任务二　钢结构的设计方法

结构计算的目的是保证结构的构件及其连接在使用荷载作用下安全可靠地工作，恰当处理结构的可靠性（安全、适用和耐久）和经济性两方面的要求。结构计算的方法有传统的容许应力法和以概率理论为基础的极限状态法。

水工钢结构一直用容许应力的设计方法。其优点是计算简便，可满足正常的使用要求。此法的缺点是所给定的容许应力不能保证各种结构具有比较一致的可靠度。对于闸、坝、码头和采油平台等水工结构和桥梁结构，由于所受荷载涉及水文、泥沙、波浪等自然条件比较复杂，经常处于水位变动或盐雾潮湿等容易腐蚀的环境，统计资料不足，条件尚不成熟，对于水工建筑物水下部分的钢结构设计仍采用容许应力法。

近年来，由于结构可靠度理论在国内外得到迅速发展，结构设计正在逐步推广以概率为基础的极限状态设计方法来取代传统的定值设计方法。《钢结构设计规范》（GB 50017-201×）（征求意见稿）采用的就是此方法，适用于工业与民用建筑钢结构设计。现阶段水工建筑物水上部分的钢结构设计采用《钢结构设计规范》（GB50017-201×）（征求意见稿）。

一、极限状态计算方法

《钢结构设计规范》（GB50017-201×）（征求意见稿）规定，钢结构的计算（除疲劳计算外），采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数的应力表达式进行计算。各种承重结构均应按承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。

按承载能力极限状态设计钢结构时，应考虑荷载效应的基本组合，必要时尚应考虑荷载效应的偶然组合。对基本组合应按下列设计表达式中的最不利值确定。

由可变荷载效应控制的组合：

由永久荷载效应控制的组合：

n--参与组合的可变荷载数。

对于正常使用极限状态，钢结构设计主要是控制变形，如梁的挠度等。对钢结构，应考虑荷载效应的标准组合用式（1－7）进行计算：

式中　C--结构或结构构件达到正常使用要求的规定限值，例如挠度限值等。

计算结构或构件的强度、稳定性以及连接的强度时，采用荷载设计值（荷载标准值乘以荷载分项系数）；计算疲劳和变形时，采用荷载标准值。对直接承受动力荷载的结构，在计算强度和稳定性时，动力荷载设计值应乘以动力系数；在计算疲劳和变形时，动力荷载标准值不乘以动力系数。

《钢结构设计规范》（GB50017-201×）（征求意见稿）不仅适用于工业与民用建筑钢结构的设计，而且适用于水工建筑物水上部分的钢结构。

二、容许应力计算方法

水工钢结构根据其不同的用途，设计时必须遵守各类专门的规范。《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-2013）适用于水利水电工程钢闸门。下面着重介绍《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-2013）的计算方法。

《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-2013）所采用的容许应力计算法是以结构的极限状态（强度、稳定、变形等）为依据，对影响结构可靠度的某种因素以数理统计的方法，结合我国工程实践，进行多系数分析，求出单一的设计安全系数，以简单的容许应力的形式表达，实质上属于半概率、半经验的极限状态计算法。其强度计算的一般表达式为：

式（1－9）对荷载、钢材强度及其相应的安全系数均取为定值，而没有考虑荷载和材料性能的随机变异性，这也是容许应力法与概率极限状态法的主要区别。

《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-2013）规定的钢材容许应力见附表1－8，机械零件的容许应力见附表1－9。

三、钢结构设计要求

钢结构设计要贯彻技术先进、经济合理、安全适用、确保质量的基本原则，具体应满足下列几项基本要求：

（1）结构必须安全可靠，保证结构在运输、安装和使用过程中，具有足够的强度、刚度、主体稳定和局部稳定。

（2）应合理选用钢材，精心设计，保证结构有良好的耐久性。

（3）尽可能地采用先进的设计理论，新型的结构形式和连接方式，优先选用高强度低合金钢等优质钢材，减轻结构自重和节省钢材。

（4）尽量做到结构形式简单和材料集中使用，减少构件的数量，制造、运输、安装方便，缩短周期，降低造价。

（5）采取有效措施，提高钢结构的防锈蚀能力。