態(tài)，將喪失承載能力。因此在有防火要求的建筑中采用鋼結(jié)構(gòu)時，必須采用耐火材料加以保護(hù)。(7) 耐腐蝕性差。 鋼材耐銹蝕的性能較差，因此必須對鋼結(jié)構(gòu)采取防護(hù)措施，使它的維護(hù)費(fèi)用較磚石和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為高。不過在沒有侵蝕性介質(zhì)的一般廠房中，鋼構(gòu)件經(jīng)過徹底除銹并涂上合格的油漆后，銹蝕問題并不嚴(yán)重。對處于濕度大，有侵蝕性介質(zhì)環(huán)境中的結(jié)構(gòu)，可采用耐候鋼或不銹鋼提高其抗銹蝕性能。(8) 鋼結(jié)構(gòu)的低溫冷脆傾向。由厚鋼板焊接而成的承受拉力和彎矩的構(gòu)件及其連接節(jié)點(diǎn)，在低溫下有脆性破壞的傾向，應(yīng)引起足夠的重視。1.2.2 鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，鋼結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用

10、范圍也在不斷擴(kuò)大。目前鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍大致如下（圖1.2.11.2.8）(1) 大跨結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)跨度越大，自重在荷載中所占的比例就越大，減輕結(jié)構(gòu)的自重會帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益。鋼材強(qiáng)度高結(jié)構(gòu)重量輕的優(yōu)勢正好適合于大跨結(jié)構(gòu)，因此鋼結(jié)構(gòu)在大跨空間結(jié)構(gòu)和大跨橋梁結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。所采用的結(jié)構(gòu)形式有空間桁架、網(wǎng)架、網(wǎng)殼、懸索（包括斜拉體系）、張弦梁、實(shí)腹或格構(gòu)式拱架和框架等。(2) 工業(yè)廠房吊車起重量較大或者其工作較繁重的車間的主要承重骨架多采用鋼結(jié)構(gòu)。另外，有強(qiáng)烈輻射熱的車間，也經(jīng)常采用鋼結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)形式多為由鋼屋架和階形柱組成的門式剛架或排架，也有采用網(wǎng)架做屋蓋的結(jié)構(gòu)形式。近年來，隨著壓型鋼板等輕型屋面

11、材料的采用，輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房得到了迅速的發(fā)展。其結(jié)構(gòu)形式主要為實(shí)腹式變截面門式剛架。圖1.2.1 哈爾濱會展中心屋蓋(230m跨)圖1.2.2 獨(dú)塔斜拉橋海河大橋 圖1.2.3 輕鋼工業(yè)廠房門式剛架(3) 受動力荷載影響的結(jié)構(gòu)由于鋼材具有良好的韌性，設(shè)有較大鍛錘或產(chǎn)生動力作用的其他設(shè)備的廠房，即使屋架跨度不大，也往往由鋼制成。對于抗震能力要求高的結(jié)構(gòu)，采用鋼結(jié)構(gòu)也是比較適宜的。(4) 多層和高層建筑由于鋼結(jié)構(gòu)的綜合效益指標(biāo)優(yōu)良，近年來在多、高層民用建筑中也得到了廣泛的應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)形式主要有多層框架、框架支撐結(jié)構(gòu)、框筒、懸掛、巨型框架等。(5) 高聳結(jié)構(gòu)高聳結(jié)構(gòu)包括塔架和桅桿結(jié)構(gòu)，如高壓輸電線路

12、的塔架、廣播、通信和電視發(fā)射用的塔架和桅桿、火箭（衛(wèi)星）發(fā)射塔架等。圖1.2.4 上海金茂大廈 圖1.2.5 黑龍江電視塔(336m)(6) 可拆卸的結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)不僅重量輕，還可以用螺栓或其他便于拆裝的手段來連接，因此非常適用于需要搬遷的結(jié)構(gòu)，如建筑工地、油田和需野外作業(yè)的生產(chǎn)和生活用房的骨架等。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工用的模板和支架，以及建筑施工用的腳手架等也大量采用鋼材制作。(7) 容器和其他構(gòu)筑物冶金、石油、化工企業(yè)中大量采用鋼板做成的容器結(jié)構(gòu)，包括油罐、煤氣罐、高爐、熱風(fēng)爐等。此外，經(jīng)常使用的還有皮帶通廊棧橋、管道支架、鍋爐支架等其他鋼構(gòu)筑物，海上采油平臺也大都采用鋼結(jié)構(gòu)。(8) 輕型鋼結(jié)構(gòu)鋼

13、結(jié)構(gòu)重量輕不僅對大跨結(jié)構(gòu)有利，對屋面活荷載特別輕的小跨結(jié)構(gòu)也有優(yōu)越性。因為當(dāng)屋面活荷載特別輕時，小跨結(jié)構(gòu)的自重也成為一個重要因素。冷彎薄壁型鋼屋架在一定條件下的用鋼量可比鋼筋混凝土屋架的用鋼量還少。輕鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式有實(shí)腹變截面門式剛架、冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)（包括金屬拱形波紋屋蓋）以及鋼管結(jié)構(gòu)等。圖1.2.6 立式油罐 圖1.2.7 南京航空港直接焊接管結(jié)構(gòu)(9) 鋼和混凝土的組合結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件和板件受壓時必須滿足穩(wěn)定性要求，往往不能充分發(fā)揮它的強(qiáng)度高的作用，而混凝土則最宜于受壓不適于受拉，將鋼材和混凝土并用，使兩種材料都充分發(fā)揮它的長處，是一種很合理的結(jié)構(gòu)。近年來這種結(jié)構(gòu)在我國獲得了長足的發(fā)展，廣泛

14、應(yīng)用于高層建筑(如深圳的賽格廣場)、大跨橋梁、工業(yè)廠房和地鐵站臺柱等。主要構(gòu)件形式有鋼與混凝土組合梁和鋼管混凝土柱等。圖1.2.8 施工中的賽格廣場高層建筑1-3 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法1.3.1 概率極限狀態(tài)設(shè)計法一. 結(jié)構(gòu)的功能要求建筑結(jié)構(gòu)要解決的基本問題是，力求以較為經(jīng)濟(jì)的手段，使所要建造的結(jié)構(gòu)具有足夠的可靠度(degree of reliability)，以滿足各種預(yù)定功能的要求。結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計使用年限內(nèi)應(yīng)滿足的功能有：(1) 在正常施工和正常使用時，能承受可能出現(xiàn)的各種作用；(2) 在正常使用時具有良好的工作性能；(3) 在正常維護(hù)下具有足夠的耐久性；(4) 在設(shè)計規(guī)定的偶然事件（如地震

15、、火災(zāi)、爆炸、撞擊等）發(fā)生時及發(fā)生后，仍能保持必須的整體穩(wěn)定性。上述“各種作用”是指凡使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力或變形的各種原因，如施加在結(jié)構(gòu)上的集中荷載或分布荷載，以及引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因，例如地震、地基沉降、溫度變化等。二. 結(jié)構(gòu)的可靠度結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的能力，稱為結(jié)構(gòu)的可靠性(reliability)。結(jié)構(gòu)可靠度是對結(jié)構(gòu)可靠性的定量描述，即結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率。對結(jié)構(gòu)可靠度的要求與結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準(zhǔn)期長短有關(guān)，設(shè)計基準(zhǔn)期長，可靠度要求就高，反之則低。一般建筑物的設(shè)計基準(zhǔn)期為50年。三. 結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過

16、某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要求，稱此特定狀態(tài)為該功能的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)實(shí)質(zhì)上是結(jié)構(gòu)可靠與不可靠的界限，故也可稱為“界限狀態(tài)”。對于結(jié)構(gòu)的各種極限狀態(tài)，均應(yīng)規(guī)定明確的標(biāo)志或限值。我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（以下簡稱GB50017規(guī)范或規(guī)范）規(guī)定，承重結(jié)構(gòu)應(yīng)按下列二類極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計：(1) 承載能力極限狀態(tài) 包括：構(gòu)件和連接的強(qiáng)度破壞、疲勞破壞和因過度變形而不適于繼續(xù)承載，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件喪失穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動體系和結(jié)構(gòu)傾覆。(2) 正常使用極限狀態(tài) 包括：影響結(jié)構(gòu)、構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件正常使用或耐久性能的局部損壞（包括組合結(jié)構(gòu)中混凝土裂縫）。承載能力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)相比較，前者可能導(dǎo)

17、致人身傷亡和大量財產(chǎn)損失，故其出現(xiàn)的概率應(yīng)當(dāng)很低，而后者對生命的危害較小，故允許出現(xiàn)的概率可高些，但仍應(yīng)給予足夠的重視。四. 概率極限狀態(tài)設(shè)計原理設(shè)結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)采用下列極限狀態(tài)方程描述： (1.3.1)式中 ()結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)；xi(i=1,2,n)影響結(jié)構(gòu)或構(gòu)件可靠度的基本變量，系指結(jié)構(gòu)上的各種作用和材料性能、幾何參數(shù)等；進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠度分析時，也可采用作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力作為綜合的基本變量；基本變量均可考慮為相互獨(dú)立的隨機(jī)變量。當(dāng)僅有作用效應(yīng)S和結(jié)構(gòu)抗力R兩個基本變量時，結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)可表為： (1.3.2)由于R和S都是隨機(jī)變量，其函數(shù)Z也是一個隨機(jī)變量。功能函數(shù)Z存在三種可能狀態(tài)： 0

18、結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài) 0 結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài) 0 結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)定值設(shè)計法認(rèn)為R和S都是確定性的變量，結(jié)構(gòu)只要按0設(shè)計，并賦予一定的安全系數(shù)，結(jié)構(gòu)就是絕對安全的。事實(shí)并非如此，由于Z的隨機(jī)性，結(jié)構(gòu)失效事故仍時有所聞。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的失效概率可表示為： (1.3.3)設(shè)R和S的概率統(tǒng)計值均服從正態(tài)分布，可分別算出它們的平均值、和標(biāo)準(zhǔn)差、，則功能函數(shù)也服從正態(tài)分布，它的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為 (1.3.4) (1.3.5)圖1.3.1 示功能函數(shù)為正態(tài)分布的概率密度曲線。圖中由-到0的陰影面積表示Z 0的概率，即失效概率，需采用積分法求得。由圖1.3.1中可見，在正態(tài)分布的概率密度曲線中存在著Z的平均值和標(biāo)

19、準(zhǔn)差的下述關(guān)系： (1.3.6)令 (1.3.7)f2(z)zZ1Z=R-SPf1Pf2Z21z1z1失效可靠z22z2圖1.3.1 功能函數(shù)Z的概率密度曲線由圖中可以看出兩個具有相同平均值，不同標(biāo)準(zhǔn)差的功能函數(shù)z1和z2的間有如下關(guān)系，或，而，說明值與失效概率存在著對應(yīng)關(guān)系： (1.3.8)式中 標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。式(1.3.8)說明，只要求出就可獲得對應(yīng)的失效概率 (而可靠度)，故稱為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度指標(biāo)(reliability index)。與可靠度指標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系見表1.3.1。表1.3.1 失效概率與可靠指標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系2.52.73.23.74.2將式(1.3.4)和(1.3.5)代入

20、式(1.3.7)有： (1.3.9)當(dāng)R和S的統(tǒng)計值不按正態(tài)分布時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠指標(biāo)應(yīng)以它們的當(dāng)量正態(tài)分布的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差代入公式(1.3.9)來計算。當(dāng)功能函數(shù)Z為非線性函數(shù)時，可將此函數(shù)展為泰勒級數(shù)而取其線性項計算。由于的計算只采用分布的特征值，即一階原點(diǎn)矩(均值)和二階中心矩（方差，即標(biāo)準(zhǔn)差的平方），對非線性函數(shù)只取線性項，而不考慮Z的全分布，故稱此法為一次二階矩法。結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計時采用的可靠指標(biāo)，可根據(jù)對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度分析(所謂校準(zhǔn)法)，并考慮使用經(jīng)驗和經(jīng)濟(jì)因素等確定。我國建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(GB50068)規(guī)定，結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)的可靠指標(biāo)，不應(yīng)小于表1.3.2的

21、規(guī)定。鋼結(jié)構(gòu)各種構(gòu)件，按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范設(shè)計，經(jīng)校準(zhǔn)分析，其值在3.2左右，鋼結(jié)構(gòu)一般情況下屬延性破壞，故總體安全等級為二級。表1.3.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)的可靠指標(biāo)破壞類型安 全 等 級一級二級三級延性破壞3.73.22.7脆性破壞4.23.73.2五. 設(shè)計表達(dá)式1 承載能力極限狀態(tài)表達(dá)式為了應(yīng)用簡便并符合人們長期已熟悉的形式，可將公式(1.3.9)做如下變換：由于 故得 (1.3.10) 式中 ；式(1.3.10)左、右分別為S和R的設(shè)計驗算點(diǎn)坐標(biāo)S*和R*，可寫為：S*R* (1.3.11)建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(GB50068)規(guī)定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式，應(yīng)根據(jù)各種極

22、限狀態(tài)的設(shè)計要求，采用有關(guān)的荷載代表值、材料性能標(biāo)準(zhǔn)值、幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值以及各種分項系數(shù)等表達(dá)。作用分項系數(shù)（包括荷載分項系數(shù)、）和結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力分項系數(shù)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)功能函數(shù)中基本變量的統(tǒng)計參數(shù)和概率分布類型，以及表1.3.2規(guī)定的結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠指標(biāo)，通過計算分析，并考慮工程經(jīng)驗確定?？紤]到施加在結(jié)構(gòu)上的可變荷載往往不止一種，這些荷載不可能同時達(dá)到各自的最大值，因此，還要根據(jù)組合荷載效應(yīng)分布來確定荷載的組合系數(shù)和。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)應(yīng)按結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全等級、設(shè)計使用年限并考慮工程經(jīng)驗確定。根據(jù)結(jié)構(gòu)的功能要求，進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時，應(yīng)考慮作用效應(yīng)的基本組合，必要時尚應(yīng)考慮作用效應(yīng)的偶然組合（考慮如火災(zāi)、

23、爆炸、撞擊、地震等偶然事件的組合）。(1) 基本組合在荷載（作用）效應(yīng)的基本組合條件下，式(1.3.11)可轉(zhuǎn)化為等效的以基本變量標(biāo)準(zhǔn)值、分項系數(shù)和組合系數(shù)，并以應(yīng)力形式表達(dá)的極限狀態(tài)公式。其荷載效應(yīng)的基本組合按下列設(shè)計表達(dá)式中的最不利值確定：可變荷載效應(yīng)控制的組合： (1.3.12)永久荷載效應(yīng)控制的組合： (1.3.13)對于一般排架、框架結(jié)構(gòu)，可采用簡化式計算：由可變荷載效應(yīng)控制的組合： (1.3.14)由永久荷載效應(yīng)控制的組合，仍按式(1.3.13)進(jìn)行計算。式中 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對安全等級為一級或設(shè)計使用年限為100年及以上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于1.1；對安全等級為二級或設(shè)計使用年限為

24、50年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于1.0；對安全等級為三級或設(shè)計使用年限為5年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于0.9；對使用年限為25年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于0.95； 永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面或連接中產(chǎn)生的應(yīng)力； 起控制作用的第一個可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面或連接中產(chǎn)生的應(yīng)力（該值使計算結(jié)果為最大）； 其他第i個可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面或連接中產(chǎn)生的應(yīng)力； 永久荷載分項系數(shù)，當(dāng)永久荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力不利時取1.2，但對(1.3.13)則取1.35。當(dāng)永久荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力有利時，取為1.0；驗算結(jié)構(gòu)傾覆、滑移或漂浮時取0.9； 、第一個和其他第i個可變荷載分項系數(shù)，當(dāng)可變荷載效應(yīng)對結(jié)

25、構(gòu)構(gòu)件的承載能力不利時，取1.4（當(dāng)樓面活荷載大于4.0 KN /m2時，取1.3）；有利時，取為0； 第i個可變荷載的組合值系數(shù)，可按荷載規(guī)范的規(guī)定采用； 簡化式中采用的荷載組合值系數(shù)，一般情況下可采用0.9；當(dāng)只有一個可變荷載時，取為1.0； 鋼材或連接的強(qiáng)度設(shè)計值，對鋼材為屈服點(diǎn)()除以抗力分項系數(shù)的商。如Q235鋼抗拉強(qiáng)度設(shè)計值；對于端面承壓和連接則為極限強(qiáng)度()除以抗力分項系數(shù)即。各種鋼材和連接的強(qiáng)度設(shè)計值見附錄1。式(1.3.12)和(1.3.13)中，除第一個可變荷載的組合值系數(shù)的樓蓋（例如儀器車間倉庫、金工車間、輪胎廠準(zhǔn)備車間、糧食加工車間等的樓蓋）或屋蓋（高爐附近的屋面積灰）

26、，必然由式(1.3.13)控制設(shè)計取外，其他只有大型混凝土屋面板的重型屋蓋以及很特殊情況才有可能由式(1.3.13)控制設(shè)計。(2) 偶然組合對于偶然組合，極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式宜按下列原則確定：偶然作用的代表值不乘分項系數(shù)；與偶然作用同時出現(xiàn)的可變荷載，應(yīng)根據(jù)觀測資料和工程經(jīng)驗采用適當(dāng)?shù)拇碇?，具體的設(shè)計表達(dá)式及各種系數(shù)，應(yīng)符合專門規(guī)范的規(guī)定。2 正常使用極限狀態(tài)表達(dá)式對于正常使用極限狀態(tài)，按建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求分別采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合和準(zhǔn)永久組合進(jìn)行設(shè)計，并使變形等設(shè)計不超過相應(yīng)的規(guī)定限值。鋼結(jié)構(gòu)只考慮荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合，其設(shè)計式為： (1.3.15)式中 永久荷載的標(biāo)準(zhǔn)值

27、在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值； 起控制作用的第一個可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值（該值使計算結(jié)果為最大）； 其他第i個可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生的變形值； 結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的容許變形值，具體規(guī)定見附錄2。1.3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分析方法一. 一階彈性分析建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力一般按結(jié)構(gòu)靜力學(xué)的方法進(jìn)行一階彈性分析(first order elastic analysis)求得。分析時力的平衡條件按變形前的結(jié)構(gòu)桿件軸線建立，即不考慮結(jié)構(gòu)變形對內(nèi)力的影響。因此，可以利用疊加原理，先分別按各種荷載單獨(dú)計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，然后進(jìn)行內(nèi)力組合得到結(jié)構(gòu)各部位的最不利內(nèi)力設(shè)計值。這正是極限狀態(tài)設(shè)計表

28、達(dá)式(1.3.12)(1.3.15)建立的基礎(chǔ)之一。二. 框架結(jié)構(gòu)的近似二階彈性分析1.二階彈性分析二階彈性分析與一階彈性分析的不同之處在于，力的平衡條件是按發(fā)生變形后的桿件軸線建立的?，F(xiàn)以圖1.3.2(a)所示橫梁剛度為無窮大的單跨有側(cè)移的對稱框架為例，來說明二者的不同。EIPEIPPAPP2PEIEIl2hPP2PI2PEI=hxPIyxPPPPPyP-EIy”PAPPEIOx (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g)圖1.3.2 單跨對稱框架分析由于橫梁剛度無窮大，框架在荷載作用下，無節(jié)點(diǎn)角位移而只有側(cè)移，柱子的反彎點(diǎn)位于柱子中點(diǎn)，因此分析時可將框架簡化為懸臂柱如圖1.3.

29、2(d)所示。圖(b)和(e)分別為框架和懸臂柱按一階彈性分析時的計算簡圖。顯然框架的柱頂位移為： (1.3.16)固端彎矩為 (1.3.17)由位移和內(nèi)力公式可見，一階分析的位移和內(nèi)力均與水平荷載成線性關(guān)系。圖(c)和(f)分別為框架和懸臂柱按二階分析時的計算簡圖。(g)為按懸臂柱模型進(jìn)行二階分析時的隔離體圖?？蓪懗龈綦x體的平衡方程為： (1.3.18)由二階微分方程可解得彈性位移曲線，取xh時，可求得： (1.3.19)則： (1.3.20)式中 。固端彎矩為： (1.3.21)由式(1.3.19)可見，位移與P成非線性關(guān)系，這是與一階分析的根本不同之處。比較兩種分析方法，可見二階彈性分析

30、的結(jié)果更接近于實(shí)際，而且自動考慮了桿件的彈性穩(wěn)定問題，但計算工作量卻大大增加，計算結(jié)果中還包含超越函數(shù)，解算難度較大。 2. 框架結(jié)構(gòu)的近似二階彈性分析(1) P-效應(yīng)的基本概念HiHiPiPiPPi1ii-1iihi 設(shè)圖1.3.3(a)所示為單跨對稱框架在受到豎向和水平荷載共同作用下的最終變形狀態(tài)，根據(jù)上述分析可知，柱頂側(cè)移i與豎向荷載Pi之間呈復(fù)雜的非線性關(guān)系?，F(xiàn)假設(shè)i已知，則Pi將對框架柱底產(chǎn)生一附加彎矩，該值為Pii，相當(dāng)于在該柱頂增加了一個假想水平力的作用。如果將兩個柱子的假想水平力施加于框架頂部，如圖(c)所示，就可以用一階分析的方式考慮豎向荷載的二階影響，最終計算可按圖(d)分

31、析。 + (a) 終了狀態(tài) (b) 一階側(cè)移1i (c) 二階影響 (d) P-效應(yīng)分析圖1.3.3 P-二階效應(yīng)分析定義該框架的側(cè)移剛度為單位側(cè)移所需施加的水平力。由(b)圖知該剛度為Hi/1i，由(d)圖知該剛度為(Hi+Pii/hi)/i。在一階分析中，假設(shè)框架的剛度與軸力無關(guān)，故有： (1.3.22)可解出： (1.3.23)式中 (1.3.24)稱為考慮P-二階效應(yīng)的側(cè)移增加系數(shù)。因此可以用一階側(cè)移1i乘以2i求得考慮二階效應(yīng)影響的最終側(cè)移i。由圖1.3.3(a)可以看出，由于變形的影響，結(jié)構(gòu)將增加的二階彎矩作用，即在一階彎矩的基礎(chǔ)上，將增加倍的一階側(cè)移彎矩的作用。(2) 多層框架的

32、近似二階彈性分析對于多層框架，同樣可以采用上述的P-分析方法，在一階分析的基礎(chǔ)上考慮二階效應(yīng)的影響。圖1.3.4所示為典型的多層框架一階分析計算過程圖。原結(jié)構(gòu)的一階彎矩M1可由無側(cè)移框架(圖1.3.4 b,為結(jié)構(gòu)力學(xué)位移法的基本結(jié)構(gòu))的彎矩M1b和有側(cè)移框架(圖1.3.4 c,為撤掉各層約束后的框架位移)的彎矩M1s疊加求得： (1.3.25)H3H3H2H2H1H1H3H2H1q3q2q1q3q2q1H3H2H1u1u2u3 + (a) (b) (c) 圖1.3.4 多層框架的一階分析當(dāng)考慮近似二階分析時，各層的二階層間側(cè)移可由P-效應(yīng)增大系數(shù)乘以各層的一階層間側(cè)移得到。相應(yīng)的有側(cè)移框架的各

33、層彎矩也將增大倍，變?yōu)?。于是，?dāng)采用二階近似分析時，框架桿件的彎矩為： (1.3.26)式中 假定框架無側(cè)移時(圖b)按一階彈性分析求得的各桿彎矩；框架各節(jié)點(diǎn)側(cè)移時(圖c)按一階彈性分析求得的桿件彎矩；考慮二階效應(yīng)第i層桿件的側(cè)移彎矩增大系數(shù)， (1.3.27)其中系指產(chǎn)生層間側(cè)移的所計算樓層及其以上各層的水平荷載之和；是本層所有柱的軸力之和。算例分析表明，當(dāng)(即1.33)時，該近似方法的精確度較高，彎矩誤差在7以內(nèi)。當(dāng)時，誤差較大，此時應(yīng)增加框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，使。當(dāng)時，二階分析和一階分析的結(jié)果差別很小，說明框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度較大，可忽略側(cè)移對內(nèi)力分析的影響，可采用一階分析法來計算框架的內(nèi)

34、力。式中是一階的層間側(cè)移值，為能簡便判別是否要用二階分析的條件，計算時可用層間側(cè)移的容許值代替。規(guī)范GB50017還規(guī)定，當(dāng)采用此近似二階彈性分析時，還要考慮結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的各種缺陷對內(nèi)力的影響，其影響可通過在框架每層柱頂施加假想水平力(概念荷載)來綜合體現(xiàn)，有關(guān)細(xì)節(jié)請參閱規(guī)范。必須指出，由于二階彈性分析時荷載和位移呈非線性關(guān)系，疊加原理已不再適用，上一節(jié)給出的極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式也同樣不再適用。為了得到柱子各個截面上的最不利內(nèi)力設(shè)計值，必須先進(jìn)行荷載組合。在各種荷載組合下進(jìn)行二階彈性分析，然后相互比較求得最不利的內(nèi)力設(shè)計值。在用二階內(nèi)力計算框架柱的整體穩(wěn)定時，框架柱的計算長度系數(shù)可取1.0，這是二

35、階分析與一階分析在穩(wěn)定計算中的重要不同之處。1-4 鋼結(jié)構(gòu)的新發(fā)展隨著人類社會在經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)方面的不斷發(fā)展和進(jìn)步，在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域也取得了不少新的進(jìn)展。1.4.1 結(jié)構(gòu)用鋼的新發(fā)展國內(nèi)外在高性能鋼材的應(yīng)用方面取得不少新進(jìn)展，其中包括高強(qiáng)度高性能鋼、低屈服點(diǎn)鋼和耐火鋼的開發(fā)和應(yīng)用等。我國新修訂的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中增列了性能優(yōu)良的Q420鋼，該鋼材(15MnVN)已成功地應(yīng)用在九江長江大橋的建設(shè)中。另外我國冶金部門制訂了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)高層建筑結(jié)構(gòu)用鋼板(YB4104)，該鋼板是專門供高層建筑和其他重要建(構(gòu))筑物用來生產(chǎn)厚板焊接截面構(gòu)件的。其性能與日本建筑結(jié)構(gòu)用鋼材相近，而且質(zhì)量上還有所改進(jìn)。我國有些企業(yè)正

36、在試生產(chǎn)屈服點(diǎn)達(dá)到100N/mm2的低屈服點(diǎn)鋼材，相當(dāng)于日本的LY100鋼，可用于抗震結(jié)構(gòu)的耗能部件。有的企業(yè)正在開發(fā)耐火鋼，該鋼即使加熱到600也能保持常溫2/3以上的強(qiáng)度。日本在1994年制定了新的建筑結(jié)構(gòu)專用鋼材規(guī)格建筑結(jié)構(gòu)用軋制鋼材(JIS G3136):SN標(biāo)準(zhǔn)。該種鋼材的質(zhì)量等級已不再按夏比(Charpy)沖擊試驗分類，而是按使用部位、提示有關(guān)需要分類。如SN400A（相當(dāng)于我國的Q235A）只能使用在次要構(gòu)件處于彈性范圍的、原則上非焊接的構(gòu)件或部位；SN400B及SN490B（接近于我國Q345強(qiáng)度等級）是能保證塑性變形和焊接性能的鋼材。使用在抗震結(jié)構(gòu)構(gòu)件和部位中；SN400C及

37、SN490C具有非常好的抗層狀撕裂性能，主要使用在如箱型柱的外部板材等需要板厚方向性能（Z向性能）的構(gòu)件和部位中。SN B、C類鋼材均對屈服點(diǎn)的上限值做出了規(guī)定，以防構(gòu)件需塑性變形耗能的部位不能進(jìn)入塑性屈服；并對碳當(dāng)量及磷、硫的上限予以嚴(yán)格限制。SN C類鋼材對硫的含量提出了更嚴(yán)格的限制，并規(guī)定生產(chǎn)廠家有義務(wù)進(jìn)行超聲探傷試驗，以確保板厚方向的性能。目前日本國內(nèi)建筑用厚鋼板的70為SN鋼材。日本已開發(fā)出LY225鋼、LY100鋼等低屈服點(diǎn)鋼和耐火鋼(FR鋼)。美國和歐洲等國家也在高強(qiáng)度高性能鋼材的研制和應(yīng)用等方面做出了不少貢獻(xiàn)。如美國生產(chǎn)的經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的合金鋼板A514，其屈服點(diǎn)高達(dá)690 N/m

38、m2，并可用于焊接生產(chǎn)。相對來說，我國鋼材的種類和質(zhì)量均不及工業(yè)發(fā)達(dá)國家的。如何研制開發(fā)新型高效鋼材是擺在我國冶金戰(zhàn)線科技工作者面前的一項重要任務(wù)。1.4.2 新型結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用和發(fā)展近年來，在全國各地修建了大量的大跨空間結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式已在全國普及，張弦桁架、懸掛結(jié)構(gòu)也有很多應(yīng)用實(shí)例；直接焊接鋼管結(jié)構(gòu)、變截面輕鋼門式剛架、金屬拱型波紋屋蓋等輕鋼結(jié)構(gòu)也已遍地開花；鋼結(jié)構(gòu)的高層建筑也在不少城市拔地而起；適合我國國情的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)也有了廣泛應(yīng)用；目前好多地方都在建造索膜結(jié)構(gòu)的罩棚和建筑小品；?？梢院敛豢鋸埖卣f，我國已成了各種鋼結(jié)構(gòu)體系的展覽館和試驗場。各種不同的結(jié)構(gòu)體系各有

39、所長，但生命力較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)體系均具有如下特點(diǎn)：(1) 必須是幾何不可變的(除懸索、薄膜等張拉結(jié)構(gòu))空間整體，在各類作用的效應(yīng)之下能保持穩(wěn)定性、必要的承載力和剛度；(2) 應(yīng)使結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度得到充分地利用，使自重趨于最低；(3) 能利用材料的長處，避免克服其短處；(4) 能使結(jié)構(gòu)空間和建筑空間互相協(xié)調(diào)、統(tǒng)一；(5) 能適合本國情況，制作、安裝簡便，綜合效益好。目前我國正在進(jìn)行大規(guī)模的基本建設(shè)，許多大型復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)工程，包括2008年奧運(yùn)場館工程的建設(shè)都正在進(jìn)行中。選擇先進(jìn)合理的結(jié)構(gòu)體系，既能滿足建筑藝術(shù)需要，又能做到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用、確保質(zhì)量就顯得非常重要。目前有一種為追求建筑造型新奇

40、、怪異，而不惜浪費(fèi)鋼材采用最笨重的結(jié)構(gòu)形式的傾向是值得警惕的。1.4.3 設(shè)計方法的新發(fā)展目前我國采用的概率極限狀態(tài)設(shè)計法的特點(diǎn)是用根據(jù)各種不定性分析所得到的失效概率(或可靠指標(biāo))去度量結(jié)構(gòu)的可靠性，并使所計算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度達(dá)到預(yù)期的一致性和可比性。但是該方法還有待發(fā)展，因為用它計算的可靠度還只是構(gòu)件或某一截面的可靠度而不是結(jié)構(gòu)體系的可靠度，該方法也不適用于構(gòu)件或連接的疲勞驗算。目前大多數(shù)國家(當(dāng)然包括我國)采用計算長度法計算鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題。該方法的步驟是：采用一階分析求解結(jié)構(gòu)內(nèi)力，按各種荷載組合求出各桿件的最不利內(nèi)力，按第一類彈性穩(wěn)定問題建立結(jié)構(gòu)達(dá)臨界狀態(tài)時的特征方程，確定各壓桿的計算

41、長度；將各桿件隔離出來，按單獨(dú)的壓彎構(gòu)件進(jìn)行穩(wěn)定承載力驗算，驗算中考慮了彈塑性、殘余應(yīng)力和幾何缺陷等的影響。該方法的最大特點(diǎn)是采用計算長度系數(shù)來考慮結(jié)構(gòu)體系對被隔離出來的構(gòu)件的影響，計算比較簡單，對比較規(guī)則的結(jié)構(gòu)也可給出較好的結(jié)果。規(guī)范GB50017在5.3.3條中列入了有支撐框架柱計算長度系數(shù)的有關(guān)條款，并給出了強(qiáng)、弱支撐框架的概念。認(rèn)為弱支撐不足以阻止框架的側(cè)移，其框架壓桿的穩(wěn)定系數(shù)可利用規(guī)范中查得的相應(yīng)于有、無側(cè)移框架柱的穩(wěn)定系數(shù)經(jīng)插值求得。該法計算比較簡單，概念也較清楚，完善了有支撐框架的穩(wěn)定計算方法。計算長度法存在以下缺陷（以框架結(jié)構(gòu)為例）：不考慮節(jié)間荷載的影響，按理想框架分枝失穩(wěn)求特征值的方法求解穩(wěn)定問題，得不到失穩(wěn)時框架的準(zhǔn)確位移，無