第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析

第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析混凝土结构设计与砌体结构设计混凝土结构设计与砌体结构设计第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析第第10 10章章 混凝土结构设计的混凝土结构设计的一般原则和方法一般原则和方法10.1 10.1 建筑结构设计的一般原则建筑结构设计的一般原则 10.1.1 10.1.1 建筑结构的组成和类型建筑结构的组成和类型 1.1.建筑结构的组成建筑结构的组成:分为上部结构和下部结构两部分。分为上部结构和下部结构两部分。上部结构：水平结构体系上部结构：水平结构体系 +竖向结构体系竖向结构体系 水平结构体系水平结构体系 楼盖和屋盖：承受楼屋面竖向荷载楼盖和屋盖：承受楼屋面竖向荷载和各层水平力，然后传递和分配给竖向结构体系。和各层水平力，然后传递和分配给竖向结构体系。竖向结构体系：承受楼、屋盖传来的竖向力和水平力竖向结构体系：承受楼、屋盖传来的竖向力和水平力传给下部结构，对高层建筑常称为抗侧力结构体系。传给下部结构，对高层建筑常称为抗侧力结构体系。第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析下部结构：地下室下部结构：地下室 +基础（把上部结构传来的力可靠基础（把上部结构传来的力可靠 地传给天然地基或人工地基）。地传给天然地基或人工地基）。2.2.建筑结构的类型建筑结构的类型:通常以上部结构的类型来命名。通常以上部结构的类型来命名。(1)(1)按结构材料分：木结构、砌体结构、混凝土结构、按结构材料分：木结构、砌体结构、混凝土结构、钢结构、组合结构和混合结构等。钢结构、组合结构和混合结构等。(2)(2)按竖向结构体系分：排架结构、框架结构、剪力墙按竖向结构体系分：排架结构、框架结构、剪力墙 结构、框架结构、框架-剪力墙结构、筒体结构等。剪力墙结构、筒体结构等。10.1.2 10.1.2 建筑结构设计的阶段和内容建筑结构设计的阶段和内容1.1.工程建设步骤工程建设步骤:工程勘察、工程设计、工程施工。工程勘察、工程设计、工程施工。2.2.结构设计阶段：初步设计、技术设计、施工图设计。结构设计阶段：初步设计、技术设计、施工图设计。第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析 3.3.建筑结构设计内容建筑结构设计内容 （1 1）初步设计阶段）初步设计阶段(也称方案设计也称方案设计)主要内容主要内容 （2 2）技术设计阶段主要内容）技术设计阶段主要内容 （3 3）施工图设计阶段主要内容）施工图设计阶段主要内容工程建设应当遵循：先勘察后设计，先设计后施工的程序。工程建设应当遵循：先勘察后设计，先设计后施工的程序。10.1.3 10.1.3 建筑结构设计的一般原则建筑结构设计的一般原则 安全、适用、耐久、经济合理安全、适用、耐久、经济合理 结构的安全性、适用性和耐久性总称为结构的可靠性。结构的安全性、适用性和耐久性总称为结构的可靠性。即结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功即结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力或可能性。能的能力或可能性。第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析3，混凝土建筑结构设计步骤准备工作确定结构方案结构布置结构计算简图结构分析和设计计算了解工程背景掌握设计所需原始资料收集设计参考资料制定工作计划上部结构楼盖基础荷载计算结构内力分析荷载效应组合构件截面设计构造要求结构设计说明结构设计计算书结构设计图纸时间上和空间上第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析 加拿大谷仓加拿大谷仓地基失效导致建筑物倾倒，属于未勘查就设计地基失效导致建筑物倾倒，属于未勘查就设计概况：概况：该谷仓平面呈矩形，南北向长该谷仓平面呈矩形，南北向长59.44m，东西向宽，东西向宽23.47m，高，高31.00m，容积，容积36368立方米，容仓为圆筒仓，每排立方米，容仓为圆筒仓，每排13个圆仓，个圆仓，共共5排排65个圆筒仓。谷个圆筒仓。谷仓基础为钢筋混凝土筏板基础，厚度仓基础为钢筋混凝土筏板基础，厚度61cm，埋深，埋深3.66m。谷仓于。谷仓于1911年动工年动工，1913年完工，空仓自重年完工，空仓自重20000T，相当于装满谷物后满载总重量的，相当于装满谷物后满载总重量的42.5%。平面示意图平面示意图侧立面示意图侧立面示意图 1005 第第10章章 混凝土结构设计的一般原则和方法混凝土结构设计的一般原则和方法10.2建筑结构设计阶段和内容建筑结构设计阶段和内容第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析 1913年年9月装谷物，月装谷物，10月月17日当日当谷仓装到谷仓装到87.5%的谷物时，发现的谷物时，发现1小时小时内竖向沉降达内竖向沉降达30.5cm，结构物向西倾，结构物向西倾斜，并在斜，并在24小时内谷仓倾斜，倾斜度小时内谷仓倾斜，倾斜度离垂线达离垂线达2653，谷仓西端下沉，谷仓西端下沉7.32m，东端上抬，东端上抬1.52m，上部钢筋混，上部钢筋混凝土筒仓坚如磐石。凝土筒仓坚如磐石。事故原因：事故原因：谷仓地基土事先未进行调查研究，据邻近结构物基槽开挖试验谷仓地基土事先未进行调查研究，据邻近结构物基槽开挖试验结果计算地基承载力为结果计算地基承载力为352kPa，应用到此谷仓。，应用到此谷仓。1952年经勘察试验与计算，年经勘察试验与计算，谷仓地基实际承载力为（谷仓地基实际承载力为（193.8276.6）kPa，远小于谷仓破坏时发生的压力，远小于谷仓破坏时发生的压力329.4kPa，因此，谷仓地基因超载发生强度破坏而滑动。，因此，谷仓地基因超载发生强度破坏而滑动。事后处理：事后处理：事后在下面做了七十多个支撑于基岩上的混凝土墩，使用事后在下面做了七十多个支撑于基岩上的混凝土墩，使用388个个50t千斤顶以及支撑系统，才把仓体逐渐纠正过来，但其位置比原来降低了千斤顶以及支撑系统，才把仓体逐渐纠正过来，但其位置比原来降低了米。米。倾倒后的状况倾倒后的状况 1006 第第10章章 混凝土结构设计的一般原则和方法混凝土结构设计的一般原则和方法10.2建筑结构设计阶段和内容建筑结构设计阶段和内容第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析10.2 10.2 建筑结构荷载建筑结构荷载10.2.1 10.2.1 结构上的作用与荷载结构上的作用与荷载 1.1.结构上的作用结构上的作用 (1)(1)直接作用：荷载直接作用：荷载 (2)(2)间接作用：混凝土的收缩、温度变化、基础的差异间接作用：混凝土的收缩、温度变化、基础的差异沉降、地震等。不能把地震作用称为沉降、地震等。不能把地震作用称为“地震荷载地震荷载”。2.2.作用效应作用效应 (1)(1)内力内力:弯矩、剪力、轴向力、扭矩等弯矩、剪力、轴向力、扭矩等 (2)(2)变形变形:挠度、裂缝宽度等挠度、裂缝宽度等 荷载与荷载效应之间关系：荷载与荷载效应之间关系：S S C C Q Q 式中式中 C C作用效应系数作用效应系数 第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析 1008 第第10章章 混凝土结构设计的一般原则和方法混凝土结构设计的一般原则和方法10.2建筑结构荷载建筑结构荷载10.2.2 荷载的分类荷载的分类荷载分类荷载分类按作用时间的长短和性质分按作用时间的长短和性质分按空间位置的变异按空间位置的变异按作用的方向分按作用的方向分按结构对荷载的反应性质按结构对荷载的反应性质水平、竖向荷载水平、竖向荷载固定、移动荷载固定、移动荷载静荷载、动荷载静荷载、动荷载第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析 按作用时间的长短和性质，荷载可分为三类：按作用时间的长短和性质，荷载可分为三类：1)1)永久荷载永久荷载 其值不随时间而变化，或其变化与平均其值不随时间而变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的荷载。例如，结构自重、土压力、值相比可以忽略不计的荷载。例如，结构自重、土压力、预应力等荷载，永久荷载又称恒荷载。预应力等荷载，永久荷载又称恒荷载。2)2)可变荷载可变荷载 其值随时间而变化，其变化与平均值相其值随时间而变化，其变化与平均值相比不可忽略的荷载。例如，楼面活荷载、吊车荷载、风荷比不可忽略的荷载。例如，楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等，可变荷载又称活荷载。载、雪荷载等，可变荷载又称活荷载。3)3)偶然荷载偶然荷载 在结构设计使用期内不一定出现，一旦在结构设计使用期内不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载。例如，爆炸力、出现，其值很大且持续时间很短的荷载。例如，爆炸力、撞击力等。撞击力等。第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析 1010 第第10章章 混凝土结构设计的一般原则和方法混凝土结构设计的一般原则和方法10.2建筑结构荷载建筑结构荷载10.2.3 荷载代表值荷载代表值 关于荷载的取值关于荷载的取值（1）荷载的不确定性）荷载的不确定性恒载恒载由施工偏差引起由施工偏差引起活荷载活荷载 偶然荷载偶然荷载（2）多荷载相遇）多荷载相遇荷载组合荷载组合确定随机变量大小的方法确定随机变量大小的方法（3）计算、分析情况的复杂）计算、分析情况的复杂例如强度计算和变形验算例如强度计算和变形验算 荷载代表值的提出荷载代表值的提出 荷载代表值荷载代表值荷载标准值荷载标准值荷载组合值荷载组合值荷载准永久值荷载准永久值荷载频遇值荷载频遇值第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析 1011 第第10章章 混凝土结构设计的一般原则和方法混凝土结构设计的一般原则和方法10.2建筑结构荷载建筑结构荷载荷载标准值荷载标准值荷载组合值荷载组合值荷载频遇值荷载频遇值荷载准永久荷载准永久值值是荷载的基本代表值；是指在结构的使用期间（一般结构是荷载的基本代表值；是指在结构的使用期间（一般结构的设计基准期为的设计基准期为50年）可能出现的最大值。年）可能出现的最大值。是指对于有两种和两种以上可变荷载同时作用时，使组合是指对于有两种和两种以上可变荷载同时作用时，使组合后的荷载效应在设计基准期内的超越概率能与荷载单独作后的荷载效应在设计基准期内的超越概率能与荷载单独作用时相应超越概率趋于一致的荷载值。用时相应超越概率趋于一致的荷载值。是指在设计基准期内，其超越的总时间为规定的较小比率，是指在设计基准期内，其超越的总时间为规定的较小比率，或超越概率为规定概率的荷载值。或超越概率为规定概率的荷载值。是指在设计基准期内，其超越的总时间约为设计基准期一是指在设计基准期内，其超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值。半的荷载值。kccQQkqqQQkffQQkGkQ恒载标准值恒载标准值活荷载标准值活荷载标准值第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析 1012 第第10章章 混凝土结构设计的一般原则和方法混凝土结构设计的一般原则和方法10.2建筑结构荷载建筑结构荷载10.2.4 竖向荷载竖向荷载1.楼面、屋面荷载楼面、屋面荷载 楼面楼面屋面屋面荷载荷载恒荷载恒荷载活荷载活荷载结构竖向恒荷载包括结构自重和附加在结构上的荷结构竖向恒荷载包括结构自重和附加在结构上的荷载。可以按构件的设计尺寸与材料表观密度计算确载。可以按构件的设计尺寸与材料表观密度计算确定。定。民用建筑楼面均布活荷载：民用建筑楼面均布活荷载：工业建筑楼面均布活荷载：工业建筑楼面均布活荷载：屋面活荷载：屋面活荷载：建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范根据大量调查和统计分析，考虑根据大量调查和统计分析，考虑可能出现的短期荷载，按等效均布荷载方法给出一般各可能出现的短期荷载，按等效均布荷载方法给出一般各类民用建筑的楼面均布活荷载标准值及其有关代表值系类民用建筑的楼面均布活荷载标准值及其有关代表值系数，见附录数，见附录5.房屋建筑屋面水平投影面上的均布活荷载，应按表房屋建筑屋面水平投影面上的均布活荷载，应按表10-2采用。屋面均布活荷载不应与雪荷载同时组合。采用。屋面均布活荷载不应与雪荷载同时组合。第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析标准值查荷载规范标准值查荷载规范荷载规范中的荷载值不包括隔墙重和二次装修重。荷载规范中的荷载值不包括隔墙重和二次装修重。2kN/m0.5 直升飞机坪：直升飞机坪：楼面：楼面：2kN/m0.2 屋面：不上人屋面屋面：不上人屋面 上人屋面上人屋面 屋顶花园屋顶花园2kN/m5.02kN/m0.22kN/m0.3第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析 1013 第第10章章 混凝土结构设计的一般原则和方法混凝土结构设计的一般原则和方法10.2建筑结构荷载建筑结构荷载2.雪荷载雪荷载 屋面水平投影面上的雪荷载标准值：屋面水平投影面上的雪荷载标准值：0SSrk0S基本雪压（基本雪压（kN/m2），一般是根据年最大雪压进行统计分析确定。），一般是根据年最大雪压进行统计分析确定。在我国，是以一般空旷平坦地面上统计的在我国，是以一般空旷平坦地面上统计的50年一遇重现期的最大年一遇重现期的最大积雪自重给出的。积雪自重给出的。r屋面积雪分布系数。它是屋面水平投影面积上的雪荷载与基本雪屋面积雪分布系数。它是屋面水平投影面积上的雪荷载与基本雪压的比值，它与屋面形式、朝向及风力等均有关。通常情况下，压的比值，它与屋面形式、朝向及风力等均有关。通常情况下，屋面积雪分布系数应根据不同类别的屋面形式确定。屋面积雪分布系数应根据不同类别的屋面形式确定。P.6 表表10-3 雪荷载组合值系数可取雪荷载组合值系数可取0.7；频遇值系数可取；频遇值系数可取0.6。准永久值系数按。准永久值系数按、和和分区不同，分别取分区不同，分别取0.5、0.2、0。武汉属于。武汉属于分区。分区。设计建筑结构及屋面的承重构件时，可按下列规定采用积雪的分布设计建筑结构及屋面的承重构件时，可按下列规定采用积雪的分布情况。情况。P.7。对雪荷载敏感的结构，基本雪压应适当提高，并应由有关的结构对雪荷载敏感的结构，基本雪压应适当提高，并应由有关的结构设计规范具体规定。设计规范具体规定。第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析 10.2.5 10.2.5 风荷载风荷载 一般均简化成作用于框架节点的水平集中力。一般均简化成作用于框架节点的水平集中力。1.1.风荷载风荷载 是指风遇到建筑物时，在建筑物表面产生的一种压力或是指风遇到建筑物时，在建筑物表面产生的一种压力或吸力。建筑物表面的单位面积上的风荷载标准值：吸力。建筑物表面的单位面积上的风荷载标准值：k k=z zz zs s0 0第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析 (1)(1)基本风压基本风压 0 建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范中规定的中规定的基本基本风压值：是根据风压值：是根据5050年重现期的年重现期的1010分钟最大平均风压确定的。分钟最大平均风压确定的。对于多层房屋，其基本风压可按对于多层房屋，其基本风压可按全国基本风压分布全国基本风压分布图图查得的基本风压值采用。查得的基本风压值采用。(2)(2)风振系数风振系数 z z 风振系数风振系数z z反映了风压对建筑物产生的动力效应。反映了风压对建筑物产生的动力效应。对于高度小于对于高度小于30m30m，或高宽比小于，或高宽比小于1.51.5的建筑，风振系的建筑，风振系数数z z 可取可取1.01.0。第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析 (3)(3)风压高度变化系数风压高度变化系数 z z 用用z z来调整基本风压，按表来调整基本风压，按表10.210.2采用。采用。A A类：近海面、海岛、海岸、湖岸及涉漠地区：类：近海面、海岛、海岸、湖岸及涉漠地区：B B类：田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋稀疏乡镇和郊区；类：田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋稀疏乡镇和郊区；C C类：有密集建筑群的城市市区；类：有密集建筑群的城市市区；D D类：有密集建筑群且房屋较高的城市市区。类：有密集建筑群且房屋较高的城市市区。第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析 (4)(4)风荷载体型系数风荷载体型系数 s s s s反映了建筑物平面及立面形状对风压值的影响。反映了建筑物平面及立面形状对风压值的影响。圆形或椭圆形平面建筑所受到的风压力最小；十字形、圆形或椭圆形平面建筑所受到的风压力最小；十字形、Y Y形、六边形建筑所受到的风压力也比矩形平面的建筑小。形、六边形建筑所受到的风压力也比矩形平面的建筑小。第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析 (5)(5)风荷载的简化风荷载的简化 将沿框架高度分布的风荷载，简化为作用于框架节将沿框架高度分布的风荷载，简化为作用于框架节点的水平荷载，并合并于迎风面一侧。点的水平荷载，并合并于迎风面一侧。F3F2F1第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析10.3.1 结构的功能要求结构的功能要求 1.1.结构的安全等级结构的安全等级 根据结构破坏时的后果严重程度，分为三级：根据结构破坏时的后果严重程度，分为三级：一级一级破坏后果很严重、重要的建筑物；破坏后果很严重、重要的建筑物；二级二级破坏后果严重、一般的建筑物；破坏后果严重、一般的建筑物；三级三级破坏后果不严重、次要建筑物。破坏后果不严重、次要建筑物。对人员比较集中且使用频繁的影剧院、体育馆等，安对人员比较集中且使用频繁的影剧院、体育馆等，安全等级宜按一级设计；梁、柱等各类构件的安全等级一般全等级宜按一级设计；梁、柱等各类构件的安全等级一般应与整个建筑物的安全等级相同。应与整个建筑物的安全等级相同。10.3 结构的功能要求和极限状态结构的功能要求和极限状态第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析2.结构的设计使用年限结构的设计使用年限 设计使用年限：指设计的结构或构件不需进行大设计使用年限：指设计的结构或构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。修即可按其预定目的使用的时期。一般建筑结构的设计使用年限可为一般建筑结构的设计使用年限可为5050年。年。各类结构的设计使用年限不同。例如，桥梁应比各类结构的设计使用年限不同。例如，桥梁应比房屋的设计使用年限长，大坝的设计使用年限更长。房屋的设计使用年限长，大坝的设计使用年限更长。注意：结构的设计使用年限虽与其使用寿命有联注意：结构的设计使用年限虽与其使用寿命有联系，但不等同。结构设计使用年限是指计算结构可靠系，但不等同。结构设计使用年限是指计算结构可靠度所依据的年限。超过设计使用年限的结构并不是不度所依据的年限。超过设计使用年限的结构并不是不能使用，而是指它的可靠度降低了。设计基准期为确能使用，而是指它的可靠度降低了。设计基准期为确定可变荷载代表值而选用的时间参数定可变荷载代表值而选用的时间参数 第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析混凝土结构设计混凝土结构设计结构的设计使用年限结构的设计使用年限类别类别结构类型结构类型结构的设计使用年结构的设计使用年限（年）限（年）临时性结构临时性结构5 5易于替换的结构构件易于替换的结构构件2525普通房屋和构筑物普通房屋和构筑物5050纪念性建筑和特别重要建筑纪念性建筑和特别重要建筑100100第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析3.建筑结构的功能建筑结构的功能 (1)(1)安全性安全性 建筑结构应能承受正常施工和正常使用建筑结构应能承受正常施工和正常使用时可能出现的各种荷载和变形，在偶然事件（如地震、爆时可能出现的各种荷载和变形，在偶然事件（如地震、爆炸等）发生时和发生后保持必需的整体稳定性，不致发生炸等）发生时和发生后保持必需的整体稳定性，不致发生倒塌。倒塌。(2)(2)适用性适用性 结构在正常使用过程中应具有良好的工结构在正常使用过程中应具有良好的工作性。例如，不产生影响使用的过大变形或振幅，不发生作性。例如，不产生影响使用的过大变形或振幅，不发生足以让使用者不安的过宽的裂缝等。足以让使用者不安的过宽的裂缝等。(3)(3)耐久性耐久性 结构在正常维护条件下应有足够的耐久结构在正常维护条件下应有足够的耐久性，完好使用到设计使用年限。例如，混凝土不发生严重性，完好使用到设计使用年限。例如，混凝土不发生严重风化、腐蚀、脱落，钢筋不发生锈蚀等。风化、腐蚀、脱落，钢筋不发生锈蚀等。第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析10.3.2 结构功能的极限状态结构功能的极限状态 能完成预定的各项功能时，结构处于有效状态；反能完成预定的各项功能时，结构处于有效状态；反之，则处于失效状态，有效和失效状态的分界，称为极之，则处于失效状态，有效和失效状态的分界，称为极限状态。极限状态可分为二类：限状态。极限状态可分为二类：1.1.承载能力极限状态承载能力极限状态 指结构或构件达到最大承载能力或者达到不适于继指结构或构件达到最大承载能力或者达到不适于继续承载的变形状态。满足安全性的要求。如：续承载的变形状态。满足安全性的要求。如：(1)(1)材料强度不够而破坏；材料强度不够而破坏；(2)(2)因疲劳而破坏；因疲劳而破坏；(3)(3)产生过大的塑性变形而不能继续承载；产生过大的塑性变形而不能继续承载；(4)(4)结构或构件丧失稳定；结构或构件丧失稳定；(5)(5)结构转变为机动体系。结构转变为机动体系。第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析2.正常使用极限状态正常使用极限状态 结构或构件达到正常使用或耐久性中某项规定限值结构或构件达到正常使用或耐久性中某项规定限值的状态称为正常使用极限状态。满足适用性和耐久性的的状态称为正常使用极限状态。满足适用性和耐久性的功能要求。功能要求。例如：结构或构件出现影响正常使用的过大变形、例如：结构或构件出现影响正常使用的过大变形、过宽裂缝、局部损坏和振动。过宽裂缝、局部损坏和振动。结构或构件按承载能力极限状态进行计算后，还应结构或构件按承载能力极限状态进行计算后，还应该按正常使用极限状态进行验算。该按正常使用极限状态进行验算。第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析10.3.3 极限状态方程极限状态方程 1.承载能力极限状态函数承载能力极限状态函数 承载能力极限状态函数可表示为承载能力极限状态函数可表示为 Z=R S （10-6）式中式中 R 表示结构构件的抗力表示结构构件的抗力 S 表示各种荷载效应的组合值表示各种荷载效应的组合值 2.结构状态结构状态 根据根据S、R的取值不同，可能出现三的取值不同，可能出现三种情况：种情况：Z=R-S0 时时,结构处于可靠状态；结构处于可靠状态；Z=R-S0 时时,结构处于极限状态；结构处于极限状态；Z=R-S0 时时,结构处于失效状态。结构处于失效状态。图图10-2 极限状态方极限状态方程取值示意图程取值示意图第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析3.功能函数功能函数 结构设计中，考虑的不仅是结构的承载能力，还需结构设计中，考虑的不仅是结构的承载能力，还需要考虑结构对变形或开裂等的抵抗能力，也就是说要考要考虑结构对变形或开裂等的抵抗能力，也就是说要考虑结构的适用性和耐久性的要求。虑结构的适用性和耐久性的要求。由此，上述的极限状态方程可推广为由此，上述的极限状态方程可推广为 Z=g(xZ=g(x1 1，x x2 2，x xn n)（10-710-7）式中，式中，g(g()称为功能函数。由结构的功能而定，称为功能函数。由结构的功能而定，可以是承载能力，也可以是变形或裂缝宽度等；可以是承载能力，也可以是变形或裂缝宽度等；x x1 1，x x2 2，x xn n 为各种荷载效应、材料强为各种荷载效应、材料强度、构件的几何尺寸等。度、构件的几何尺寸等。第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析10.4 10.4 按近似概率的极限状态设计法按近似概率的极限状态设计法10.4.1 结结 构构 的的 可可 靠靠 度度 结构的可靠性结构的可靠性:指结构在规定的时间内，在规定的条指结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。件下，完成预定功能的能力。规定时间规定时间:指结构的设计使用年限。指结构的设计使用年限。规定条件规定条件:指正常设计、正常施工、正常使用和维护指正常设计、正常施工、正常使用和维护的条件，不包括非正常的，例如人为的错误等。的条件，不包括非正常的，例如人为的错误等。结构的可靠度：是结构可靠性的概率度量，结构的可靠度：是结构可靠性的概率度量，用可靠用可靠概率概率P Ps s来描述的。来描述的。第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析10.4.2 可靠指标与失效概率可靠指标与失效概率 1.结构的失效概率结构的失效概率Pf Ps+Pf=1.0 2.失效概率失效概率Pf 的计算方法的计算方法 (1)S和和R的概率密度曲线的概率密度曲线 设构件的荷载效应设构件的荷载效应S、抗力、抗力R的平均值分别为的平均值分别为S、R，标准差分别为标准差分别为S、R，概率密度曲线如下：概率密度曲线如下：图图10-3 S ，R的概率密度分布曲线的概率密度分布曲线第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析(1)S和和R的概率密度曲线的概率密度曲线 按照结构设计的要求，显然按照结构设计的要求，显然R应该大于应该大于S。从概率密度曲线可以看到，在多数情况下构件的从概率密度曲线可以看到，在多数情况下构件的抗力抗力R大于荷载效应大于荷载效应S。但是，由于离散性，在。但是，由于离散性，在S、R的概率密度曲线的重叠区（阴影部分），仍有可能出的概率密度曲线的重叠区（阴影部分），仍有可能出现现R小于小于S的情况。的情况。重叠区的大小与重叠区的大小与S、R以及以及S、R有关。所以，有关。所以，加大平均值之差加大平均值之差R-S，减小标准差，减小标准差S和和R可以使重叠可以使重叠的范围减小，失效概率降低。的范围减小，失效概率降低。第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析（2）Z的概率密度分布曲线的概率密度分布曲线 令令Z=RS，Z的概率密度分布曲线如下：的概率密度分布曲线如下：图图10-4 10-4 可靠指标与失效概率关系示意图可靠指标与失效概率关系示意图 图中阴影表示出现图中阴影表示出现Z0的概率，也就是失效概率的概率，也就是失效概率Pf，计算计算Pf比较麻烦，故改用可靠指标的计算方法。比较麻烦，故改用可靠指标的计算方法。第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析（3）可靠指标）可靠指标 阴影部分的面积与阴影部分的面积与Z Z和和Z Z的大小有关：增大的大小有关：增大Z Z或减或减小小Z Z，阴影面积均将减少。取，阴影面积均将减少。取 （10-1110-11）则则 (10-12)(10-12)可以看出可以看出大，则失效概率小。所以，大，则失效概率小。所以，和失效概率一样和失效概率一样可作为衡量结构可靠度的一个指标，称为可靠指标。可作为衡量结构可靠度的一个指标，称为可靠指标。（4 4）与失效概率与失效概率P Pf f的对应关系的对应关系22/)/SRSRzzzz.第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析 根据结构的安全等级和破坏类型，规定了承载能力根据结构的安全等级和破坏类型，规定了承载能力极限状态设计时的目标可靠指标极限状态设计时的目标可靠指标，见表，见表10-8。结构的破坏类型：延性破坏和脆性破坏两类。结构的破坏类型：延性破坏和脆性破坏两类。延性破坏有明显的预兆，可及时采取补救措施；延性破坏有明显的预兆，可及时采取补救措施；脆性破坏常常是突发性破坏，破坏没有明显预兆。脆性破坏常常是突发性破坏，破坏没有明显预兆。3.目标可靠指标目标可靠指标 第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析10.5 10.5 实用设计表达式实用设计表达式 10.5.1 10.5.1 分分 项项 系系 数数 对于常见的工程结构，采用可靠指标进行设计工作对于常见的工程结构，采用可靠指标进行设计工作量大，有时会遇到统计资料不足而无法进行的困难。量大，有时会遇到统计资料不足而无法进行的困难。建筑结构设计统一标准建筑结构设计统一标准提出了便于实际使用的提出了便于实际使用的设计表达式，称为实用设计表达式。设计表达式，称为实用设计表达式。例如，永久荷载和可变荷载组合下的设计表达式为例如，永久荷载和可变荷载组合下的设计表达式为:（10-1310-13）式中式中 R R抗力分项系数抗力分项系数 G G永久荷载分项系数永久荷载分项系数 Q Q可变荷载分项系数可变荷载分项系数QQGGRRuuu/第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析10.5.2 荷载效应组合荷载效应组合 1.承载能力极限状态：采用基本组合和偶然组合承载能力极限状态：采用基本组合和偶然组合 0S R （10-24）Sk sSk 0S R Rk/R Rk 荷载效应荷载效应 荷载效应荷载效应 荷载效应荷载效应 承载能力承载能力 结构抗力结构抗力 结构抗力结构抗力 标准值标准值 设计值设计值 组合值组合值 设计值设计值 设计值设计值 标准值标准值 式中式中 0结构构件的重要性系数。结构构件的重要性系数。2.正常使用极限状态：采用标准组合、频遇组合和准永正常使用极限状态：采用标准组合、频遇组合和准永久组合。按下式设计：久组合。按下式设计：SK C （10-25）第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析10.5.3 承载能力极限状态设计表达式承载能力极限状态设计表达式 1.1.取下列两组基本组合的最不利值取下列两组基本组合的最不利值:(1)(1)由可变荷载效应控制的组合由可变荷载效应控制的组合 (10-28)(2)(2)由永久荷载效应控制的组合由永久荷载效应控制的组合 （10-29）.),(S.SSQ2110kcsikciniQiKQQKGGffR）（.),(S.S10kcsniKQiciQiKGGffR）（第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析公式符号含义公式符号含义 式中式中0 结构构件的重要性系数结构构件的重要性系数 （1）对安全等级为一级或设计使用年限为）对安全等级为一级或设计使用年限为 100 年及以年及以上的结构不应小于上的结构不应小于1.1；（2）对二级或年限为）对二级或年限为50年的结构不应小于年的结构不应小于1.0；（3）对三级或年限为）对三级或年限为 5 年及以下的结构不应小于年及以下的结构不应小于0.9；（4）在抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数。）在抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数。G永久荷载的分项系数永久荷载的分项系数 （1）当永久荷载对结构不利时，）当永久荷载对结构不利时，对由可变荷载效应对由可变荷载效应控制组合控制组合G=1.2；由永久荷载效应控制组合；由永久荷载效应控制组合G=1.35；（2）当永久荷载效应对结构有利时，）当永久荷载效应对结构有利时，取取G 1.0。第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析公式符号含义公式符号含义 Q1Q1、QiQi 可变荷载的分项系数可变荷载的分项系数,一般取一般取1.41.4；S SGKGK、S SQ1KQ1K、S SQiK QiK 分别为永久荷载、第一可变荷载、分别为永久荷载、第一可变荷载、其他可变荷载的荷载效应标准值；其他可变荷载的荷载效应标准值；ci ci 可变荷载的组合值系数。可变荷载的组合值系数。以上不等式右侧为结构承载力，用承载力函数以上不等式右侧为结构承载力，用承载力函数R R（）表示，表明其为混凝土和钢筋强度标准值表示，表明其为混凝土和钢筋强度标准值 （f fckck、f fsksk）、）、分项系数（分项系数（c c、s s）、几何尺寸标准值（）、几何尺寸标准值（a ak k）以及其他参）以及其他参数的函数。数的函数。第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析规范表规范表4.1.1第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析规范表规范表4.1.1（续）（续）第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析2.一般排架和框架的简化表达式一般排架和框架的简化表达式 对于一般常遇的排架结构和框架结构，为了计算方对于一般常遇的排架结构和框架结构，为了计算方便，可变荷载的影响大小可不予区分，并采用相同的组便，可变荷载的影响大小可不予区分，并采用相同的组合值系数。对由可变荷载效应控制的组合，其设计表达合值系数。对由可变荷载效应控制的组合，其设计表达式可以简化表达为式可以简化表达为 （10-3310-33）对由永久荷载效应控制的组合，其承载力极限状态对由永久荷载效应控制的组合，其承载力极限状态设计表达式仍为（设计表达式仍为（10-2910-29）。）。KQQKGGS11SSniKQiQiKGGS1S.9.0S第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析10.5.4 正常使用极限状态设计表达式正常使用极限状态设计表达式 按正常使用极限状态设计，主要是验算构件的变按正常使用极限状态设计，主要是验算构件的变形和抗裂度或裂缝宽度。形和抗裂度或裂缝宽度。按正常使用极限状态设计时，变形过大或裂缝过按正常使用极限状态设计时，变形过大或裂缝过宽虽影响正常使用，但危害程度不及承载力引起的结宽虽影响正常使用，但危害程度不及承载力引起的结构破坏造成的损失那么大，所以可适当降低对可靠度构破坏造成的损失那么大，所以可适当降低对可靠度的要求。计算时取荷载标准值，不需乘分项系数，也的要求。计算时取荷载标准值，不需乘分项系数，也不考虑结构重要性系数不考虑结构重要性系数0。1.正常使用极限状态设计简单表达式正常使用极限状态设计简单表达式 S C第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析2.可变荷载的准永久值系数和频遇值系数可变荷载的准永久值系数和频遇值系数 可变荷载作用时间的长短对于变形和裂缝的大小显然可变荷载作用时间的长短对于变形和裂缝的大小显然是有影响的。可变荷载的最大值并非长期作用于结构之上，是有影响的。可变荷载的最大值并非长期作用于结构之上，应按其在设计基准期内作用时间的长短和可变荷载超越总应按其在设计基准期内作用时间的长短和可变荷载超越总时间或超越次数，对其标准值进行折减。时间或超越次数，对其标准值进行折减。建筑结构可靠建筑结构可靠度设计统一标准度设计统一标准采用一个小于采用一个小于1 1的准永久值系数和频遇的准永久值系数和频遇值系数来考虑这种折减。值系数来考虑这种折减。(1)(1)准永久值系数准永久值系数 是根据荷载达到和超过该值的总是根据荷载达到和超过该值的总持续时间与总持续时间的比值而确定。持续时间与总持续时间的比值而确定。(2)(2)频遇值系数频遇值系数 是根据可变荷载超越的总时间或超是根据可变荷载超越的总时间或超越的次数来确定的。越的次数来确定的。第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析 3.可变荷载的准永久值和频遇值可变荷载的准永久值和频遇值 准永久值准永久值 =可变荷载标准值可变荷载标准值准永久值系数准永久值系数(q q)频遇值频遇值 =可变荷载标准值可变荷载标准值频遇值系数频遇值系数(f f)4.4.可变荷载的代表值可变荷载的代表值 可变荷载有四种代表值，即标准值、组合值、准永可变荷载有四种代表值，即标准值、组合值、准永久值和频遇值。其中标准值称为基本代表值，其他代表久值和频遇值。其中标准值称为基本代表值，其他代表值可由基本代表值乘以相应的系数得到。各类可变荷载值可由基本代表值乘以相应的系数得到。各类可变荷载和相应的组合值系数、准永久值系数、频遇值系数可在和相应的组合值系数、准永久值系数、频遇值系数可在荷载规范中查到。荷载规范中查到。第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析5.荷载效应组合的设计值荷载效应组合的设计值 根据实际设计的需要，常须区分荷载的短期作用（标根据实际设计的需要，常须区分荷载的短期作用（标准组合、频遇组合）和荷载的长期作用（准永久组合）下准组合、频遇组合）和荷载的长期作用（准永久组合）下构件的变形大小和裂缝宽度验算。按不同的设计目的，分构件的变形大小和裂缝宽度验算。按不同的设计目的，分别选用荷载的标准组合、频遇组合和荷载的准永久组合。别选用荷载的标准组合、频遇组合和荷载的准永久组合。(1)(1)荷载的标准组合荷载的标准组合 适用情况：主要用于当一个极限状态被超越时将产生适用情况：主要用于当一个极限状态被超越时将产生严重的永久性损害的情况。严重的永久性损害的情况。荷载标准组合的设计值荷载标准组合的设计值 S S 应按下式计算：应按下式计算：n2iQikCikQ1kGSSSS(10-30)(10-30)第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析 (2)(2)荷载的频遇组合荷载的频遇组合 适用情况：主要用于当一个极限状态被超越时将产生局适用情况：主要用于当一个极限状态被超越时将产生局部损害、较大变形或短暂振动的情况。部损害、较大变形或短暂振动的情况。荷载频遇组合的设计值荷载频遇组合的设计值 S S 应按下式计算：应按下式计算：（1010一一3131）(3)(3)荷载的准永久组合荷载的准永久组合 适用情况：主要用于当长期效应是决定性因素的情况。适用情况：主要用于当长期效应是决定性因素的情况。荷载准永久组合的设计值荷载准永久组合的设计值 S S 应按下式计算：应按下式计算：（1010一一3232）niQiKqiKQflKGSSS21SkQin1iqikGSSS第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析10.5.5 按极限状态设计时按极限状态设计时 材料强度和荷载的取值材料强度和荷载的取值 1 1钢筋抗拉强度标准值钢筋抗拉强度标准值 对于钢材，国家标准中已规定了每一种钢材的废品限对于钢材，国家标准中已规定了每一种钢材的废品限值。抽样检查中如发现某炉钢材的屈服强度达不到此限值。抽样检查中如发现某炉钢材的屈服强度达不到此限值，即作为废品处理。例如，值，即作为废品处理。例如，HPB235(Q235)HPB235(Q235)钢筋，其废钢筋，其废品限值为品限值为235N/mm235N/mm2 2。确定的这个废品限值的保证率为。确定的这个废品限值的保证率为97.7397.73，即平均值减去二倍的标准差。，即平均值减去二倍的标准差。97.7397.73这一保证率已高于这一保证率已高于建筑结构设计统一标建筑结构设计统一标准准规定的保证率规定的保证率9595的要求。因而取国家冶金局标准的要求。因而取国家冶金局标准规定的废品限值作为钢筋强度的标准值。规定的废品限值作为钢筋强度的标准值。第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析1.钢筋抗拉强度标准值钢筋抗拉强度标准值 热轧钢筋抗拉强度标准值用热轧钢筋抗拉强度标准值用fyk表示，取屈服强度的废表示，取屈服强度的废品限值；预应力钢绞线、钢丝和热处理钢筋的强度标准品限值；预应力钢绞线、钢丝和热处理钢筋的强度标准值用值用fPtk 表示表示,根据极限抗拉强度确定根据极限抗拉强度确定(条件屈服点条件屈服点0.85b)。图图10-6 钢筋屈服强度频率分布图钢筋屈服强度频率分布图第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析2.混凝土立方体抗压强度标准值混凝土立方体抗压强度标准值 混凝土立方体抗压强度标准值用混凝土立方体抗压强度标准值用f fcu,kcu,k表示，满足保证表示，满足保证率率9595的要求，标准值取平均值减的要求，标准值取平均值减1.6451.645倍的标准差。倍的标准差。f fcu,kcu,k fcufcu1.6451.645fcufcu 式中式中 fcufcu立方体抗压强度的平均值，（立方体抗压强度的平均值，（N/mmN/mm2 2）；）；立方体抗压强度的标准差。立方体抗压强度的标准差。图图10-7 10-7 混凝土立方体强度频率分布图混凝土立方体强度频率分布图f第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析分项系数和设计值分项系数和设计值 (1)(1)材料强度的分项系数和设计值材料强度的分项系数和设计值 钢筋强度的分项系数钢筋强度的分项系数s s 取值范围在取值范围在1.11.11.51.5；混凝；混凝土强度的分项系数土强度的分项系数C C 规定为规定为1.41.4。材料的强度设计值材料的强度设计值 =标准值标准值 /材料分项系数。材料分项系数。规范规范给出了钢筋和混凝土强度的标准值和设计值。给出了钢筋和混凝土强度的标准值和设计值。第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析 混凝土强度标准值混凝土强度标准值第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析 混凝土强度设计值混凝土强度设计值第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析 普通钢筋强度标准值和设计值普通钢筋强度标准值和设计值第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析预应力钢筋强度标准值预应力钢筋强度标准值第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析预应力钢筋强度设计值预应力钢筋强度设计值第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析3.分项系数和设计值分项系数和设计值 (2)(2)荷载分项系数和设计值荷载分项系数和设计值 永久荷载的分项系数，根据其效应对结构不利和有永久荷载的分项系数，根据其效应对结构不利和有利分别取利分别取1.21.2（或（或1.351.35）和）和1.01.0，可变荷载的分项系数，可变荷载的分项系数一般取一般取1.41.4。设计中为了使得结构达到规定的可靠指标，在计算设计中为了使得结构达到规定的可靠指标，在计算中应采用荷载设计值进行计算。中应采用荷载设计值进行计算。荷载设计值荷载的标准值荷载设计值荷载的标准值 荷载分项系数荷载分项系数 第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析 思思 考考 题题 10.1 10.1 结构可靠性的含义是什么？包含哪些功能要求？结构结构可靠性的含义是什么？包含哪些功能要求？结构超过极限状态会产生什么后果？建筑结构安全等级是按什么原则超过极限状态会产生什么后果？建筑结构安全等级是按什么原则划分的？划分的？10.2 10.2“作用作用”和和“荷载荷载”有什么区别？影响结构可靠性的因有什么区别？影响结构可靠性的因素有哪些？结构构件的杭力与哪些因素有关？为什么说构件的抗素有哪些？结构构件的杭力与哪些因素有关？为什么说构件的抗力是一个随机变量？力是一个随机变量？10.3 10.3 什么是结构的极限状态？结构的极限状态分为几类，什么是结构的极限状态？结构的极限状态分为几类，其含义各是什么？其含义各是什么？10.4 10.4 建筑结构应该满足哪些功能要求？结构的设计工作寿建筑结构应该满足哪些功能要求？结构的设计工作寿命如何确定？结构超过其设计工作寿命是否意味着不能再使用？命如何确定？结构超过其设计工作寿命是否意味着不能再使用？为什么？为什么？10.5 10.5 正态分布概率密度曲线有哪些数字特征？这些数字特正态分布概率密度曲线有哪些数字特征？这些数字特征各表示什么意义？正态分布概率密度曲线有何特点？征各表示什么意义？正态分布概率密度曲线有何特点？第10章混凝土结构设计一般原则和方法剖析 思思 考考 题题 10.6 10.6 材料强度是服从正态分布的随机变量材料强度是服从正态分布的随机变量 x x，其概率密度为，其概率密度为f(x)f(x)，怎样计算材料强度大于某一取值，怎样计算材料强度大于某一取值x x。的概率。的概率P(xxP(xx。)？10.7 10.7 什么是保证率？什么叫结构的可靠度和可靠指标？我国什么是保证率？什么叫结构的可靠度和可靠指标？我国建筑结构设计统一标准建筑结构设计统一标准对结构可靠度是如何定义的？对结构可靠度是如何定义的？10.8 10.8 什么是结构的功能函数？什么是结构的极限状态？功能函什么是结构的功能函数？什么是结构的极限状态？功能函数数Z Z0 0、Z ZO O和和Z=0Z=0时各表示结构处于什么样的状态？时各表示结构处于什么样的状态？10.9 10.9 什么是结构可靠概率什么是结构可靠概率P Ps s和失效概率和失效概率p pf f?什么是目标可靠指标？什么是目标可靠指标？可靠指标与结构失效概率有何定性关系？怎样确定可靠指标？为什可靠指标与结构失效概率有何定性关系？怎样确定可靠指标？为什么说我国么说我国“规范规范”采用的极限状态设计法是近似概率设计方法？其采用的极限状态设计法是近似概率设计方法？其主要特点是什么？主要特点是什么？