混凝土结构基本设计原则教学课件

Questions1 What working states should be considered for practical structures?2 How to ensure the safety and serviceability of your design?3 What factors must be considered to ensure the safety and serviceability?工程结构的设计需要保证工程结构的设计需要保证安全可靠安全可靠、经济经济合理合理.由于实际工程结构中存在多种不确定性，由于实际工程结构中存在多种不确定性，结构设计方法结构设计方法就是研究工程设计中的各种就是研究工程设计中的各种不确定性问题，取得不确定性问题，取得安全可靠与经济合理安全可靠与经济合理之间的均衡。之间的均衡。容许应力容许应力设计方法设计方法 allowable stress 安全系数安全系数 K 是一个大于是一个大于1.0的数值。的数值。K 越大，结构安全度就越高，同时结构材料用量也越多。越大，结构安全度就越高，同时结构材料用量也越多。为取得安全可靠与经济合理的为取得安全可靠与经济合理的均衡均衡，在综合考虑各种不确在综合考虑各种不确定性因素影响后，可选取一个合适的安全系数。定性因素影响后，可选取一个合适的安全系数。材料力学研究的是：单一材料、线弹性、简单结构，材料力学研究的是：单一材料、线弹性、简单结构，实际工程结构远比它复杂。实际工程结构远比它复杂。如钢筋混凝土梁的受弯，从安全角度考虑，需要确如钢筋混凝土梁的受弯，从安全角度考虑，需要确定其定其极限受弯承载力极限受弯承载力；为控制正常使用阶段的为控制正常使用阶段的裂缝和挠度变形裂缝和挠度变形，需要确定，需要确定带裂缝工作阶段的受力情况。带裂缝工作阶段的受力情况。采用采用容许应力设计方法，无法统一这两方面的要求容许应力设计方法，无法统一这两方面的要求 因此，因此，首先根据工程结构需要满足实际使用的各种首先根据工程结构需要满足实际使用的各种要求要求(结构的功能结构的功能)对安全可靠度有更具体的科学定对安全可靠度有更具体的科学定义。义。另一方面，需要尽可能详细了解结构在不同情况下另一方面，需要尽可能详细了解结构在不同情况下（施工、使用、破坏）可能受到的各种（施工、使用、破坏）可能受到的各种外界影响外界影响的的大小和变化情况。大小和变化情况。以及结构尺寸、材料强度等以及结构尺寸、材料强度等的变异情况，以便科学全面合理的确定结构可靠的变异情况，以便科学全面合理的确定结构可靠性。性。各种荷载、温度变化、沉降、各种荷载、温度变化、沉降、收缩徐变、地震、侵蚀、冻收缩徐变、地震、侵蚀、冻融等。融等。1.1.混凝土结构的组成与作用混凝土结构的组成与作用3.1 3.1 结构的功能结构的功能结结结结构构构构由不同的受力构件由不同的受力构件由不同的受力构件由不同的受力构件组组组组成成成成的承受各种外部作用的骨架。的承受各种外部作用的骨架。的承受各种外部作用的骨架。的承受各种外部作用的骨架。构件构件构件构件结结结结构的构的构的构的组组组组成元素。成元素。成元素。成元素。柱柱柱柱：要求柱具有一定的抗压能力；要求柱具有一定的抗压能力；要求柱具有一定的抗压能力；要求柱具有一定的抗压能力；墙：墙：墙：墙：主要承受由楼板传来的竖向线荷载或其由上部结构传来的主要承受由楼板传来的竖向线荷载或其由上部结构传来的主要承受由楼板传来的竖向线荷载或其由上部结构传来的主要承受由楼板传来的竖向线荷载或其由上部结构传来的竖向荷载竖向荷载竖向荷载竖向荷载.因此因此因此因此,要求墙体具有一定的抗压能力要求墙体具有一定的抗压能力要求墙体具有一定的抗压能力要求墙体具有一定的抗压能力.基础：基础：基础：基础：主要承受由柱或墙体传来的竖向荷载主要承受由柱或墙体传来的竖向荷载主要承受由柱或墙体传来的竖向荷载主要承受由柱或墙体传来的竖向荷载,并把这些荷载均匀并把这些荷载均匀并把这些荷载均匀并把这些荷载均匀地传给地基地传给地基地传给地基地传给地基.因此因此因此因此,要求基础具有一定的刚度和强度要求基础具有一定的刚度和强度要求基础具有一定的刚度和强度要求基础具有一定的刚度和强度.楼板：楼板：楼板：楼板：（受弯构件）要求楼板具有一定（受弯构件）要求楼板具有一定（受弯构件）要求楼板具有一定（受弯构件）要求楼板具有一定的抗弯能力；的抗弯能力；的抗弯能力；的抗弯能力；梁：梁：梁：梁：（受弯构件）（受弯构件）（受弯构件）（受弯构件）要求梁具有一定的刚度和强度要求梁具有一定的刚度和强度要求梁具有一定的刚度和强度要求梁具有一定的刚度和强度,以满足以满足以满足以满足抗弯抗弯抗弯抗弯.抗剪和变形的要求抗剪和变形的要求抗剪和变形的要求抗剪和变形的要求.定义：使结构产生内力或变形的原因称为定义：使结构产生内力或变形的原因称为定义：使结构产生内力或变形的原因称为定义：使结构产生内力或变形的原因称为“作用作用作用作用”。作作用用分分类类直接作用直接作用直接作用直接作用间接作用间接作用间接作用间接作用荷载荷载混凝土收缩、温度变化、基础的混凝土收缩、温度变化、基础的差异沉降、地震等引起结构外加差异沉降、地震等引起结构外加变形或约束的原因。变形或约束的原因。作用效应：作用效应：作用效应：作用效应：结构上的作用使结构产生的内力、变形、裂缝等通结构上的作用使结构产生的内力、变形、裂缝等通结构上的作用使结构产生的内力、变形、裂缝等通结构上的作用使结构产生的内力、变形、裂缝等通称为称为称为称为作用效应作用效应作用效应作用效应或或或或荷载效应荷载效应荷载效应荷载效应S S 。Action(Load)Effect Action(Load)Effect 2.2.2.2.荷载效应荷载效应荷载效应荷载效应(S)(S)(S)(S)和结构抗力和结构抗力和结构抗力和结构抗力(R)(R)(R)(R)结构抗力：结构抗力：结构抗力：结构抗力：结构承受内力和变形的能力（如构件的承载能力、结构承受内力和变形的能力（如构件的承载能力、结构承受内力和变形的能力（如构件的承载能力、结构承受内力和变形的能力（如构件的承载能力、裂缝和变形限值等）称为裂缝和变形限值等）称为裂缝和变形限值等）称为裂缝和变形限值等）称为结构抗力结构抗力结构抗力结构抗力R R。结构上的作用、作用效应、结构抗力均是随机变量结构上的作用、作用效应、结构抗力均是随机变量结构上的作用、作用效应、结构抗力均是随机变量结构上的作用、作用效应、结构抗力均是随机变量 取决于取决于取决于取决于材料的强度、截面尺寸及计算模式材料的强度、截面尺寸及计算模式材料的强度、截面尺寸及计算模式材料的强度、截面尺寸及计算模式等。等。等。等。结结结结构上的作用分构上的作用分构上的作用分构上的作用分类类类类 (1)(1)按随按随按随按随时间时间时间时间的的的的变变变变异分异分异分异分类类类类：永久作用永久作用永久作用永久作用 在在在在设计设计设计设计基准期内其量基准期内其量基准期内其量基准期内其量值值值值不随不随不随不随时间变时间变时间变时间变化，或其化，或其化，或其化，或其变变变变化与平均化与平均化与平均化与平均值值值值相比可以忽略不相比可以忽略不相比可以忽略不相比可以忽略不计计计计的作用。的作用。的作用。的作用。可可可可变变变变作用作用作用作用在在在在设计设计设计设计基准期内其量基准期内其量基准期内其量基准期内其量值值值值随随随随时间变时间变时间变时间变化，且其化，且其化，且其化，且其变变变变化化化化与平均与平均与平均与平均值值值值相比不可忽略的作用。相比不可忽略的作用。相比不可忽略的作用。相比不可忽略的作用。活载、雪载、风载活载、雪载、风载活载、雪载、风载活载、雪载、风载 偶然作用偶然作用偶然作用偶然作用在在在在设计设计设计设计基准期内出基准期内出基准期内出基准期内出现现现现或不一定出或不一定出或不一定出或不一定出现现现现，而一旦出，而一旦出，而一旦出，而一旦出现现现现其量其量其量其量值值值值很大且持很大且持很大且持很大且持续时间续时间续时间续时间很短的作用。很短的作用。很短的作用。很短的作用。地震、爆炸地震、爆炸地震、爆炸地震、爆炸 (2)(2)按随空按随空按随空按随空间间间间位置的位置的位置的位置的变变变变异分异分异分异分类类类类 固定作用固定作用固定作用固定作用在在在在结结结结构空构空构空构空间间间间位置上具有固定分布的作用。位置上具有固定分布的作用。位置上具有固定分布的作用。位置上具有固定分布的作用。自由作用自由作用自由作用自由作用在在在在结结结结构空构空构空构空间间间间位置上的一定范位置上的一定范位置上的一定范位置上的一定范围围围围内可以任意分布内可以任意分布内可以任意分布内可以任意分布的作用。的作用。的作用。的作用。(3)(3)按按按按结结结结构的反构的反构的反构的反应应应应分分分分类类类类 静静静静态态态态作用作用作用作用使使使使结结结结构构构构产产产产生的加速度可忽略不生的加速度可忽略不生的加速度可忽略不生的加速度可忽略不计计计计的作用。的作用。的作用。的作用。动态动态动态动态作用作用作用作用使使使使结结结结构构构构产产产产生的加速度不可忽略的作用。生的加速度不可忽略的作用。生的加速度不可忽略的作用。生的加速度不可忽略的作用。结构的功能要求结构的功能要求1.安全性安全性 Safety 如（如（MMu）结结构构在在预预定定的的使使用用期期间间内内（design life 一一般般为为50年年），应应能能承承受受在在正正常常施施工工、正正常常使使用用情情况况下下可可能能出出现现的的各各种种荷荷载载、外外加加变变形形（如如超超静静定定结结构构的的支支座座不不均均匀匀沉沉降降）、约约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）等的作用。束变形（如温度和收缩变形受到约束时）等的作用。在在偶偶然然事事件件（如如地地震震、爆爆炸炸）发发生生时时和和发发生生后后，结结构构应应能能保保持持整整体体稳稳定定性性，不不应应发发生生倒倒塌塌或或连连续续破破坏坏而而造造成成生生命财产的严重损失。命财产的严重损失。2.适用性适用性 Serviceability 如（如（f f）结结构构在在正正常常使使用用期期间间，具具有有良良好好的的工工作作性性能能。如如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（挠挠度度、侧侧移移）、振振动动（频频率率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。3.耐久性耐久性 Durability 如（如（wmax wmax）结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。即在各种因素的影响下（即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀混凝土碳化、钢筋锈蚀），），结构结构的承载力和刚度的承载力和刚度不应随时间有过大的降低，而导致结构在不应随时间有过大的降低，而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。其预定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。4.结构的可靠性结构的可靠性 reliability 可可靠靠性性结结构构在在规规定定的的时时间间内内,在在规规定定的的条条件件下下完完成成预预定定功能功能的能力。它包括的能力。它包括安全性安全性.适用性适用性和和耐久性耐久性.(1).规定的时间规定的时间:一个一个设计基准期设计基准期:T=50 年年 中国中国 (2).规定的条件规定的条件:正常设计、正常施工、正常使用和正常设计、正常施工、正常使用和维护维护 (3).预定功能预定功能:如如:强度、刚度、稳定性、抗裂性、耐强度、刚度、稳定性、抗裂性、耐久性等。久性等。设设计计基基准准期期：指指一一个个工工程程结结构构在在正正常常使使用用和和正正常常维维护条件下，能够满足其可靠度的时间。护条件下，能够满足其可靠度的时间。结构可靠性越高，建设造价投资越大。结构可靠性越高，建设造价投资越大。如何在结构可靠与经济之间取得均衡如何在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计方，就是设计方法要解决的问题。法要解决的问题。显显然然这这种种可可靠靠与与经经济济的的均均衡衡受受到到多多方方面面的的影影响响，如如国国家家经经济实力、设计工作寿命济实力、设计工作寿命(design life)、维护和修复等。、维护和修复等。规规范范规规定定的的设设计计方方法法，是是这这种种均均衡衡的的最最低低限限度度，也也是是国国家家法律。法律。设设计计人人员员可可以以根根据据具具体体工工程程的的重重要要程程度度、使使用用环环境境和和情情况况，以及业主的要求，提高设计水准，增加结构的可靠度。以及业主的要求，提高设计水准，增加结构的可靠度。经经济济的的概概念念不不仅仅包包括括第第一一次次建建设设费费用用，还还应应考考虑虑维维修修，损损失及修复的费用，乃至可能对社会和经济所造成的影响失及修复的费用，乃至可能对社会和经济所造成的影响 结构的安全等级结构的安全等级结构的安全等级结构的安全等级*结结结结构的构的构的构的设计设计设计设计使用年限使用年限使用年限使用年限是指是指是指是指设计规设计规设计规设计规定的定的定的定的结结结结构或构或构或构或结结结结构构件不构构件不构构件不构构件不需需需需进进进进行大修即可按其行大修即可按其行大修即可按其行大修即可按其预预预预定目的使用的定目的使用的定目的使用的定目的使用的时时时时期期期期 。安全等级安全等级破坏后果破坏后果 建筑物类型建筑物类型一级很严重重要的建筑物二级严重一般的建筑物三级不严重次要的建筑物根据建筑结构破坏后果的严重程度，建筑结构划分为根据建筑结构破坏后果的严重程度，建筑结构划分为三个安全等级，设计时应根据具体情况，按照下表的三个安全等级，设计时应根据具体情况，按照下表的规定选用相应的安全等级。规定选用相应的安全等级。建筑物中各类结构构件使用阶段的安全等级，宜与整个结建筑物中各类结构构件使用阶段的安全等级，宜与整个结构的安全等级相同，对其中部分结构构件的安全等级，可构的安全等级相同，对其中部分结构构件的安全等级，可根据其重要程度适当调整，但不得低于三级。根据其重要程度适当调整，但不得低于三级。*按照按照按照按照桥桥桥桥涵破坏可能涵破坏可能涵破坏可能涵破坏可能产产产产生的后果的生的后果的生的后果的生的后果的严严严严重程度，划分重程度，划分重程度，划分重程度，划分为为为为三三三三个安全等个安全等个安全等个安全等级进级进级进级进行行行行设计设计设计设计。安全等级安全等级桥涵类别桥涵类别一级一级特大桥、特大桥、重要重要大桥大桥二级二级大桥、中桥、大桥、中桥、重要重要小桥小桥三级三级小桥、涵洞小桥、涵洞l l注：注：注：注：特大、大、中桥系按特大、大、中桥系按特大、大、中桥系按特大、大、中桥系按公路桥涵通用设计规范公路桥涵通用设计规范公路桥涵通用设计规范公路桥涵通用设计规范中的中的中的中的单孔跨径确定，对多跨不等跨桥梁，以其中最大跨径为准；单孔跨径确定，对多跨不等跨桥梁，以其中最大跨径为准；单孔跨径确定，对多跨不等跨桥梁，以其中最大跨径为准；单孔跨径确定，对多跨不等跨桥梁，以其中最大跨径为准；重要的大桥和重要的小桥重要的大桥和重要的小桥重要的大桥和重要的小桥重要的大桥和重要的小桥指高速公路和一级公路上、国防指高速公路和一级公路上、国防指高速公路和一级公路上、国防指高速公路和一级公路上、国防公路上及城市附近交通繁忙公路上的桥梁。公路上及城市附近交通繁忙公路上的桥梁。公路上及城市附近交通繁忙公路上的桥梁。公路上及城市附近交通繁忙公路上的桥梁。l同座桥梁的各种构件宜取相同的安全等级，必要时部分构同座桥梁的各种构件宜取相同的安全等级，必要时部分构件可作适当调整，但调整后的级差不应超过一个等级。件可作适当调整，但调整后的级差不应超过一个等级。桥涵分类桥涵分类多孔跨径总长多孔跨径总长L(m)单孔跨径单孔跨径 Lk(m)特大桥特大桥L1000Lk 150大桥大桥100L100040 Lk 150中桥中桥30 L 10020 Lk 40小桥小桥8L305 Lk 20桥涵桥涵Lk 5桥梁涵洞分类桥梁涵洞分类 3.2 3.2 极限状态极限状态 Limit State一、极限状态的概念一、极限状态的概念一、极限状态的概念一、极限状态的概念 结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠可靠”的或的或“有效有效”的。反之，则结构为的。反之，则结构为“不可靠不可靠”或或“失效失效”。区分结构区分结构“可靠可靠”与与“失效失效”的临界工作状态称为的临界工作状态称为“极限极限状态状态”钢筋混凝土简支梁的可靠、失效和极限状态概念钢筋混凝土简支梁的可靠、失效和极限状态概念 结构的功能结构的功能 可靠可靠 极限状态极限状态 失效失效 安全性安全性 受弯承载力受弯承载力 M Mu 适用性适用性 挠度变形挠度变形 f f 耐久性耐久性 裂缝宽度裂缝宽度 wmax wmax 二二二二.结构极限状态的分类结构极限状态的分类结构极限状态的分类结构极限状态的分类 整整个个结结构构或或结结构构的的一一部部分分超超过过某某一一特特定定状状态态就就不不能能满满足足设设计计规定的某一功能规定的某一功能要求，这个特定状态称为要求，这个特定状态称为该功能的极限状态该功能的极限状态。a.承载力能力极限状态承载力能力极限状态 Ultimate Limit State结结构构或或构构件件达达到到最最大大承承载载能能力力或或者者达达到到不不适适于于继继续续承承载载的的变变形形状态状态。构件的截面因强度不足而发生破坏（包括疲劳破坏）；构件的截面因强度不足而发生破坏（包括疲劳破坏）；结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡(如倾覆、滑移如倾覆、滑移)；结构塑性变形过大而不适于继续使用；结构塑性变形过大而不适于继续使用；结构形成几何可变体系结构形成几何可变体系(超静定结构中出现足够多塑性铰超静定结构中出现足够多塑性铰)；结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）。结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）。b.正常使用极限状态正常使用极限状态 Serviceability Limit State结结构构或或构构件件达达到到影影响响正正常常使使用用或或耐耐久久性性能能的的某某项项规规定定限限值值的的状态。状态。过过大大的的变变形形、侧侧移移（影影响响非非结结构构构构件件、不不安安全全感感、不不能能正正常使用（吊车）等）；常使用（吊车）等）；过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）；过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）；过大的振动（影响使用、不舒适）；过大的振动（影响使用、不舒适）；局部损坏。局部损坏。承载力能力极限状态承载力能力极限状态结构的安全性结构的安全性正常使用极限状态正常使用极限状态结构的适用性和耐久性结构的适用性和耐久性可靠水平高可靠水平高可靠水平低可靠水平低结构设计程序结构极限状态方程结构极限状态方程Z 0 可靠可靠结构力学的主要内容结构力学的主要内容本课程的主要内容本课程的主要内容Z=R-S=g(R,S)结构设计中的结构设计中的不确定性不确定性 恒载恒载 g与构件尺寸、材料容重等有关与构件尺寸、材料容重等有关 活载活载 q（楼面活载、雪荷载）的数值是随时（楼面活载、雪荷载）的数值是随时在变化的在变化的 计算跨度计算跨度 l 的不准确的不准确材料强度材料强度 fy 和和 fc 的离散的离散截面尺寸截面尺寸h0和和 b 的施工误差的施工误差应力应力-应变关系参数应变关系参数 k1 和和 k2不一定安全（可靠）不一定安全（可靠）g+q3.4 3.4 概率极限状态设计方法概率极限状态设计方法 由于结构工程中的不确定性，为取得安全可靠与经济合由于结构工程中的不确定性，为取得安全可靠与经济合理的均衡，在设计中需要考虑这些不确定性的影响。结构理的均衡，在设计中需要考虑这些不确定性的影响。结构设计方法就是处理这种安全可靠与经济合理的矛盾。设计方法就是处理这种安全可靠与经济合理的矛盾。容许应力设计法容许应力设计法 钢筋混凝土结构的受力性能不是弹性的；钢筋混凝土结构的受力性能不是弹性的；结构中一点达到容许应力，结构即认为失效；结构中一点达到容许应力，结构即认为失效；没有考虑结构功能的多样性要求；没有考虑结构功能的多样性要求；安全系数是凭经验确定的，缺乏科学依据。安全系数是凭经验确定的，缺乏科学依据。破损阶段设计法破损阶段设计法 整个截面达到极限承载力才认为失效整个截面达到极限承载力才认为失效，考虑了，考虑了材料塑性和强度的充分发挥，极限荷载可以直接材料塑性和强度的充分发挥，极限荷载可以直接由试验验证，构件的总安全度较为明确。由试验验证，构件的总安全度较为明确。但但安全系数安全系数K仍然仍然凭经验确定，凭经验确定，没有考虑结构功能的多样性要求的问题。没有考虑结构功能的多样性要求的问题。结构可靠度：结构可靠度：结构在规定的时间内，在规定的条件结构在规定的时间内，在规定的条件下完成预定功能的概率。下完成预定功能的概率。极限状态设计法极限状态设计法失效概率失效概率 失效失效指指结构或结构的一部分结构或结构的一部分不能满足不能满足设计所规定的设计所规定的某一功能某一功能要求要求，即，即达到或超过了达到或超过了承载能力极限状态承载能力极限状态或或正常使用极限状态正常使用极限状态中中的某一极限。的某一极限。失效概率失效概率指指结构处于失效状态下的概率结构处于失效状态下的概率pf。结构极限状态函数结构极限状态函数又称结构功能函数又称结构功能函数当当时，结构已达极限状态，称为时，结构已达极限状态，称为极限状态方程极限状态方程。结构功能的表达结构功能的表达(极限状态方程）极限状态方程）Z=R-S0,或或S R 可靠可靠 Z=R-S=0,或或S=R 极限状态极限状态Z=R-S R 失效失效极限状态方程极限状态方程Z=0或或R-S=0RSZ0可靠区重叠区的大小反映了抗力重叠区的大小反映了抗力R和荷载效应和荷载效应S之间的概率关之间的概率关系，即结构的失效概率系，即结构的失效概率从结构安全的角度，从结构安全的角度，提高提高结构构件的结构构件的抗力抗力R，减小减小抗力抗力R和荷载和荷载效应效应S的的离散程度离散程度，可以，可以提高提高结构的结构的可靠程度可靠程度，即，即提高提高R S，减小减小R、S可使可使失效概率降低失效概率降低。f(r,s)S，RSRSRmR-mS结构处于可靠状态下的概率，称为可靠概率结构处于可靠状态下的概率，称为可靠概率p ps s，p ps s=1-=1-p pf f。标准差标准差S、R平均值分别为平均值分别为S、R f(Z)bszmzpfZ=R-SZ0则则pf=P(Z0)=P(R S)称为可靠指标，与失效概率称为可靠指标，与失效概率pf之间有一一对应的关系。之间有一一对应的关系。设设S、R都服从正态分布，平均值都服从正态分布，平均值为为S、R，标准差，标准差S、R。令令 Z=R-SZ是服从正态分布是服从正态分布的随机变量的随机变量可靠指标可靠指标 reliability indexb b 可靠指标可靠指标 reliability index b b=3.7时，时，Pf=1.110-4，按设计基准期，按设计基准期50年考虑，年失效概率年考虑，年失效概率为为1.110-4/50=2.210-6 50年后并不是结构就失效，而是失效概率增加。同时，结构年后并不是结构就失效，而是失效概率增加。同时，结构失效也并不表示结构倒塌，结构倒塌也不一定造成人员伤亡。失效也并不表示结构倒塌，结构倒塌也不一定造成人员伤亡。我国对于一般工程结构，当为延性破坏时，其可靠指标取我国对于一般工程结构，当为延性破坏时，其可靠指标取b b=3.2，对脆性破坏取，对脆性破坏取b b=3.7。对于重要的工程结构，应提高可靠指标。对于重要的工程结构，应提高可靠指标。目标可靠指标目标可靠指标结构按承载能力极限状态设计时，要保证其完成预定功能结构按承载能力极限状态设计时，要保证其完成预定功能的概率不低于某一允许水平而要求设计所达到的可靠指标，的概率不低于某一允许水平而要求设计所达到的可靠指标，称为称为目标可靠指标目标可靠指标。破坏类型破坏类型安全等级安全等级一级一级二级二级三级三级延性破坏延性破坏3.73.22.7脆性破坏脆性破坏4.23.73.2荷载的标准值荷荷载载的的分分类类又称恒荷载，在结构设计使用期间，又称恒荷载，在结构设计使用期间，其值不随时间而变化，或其变化与平其值不随时间而变化，或其变化与平均值相比可以忽略的荷载，如结构的均值相比可以忽略的荷载，如结构的自重、土压力，固定设备等；自重、土压力，固定设备等；又称活荷载，在结构设计使用期间其又称活荷载，在结构设计使用期间其值随时间而变化，如楼面堆放荷载、值随时间而变化，如楼面堆放荷载、吊车荷载、静水压力、风荷载、雪荷吊车荷载、静水压力、风荷载、雪荷载等；载等；在结构设计基准期内不一定出现，一在结构设计基准期内不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载，如爆炸力、撞击力等；荷载，如爆炸力、撞击力等；按随时间的变异性和出现的可能性：按随时间的变异性和出现的可能性：永久荷载永久荷载GkPermanent load可变荷载可变荷载QkVariable load偶然荷载偶然荷载Accidental load荷载的代表值荷载标准值是荷载的荷载标准值是荷载的基本代表值基本代表值。指结构构件在使用期间的正指结构构件在使用期间的正常情况下可能出现的最大荷载值，常情况下可能出现的最大荷载值，采用数理统计的方法确定的采用数理统计的方法确定的具有一定概率具有一定概率的的最大荷载值最大荷载值称为荷载的标准值称为荷载的标准值S Sk k。n永久荷载标准值永久荷载标准值G Gk k，可按结构的设计尺寸，可按结构的设计尺寸a ak k和结构材料的标和结构材料的标准重力密度计算得到。准重力密度计算得到。n可变荷载标准值，应根据设计基准期内最大荷载概率分布的可变荷载标准值，应根据设计基准期内最大荷载概率分布的某一分位值确定。某一分位值确定。一.荷载的标准值Sk可变荷载的可变荷载的最大值并非长期作用于结构最大值并非长期作用于结构之上，在考虑荷载长期之上，在考虑荷载长期效应组合时，应对其效应组合时，应对其标准值进行折减标准值进行折减。可变荷载在设计基准期内，其超越的总时间约为设计基准一半可变荷载在设计基准期内，其超越的总时间约为设计基准一半的荷载值，为可变荷载标准值乘以荷载准永久值系数的荷载值，为可变荷载标准值乘以荷载准永久值系数。二.荷载准永久值四.可变荷载的组合值三.荷载频遇值指在设计基准期内，其超越时间为较小比率或超越频率为规定指在设计基准期内，其超越时间为较小比率或超越频率为规定频率的荷载值。频率的荷载值。结构上多种可变荷载同时到达预计的最大概率是很小的，为了结构上多种可变荷载同时到达预计的最大概率是很小的，为了使结构在两种或两种以上可变荷载作用时的情况与仅有一种可使结构在两种或两种以上可变荷载作用时的情况与仅有一种可变荷载作用时具有大致相同的可靠指标，引入了荷载组合系数，变荷载作用时具有大致相同的可靠指标，引入了荷载组合系数，对同时作用的多种荷载进行折减。对同时作用的多种荷载进行折减。Sk f(S)，f(R)S，RRk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Sk f(S)，f(R)S，RRk实用设计表达式实用设计表达式Sk f(S)，f(R)S，RRk设计验算点设计验算点S=R实用设计表达式实用设计表达式Pf=PfSk f(S)，f(R)S，RRk结构构件的承载能力极限状态设计应根据荷载效结构构件的承载能力极限状态设计应根据荷载效应的应的基本组合基本组合或或偶然组合偶然组合进行，并以内力和承载进行，并以内力和承载力的力的设计值设计值来表达，其设计表达式为：来表达，其设计表达式为：0 SR1.结构重要性系数结构重要性系数0的确定的确定u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年及以上的年及以上的结构构件，结构构件，0 1.1。u安全等级为二级、或设计使用年限为安全等级为二级、或设计使用年限为50年的结构构件，年的结构构件，0 1.0。u安全等级为三级、或设计使用年限为安全等级为三级、或设计使用年限为5年的结构构件，年的结构构件，0 0.9。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2.内力组合设计值内力组合设计值S的确定的确定考虑考虑永久性荷载永久性荷载和和可变荷载可变荷载共同作用所得共同作用所得的结构内力值称为结构的内力组合值。的结构内力值称为结构的内力组合值。u对于基本组合，对于基本组合，荷载效应组合的设计值荷载效应组合的设计值S应应从下列组合值中取最不利值确定：从下列组合值中取最不利值确定：（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：对于一般排架、框架结构，对于一般排架、框架结构，基本组合可采用简化基本组合可采用简化规则。规则。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：当仅有一个可变荷载时当仅有一个可变荷载时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：3.基本组合的荷载分项系数基本组合的荷载分项系数（1）永久荷载的分项系数永久荷载的分项系数G：当其效应对结构不利时当其效应对结构不利时l对由可变荷载效应控制的组合，取对由可变荷载效应控制的组合，取G=1.2；l对由永久荷载效应控制的组合，取对由永久荷载效应控制的组合，取G=1.35。当其效应对结构有利时当其效应对结构有利时l一般情况下，取一般情况下，取G=1.0；l对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，取对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，取G=0.9（2）可变荷载的分项系数：可变荷载的分项系数：l当可变荷载效应对结构构件的承载能力不利当可变荷载效应对结构构件的承载能力不利时，在一般情况下应取时，在一般情况下应取1.4；l当可变荷载效应对结构构件的承载能力有利时，当可变荷载效应对结构构件的承载能力有利时，应取为应取为0。l对标准值大于对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的的工业房屋楼面结构的活荷载，取活荷载，取Q=1.3。l永久荷载分项系数与永久荷载标准值的乘积，称永久荷载分项系数与永久荷载标准值的乘积，称为永久荷载设计值；可变荷载分项系数与可变荷为永久荷载设计值；可变荷载分项系数与可变荷载标准值的乘积称为可变荷载设计值。载标准值的乘积称为可变荷载设计值。u对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，采用对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，采用荷载的荷载的标准组合标准组合、频遇组合频遇组合或或准永久组合准永久组合，并按下列设，并按下列设计表达式进行设计。计表达式进行设计。C结构或构件达到正常使用要求的规定限值。如结构或构件达到正常使用要求的规定限值。如变形、变形、裂缝、振幅、加速度裂缝、振幅、加速度等的限值。等的限值。荷载效应的组合荷载效应的组合（1 1）荷载效应的标准组合：荷载效应的标准组合：主要用于当一个极限状态被超越时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；将产生严重的永久性损害的情况；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（2 2）荷载效应的频遇组合：）荷载效应的频遇组合：主要用于当一个极限状态被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等情况；超越时将产生局部损害、较大变形或短暂振动等情况；（3 3）荷载效应的准永久组合：）荷载效应的准永久组合：主要用在当长期效应是决主要用在当长期效应是决定性因素时的一些情况。定性因素时的一些情况。n一级裂缝控制：一级裂缝控制：严格严格要求不出现裂缝的构件要求不出现裂缝的构件按荷载效应标准组合计算时按荷载效应标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生，构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力。拉应力。n二级裂缝控制：二级裂缝控制：一般一般要求不出现裂缝的构件要求不出现裂缝的构件l按荷载效应标准组合计算时按荷载效应标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土拉应力，构件受拉边缘混凝土拉应力不大于轴心受拉强度标准值；不大于轴心受拉强度标准值；l按荷载效应准永久组合计算时按荷载效应准永久组合计算时，构件受拉边缘混凝土不宜，构件受拉边缘混凝土不宜产生拉应力；产生拉应力；裂缝控制验算裂缝控制验算n三级裂缝控制：三级裂缝控制：允许允许出现裂缝的构件出现裂缝的构件按荷载效应标准组合并考虑长期作用影响计算时，构件最大按荷载效应标准组合并考虑长期作用影响计算时，构件最大裂缝宽度不应超过裂缝宽度限值。裂缝宽度不应超过裂缝宽度限值。附表附表16受弯构件的挠度验算受弯构件的挠度验算按荷载效应标准组合并考虑长期作用影响计算，其计算值不按荷载效应标准组合并考虑长期作用影响计算，其计算值不应超过规定的挠度值。应超过规定的挠度值。附表附表15【例】【例】已知由永久荷载产生的弯矩标准值已知由永久荷载产生的弯矩标准值Mgk=11kNm，起控制作用的可变荷载产生的弯矩标准值起控制作用的可变荷载产生的弯矩标准值Mqk=16kNm，安全等级为二级，求弯矩设计值。，安全等级为二级，求弯矩设计值。【解】【解】本例中，本例中，0=1.0，G=1.2,Q1=1.4SGk=Mgk=11kNmSQ1k=Mqk=16kNm则弯矩设计值则弯矩设计值M=0(GSGk+Q1SQ1k）=1.0(1.211+1.416)kNm=35.6kNm弯弯矩设计值为矩设计值为35.6kNm。【例】【例】某教学楼楼面采用预制板，计算跨度某教学楼楼面采用预制板，计算跨度l0=5.70m，板宽，板宽0.9m，板自重，板自重2.2kN/m2。楼面采用水磨石地面（。楼面采用水磨石地面（10mm厚面厚面层，层，20mm厚水泥砂浆打底），板底厚水泥砂浆打底），板底20mm厚抹灰。楼面活荷厚抹灰。楼面活荷载标准值为载标准值为2.0kN/m2。试求：。试求：板的跨中截面弯矩设计值板的跨中截面弯矩设计值M;标准组合荷载效应组合的设计值标准组合荷载效应组合的设计值M；频遇组合荷载效应组合的设计值频遇组合荷载效应组合的设计值M；准永久组合荷载效应组合的设计值准永久组合荷载效应组合的设计值M。【解】【解】(1)荷载标准值荷载标准值 永久荷载永久荷载水磨石地面水磨石地面 0.65kN/m220mm板底抹灰板底抹灰170.02=0.34kN/m2 板自重板自重 2.2kN/m2作用在板上的永久荷载线荷载标准值为作用在板上的永久荷载线荷载标准值为gk=(0.65+0.34+2.2)0.9=2.871kN/m 可变活荷载标准值可变活荷载标准值qk=2.00.9=1.8kN/m(2)板的跨中截面弯矩设计值板的跨中截面弯矩设计值永久荷载产生的弯矩标准值永久荷载产生的弯矩标准值Mgk=1/8gkl02=11.66kNm可变荷载产生的弯矩标准值可变荷载产生的弯矩标准值Mqk=1/8qkl02=7.31kNm 由可变荷载效应控制的组合由可变荷载效应控制的组合G=1.2，Q=1.4M=GMgk+QMqk=24.22kNm由永久荷载效应控制的组合由永久荷载效应控制的组合G=1.35，Q=1.4,ci=0.7M=GMgk+QciMqk=22.90kNm由计算知，楼板荷载效应组合值由可变荷载效应控制。故板跨中由计算知，楼板荷载效应组合值由可变荷载效应控制。故板跨中截面的弯矩设计值为截面的弯矩设计值为24.22kNm。(3)标准组合荷载效应组合的设计值标准组合荷载效应组合的设计值M M=Mgk+Mqk=11.66+7.31=18.97kNm(4)频遇组合荷载效应组合的设计值频遇组合荷载效应组合的设计值Mf1=0.6 M=Mgk+f1Mqk=16.05kNm(5)准永久组合荷载效应组合的设计值准永久组合荷载效应组合的设计值Mq1=0.5 M=Mgk+q1Mqk15.32kNm课堂作业一办公楼楼面简支梁的计算跨度为一办公楼楼面简支梁的计算跨度为10m，由永，由永久荷载标准值产生的梁上线荷载久荷载标准值产生的梁上线荷载gk=10kN/m，由楼面均布活荷载标准值产生的梁上线荷载由楼面均布活荷载标准值产生的梁上线荷载qk=8kN/m，由此计算的该梁的跨中弯矩为多，由此计算的该梁的跨中弯矩为多少？少？一档案库的楼面悬臂梁，其悬挑计算跨度为一档案库的楼面悬臂梁，其悬挑计算跨度为5米，该梁上由永久荷载标准值产生的线荷载米，该梁上由永久荷载标准值产生的线荷载gk=30.0kN/m，由楼面活荷载标准值产生的线，由楼面活荷载标准值产生的线荷载荷载qk=2.0kN/m，由此算得的该梁梁端弯矩设，由此算得的该梁梁端弯矩设计值为多少？计值为多少？公路桥涵作用效应组合公路桥涵作用效应组合 1 1作用的分类作用的分类作用按随时间变化可分为如下几类：作用按随时间变化可分为如下几类：（1 1）永久作用、）永久作用、在设计基准期内量值不随时间变化，在设计基准期内量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计的作用。或其变化与平均值相比可忽略不计的作用。（2 2）可变作用、）可变作用、在设计基准期内量值随时间变化，且在设计基准期内量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。按其对桥涵结构其变化与平均值相比不可忽略的作用。按其对桥涵结构的影响程度，又分为基本可变作用和其他可变作用。的影响程度，又分为基本可变作用和其他可变作用。（3 3）偶然作用、）偶然作用、在设计基准期内不一定出现，但一旦在设计基准期内不一定出现，但一旦出现，其值很大且持续时间很短的作用。出现，其值很大且持续时间很短的作用。2 2作用效应组合作用效应组合总的原则：总的原则：凡存在永久作用任一项，均应参加组合，凡存在永久作用任一项，均应参加组合，凡可能出现的汽车荷载项，除个别情况外也应参与组合凡可能出现的汽车荷载项，除个别情况外也应参与组合；对汽车荷载以外的其它可变作用是否参与组合，应根；对汽车荷载以外的其它可变作用是否参与组合，应根据同时作用的可能性来确定。据同时作用的可能性来确定。承载能力极限状态设计时承载能力极限状态设计时，根据可能出现的作用，应采用，根据可能出现的作用，应采用以下两种作用效应组合，即以下两种作用效应组合，即基本组合基本组合和和偶然组合偶然组合。（1 1）基本组合：）基本组合：永久作用设计值效应与可变作用设计永久作用设计值效应与可变作用设计值效应相组合，其效应组合表达式为：值效应相组合，其效应组合表达式为：或或公路桥涵作用效应组合公路桥涵作用效应组合 或或Sud承载能力极限状态下作用基本组合的效应组合设计值；承载能力极限状态下作用基本组合的效应组合设计值；0结构重要性系数，对于公路桥梁，安全等级为一级、二结构重要性系数，对于公路桥梁，安全等级为一级、二级、三级时，分别取级、三级时，分别取1.1、1.0、0.9；Gi第第i个永久作用的分项系数个永久作用的分项系数；Qj除汽车荷载、风荷载外的其他第除汽车荷载、风荷载外的其他第j个其他可变荷载的分项个其他可变荷载的分项系数，取系数，取Qj=1.4，但风荷载外的分项系数取，但风荷载外的分项系数取Qj=1.1。SGik，SGid第第i个永久荷载标准值和设计值的效应个永久荷载标准值和设计值的效应；SQ1k，SQ1d汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）的标准汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）的标准值和设计值值和设计值;公路桥涵作用效应组合公路桥涵作用效应组合 或或SQik，SQid除汽车荷载（含汽车冲击力、离心力）外的其他第除汽车荷载（含汽车冲击力、离心力）外的其他第j个可变作用效应的标准值和设计值个可变作用效应的标准值和设计值；c除汽车荷载（含汽车冲击力、离心力）外其他可变荷载效除汽车荷载（含汽车冲击力、离心力）外其他可变荷载效应的组合系数，当永久作用与汽车荷载和人群荷载应的组合系数，当永久作用与汽车荷载和人群荷载(或其他一种或其他一种可变作用可变作用)组合时，人群荷载组合时，人群荷载(或其他一种可变作用或其他一种可变作用)的组合系数的组合系数取取c=0.80；除汽车荷载（含汽车冲击力、离心力）外尚有其；除汽车荷载（含汽车冲击力、离心力）外尚有其他两种可变荷载参与组合时，其组合系数取他两种可变荷载参与组合时，其组合系数取c=0.70；尚有三；尚有三种可变荷载参与组合时，其组合系数取种可变荷载参与组合时，其组合系数取c=0.60；尚有四种可；尚有四种可变荷载参与组合时，其组合系数取变荷载参与组合时，其组合系数取c=0.50；公路桥涵作用效应组合公路桥涵作用效应组合 永久作用永久作用标准值标准值效应与可变作用某种代表值效应、效应与可变作用某种代表值效应、一种偶然作用标准值效应相组合。偶然作用的分一种偶然作用标准值效应相组合。偶然作用的分项系数取项系数取1.0；与偶然作用同时出现的可变作用，；与偶然作用同时出现的可变作用，可根据观测资料和工程经验取用适当的代表值。可根据观测资料和工程经验取用适当的代表值。地震作用标准值及其表达式按现行公路工程抗地震作用标准值及其表达式按现行公路工程抗震设计规范规定采用。震设计规范规定采用。（2 2）偶然组合）偶然组合公路桥涵作用效应组合公路桥涵作用效应组合 正常使用极限状态设计时正常使用极限状态设计时，根据不同的设计要求，应采根据不同的设计要求，应采用以下两种效应组合，即用以下两种效应组合，即短期效应短期效应组合和组合和长期效应长期效应组合。组合。（1 1）作用短期效应组合。）作用短期效应组合。永久作用标准值效应与可变作永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相组合，其效应组合表达式为：用频遇值效应相组合，其效应组合表达式为：Ssd荷载短期效应组合设计值；荷载短期效应组合设计值；1j第第j个可变荷载的频遇值系数，汽车荷载（不计冲击个可变荷载的频遇值系数，汽车荷载（不计冲击力）力）1j=0.7，人群荷载，人群荷载1j=1.0，风荷载，风荷载1j=0.75，温度，温度梯度作用梯度作用1j=0.8，其他作用，其他作用1j=1.0;1jSQjk第第j个可变作用效应的频遇值。个可变作用效应的频遇值。公路桥涵作用效应组合公路桥涵作用效应组合（2 2）作用长期效应组合）作用长期效应组合。永久作用标准值效应与可变永久作用标准值效应与可变作用准永久值效相组合，其效应组合表达式为：作用准永久值效相组合，其效应组合表达式为：Sld作用长期效应组合设计值；作用长期效应组合设计值；2j第第j个可变荷载的准永久值系数，汽车荷载（不计冲个可变荷载的准永久值系数，汽车荷载（不计冲击力）击力）2j=0.4，人群荷载，人群荷载2j=0.4，风荷载，风荷载2j=0.75，温，温度梯度作用度梯度作用2j=0.8，其他作用，其他作用2j=1.0；2jSQjk第个可变作用效应的频遇值。第个可变作用效应的频遇值。公路桥涵作用效应组合公路桥涵作用效应组合 结构抗力设计值，结构抗力设计值，g gR结构抗力分项系数结构抗力分项系数Strength reduction factor材料强度标准值材料强度标准值可取其概率分布为可取其概率分布为0.05分位数，具有不小于分位数，具有不小于95%的保证率，其的保证率，其表达式为：表达式为：结构抗力结构抗力材料强度设计值材料强度设计值fs、fsk 分别为钢筋的强度设计值和标准值；分别为钢筋的强度设计值和标准值；c 混凝土的材料分项系数，取值为混凝土的材料分项系数，取值为1.40.s钢筋的材料分项系数。对热轧钢筋，取值钢筋的材料分项系数。对热轧钢筋，取值1.10；对预应力钢绞线、钢丝和热处理钢筋，取值；对预应力钢绞线、钢丝和热处理钢筋，取值1.20。对桥涵结构：对桥涵结构：fs、fsk 分别为钢筋的强度设计值和标准值；符号：分别为钢筋的强度设计值和标准值；符号：fsd、fsk c 混凝土的材料分项系数，取值为混凝土的材料分项系数，取值为1.45.s钢筋的材料分项系数。对热轧钢筋，取值钢筋的材料分项系数。对热轧钢筋，取值1.25。对钢绞线和钢丝取对钢绞线和钢丝取1.47。材料强度设计值材料强度设计值:公路桥涵和房屋建筑之间的差别公路桥涵和房屋建筑之间的差别Key notes1 Limit states:Ultimate and Serviceability2 Reliability of structure3 Failure probability-Degree of reliability4 Action and action results-Design value5 Resistance-design value6 Practical design formula极限状态：极限状态：点点截面截面构件构件结构结构结构可靠度结构可靠度可靠性的概率度量可靠性的概率度量失效概率、可靠指标失效概率、可靠指标作用作用作用效应作用效应作用效应设计值作用效应设计值结构抗力结构抗力材料强度设计值材料强度设计值小小 结结供娄浪颓蓝辣袄驹靴锯澜互慌仲写绎衰斡染圾明将呆则孰盆瘸砒腥悉漠堑脊髓灰质炎(讲课2019)脊髓灰质炎(讲课2019)供娄浪颓蓝辣袄驹靴锯澜互慌仲写绎衰斡染圾明将呆则孰盆瘸砒腥悉漠堑脊髓灰质炎(讲课2019)脊髓灰质炎(讲课2019)