第2章-钢筋混凝土结构的设计方法课件

第二章第二章 混凝土结构的设计方法混凝土结构的设计方法本章重点：l熟悉作用的概念、类型；l熟悉极限状态的定义，分类；l理解荷载分项系数的含义，荷载标准值的含义；l理解保证率的荷载效应组合的含义l熟练掌握实用设计表达式2024/7/82.1 结构设计的要求n2.1.1 结构的功能要求 在工程结构中，结构设计的目的是在现有技术基础上，用最少的人力和物力消耗，获得能够完成全部功能要求和足够可靠的结构。结构的基本功能是由其用途所决定的，具体是：n1.安全性：安全性：结构能承受正常施工、正常使用时可能出现的各种荷载、外加变形（如超静定结构支座沉降）、约束变形（如温度变化引起受约束构件的变形）等的作用。在偶然荷载（如地震力，强风）作用下或偶然事件发生时和发生后，仍能保持整体稳定性。n2.耐久性：耐久性：结构在正常使用和正常维护条件下，在规定的使用期限内有足够的耐久性。如不发生由于混凝土保护层碳化或裂缝宽度开展过大导致钢筋的锈蚀，不发生混凝土在恶劣的环境中侵蚀或化学侵蚀，温湿度及冻融破坏而影响结构的使用年限等。n3.适用性：适用性：结构在正常使用荷载作用下具有良好的工作性能。如不发生影响正常使用的过大变形和振幅，或引起使用者不安的裂缝宽度等。上述功能要求概括起来可以称为结构的可靠性。亦即结构在规定的设计基准期（即建筑设计可保证的使用期限），在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维修）完成预定功能的能力。2024/7/82.1.2 2.1.2 结构的极限状态结构的极限状态 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指定的要求，该状态称为该功能的极限状态。结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠”的或“有效”的。反之，则结构为“不可靠”或“失效”。区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限状态”。2024/7/8根据功能要求，结构极限状态可分为两类：1.1.承载力能力极限状态：承载力能力极限状态：是指结构或构件达到最大承载力、疲劳破坏或不适于继续承是指结构或构件达到最大承载力、疲劳破坏或不适于继续承载的变形时的状态。载的变形时的状态。超过该极限状态，结构就不能满足预定的超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求。安全性功能要求。结构或构件达到最大承载力（包括疲劳）结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移）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（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）2024/7/82.2.正常使用极限状态正常使用极限状态 是指结构或构件达到正常使用或耐久性的某项规是指结构或构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值时的状态。定限值时的状态。超过该极限状态，结构就不能满足超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久性的功能要求。预定的适用性和耐久性的功能要求。过大的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、不能正常使用（吊车）等）；过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）；过大的振动（不舒适）；其他正常使用要求。2024/7/82.1.3结构的设计使用年限 设计使用年限设计使用年限是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期，即结构在规定的条件下所应达到的使用年限。定目的使用的时期，即结构在规定的条件下所应达到的使用年限。设计使用年限设计使用年限的概念不同于的概念不同于实际寿命实际寿命、耐久年限耐久年限或或设计基准期设计基准期。建筑建筑结构可靠度设计统一标准结构可靠度设计统一标准规定了各类建筑结构的设计使用年限。规定了各类建筑结构的设计使用年限。设计使用年限分类设计使用年限分类 设计基准期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而选用的指为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数。时间参数。统一标准统一标准规定设计基准期为规定设计基准期为50年。年。2024/7/82.2 结构的作用、作用效应和结构抗力n2.2.1 结构上的作用与作用效应n1.作用的概念与类型 建筑结构在施工期间和使用期间要承受各种作用。所谓“作用作用”是使结构或构件产生内力（应力）变形（位移、应变）和裂缝的各种原因的总称各种原因的总称。n作用就其形式而言。可分为两类：n 直接作用直接作用：以力的形式作用于结构上。荷载：以力的形式作用于结构上。荷载n 间接作用间接作用：以变形形式作用于结构上。混凝土：以变形形式作用于结构上。混凝土的收缩、温度变化、基础的差异沉降、地震等的收缩、温度变化、基础的差异沉降、地震等 2024/7/8 结构上的荷载，按其作用时间的长短和性质，可分为三类：(1)永久荷载G 在结构设计使用年限内，其值不在结构设计使用年限内，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，随时间而变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。例如，结构自重、土压力、预应力等。(2)可变荷载Q 在结构设计基准期内其值随时间在结构设计基准期内其值随时间而变化，其变化与平均值不可忽略的荷载。而变化，其变化与平均值不可忽略的荷载。例如，楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等。(3)偶然荷载Q 在结构设计基准期内不一定出现，在结构设计基准期内不一定出现，但一旦出现其值很大且作用时间很短的荷载。但一旦出现其值很大且作用时间很短的荷载。例如，地震、爆炸、撞击力等。2024/7/8 2.荷载的代表值v荷载标准值：结构在其设计基准期为50年的期间内，在正常情况下可能出现具有一定保证率的最大荷载。v可变荷载的组合值：是指有几种可变荷载参与组合时，其值不一定都同时达到最大，因此，需做适当调整。v可变荷载频遇值：是指结构上时而出现的最大荷载。v可变荷载的准永久值：是指在结构上经常出现，对结构影响有如永久荷载的性能。v可变荷载已有四种代表值，即标标准准值值、组组合合值值、准准永永久久值值、频频遇遇值值，其中标标准准值值称为称为基本代表值基本代表值，其他代表值可由基本代表值乘以相应的系数而得。3.作用效应 作用在结构上并使结构产生内力作用在结构上并使结构产生内力（如弯矩M、剪力V、轴向力N、扭矩T等）、变形变形、裂缝裂缝等作用称为作用效应作用效应或荷载效应荷载效应。荷载Q和荷载效应S之间通常按某种关系相联系。S=CQ 式中 C荷载效应系数；Q某种荷载；S荷载效应。2024/7/84.荷载分项系数及荷载设计值 荷载分项系数荷载分项系数是考虑荷载超过标准值的可能性，以及对不同变异性的荷载可能造成结构计算时可靠度严重不一致的调整系数。其选取选取是在各种荷载标准值已经给定的前提下，使所选取的数值在按极限状态设计中得到的各种结构构件所具有的可靠度（或失效概率），与规定的目标可靠度（或允许的失效概率）之间，在总体上误差最小为原则原则。若以G及Q分别表示永久荷载永久荷载及可变荷载可变荷载的分项系数分项系数，则按荷载规范规定：（1）永久荷载的分项系数 A.当其效应对结构不利时 对由可变荷载效应控制的组合，取1.2；对由永久荷载效应控制的组合，取1.35；B.当其效应对结构有利时 一般情况下取1.0；对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，取0.9。（2）可变荷载的分项系数 一般情况下去1.4；对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载，取1.3。荷载设计值荷载设计值为荷载标准值荷载标准值X荷载分项系数荷载分项系数。2024/7/82.2.22.2.2结构抗力结构抗力1.结结构构抗抗力力是是指指结结构构或或构构件件承承受受内内力力和和变变形形能能力力（如如构构件件的的承载能力、刚度等），以承载能力、刚度等），以“R”表示。表示。结构的极限状态可用下面的极限状态函数表示：结构的极限状态可用下面的极限状态函数表示：Z=R-S(极限状态方程)对应的：对应的：Z=R-S0 时，时，结构处于可靠状态；结构处于可靠状态；Z=R-S=0时，结构达到极限状态；时，结构达到极限状态；Z=R-S=S）的概率即为“可靠概率”Ps，不能完成预定功能（RS）的概率为“失效概率”Pf。显然二者是互补的。即 Ps +Pf=1.0 当失效概率当失效概率Pf小于某个值时，人们因结构失效的可能性很小而不小于某个值时，人们因结构失效的可能性很小而不再担心，即可认为结构设计是可靠的。该失效概率限值称为再担心，即可认为结构设计是可靠的。该失效概率限值称为容许失容许失效概率效概率Pf。Pf =R)=P(Z 0)与与Pf的对应关系的对应关系2024/7/82024/7/82024/7/82024/7/82024/7/82024/7/82024/7/82024/7/82.4 按承载能力极限状态计算按承载能力极限状态计算2.4.1 建筑结构的安全等级 在承载能力极限状态设计时，根据建筑结建筑结构破坏成果的严重程度构破坏成果的严重程度，将建筑结构划分为三个安全等级。2024/7/82.4.2 计算表达式计算表达式在极限设计方法中，结构构件的承载力计算，应采用下列极限状态设计表达式：结构重要性系数；结构重要性系数；安全等级为一级或使用年限为安全等级为一级或使用年限为100年时，年时，安全等级为二级或使用年限为安全等级为二级或使用年限为50年时，年时，安全等级为三级或使用年限为安全等级为三级或使用年限为5年时，年时，荷载效应组合的设计值，用基本组合或偶荷载效应组合的设计值，用基本组合或偶 然组合；然组合；结构构件抗力设计值。结构构件抗力设计值。2024/7/8 钢筋混凝土构件是由混凝土和钢筋两种材料组成的，所钢筋混凝土构件是由混凝土和钢筋两种材料组成的，所以承载力设计值要分解成下列的承载力函数：以承载力设计值要分解成下列的承载力函数：式中式中 R R(.)结构构件的承载力函数结构构件的承载力函数 ，混凝土和钢筋强度标准值混凝土和钢筋强度标准值 c c，s s 混凝土和钢筋的材料分项系数混凝土和钢筋的材料分项系数 k k 几何参数（尺寸）标准值，当几何参数的变几何参数（尺寸）标准值，当几何参数的变异性能有明显的不利影响时，可另作增减适当调整。异性能有明显的不利影响时，可另作增减适当调整。2024/7/82.4.3 荷载效应组合荷载效应组合1.对承载力极限状态一般考虑荷载效应基本组合，应从下列组合值中取其最不利值确定：（1）当组合荷载效应由可变荷载控制时，即对永久荷载以及参与组合的全部可变荷载中最大的可变荷载，直接采用设计值效应，而对其他可变荷载采用设计组合值效应的两者之和确定。其表达式为：2024/7/8式中 G永久荷载的分项系数;Q1，Qi可变荷载Q1k和其他第i个可变荷载的分项系数；SGk按永久荷载标准值Gk计算的荷载效应值；SQik按可变荷载标准值Qik计算的荷载效应值，其中 SQ1k为诸可变荷载效应中的最大值；ci可变荷载Qi的组合值系数；n参与组合的可变荷载。2024/7/8（2）当组合荷载效应由永久荷载控制时，即对永久荷载采用设计值效应，而对可变荷载采用设计组合值效应的两者之和确定，其表达式为：式中:ci,计算荷载组合值时，除风荷载取0.6外，大部分可变荷载取0.7，个别可变荷载取0.90.95（例如，对于书库，储藏室的楼面活荷载，取0.9）。对于一般排架，框架，取0.9。2024/7/82.对一般的排梁和框架结构，可采用简化规则，并应从下列组合值中取其最不利值确定：式中:简化式中的荷载组合系数。一般情况下取=0.9；只有一个活载时=1.02024/7/8例题一：某工厂工作平台净重5.4KN/m2，活载2.0KN/m2。求荷载组合设计值。例题二：某屋面板，板的自重、抹灰层等永久荷载引起的弯矩标准值MGk为1.60KNm，楼面活荷载引起的弯矩标准值MLk为1.2KNm,雪荷载引起的弯矩标准值MSk为0.2KNm，结构安全等级为二级，求荷载效应设计值M。2024/7/82.5 2.5 按正常使用极限状态计算按正常使用极限状态计算设计方法：设计方法：式中：式中：S S 正常使用极限状态下荷载效应组合值正常使用极限状态下荷载效应组合值;C C 结构或构件结构或构件达正常使用要求时的变形、达正常使用要求时的变形、裂缝、应力等的限值；裂缝、应力等的限值；2024/7/81.标准组合：标准组合：主要用于当一个极限状态被超越时将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坏的情况。产生严重的永久性损坏的情况。2.频遇组合：频遇组合：主要用于当一个极限状态被超越时将产生主要用于当一个极限状态被超越时将产生局部损坏、较大变形或短暂震动等的情况。局部损坏、较大变形或短暂震动等的情况。2.2.式中式中 f f1 1可变荷载可变荷载Q1Q1的组合值系数；的组合值系数；3.3.QiQi可变荷载可变荷载QiQi的频遇值系数。的频遇值系数。2024/7/83.准永久组合：准永久组合：主要用于当长期效应是决定性因素主要用于当长期效应是决定性因素的一些情况。的一些情况。2024/7/8 建筑物在承载能力设计同时，应根据其建筑物在承载能力设计同时，应根据其所处环境所处环境、重要性程度重要性程度和和使用年使用年限限的不同，进行必要的耐久性设计。的不同，进行必要的耐久性设计。2.6 2.6 混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性2.6.1 耐久性的概念耐久性的概念 材料的耐久性是指它暴露在使用环境下，抵抗各种物理和材料的耐久性是指它暴露在使用环境下，抵抗各种物理和化学作用的能力化学作用的能力。2024/7/82024/7/82.6.2 影响材料耐久性的因素影响混凝土材料耐久性的因素影响混凝土材料耐久性的因素 1、材料的质量、材料的质量 2、钢筋的锈蚀、钢筋的锈蚀 当水灰比不大于当水灰比不大于0.550.55时，其影响明显减小。时，其影响明显减小。优质混凝土有保护钢筋的作用，优质混凝土有保护钢筋的作用，PH值在值在1213，这样的环境只要含有，这样的环境只要含有少量氧气，就会使钢筋表面迅速生成一层非常致密，厚度少量氧气，就会使钢筋表面迅速生成一层非常致密，厚度210109m的尖晶石固溶体的尖晶石固溶体Fe3O4nFe2O3膜，称为膜，称为钝化膜钝化膜。使保护钢筋免遭锈蚀钝化膜破坏的因素有两个：使保护钢筋免遭锈蚀钝化膜破坏的因素有两个：（1 1）混凝土的碳化混凝土的碳化 PH PH值降低至值降低至8.58.5左右左右 （2 2）氯离子的侵蚀氯离子的侵蚀 氯离子含量超过临界值氯离子含量超过临界值2024/7/8（1 1）混凝土的碳化：）混凝土的碳化：大气中的大气中的CO2不断向混凝土孔隙中渗透，并与孔隙不断向混凝土孔隙中渗透，并与孔隙中碱性物质中碱性物质Ca(OH)2溶液发生中和反应，使混凝土孔隙内碱度（溶液发生中和反应，使混凝土孔隙内碱度（pH值）值）降低的现象。降低的现象。第一：空气中第一：空气中 COCO2 2和和H H2 2O O扩散到达混凝土中；扩散到达混凝土中；第二：第二：在孔溶液中生成少量碳酸，在孔溶液中生成少量碳酸，COCO2 2 H H2 2O OH H2 2COCO3 3；第三：第三：与氢氧化钙发生化学反应生成碳酸钙和水，与氢氧化钙发生化学反应生成碳酸钙和水，H2CO3 Ca(OH)2CaCO32 H2O主要影响因素：主要影响因素：a）材料自身的影响：混凝土）材料自身的影响：混凝土强度越高强度越高，碳化速度越慢。，碳化速度越慢。b）施工质量的影响）施工质量的影响：施工中水灰比愈大，碳化速度越快。：施工中水灰比愈大，碳化速度越快。C）外部环境的影响：一般相对湿度）外部环境的影响：一般相对湿度7085时最容易碳化。时最容易碳化。2024/7/8（2）氯离子的侵蚀）氯离子的侵蚀 这是一个电化学反应过程，其这是一个电化学反应过程，其Cl来源主要是混凝土的拌和水和外加剂，来源主要是混凝土的拌和水和外加剂，此外，不良环境中氯离子的渗入也是造成氯侵蚀失效的主要原因。此外，不良环境中氯离子的渗入也是造成氯侵蚀失效的主要原因。3、碱集料反应、碱集料反应：是指混凝土中所含有的碱（是指混凝土中所含有的碱（Na2O+K2O）与其活）与其活性集料之间发生化学反应，引起混凝土的膨胀、开裂、表面渗出白色浆性集料之间发生化学反应，引起混凝土的膨胀、开裂、表面渗出白色浆液，造成结构的破坏（英文简写液，造成结构的破坏（英文简写A.A.R）。）。碱集料反应的过程是：（碱集料反应的过程是：（1）碱氧化硅反应，碱氧化硅反应，即混凝土孔隙中的碱即混凝土孔隙中的碱（氢氧化钠、钾）溶液与集料中活性二氧化硅反应；（氢氧化钠、钾）溶液与集料中活性二氧化硅反应；（2）碱碳酸盐反碱碳酸盐反应应，即混凝土孔隙中的碱与碳酸盐中的活性矿物岩反应。，即混凝土孔隙中的碱与碳酸盐中的活性矿物岩反应。碱集料反应必须具备的条件：（碱集料反应必须具备的条件：（1）混凝土含碱量超标，（）混凝土含碱量超标，（2）集料是）集料是碱活性的，（碱活性的，（3）混凝土须暴露在潮湿环境中。）混凝土须暴露在潮湿环境中。2024/7/84、混凝土的抗渗及抗冻性：、混凝土的抗渗及抗冻性：（1）混凝土的抗渗性：是指混凝土在潮湿环境下抵抗干湿交替作用）混凝土的抗渗性：是指混凝土在潮湿环境下抵抗干湿交替作用的能力。的能力。（2）混凝土的抗冻性：是指混凝土在寒热变迁环境下，抵抗冻融交）混凝土的抗冻性：是指混凝土在寒热变迁环境下，抵抗冻融交替作用的能力。替作用的能力。5、除冰盐对混凝土的破坏：、除冰盐对混凝土的破坏：冬季在混凝土路面上撒盐（冬季在混凝土路面上撒盐（NaCl或或CaCl2）以降低其冻结温度，消除）以降低其冻结温度，消除冰雪对交通的危害。此时，其混凝土处在盐溶液的环境中，由于吸水、冰雪对交通的危害。此时，其混凝土处在盐溶液的环境中，由于吸水、失水引起溶液浓度的变化，使混凝土膨胀、开裂造成钢筋的锈蚀。失水引起溶液浓度的变化，使混凝土膨胀、开裂造成钢筋的锈蚀。2024/7/82.6.3 规范对混凝土耐久性要求的规定规范对混凝土耐久性要求的规定 1使用环境的分类使用环境的分类 2024/7/82处在较特殊环境中结构混凝土的耐久性：处在较特殊环境中结构混凝土的耐久性：（1）对有抗渗或抗冻要求的结构混凝土的抗渗性及抗冻）对有抗渗或抗冻要求的结构混凝土的抗渗性及抗冻性，规范仅指出应符合有关规范的规定。性，规范仅指出应符合有关规范的规定。（2）对于暴露在侵蚀性环境中的结构或构件，其受力钢）对于暴露在侵蚀性环境中的结构或构件，其受力钢筋宜采用环氧涂层带肋钢筋，预应力钢筋应有防护措施，筋宜采用环氧涂层带肋钢筋，预应力钢筋应有防护措施，且宜采用有利于提高耐久性的高性能混凝土。且宜采用有利于提高耐久性的高性能混凝土。（3）对于结构中使用环境较差的混凝土构件，宜设计成）对于结构中使用环境较差的混凝土构件，宜设计成可更换的构件。可更换的构件。2024/7/81、什么是结构的可靠性，它包含几方面的含义？2、什么叫结构的极限状态，分几类，概念？3、什么是作用？就其形式分类？4、设结构抗力为R，荷载效应为S，结构的状态函数 Z=RS，试指出 Z0，Z=0，Z0 分别相应于结构处于何种状态？5、什么是荷载标准值？荷载设计值？6、影响结构目标可靠指标的两个主要因素是什么？7、极限状态设计表达式？式中字母代表的意思？2024/7/8p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后Thank You在别人的演说中思考，在自己的故事里成长Thinking In Other PeopleS Speeches，Growing Up In Your Own Story讲师：XXXXXX XX年XX月XX日