钢筋混凝土结构的基本设计原则

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,00:05:57,#,本章重点,结构功能、承载力极限状态和正常使用极限状态的概念和区别,;,结构上的作用、作用效应和结构抗力的概念及其随机特性；,混凝土结构设计方法的理论基础,可靠度理论；,我国规范的设计方法,概率极限状态设计法。,第,2,章 钢筋混凝土结构的基本设计原则,2.1,结构的功能及其极限状态,第,2,章 钢筋混凝土结构的基本设计原则,2.1,结构的功能及其极限状态,工程结构的设计需要保证安全可靠、经济合理；,由于实际工程结构中存在多种不确定性；,结构设计方法就是研究工程设计中的各种不确定性问题，取得安全可靠与经济合理之间的均衡。,2.1.1,结构的预定功能,在正常施工和使用时，能承受可能出现的各种作用；,正常使用时具有良好的工作性能，变形和裂缝；,使用期内，正常维修能保证其正常使用功能；,在偶然荷载作用下不倒塌。,2.1,结构的功能及其极限状态,第,2,章 钢筋混凝土结构的基本设计原则,结构的设计使用年限,类别,结构类型,结构的设计使用年限（年）,临时性结构,5,易于替换的结构构件,25,普通房屋和构筑物,50,纪念性建筑和特别重要建筑,100,结构的安全性、适用性、耐久性总称为结构的,可靠性,，也就是结构在,规定的时间内,、,在规定的条件下,完成,预定功能,的能力。,1,、,4 2 3,第,2,章 钢筋混凝土结构的基本设计原则,2.2,结构极限状态的设计方法,如何在结构可靠与经济之间取得均衡,，就是设计方法要解决的问题。,设计使用年限,(design working life),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。,设计基准期（,design reference period),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。,统一标准,规定设计基准期为,50,年。,2.1,结构的功能及其极限状态,第,2,章 钢筋混凝土结构的基本设计原则,安全性,（,Safety,）,如（,MMu,）；,结构在预定的使用期间内，应能承受在正常施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载、外加变形（如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）等的作用；,在偶然事件（如地震、爆炸）发生时和发生后，结构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。,2.1,结构的功能及其极限状态,第,2,章 钢筋混凝土结构的基本设计原则,适用性,如（,f,f,）；,结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。如不发生影响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振动（频率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。,耐久性,（,Durability,）,如（,w,max,w,max,）；,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（混凝土碳化、钢筋锈蚀），结构的承载力和刚度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。,2.1,结构的功能及其极限状态,第,2,章 钢筋混凝土结构的基本设计原则,2.1.2,结构的极限状态,定义：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，此特定状态称为该功能的极限状态。,承载能力极限状态；,正常使用极限状态；,耐久性极限状态；,连续倒塌极限状态。,2.1,结构的功能及其极限状态,第,2,章 钢筋混凝土结构的基本设计原则,承载能力极限状态,(Ultimate Limit State),超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求,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）。,2.1,结构的功能及其极限状态,第,2,章 钢筋混凝土结构的基本设计原则,正常使用极限状态,（,Serviceability Limit State,）,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。,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。,2.2,结构极限状态的设计方法,第,2,章 钢筋混凝土结构的基本设计原则,2.2,结构极限状态的设计方法,2.2.1,结构上的作用、作用效应与结构抗力,作用：,凡能使结构产生内力、应力、位移、应变、裂缝的因素，都称之为结构上的作用。,直接作用：荷载,；,间接作用：温度、收缩、徐变、地基不均匀沉降、地震等。,作用效应：,作用,在结构内产生的内力（轴力、剪力、弯矩、扭矩）和变形（挠度、转角、裂缝）称为作用效应。,结构抗力：,结构抵抗作用效应（内力和变形）的能力（承载力、刚度等）。,以上三者具有不确定性，属于随机变量,2.2,结构极限状态的设计方法,第,2,章 钢筋混凝土结构的基本设计原则,2.2.2,荷载和材料强度的确定,永久荷载,(,恒荷载,),：,大小、方向、作用点不随时间改变的荷载，如自重，土压力，预应力等,可变荷载,(,活荷载,),：,大小、方向、作用点随时间改变的荷载，如楼面和屋面活载，风荷载、雪荷载、吊车荷载、车辆荷载等；,偶然荷载：,结构使用期间可能不出现，一旦出现，时间短、效应大的荷载，如爆炸力，撞击等。,2.2,结构极限状态的设计方法,第,2,章 钢筋混凝土结构的基本设计原则,荷载代表值,(representative values of a load),1,、标准值（,characteristic value,nominal value,）：,荷载的基本代表值，为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值,(,例如均值、众值、中值或某个分位值,),。是永久荷载的唯一代表值。,定义：设计中用以验算极限状态所采用的荷载量值，例如标准值、组合值、频遇值和准永久值。,2,、组合值,(combination value),：,当有两个或两个以上的可变荷载同时作用时的代表值，承载能力计算时要采用。,组合值,=,组合系数*标准值,2.2,结构极限状态的设计方法,第,2,章 钢筋混凝土结构的基本设计原则,频遇值,(frequent value),：,可变荷载可能出现的较大值，但小于标准值，计算裂缝时采用。,频遇值,=,频遇系数*标准值,准永久值,(quasi-permanent value):,对可变荷载中较稳定的那一部分值。计算裂缝变形时用。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，如教室中的家具。准永久值,=,准永久系数*标准值,2.2,结构极限状态的设计方法,第,2,章 钢筋混凝土结构的基本设计原则,楼面和屋面活荷载,标准值查荷载规范,直升飞机坪：,楼面：,屋面：不上人屋面,上人屋面,屋顶花园,2.2,结构极限状态的设计方法,第,2,章 钢筋混凝土结构的基本设计原则,风荷载,当计算主要承重结构时,w,k,=,z,s,z,w,0,式中：,z,高度,Z,处的风振系数,;,s,体型系数,;,z,风压高度变化系数，按地面粗糙程度,A,、,B,、,C,、,D,四级定，,A,海岸、湖区；,B,农村、市郊；,C,一般城市市区；,D,有密集高层建筑市区,；,w,0,50,年一遇的基本风压。,2.2,结构极限状态的设计方法,第,2,章 钢筋混凝土结构的基本设计原则,雪荷载,s,k,=,r,s,0,式中：,r,屋面积雪分布系数,;,s,0,50,年一遇的基本雪压。,n,10,50,100,长沙地区,W,0,（）,0.35,0.45,0.50,基本雪压值,2.2,结构极限状态的设计方法,第,2,章 钢筋混凝土结构的基本设计原则,材料强度标准值,材料强度标准值,材料强度的变异性及统计特征,第,2,章 钢筋混凝土结构的基本设计原则,2.2,结构极限状态的设计方法,标准值,砼：,设计值,砼：,钢筋：,钢筋：,2.2,结构极限状态的设计方法,第,2,章 钢筋混凝土结构的基本设计原则,作业,思考题,2-1,、,2-2,2.2,结构极限状态的设计方法,第,2,章 钢筋混凝土结构的基本设计原则,2.2.3,结构的可靠性、失效概率和可靠指标,1,、可靠性,安全性、适用性和耐久性的总称。,可靠度,（,reliability degree,）,：,指结构在规定时间内、规定条件下完成预定功能的概率，是结构可靠性的概率度量。,结构可靠性越高，建设造价投资越大。,规范规定的设计方法，是这种均衡的最低限度，也是国家法律。,设计人员可以根据具体工程的重要程度、使用环境和情况，以及业主的要求，提高设计水准，增加结构的可靠度。,经济的概念不仅包括第一次建设费用，还应考虑维修，损失及修复的费用,;,第,2,章 钢筋混凝土结构的基本设计原则,2.2,结构极限状态的设计方法,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”,第,2,章 钢筋混凝土结构的基本设计原则,2.2,结构极限状态的设计方法,作用效应,S,结构上的作用（使结构产生内力和变形的原因，如荷载、不均匀沉降、温度变形、收缩变形、地震等）引起的效应,如弯矩,M,、轴力,N,、剪力,V,、扭矩,T,、挠度,f,、裂缝宽度,w,等,作用效应,S,的不确定性就主要取决于结构上作用,Q,的不确定性,不同的荷载，其变异情况不同。根据统计分析可以确定一个具有一定保证率（如,95%,）的上限荷载分位值，该特征值称为荷载标准值（符号,G,k,，,Q,i,k,）,结构抗力,R,结构抵抗作用效应的能力，如受弯承载力,M,u,、受剪承载力,V,u,、容许挠度,f,、容许裂缝宽度,w,第,2,章 钢筋混凝土结构的基本设计原则,2.2,结构极限状态的设计方法,结构功能的表达,S,R,失效,结构设计中的不确定性,恒载,g,与构件尺寸、材料容重等有关,活载,q,（楼面活载、雪荷载）的数值是随时在变化的,计算跨度,l,的不准确,材料强度,f,y,和,f,c,的离散,截面尺寸,h,0,和,b,的施工误差,应力,-,应变关系参数,k,1,和,k,2,不一定安全（可靠）,第,2,章 钢筋混凝土结构的基本设计原则,2.2,结构极限状态的设计方法,2,、失效概率和可靠指标,失效概率,（,probability of failure,）,P,f,=,P,(,S,R,),失效概率越小，表示结构可靠性越大。因此，可以用失效概率来定量表示结构可靠性的大小。结构可靠性的概率度量称为结构可靠度,（,reliability degree,）,。,当失效概率,P,f,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容许失效概率,P,f,。,第,2,章 钢筋混凝土结构的基本设计原则,2.2,结构极限状态的设计方法,可靠指标,（,reliability index,）,结构功能函数,Z,=,R,-,S,P,f,=,P,(,S,R,)=,P,(,Z,0),第,2,章 钢筋混凝土结构的基本设计原则,2.2,结构极限状态的设计方法,破坏类型,安全等级,一级,二级,三级,塑性破坏,3.7,3.2,2.7,脆性破坏,4.2,3.7,3.2,不同安全等级和破坏类型建筑结构的可靠指标,可靠指标,2.7,3.2,3.7,4.2,失效概率,3.510,-3,6.910,-4,1.110,-4,1.310,-5,可靠指标与失效概率的对应关系,第,2,章 钢筋混凝土结构的基本设计原则,2.2,结构极限状态的设计方法,2.2.4,结构的设计状况及设计规定,（,1,）持久状况：设计使用周期内状况,（,2,）短暂状况,:,出现概率大持续时间较短的状况，施工、维修,（,3,）偶然状况