1、鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),西安建筑科技大學(xué),(工程管理專業(yè)),1 概率極限狀態(tài)設(shè)計法和疲勞設(shè)計的容許應(yīng)力法,1 概率極限狀態(tài)設(shè)計法和疲勞設(shè)計的容許應(yīng)力法,1.1 結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài) 當(dāng)整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要求時，此特定狀態(tài)為該功能的極限狀態(tài)。分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。 承載能力極限狀態(tài) 對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或出現(xiàn)不適于繼續(xù)承載的變形 正常使用極限狀態(tài) 對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值 結(jié)構(gòu)的工作性能可用結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)Z來描述，設(shè)計結(jié)構(gòu)時可取荷載效應(yīng)S和結(jié)構(gòu)抗力R兩個基本隨機變量來表達(dá)結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)，即 Z=g（R，S

2、）RS （1-1） 顯然，Z是隨機變量，有以下三種情況： Z0 結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)； Z0 結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)； Z0 結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)。 可見，結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)是結(jié)構(gòu)由可靠轉(zhuǎn)變?yōu)槭У呐R界狀態(tài)。 由于R和S受到許多隨機性因素影響而具有不確定性， Z0不是必然性的事件。因此科學(xué)的設(shè)計方法是以概率為基礎(chǔ)來度量結(jié)構(gòu)的可靠性。 1.2 可靠度 按照概率極限狀態(tài)設(shè)計法，結(jié)構(gòu)的可靠度定義為結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率?！巴瓿深A(yù)定功能”指對某項規(guī)定功能而言結(jié)構(gòu)不失效。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

3、時具有良好的工作性能； (3) 在正常維護下具有足夠的耐久性； (4) 在設(shè)計規(guī)定的偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性。 規(guī)定的設(shè)計使用年限（設(shè)計基準(zhǔn)期）是指設(shè)計規(guī)定的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件不需進(jìn)行大修即可按其預(yù)定 目使用的年限。大陸規(guī)范規(guī)定建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準(zhǔn)期為50年。 若以Pr表示結(jié)構(gòu)的可靠度，則有 Pr=P（Z0） （1-2） 記Pf為結(jié)構(gòu)的失效概率，則有 Pf=P（Z0） （1-3） 顯然 Pr= 1Pf （1-4） 因此結(jié)構(gòu)可靠度的計算可轉(zhuǎn)換為失效概率的計算?？煽康慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計指的是使失效概率小到可以接受程度的設(shè)計，絕對可靠的結(jié)構(gòu)（失效概率等于零）是不存在的。由于與Z有關(guān)的多種影響

4、因素都是不確定的，其概率分布很難求得，目前只能用近似概率設(shè)計方法，同時采用可靠指標(biāo)表示失效概率。 1.3 可靠指標(biāo) 為了使結(jié)構(gòu)達(dá)到安全可靠與經(jīng)濟上的最佳平衡，必須選擇一個結(jié)構(gòu)的最優(yōu)失效概率或目標(biāo)可靠指標(biāo)。可采用“校準(zhǔn)法”求得。即通過對原有規(guī)范作反演分析，找出隱含在現(xiàn)有工程中相應(yīng)的可靠指標(biāo)值，經(jīng)過綜合分析，確定設(shè)計規(guī)范采用的目標(biāo)可靠指標(biāo)值。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠指標(biāo)不應(yīng)小于表1-1中的規(guī)定。鋼結(jié)構(gòu)連接的承載能力極限狀態(tài)經(jīng)常是強度破壞而不是屈服，可靠指標(biāo)應(yīng)比構(gòu)件為高，一般推薦用4.5。表11,1 概率極限狀態(tài)設(shè)計法和疲勞設(shè)計的容許應(yīng)力法,1.4 極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式 除疲勞計算外，鋼結(jié)

5、構(gòu)設(shè)計規(guī)范采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法，用分項系數(shù)的設(shè)計 表達(dá)式進(jìn)行計算 (1) 對于承載能力極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)采用荷載效應(yīng)的基本組合和偶然組合進(jìn)行設(shè)計 基本組合 按下列極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式中最不利值確定 由可變荷載效應(yīng)控制的組合： （1-5） 由永久荷載效應(yīng)控制的組合： （1-6） 0結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，按下列規(guī)定采用：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； G永久荷載分項系數(shù)，應(yīng)按下列規(guī)定采用：當(dāng)永久荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)構(gòu)

6、件的承載能力不利時，對 由可變荷載效應(yīng)控制的組合應(yīng)取1.2，對由永久荷載效應(yīng)控制的組合應(yīng)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，一般情況下取1.0； Q1, Qi第1個和第i個可變荷載分項系數(shù)，應(yīng)按下列規(guī)定采用：當(dāng)可變荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承 載能力不利時，在一般情況下應(yīng)取1.4，對標(biāo)準(zhǔn)值大于4.0kN/m2的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的活荷載 取1.3；當(dāng)可變荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力有利時，應(yīng)取為0； S永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)；,1 概率極限狀態(tài)設(shè)計法和疲勞設(shè)計的容許應(yīng)力法,SQ1k在基本組合中起控制作用的第1個可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)； SQik第i個可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)； ci第i個可

7、變荷載的組合值系數(shù)，其值不應(yīng)大于1； R結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設(shè)計值，R=Rk/R，Rk為結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力標(biāo)準(zhǔn)值，R為抗力分項系數(shù)，對于Q235 鋼，R=1.087；對于Q345、Q390和Q420鋼，R=1.111。 對于一般排架、框架結(jié)構(gòu)，可以采用簡化設(shè)計表達(dá)式： 由可變荷載效應(yīng)控制的組合： （1-7） 簡化設(shè)計表達(dá)式中采用的荷載組合系數(shù)，一般情況下可取=0.9，當(dāng)只有一個可變 荷載時，取=1.0。 由永久荷載效應(yīng)控制的組合仍按式（1-6）計算。 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以分項系數(shù)；與 偶然作用同時出現(xiàn)的可變荷載，應(yīng)根據(jù)觀測資料和工作經(jīng)驗采用適當(dāng)

8、的代表值。 (2) 對于正常使用極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)不同設(shè)計目的，分別選用荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合 和準(zhǔn)永久組合進(jìn)行設(shè)計，使變形、裂縫等荷載效應(yīng)的設(shè)計值符合下式的要求： SdC （1-8） Sd變形、裂縫等荷載效應(yīng)的設(shè)計值； C設(shè)計對變形、裂縫等規(guī)定的相應(yīng)限值。,1 概率極限狀態(tài)設(shè)計法和疲勞設(shè)計的容許應(yīng)力法,鋼結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)只涉及變形驗算，僅需考慮荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合： （1-9）,1 概率極限狀態(tài)設(shè)計法和疲勞設(shè)計的容許應(yīng)力法,1.5 鋼結(jié)構(gòu)的疲勞計算,疲勞斷裂的概念 鋼結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂是裂紋在連續(xù)重復(fù)荷載作用下不斷擴展以至斷裂的脆性破壞。疲勞破壞經(jīng)歷三個階段：裂紋的形成，裂紋的緩慢擴展

9、和最后迅速斷裂。 與疲勞破壞有關(guān)的幾個概念 應(yīng)力集中 應(yīng)力循環(huán)特征 連續(xù)重復(fù)荷載之下應(yīng)力從最大到最小重復(fù)一周叫做一個循環(huán)。應(yīng)力循環(huán)特征常用應(yīng)力比來表示，拉應(yīng)力取正值，壓應(yīng)力取負(fù)值。 應(yīng)力幅 應(yīng)力幅表示應(yīng)力變化的幅度，用 =max- min表示，應(yīng)力幅總是正值。,1 概率極限狀態(tài)設(shè)計法和疲勞設(shè)計的容許應(yīng)力法,疲勞壽命（致?lián)p循環(huán)次數(shù)） 疲勞壽命指在連續(xù)反復(fù)荷載作用下應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)，一般用n表示。 （1）疲勞曲線（n曲線）,(1-11),1 概率極限狀態(tài)設(shè)計法和疲勞設(shè)計的容許應(yīng)力法,1 概率極限狀態(tài)設(shè)計法和疲勞設(shè)計的容許應(yīng)力法,1 概率極限狀態(tài)設(shè)計法和疲勞設(shè)計的容許應(yīng)力法,大,陸,2 鋼結(jié)構(gòu)材料,2

10、.1 結(jié)構(gòu)鋼材的破壞形式: 塑性破壞 脆性破壞 2.2 鋼結(jié)構(gòu)對鋼材性能的要求 (1) 較高的強度: 屈服強度（屈服點）fy和抗拉強度fu (2) 良好的塑性 : 伸長率 鋼材拉伸圖 (3) 韌性好 :沖擊韌性值Cv 沖擊韌性圖 (4) 可焊性好 (5) 合格的冷彎性能 2.3 影響鋼材性能的主要因素 (1) 化學(xué)成分 鋼材由各種化學(xué)成分組成的，其基本元素為鐵（Fe），碳素結(jié)構(gòu)鋼中鐵占99%。碳和其它元 素僅占1%，但對鋼材的性能有著決定性的影響。普通低合金鋼中還含有低于5%的合金元素。,2 鋼結(jié)構(gòu)材料,碳（C） 、硫（S） 、磷（P） 、氧（O）和氮（N） 、錳（Mn） 、硅（Si）,(2)

11、 冶煉、軋制、熱處理 (3) 鋼材的硬化 時效硬化 冷作硬化 (4) 溫度的影響 (5) 復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài) (6) 應(yīng)力集中 (7) 反復(fù)荷載作用 2.4 結(jié)構(gòu)鋼材種類及其選擇 (1) 鋼材的種類和牌號 碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號由代表屈服點的字母Q、屈服點的數(shù)值（N/mm2）、質(zhì)量等級符號和脫氧方法符號等四個部分按順序組成。如Q235AF表示屈服強度為235Nmm2的A級沸騰鋼；Q235-Bb表示屈服強度為235Nmm2的B級半鎮(zhèn)靜鋼；Q235-C表示屈服強度為235Nmm2的C級鎮(zhèn)靜鋼。 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼 低合金鋼是在冶煉過程中添加一種或幾種少量合金元素，其總量低于5的鋼材。其牌號與碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號的表

12、示方法相同，常用的低合金鋼有Q345、Q390、Q420等。,2 鋼結(jié)構(gòu)材料,低合金鋼的脫氧方法為鎮(zhèn)靜鋼或特殊鎮(zhèn)靜鋼。 Q345-B表示屈服強度為345Nmm2的B級鎮(zhèn)靜鋼；Q390D表示屈服強度為390Nmm2的D級特殊鎮(zhèn)靜鋼。 碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金鋼都可以采取適當(dāng)?shù)臒崽幚?如調(diào)質(zhì)處理)進(jìn)一步提高其強度。例如用于制造高強度螺栓的45號優(yōu)質(zhì)碳素鋼以及40硼（40B）、20錳鈦硼（20MnTiB）就是通過調(diào)質(zhì)處理提高強度的。 (2) 鋼材的選用原則 鋼材選用的原則是既要使結(jié)構(gòu)安全可靠和滿足使用要求，又要最大可能節(jié)約鋼材和降低造價。為保證承重結(jié)構(gòu)的承載力和防止在一定條件下可能出現(xiàn)的脆性破壞，應(yīng)綜合考

13、慮下列因素：結(jié)構(gòu)的重要性、荷載的性質(zhì)、連接方法、結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境、鋼材厚度 （3）鋼材的規(guī)格 鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材主要為熱軋成型的鋼板、型鋼，以及冷彎成型的薄壁型鋼等。 鋼板 鋼板有薄鋼板（厚度0.354mm）、厚鋼板（厚度4.560mm）、特厚板（板厚60mm）和扁鋼(厚度460mm，寬度為12200mm)等。鋼板用“寬厚長”或“寬厚”表示，單位為mm，如45083100，4508。 型鋼 鋼結(jié)構(gòu)常用的型鋼是角鋼、工字型鋼、槽鋼和H型鋼、鋼管等。除H型鋼和鋼管有熱軋和焊接成型外，其余型鋼均為熱軋成型。 冷彎薄壁型鋼 冷彎薄壁型鋼采用薄鋼板冷軋制成。其壁厚一般為1.512mm，但承重結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件的壁厚

14、不宜小于2mm。薄壁型鋼能充分利用鋼材的強度以節(jié)約鋼材，在輕鋼結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。常用冷彎薄壁型鋼截面型式有等邊角鋼、卷邊等邊角鋼、Z型鋼、卷邊Z型鋼、槽鋼、卷邊槽鋼（C型鋼）、鋼管等。,2 鋼結(jié)構(gòu)材料,3.1 鋼結(jié)構(gòu)的連接方法 在傳力過程中，連接部位應(yīng)有足夠的強度。被連接件間應(yīng)保持正確的位置，以滿足傳力和使 用要求。 鋼結(jié)構(gòu)的連接通常有焊接，鉚接和螺栓連接三種方式（圖3-1）。 3.2 焊接連接的特性 鋼結(jié)構(gòu)常用的焊接方法有電弧焊，電渣焊、氣體保護焊和電阻焊等。 焊縫連接形式按構(gòu)件的相對位置可分為平接、搭接、T形連接和角接四種。（圖3-2） 焊縫形式主要有對接焊縫和角焊縫。其中對接焊縫按受力

15、方向可分為對接正焊縫和對接斜焊 縫；角焊縫長度方向垂直于力作用方向的稱正面角焊縫，平行于力作用方向的稱側(cè)面角焊縫。 焊縫缺陷和焊縫等級 焊縫中可能存在裂紋、氣孔、燒穿、夾渣、未焊透、咬邊、焊瘤等缺陷。（圖3-3） 鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范（GB50205）規(guī)定，焊縫依其質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)分為三級，其中 三級焊縫只要求通過外觀檢查，即檢查焊縫實際尺寸是否符合設(shè)計要求和有無看得見的裂紋，咬 邊等缺陷。對于重要結(jié)構(gòu)或要求焊縫金屬強度等于被焊金屬強度的對接焊縫，必須進(jìn)行一級或二 級質(zhì)量檢驗，即在外觀檢查的基礎(chǔ)上再做無損檢驗。其中二級要求用超聲波檢驗每條焊縫的20 長度，且不小于200mm；一級要求用超聲波

16、檢驗每條焊縫全部長度，以便揭示焊縫內(nèi)部缺陷。 焊縫代號 焊縫符號主要由圖形符號、輔助符號和引出線等部分組成。 （表3-1a） （表3-1b）,3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計,3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計,3.3 對接焊縫的構(gòu)造和計算 對接焊縫按坡口形式分為I形縫、V形縫、帶鈍邊單邊V形縫、帶鈍邊V形縫（也叫Y形縫）、 帶鈍邊U形縫、帶鈍邊雙單邊V形縫和雙Y形縫等。（圖3-4） 對基焊縫計算 對接焊縫的應(yīng)力分布情況基本上與焊件相同?？捎糜嬎愫讣姆椒ㄓ嬎銓雍缚p。對于重要 的構(gòu)件，按一、二級標(biāo)準(zhǔn)檢驗焊縫質(zhì)量，焊縫和構(gòu)件等強，不必另行計算，只有對三級焊縫，才 需要計算。 （1）軸心受力的對接焊縫 N（lwt）fwt

17、或fwc (3-1) 式中 N 軸心拉力或壓力的設(shè)計值； lw 焊縫計算長度，當(dāng)采用引弧板施焊時，取焊縫實際長度；當(dāng)無法采用引弧板時，每條 焊縫取實際長度減去2t； t 在對接接頭中為連接件的較小厚度，不考慮焊縫的余高；在T形接頭中為腹板厚度; ftw， fcw對接焊縫的抗拉、抗壓強度設(shè)計值。抗壓焊縫和質(zhì)量等級為一、二級的抗拉焊縫與母材等強，三級抗拉焊縫強度為母材的85% 。 （2）受彎、受剪的對接焊縫計算 MWw fwt (3-2) VS（Iwt ） fwV (3-3) (3-4),3 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計,3.4 角焊縫的構(gòu)造和計算 (1) 角焊縫的截面 角焊縫兩邊夾角一般為900（直角角焊縫），夾角大于1350或小于600的斜角交焊縫，除鋼管結(jié) 構(gòu)外，一般不宜用作受力焊縫。 （圖3-5） 角焊縫的有效截面為平分角焊縫夾角的截面，破壞往往從這個截面發(fā)生。有效截面的高度 （不考慮焊縫余高）稱為角焊縫的有效厚度he ，當(dāng) 90o 時， he 0.7 hf ；當(dāng) 90o 時， he hf cos( /2)。 (2) 角焊縫的尺寸限制 焊腳尺寸 hf 應(yīng)與焊件的厚度相適應(yīng)，不宜過大或過小。 對手工焊，hf應(yīng)不小于 ，t為較厚焊件的厚度（mm），對自動焊，可減小1mm； hf應(yīng)不大于較薄焊件厚度的1.2倍。 對于板件邊緣的焊縫，當(dāng)t 6mm時， hf t ；當(dāng)t 6mm時， hf t