鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)

日期：2015-10-27 15:10 人氣：

一.結(jié)構(gòu)的功能要求
　　
　　建筑結(jié)構(gòu)要解決的基本問題牽，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、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)計基準期長短有關(guān)，設(shè)計基準期長，可靠度要求就高，反之則低。一般建筑物的設(shè)計基準期為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)進行設(shè)計：
　　
　　(1)承載能力極限狀態(tài)包括：構(gòu)件和連接的強度破壞、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)致人身傷亡和大量財產(chǎn)損失，故其出現(xiàn)的概率應(yīng)當很低，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：
　　
　　式中Z=g(﹒)——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立的隨機變量。
　　
　　當僅有作用效應(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：
　　
　　由于R和S都是隨機變量，其函數(shù)Z也是一個隨機變量。功能函數(shù)Z存在三種可能狀態(tài)：
　　
　　定值設(shè)計法認為R和S都是確定性的變量，結(jié)構(gòu)只要按Z≥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。事實并非如此，由于Z的隨機性，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：
　　
　　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μR、μS和標準差σR、σS，則功能函數(shù)也服從正態(tài)分布，它的平均值和標準差分別為
　　
　　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的平均值和標準差的下述關(guān)系：
　　
　　當R和S的統(tǒng)計值不按正態(tài)分布時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠指標應(yīng)以它們的當量正態(tài)分布的平均值和標準差代入公式(1.3.9)來計算。當功能函數(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β。
　　
　　結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計時采用的可靠指標，可根據(jù)對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度分析(所謂校準法)，并考慮使用經(jīng)驗和經(jīng)濟因素等確定。我國《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》(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，不應(yīng)小于表1.3.2的規(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)校準分析，其β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。
　　
　　五.設(shè)計表達式
　　
　　1承載能力極限狀態(tài)表達式
　　
　　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：
　　
　　式(1.3.10)左、右分別為S和R的設(shè)計驗算點坐標S*和R*，可寫為：
　　
　　《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》(GB50068)規(guī)定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限狀態(tài)設(shè)計表達式，應(yīng)根據(jù)各種極限狀態(tài)的設(shè)計要求，采用有關(guān)的荷載代表值、材料性能標準值、幾何參數(shù)標準值以及各種分項系數(shù)等表達。
　　
　　作用分項系數(shù)γF(包括荷載分項系數(shù)γG、γQ)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力分項系數(shù)γR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，通過計算分析，并考慮工程經(jīng)驗確定。
　　
　　考慮到施加在結(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)、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準值、分項系數(shù)和組合系數(shù)，并以應(yīng)力形式表達的極限狀態(tài)公式。其荷載效應(yīng)的基本組合按下列設(shè)計表達式中的最不利值確定：
　　
　　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：
　　
　　由永久荷載效應(yīng)控制的組合，仍按式(1.3.13)進行計算。
　　
　　式(1.3.12)和(1.3.13)中，除第一個可變荷載的組合值系數(shù)ψc1的樓蓋(例如儀器車間倉庫、金工車間、輪胎廠準備車間、糧食加工車間等的樓蓋)或屋蓋(高爐附近的屋面積灰)，必然由式(1.3.13)控制設(shè)計取γG=1.35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?shù)拇碇?，具體的設(shè)計表達式及各種系數(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)一標準的規(guī)定要求分別采用荷載的標準組合、頻遇組合和準永久組合進行設(shè)計，并使變形等設(shè)計不超過相應(yīng)的規(guī)定限值。

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