混凝土结构设计的基本原则课件

混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理教学提示教学提示首先应明确首先应明确建筑结构可靠度设计统一建筑结构可靠度设计统一 标准标准和和建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范是结构是结构 设计宜遵守的基本原则。设计宜遵守的基本原则。本章应重点介绍结构上的作用、对结构本章应重点介绍结构上的作用、对结构 的功能要求、设计基准期、两类极限状的功能要求、设计基准期、两类极限状 态以及极限状态的实用设计表达式。态以及极限状态的实用设计表达式。教学提示1第三章 混凝土结构基本设计原则 工程结构需要工程结构需要安全适用、经济合理；安全适用、经济合理；安全适用、经济合理；安全适用、经济合理；这只有这只有技术技术先进先进才能实现。才能实现。实际实际工工程结构中程结构中存在存在多种多种不确定性不确定性；工工程结构的程结构的基本设计原则基本设计原则就是就是研究研究各种各种不确定性不确定性问题，实现问题，实现可靠性可靠性与与经济性经济性的最佳平衡。的最佳平衡。第三章 混凝土结构基本设计原则 工程结构需要安全适用2一、作用的概念：一、作用的概念：使结构产生使结构产生内力内力或或变形变形的原因，分的原因，分直接作用直接作用和和 间接作用间接作用两种。两种。直接作用直接作用：是指施加在结构上的：是指施加在结构上的集中力集中力或或分布力分布力，即即荷载荷载。间接作用间接作用：是指引起结构：是指引起结构外加变形外加变形或或约束变形约束变形的原的原 因（混凝土收缩、温度变化、基础差异因（混凝土收缩、温度变化、基础差异 沉降、地震等）。沉降、地震等）。第三章 混凝土结构基本设计原则 3.13.1极限状态和设计状况极限状态和设计状况 3.1.13.1.13.1.13.1.1结构上的作用结构上的作用结构上的作用结构上的作用3.1极限状态和设计状况 一、作用的概念：第三章 混凝土结构基本设计原则 3.1极3（按随时间的变异性可分为三类）（按随时间的变异性可分为三类）（按随时间的变异性可分为三类）（按随时间的变异性可分为三类）1 1 1 1、永久作用：、永久作用：、永久作用：、永久作用：在在结构使用期间，结构使用期间，其量其量值不随不随时间变化，或其化，或其变化与平均化与平均值相比可以忽略不相比可以忽略不计的作用。的作用。二、作用的分类：二、作用的分类：二、作用的分类：二、作用的分类：如如如如结构自重、土压力、预应力、地基沉降、焊接等。结构自重、土压力、预应力、地基沉降、焊接等。2 2 2 2、可变作用：、可变作用：、可变作用：、可变作用：在在结构使用期间，结构使用期间，其量其量值随随时间变化，且其化，且其变化与平均化与平均值相比不可忽略的作用。相比不可忽略的作用。如如如如楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、汽车荷载汽车荷载、温度变化等。温度变化等。3 3 3 3、偶然作用：、偶然作用：、偶然作用：、偶然作用：在在结构使用期间结构使用期间不一定出不一定出现，而一旦出，而一旦出现其量其量值很大且持很大且持续时间很短的作用。很短的作用。如如如如爆炸力、撞击力、罕遇的地震等。爆炸力、撞击力、罕遇的地震等。第三章 混凝土结构基本设计原则 3.1极限状态和设计状况（按随时间的变异性可分为三类）1、永久作用：在结构使用期间，4第三章 混凝土结构基本设计原则 三、荷载标准值三、荷载标准值三、荷载标准值三、荷载标准值 是荷载的是荷载的基本代表值基本代表值，为设计基准期内，为设计基准期内最大荷载最大荷载概率概率分布的某个分位值。分布的某个分位值。1 1、永久荷载标准值：永久荷载标准值：永久荷载标准值：永久荷载标准值：按按设计尺寸设计尺寸与与材料重力密度材料重力密度的的乘积计算。一般相当于设计基准期内乘积计算。一般相当于设计基准期内最大荷载最大荷载概率分布概率分布的的0.5分位值。分位值。2 2、可变荷载标准值：、可变荷载标准值：、可变荷载标准值：、可变荷载标准值：为设计基准期内为设计基准期内最大荷载最大荷载概率分布的某个分位值。概率分布的某个分位值。对于建筑结构对于建筑结构对于建筑结构对于建筑结构，查荷载规范，查荷载规范GB50009。对于道桥结构对于道桥结构对于道桥结构对于道桥结构，查公路桥涵通用规范，查公路桥涵通用规范JTG D60。3.1极限状态和设计状况 第三章 混凝土结构基本设计原则 三、荷载标准值3.1极限53.1极限状态和设计状况 3.1.2 3.1.2 结构的功能结构的功能 （包括（包括安全性安全性、适应性适应性和和耐久性耐久性）一、一、结构的安全等级结构的安全等级 第三章 混凝土结构基本设计原则 根据结构根据结构根据结构根据结构破坏后果破坏后果破坏后果破坏后果的影响程度分为的影响程度分为的影响程度分为的影响程度分为三级三级三级三级。安全等安全等级破坏后果破坏后果建筑物建筑物类型型一一级很很严重重重要的建筑物重要的建筑物二二级严 重重一般的建筑物一般的建筑物三三级不不严重重次要的建筑物次要的建筑物建筑结构的安全等级建筑结构的安全等级建筑结构的安全等级建筑结构的安全等级3.1极限状态和设计状况 3.1.2 结构的功能一、结构的6第三章 混凝土结构基本设计原则 安全等安全等级破坏后果破坏后果桥梁类型桥梁类型一一级很很严重重特大及重要大桥特大及重要大桥二二级严 重重大、中桥及重要小桥大、中桥及重要小桥三三级不不严重重小桥、涵洞小桥、涵洞桥梁结构的安全等级桥梁结构的安全等级桥梁结构的安全等级桥梁结构的安全等级3.1极限状态和设计状况 第三章 混凝土结构基本设计原则 安全等级破坏后果桥梁类型7第三章 混凝土结构基本设计原则 1 1、结构的设计使用年限、结构的设计使用年限是指设计规定的结构或结构构是指设计规定的结构或结构构件件不需进行大修不需进行大修即可按其即可按其预定目的预定目的使用的时期。使用的时期。2 2、结构的设计使用年限、结构的设计使用年限不同于不同于实际寿命实际寿命和和设计基准期设计基准期。二、结构的设计使用年限和设计基准期二、结构的设计使用年限和设计基准期类别设计使用年使用年限（年）限（年）示例示例15临时性性结构构225易于替易于替换的的结构构件构构件350普通房屋和构筑物普通房屋和构筑物4100纪念性建筑和特念性建筑和特别重要的建筑物重要的建筑物 建筑结构设计使用年限分类建筑结构设计使用年限分类3.1极限状态和设计状况 第三章 混凝土结构基本设计原则 1、结构的设计使用年限是83 3、设计基准期：、设计基准期：指为确定指为确定可变作用可变作用及及与时间有关的材与时间有关的材料性能料性能等取值而选用的等取值而选用的时间参数时间参数。建筑结构建筑结构的设计基准期为的设计基准期为50年。年。桥梁结构桥梁结构的设计基准期为的设计基准期为100年。年。第三章 混凝土结构基本设计原则 3.1极限状态和设计状况 3、设计基准期：指为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值9三、三、结构的功能结构的功能 （包括（包括安全性安全性、适应性适应性和和耐久性耐久性）1 1、安全性安全性 结结构构在在设设计计规规定定的的使使用用年年限限内内，能能承承受受在在正正常常施施工工和和正正常常使使用用时时可可能能出出现现的的各各种种作作用用。在在设设计计规规定定的的偶偶然然事事件件发生时及发生后，仍能保持必需的发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。整体稳定性。第三章 混凝土结构基本设计原则 设计使用年限：设计使用年限：设计使用年限：设计使用年限：一般为一般为50年年。各各各各种种种种作作作作用用用用：指指荷荷载载、外外加加变变形形和和约约束束变变形形（如如温温度度和和收收缩缩变变形形受受到约束时）；到约束时）；偶然事件：偶然事件：偶然事件：偶然事件：如地震、爆炸、火灾、撞击等；如地震、爆炸、火灾、撞击等；整体稳定性：整体稳定性：整体稳定性：整体稳定性：指建筑结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。指建筑结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。三、结构的功能1、安全性第三章 混凝土结构基本设计原10 结结构构在在设设计计规规定定的的使使用用年年限限内内，在在正正常常使使用用时时具具有有良好的工作性能良好的工作性能。良良良良好好好好的的的的工工工工作作作作性性性性能能能能：指指不不发发生生影影响响正正常常使使用用的的过过大大的的变变形形、振振动，或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度等。动，或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度等。第三章 混凝土结构基本设计原则 2 2、适用性适用性3 3、耐久性耐久性 结构在设计规定的使用年限内，在结构在设计规定的使用年限内，在正常维护正常维护下具有下具有足够的足够的耐久性能耐久性能。耐久性能：耐久性能：耐久性能：耐久性能：指在各种因素（指在各种因素（混凝土碳化混凝土碳化、钢筋锈蚀钢筋锈蚀等）的影等）的影响下，结构的响下，结构的承载力承载力和和刚度刚度不应随时间有过大的降低，而降低不应随时间有过大的降低，而降低使用寿命。使用寿命。3.1极限状态和设计状况 结构在设计规定的使用年限内，在正常使用时具有113.1.3 3.1.3 极限状态极限状态结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构为结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构为可靠可靠（或有效）。反之，则结构为（或有效）。反之，则结构为不可靠不可靠（或失效）。（或失效）。区分结构区分结构“可靠可靠”与与“失效失效”的的临界工作状态临界工作状态称为称为“极限极限状态状态”第三章 混凝土结构基本设计原则 一、极限状态的概念一、极限状态的概念 整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态为该功此特定状态为该功能的极限状态。能的极限状态。二、两类极限状态二、两类极限状态 承载能力承载能力极限状态与极限状态与正常使用正常使用极限状态。极限状态。3.1极限状态和设计状况 3.1.3 极限状态结构能够满足功能要求而良好地工作，则称12（1 1 1 1）概概概概念念念念：承承载载能能力力极极限限状状态态对对应应于于结结构构或或结结构构构构件件达达到到最最大大承载力承载力或或不适于继续承载的变形不适于继续承载的变形。-安全性安全性。第三章 混凝土结构基本设计原则 1 1、承载能力极限状态、承载能力极限状态 Ultimate Limit StateUltimate Limit State（2 2 2 2）标志）标志）标志）标志整个结构或结构的一部分作为整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡刚体失去平衡。结结构构构构件件或或连连接接因因超超过过材材料料强强度度而而破破坏坏（包包括括疲疲劳劳破破坏坏）或或因因过度变形而不适于继续承载。过度变形而不适于继续承载。结结构构转转变变为为机机动动体体系系（超超静静定定结结构构中中出出现现足足够够多多塑塑性性铰铰）。结构或结构构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）结构或结构构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）。地基丧失承载能力而破坏。地基丧失承载能力而破坏。3.1极限状态和设计状况（1）概念：承载能力极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载13（2 2 2 2）标志：）标志：）标志：）标志：影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或外观的变形；影影响响正正常常使使用用或或耐耐久久性性能能的的局局部部损损坏坏（包包括括裂裂缝缝、钢钢筋筋锈蚀、漏水等）；锈蚀、漏水等）；影响正常使用的振动；影响正常使用的振动；影响正常使用的其他特定状态。影响正常使用的其他特定状态。第三章 混凝土结构基本设计原则 2 2、正常使用极限状态、正常使用极限状态 Serviceability Limit StateServiceability Limit State（1 1 1 1）概念）概念）概念）概念：正常使用极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用正常使用或或耐久性能耐久性能的的某项规定限值某项规定限值。对应于结构的。对应于结构的适应性适应性和耐久性和耐久性。3.1极限状态和设计状况（2）标志：第三章 混凝土结构基本设计原则 2、正常使用14 S S S S作用效应作用效应作用效应作用效应 结构上的作用引起的效应（结构上的作用引起的效应（如弯矩、轴力、剪力、扭矩等）如弯矩、轴力、剪力、扭矩等）结构力学的主要内容结构力学的主要内容 RRRR结构抗力结构抗力结构抗力结构抗力 结构抵抗作用效应的能力，如受弯承载力结构抵抗作用效应的能力，如受弯承载力Mu本课程的主要内容本课程的主要内容第三章 混凝土结构基本设计原则 3.1.4 3.1.4 极限状态方程极限状态方程因因S S和和R R都是都是随机变量随机变量，不一定绝对安全不一定绝对安全所以所以所以所以 S作用效应结构力学的主要内容 R结构抗力 本课程的15第三章 混凝土结构基本设计原则 Z 0 可靠可靠 Z=0 极限状态极限状态Z 0 可靠 16第三章 混凝土结构基本设计原则 3.1.5 3.1.5 工程结构的设计状况工程结构的设计状况一、持久状况：一、持久状况：一、持久状况：一、持久状况：在结构在结构在结构在结构使用过程中使用过程中使用过程中使用过程中一定出现，且持一定出现，且持一定出现，且持一定出现，且持续期与续期与续期与续期与使用期使用期使用期使用期为同一数量级的状况。为同一数量级的状况。为同一数量级的状况。为同一数量级的状况。应进行应进行应进行应进行承载能力承载能力承载能力承载能力、正常使用正常使用正常使用正常使用极限状态的设计极限状态的设计极限状态的设计极限状态的设计二、短暂状况：二、短暂状况：二、短暂状况：二、短暂状况：在结构在结构在结构在结构施工和使用过程中施工和使用过程中施工和使用过程中施工和使用过程中出现概率出现概率出现概率出现概率较较较较大，而持续期大，而持续期大，而持续期大，而持续期较较较较短的状况。短的状况。短的状况。短的状况。一般一般一般一般只进行只进行只进行只进行承载能力承载能力承载能力承载能力极限状态计算，极限状态计算，极限状态计算，极限状态计算，必要时必要时必要时必要时才才才才做做做做正常使用正常使用正常使用正常使用极限状态计算。极限状态计算。极限状态计算。极限状态计算。三、偶然状况：三、偶然状况：三、偶然状况：三、偶然状况：在结构在结构在结构在结构使用过程中使用过程中使用过程中使用过程中出现概率出现概率出现概率出现概率很很很很小，小，小，小，且持续期且持续期且持续期且持续期很很很很短的状况。短的状况。短的状况。短的状况。只进行只进行只进行只进行承载能力承载能力承载能力承载能力极限状态计算，极限状态计算，极限状态计算，极限状态计算，不必不必不必不必考虑考虑考虑考虑正常正常正常正常使用使用使用使用极限状态计算。极限状态计算。极限状态计算。极限状态计算。3.1极限状态和设计状况 第三章 混凝土结构基本设计原则 3.1.5 工程结构173.2 极限状态设计法一、可靠性一、可靠性 结结构构在在设设计计规规定定的的使使用用年年限限内内，在在规规定定的的条条件件下下（正正常常设设计计、正正常常施施工工、正正常常使使用用和和维维护护），完完成成预预定定功功能能（安安全全性性、适适用用性性和和耐耐久久性性）的的能能力力。即即是安全性、适用性和耐久性的总称。是安全性、适用性和耐久性的总称。第三章 混凝土结构基本设计原则 3.2.13.2.1结构的可靠度结构的可靠度 3.2 3.2 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二、可靠度二、可靠度 结构可靠度：结构可靠度：是结构可靠性的是结构可靠性的概率度量概率度量。3.2 极限状态设计法一、可靠性第三章 混凝土结构基本18一、一、一、一、R R和和和和S S的概率密度曲线的概率密度曲线的概率密度曲线的概率密度曲线-正态分布正态分布正态分布正态分布可见，在可见，在多数情况多数情况下，下，RS。但在但在重叠区重叠区（阴影段内）仍（阴影段内）仍有可能有可能出现出现RS是不可能的。是不可能的。3.2.2 可靠指标与失效概率可靠指标与失效概率第三章 混凝土结构基本设计原则 3.2 极限状态设计法一、R和S的概率密度曲线-正态分布可见，在多数情况下19二、二、二、二、Z Z的概率密度曲线、失效概率、可靠指标的概率密度曲线、失效概率、可靠指标的概率密度曲线、失效概率、可靠指标的概率密度曲线、失效概率、可靠指标第三章 混凝土结构基本设计原则 失效概率失效概率失效概率失效概率可见，可见，Pf 越小，越小，越大越大3.2 极限状态设计法二、Z的概率密度曲线、失效概率、可靠指标第三章 混凝土20第三章 混凝土结构基本设计原则 三、容许失效概率三、容许失效概率三、容许失效概率三、容许失效概率四、失效概率四、失效概率四、失效概率四、失效概率pf与可靠指标与可靠指标与可靠指标与可靠指标 的关系的关系的关系的关系当当Pf 小于某个值时，人们不再担心。该失效概率称小于某个值时，人们不再担心。该失效概率称为为容许失效概率容许失效概率Pf。3.2 极限状态设计法第三章 混凝土结构基本设计原则 三、容许失效概率四、失效21第三章 混凝土结构基本设计原则 五、五、建筑建筑结构的目标可靠指标结构的目标可靠指标破破 坏坏 类类 型型安安 全全 等等 级级一一 级级二二 级级三三 级级延延 性性 破破 坏坏3.73.22.7脆脆 性性 破破 坏坏4.23.73.2六、六、桥梁桥梁结构的目标可靠指标结构的目标可靠指标破破 坏坏 类类 型型安安 全全 等等 级级一一 级级二二 级级三三 级级延延 性性 破破 坏坏4.74.23.7脆脆 性性 破破 坏坏5.24.74.23.2 极限状态设计法第三章 混凝土结构基本设计原则 五、建筑结构的目标可靠指223.3 实用设计表达式第三章 混凝土结构基本设计原则 3.3.1 3.3.1 设计验算点的确定、分项系数设计验算点的确定、分项系数设计验算点的确定、分项系数设计验算点的确定、分项系数 f(S)SSk f(R)RRk一、一、一、一、S S 、R R的概率密度曲线的概率密度曲线的概率密度曲线的概率密度曲线3.3 3.3 实用设计表达式实用设计表达式实用设计表达式实用设计表达式3.3 实用设计表达式第三章 混凝土结构基本设计原则 23Sk f(S)，f(R)S，RRk第三章 混凝土结构基本设计原则 二、设计验算点的确定二、设计验算点的确定二、设计验算点的确定二、设计验算点的确定3.3 实用设计表达式Sk f(S)，f(R)S，RRk第三章 混凝土结构基24Sk f(S)，f(R)S，RRk第三章 混凝土结构基本设计原则 二、设计验算点的确定二、设计验算点的确定二、设计验算点的确定二、设计验算点的确定3.3 实用设计表达式Sk f(S)，f(R)S，RRk第三章 混凝土结构基25Sk f(S)，f(R)S，RRk第三章 混凝土结构基本设计原则 二、设计验算点的确定二、设计验算点的确定二、设计验算点的确定二、设计验算点的确定3.3 实用设计表达式Sk f(S)，f(R)S，RRk第三章 混凝土结构基26SKRKS=RSk f(S)，f(R)S，RRk第三章 混凝土结构基本设计原则 设计验算点设计验算点 Pf=Pf二、设计验算点的确定二、设计验算点的确定二、设计验算点的确定二、设计验算点的确定取取S S SkRRk /R3.3 实用设计表达式SK0.1（3）准永久值）准永久值结构上结构上经常经常出现的出现的作用值作用值准永久值准永久值=准永久值系数准永久值系数标准值标准值 t/T=0.5（t为设计基准期内荷载为设计基准期内荷载达到和超过达到和超过该值的该值的总持续时总持续时间间，T为设计基准期。为设计基准期。）（1）组合值组合值当有当有两个两个或或两个以上两个以上可变荷载可变荷载同时作同时作 用用时的代表值时的代表值。组合值组合值=组合值系数组合值系数标准值标准值 第三章 混凝土结构基本设计原则 3.3 实用设计表达式（2）频遇值结构上时而出现的较大作用值,但小于频遇值=频41第三章 混凝土结构基本设计原则 建规建规建规建规 G G G G、Qi Qi Qi Qi、CiCiCiCi的取的取的取的取值值值值桥规桥规桥规桥规见见见见JTG D62JTG D62第第第第4.1.64.1.6条条条条3.3 实用设计表达式第三章 混凝土结构基本设计原则 建规G、Qi、42小结本章的主要内容本章的主要内容本章的主要内容本章的主要内容1、结构的功能：安全性、适用性和耐久性；可靠性与可靠度、结构的功能：安全性、适用性和耐久性；可靠性与可靠度2、两类极限状态：概念和标志、两类极限状态：概念和标志3、结构设计中的不确定性、结构设计中的不确定性本章小结本章小结第三章 混凝土结构基本设计原则 链接下一章链接下一章4、以概率论为基础的极限状态设计法、以概率论为基础的极限状态设计法（1）失效概率与可靠指标失效概率与可靠指标（2）极限状态设计表达式极限状态设计表达式 0S R（3）荷荷载载效效应应组组合合：基基本本组组合合（可可变变荷荷载载效效应应控控制制、永永久久荷荷载载效效应控制）、标准组合、准永久组合、应控制）、标准组合、准永久组合、短期效应组合短期效应组合、长期效应组合长期效应组合。（4）荷荷载载的的实实测测值值、标标准准值值、组组合合值值、频频遇遇值值、准准永永久久值值和和设设计计值值（5）材料强度的实测值、标准值和设计值材料强度的实测值、标准值和设计值小结本章的主要内容本章小结第三章 混凝土结构基本设计原则43