结构设计原理第四版第18章.ppt

Principle of Structure Design叶见曙 结构设计原理（第4版）教学课件第18章 钢结构的计算方法张娟秀 雷 笑 马 莹 编制 叶见曙 主审本章目录18.1 钢材的破坏形式18.2 计算方法2 2教学要求v掌握钢材的两种强度破坏。v掌握公路桥梁钢结构概率极限状态设计法，理解按承载能力极限状态设计计算的表达式。v理解公路桥梁钢结构抗疲劳计算的疲劳荷载模型及抗疲劳验算的要求。18.1 钢材的破坏形式4 4钢材在各种作用下会发生两种强度破坏形式：1）钢材塑性破坏主要特征是破坏前构件产生明显塑性变形，而且仅在钢材的应力超过屈服强度，达到了钢材的极限抗拉强度 fu 后才发生。破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。2）钢材脆性破坏特点是：钢材破坏前的塑性变形很小，甚至没有塑性变形，平均应力低于钢材的屈服强度，破坏往往从应力集中处开始。破坏后的断口平直，呈现出有光泽的晶粒状。18.2 计算方法5 518.2.1 公路桥梁钢结构设计的基本要求（1）钢结构在运输、安装和使用过程中，必须具有足够的承载能力、刚度和稳定性，整个结构必须安全可靠；（2）要从工程实际出发，合理选用材料、结构设计方案和构造措施，要符合桥梁结构的使用要求，要具有良好的耐久性；（3）尽可能地节约钢材，减轻钢结构重量；（4）尽可能缩短制造、安装时间，以缩短工期；（5）结构要便于运输，构造设计要便于检查与养护。18.2.2 钢结构的计算方法 1）总安全系数的容许应力计算法 2）多系数分析后用单一安全系数的容许应力计算法构件截面上的作用内力钢材的屈服强度构件截面上的计算应力钢材的容许应力调整系数，用以考虑一些特殊变异因素构件截面的几何特性构件截面的几何特性钢材材料系数荷载系数6 6(18-1)(18-2)系数K1、K2、K3综合确定后的安全表达式为3）以概率论为基础的极限状态设计法采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数的表达式进行计算。7 7(18-3)18.2.3 公路桥梁钢结构设计方法 （1）公路桥规规定公路钢结构桥梁采用以概率论为基础的极限状态设计方法，按照分项系数的设计表达式并且考虑设计状况进行设计计算。（2）公路桥梁钢结构设计计算要满足承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求，也应根据需要进行抗疲劳设计。（3）公路桥梁钢结构应进行耐久性设计。特大桥、大桥和中桥主体结构应按不小于100年设计使用年限进行设计；高速公路、一级公路和二级公路上的小桥主体结构宜按不小于100年设计使用年限进行设计。行业标准 公路钢结构桥梁设计规范 JTG D64-20151）按承载能力极限状态设计计算公路桥梁钢结构及连接按持久状况进行承载能力极限状态设计计算，采用作用基本组合设计值，即永久作用与可变作用的组合设计值。（1）以“强度计算”和“稳定计算”来代表承载力计算，计算表达式中的各分项系数已隐含在设计参数中，构件的抗力也相应取用了材料强度设计值，其表达形式为 桥梁结构重要性系数，按照表2-4选用作用组合的效应设计值，包括了计算中各种有关作用效应和荷载效应的分项系数构件截面几何特性钢构件及其连接的材料强度设计值。不同材料、厚度、受力特征的钢材强度设计值详见附表4-1、4-2、4-3、附表4-4。9 9(18-4)1010（2-28）1010在作用组合中除汽车荷载（含汽车冲击力、离心力）、风荷载外的其他第j个可变作用的分项系数第i个永久作用的分项系数结构的重要性系数汽车荷载（含汽车冲击力、离心力）的分项系数第i个永久作用的标准值在作用组合中除汽车荷载（含汽车冲击力、离心力）外的其他可变作用的组合系数在作用组合中除汽车荷载（含汽车冲击力、离心力）外的其他第j个可变作用的标准值汽车荷载（含汽车冲击力、离心力）的标准值按承载能力极限状态设计时作用基本组合的效应值（2）钢结构及其构件的稳定性验算是承载能力极限状态设计计算的重要内容，钢结构及其构件的稳定性验算包括结构构件整体稳定验算和板件局部稳定验算，必须满足公路桥规规定的要求。（3）公路钢桥上部结构为整体式截面梁时，公路桥规要求进行横桥向抗倾覆性能验算。对于单支座、曲线钢连续箱梁桥必须进行抗横向倾覆的承载能力极限状态验算，计算要求为：在作用基本组合下，单向受压支座始终保持受压状态；当整联只采用单向受压支座支承时，验算应符合下式：横桥向抗倾覆稳定性系数，一般取2.5 使上部结构稳定的作用基本组合（分项系数均为1.0）的效应设计值使上部结构失稳的作用基本组合（分项系数均为1.0）的效应设计值（18-5）2）按正常使用极限状态的设计计算公路桥梁钢结构正常使用极限状态的设计计算包括构件的最大竖向挠度和结构刚度的验算。（1）结构竖向挠度的验算对受弯构件，采用不计冲击力的汽车车道荷载的频遇值（频遇值系数取1.0），并按结构力学方法计算构件的最大竖向挠度值并应小于规定的挠度限值。公路桥规规定的规定的挠度限值为：钢桁架和钢板梁为 l/500 (l 为计算跨径）；斜拉桥主梁为 l/400 (l 为计算跨径）；悬索桥加劲梁为 l/250 (l 为计算跨径）；梁的悬臂端部为 l1/250 (l1 为梁的悬臂长度）。汽车荷载作用下，如果结构同一截面出现正负挠度，计算挠度应为正负挠度最大绝对值之和。挠度计算按构件毛截面几何特性计算。（2）构件刚度的验算轴心受力构件和偏心受力构件的刚度采用构件的长细比来衡量。长细比 是指构件的计算长度 l0 与构件截面回转半径 i 的比值，即=l0/i。验算构件刚度时，构件绕截面两个主轴（即截面上 x 轴和 y 轴）的长细比 x和 y 都不允许超过规定的构件容许最大长细比。公路桥规规定的构件容许最大长细比 见表18-1。1515 3）桥梁钢结构抗疲劳验算公路桥规规定，承受汽车荷载的钢桥结构构件与连接，应按结构疲劳细节类别进行抗疲劳验算。结构疲劳细节指的是钢构件本身、构件的连接和节点，在设计上或制作上可能会出现应力集中与残余应力情况，进而可能导致在疲劳荷载作用下出现疲劳裂纹甚至疲劳破坏的典型结构构造细节。1616 公路桥规列出了基材构件和机械紧固接头、焊接截面、横向对接焊缝、焊接附联件与加劲肋等9种情况的结构疲劳细节。附表4-5附表4-7，表中“细节类别”全称是疲劳细节类别，其后数字代表对应于2106次常幅疲劳循环的疲劳强度参考值，最高值为160MPa,依次降低，最小值为35MPa。（1）抗疲劳计算的基本原则是公路桥梁钢结构抗疲劳设计计算按承载能力极限状态要求进行，作用组合采用基本组合；公路桥梁钢结构抗疲劳设计计算应根据计算要求采用规定的疲劳荷载计算模型；结构疲劳细节计算的疲劳作用效应和疲劳抗力均按应力幅表示。公路桥规规定的疲劳荷载计算模型分成、类计算模型。（2）疲劳荷载模型 I 及抗疲劳验算要求疲劳荷载模型 I 采用等效的车道荷载，集中荷载0.7Pk，均布荷载0.3qk，Pk 和 qk 按公路I 级车道荷载标准取值，并且应考虑多车道的影响。1818 公路 I 级车道荷载 均布荷载 qk=10.5kN/m270kN 桥梁计算跨径5m时 直线内插取值360kN 桥梁计算跨径50m时集中荷载 Pk=疲劳荷载分项系数，取1.0疲劳抗力分项系数，对重要构件取1.35，次要构件取1.15按疲劳荷载模型计算得到的正应力幅（MPa)正应力常幅疲劳极限，根据附表4-5附表4-7查得疲劳细节类别 c，按图18-1取用按疲劳荷载模型计算得到的剪应力幅（MPa)剪应力常幅疲劳截止限，根据附表4-5附表4-7查得疲劳细节类别 c，按图18-2取用1919对正应力幅抗疲劳验算式(18-7)(18-6)ks为尺寸效应折减系数，按附表4-5附表4-7中给出的公式计算；未说明时，取 ks=1.0。对剪应力幅2020放大系数，对桥梁伸缩缝附近的构件考虑额外动力作用的影响进行抗疲劳验算时采用。D 6时，=0.3(1-D/6)，D6时，=0，D为验算截面到伸缩缝的距离（m)。疲劳荷载模型按最不利情况加载于影响线得到的最大正应力疲劳荷载模型按最不利情况加载于影响线得到的最小正应力疲劳荷载模型按最不利情况加载于影响线得到的最大剪应力疲劳荷载模型按最不利情况加载于影响线得到的最小剪应力sp和tp的计算：(18-8)(18-9)对应于名义正应力幅 的疲劳强度曲线lgR(MPa)2222 对应于名义剪应力幅 的疲劳强度曲线 公路桥规疲劳细节类别、常幅疲劳极限和截至限值（MPa）当构件和连接不满足疲劳荷载模型验算要求时，应按疲劳荷载模型验算。（3）疲劳荷载模型II及抗疲劳验算 疲劳荷载模型II是车辆模型，单车道上布置前后两辆车（双车模型），两辆车轴重与轴距相同，相互之间的中心距不小于40m。图18-3 疲劳荷载模型II的单车轴重和轴距布置 采用荷载模型II时的抗疲劳验算：对正应力幅 疲劳细节类别，为对应于2 106次常幅疲劳循环的疲劳强度，根据附表4-5附表4-7和图18-1取用。按2 106次常幅疲劳循环换算得到的等效常值应力幅。损伤等效系数，其计算方法参见公路桥规。2525(18-10)(18-12)(18-11)(18-13)对剪应力幅2626 公路桥规规定对非焊接构件以及消除残余应力后的焊接构件，当疲劳荷载为拉-压循环时，pmin 应按0.6倍折减，其正应力幅 p 计算式为：（18-24）式中 pmax 和 pmin 分别为正应力的最大值和最小值。2727Thank you!