混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理.pptVIP

結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理,本章主要內(nèi)容與重點,主要內(nèi)容：,結(jié)構(gòu)可靠度及結(jié)構(gòu)設(shè)計方法 荷載和材料強度的取值 概率極限狀態(tài)設(shè)計法 極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式,重點：,結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理,結(jié)構(gòu)可靠度及結(jié)構(gòu)設(shè)計方法 荷載和材料強度的取值 概率極限狀態(tài)設(shè)計法,結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理,結(jié)構(gòu)可靠度及結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,1 結(jié)構(gòu)上的作用和作用效應(yīng),結(jié)構(gòu)上的作用是指施加在結(jié)構(gòu)上的集中力或分布力，以及引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因（地震、基礎(chǔ)差異沉降、溫度變化、混凝土收縮等）。,（1）按隨時間的變異可分為三類：,永久作用,可變作用,偶然作用,結(jié)構(gòu)上的作用可按下列性質(zhì)分類：,在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)其量值不隨時間變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計的作用。,如結(jié)構(gòu)自重、土壓力、預(yù)應(yīng)力、地基沉降、焊接等。,在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)其量值隨時間變化，且其變化與平均值相比不可忽略的作用。,在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)其量值很大且持續(xù)時間很短的作用。,如樓面活荷載、吊車荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、溫度變化等。,如爆炸力、撞擊力、罕遇的地震等。,結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理,結(jié)構(gòu)可靠度及結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,（2）按隨空間位置的變異可分為二類：,固定作用,自由作用,1 結(jié)構(gòu)上的作用(action)和作用效應(yīng)(effect of an action),在結(jié)構(gòu)上具有固定分布的作用。其特點是在結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)的空間位置固定不變，但其量值可能具有隨機性。,在結(jié)構(gòu)上一定范圍內(nèi)可以任意分布的作用。,如房屋建筑樓面上位置固定的設(shè)備荷載、屋蓋上的水箱等。,如樓面的人員荷載、吊車荷載等。,結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理,結(jié)構(gòu)可靠度及結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,靜態(tài)作用,動態(tài)作用,（3）按結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特點可分為二類：,上述各種作用作用在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件上，由此在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)力和變形（如軸力、剪力、彎矩以及撓度、轉(zhuǎn)角和裂縫等）稱為作用效應(yīng)。,使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的加速度可以忽略不計的作用。,使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的加速度不可忽略不計的作用。在結(jié)構(gòu)分析時一般均應(yīng)考慮其動力效應(yīng)。,如結(jié)構(gòu)自重、住宅或辦公樓的樓面活荷載,如吊車荷載、地震作用、大型動力設(shè)備的作用、高聳結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載等。,1 結(jié)構(gòu)上的作用和作用效應(yīng),結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理,結(jié)構(gòu)可靠度及結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,2 結(jié)構(gòu)抗力,結(jié)構(gòu)抗力是指整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受作用效應(yīng)（即內(nèi)力和變形）的能力。,影響抗力的主要因素有：,材料性能的不確定性,幾何參數(shù)的不確定性,計算模式的不確定性,強度、變形模量等,構(gòu)件尺寸等,抗力計算所采用的基本假設(shè)和計算公式不夠精確等,結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理,結(jié)構(gòu)可靠度及結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,3 結(jié)構(gòu)可靠性及可靠度,結(jié)構(gòu)可靠性是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的能力。,結(jié)構(gòu)可靠度就是結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率。即結(jié)構(gòu)可靠度是結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量。,規(guī)定的時間是指設(shè)計使用年限。,規(guī)定的條件是指正常設(shè)計、正常施工和正常使用的條件。,預(yù)定功能指滿足結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性要求。,結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理,結(jié)構(gòu)可靠度及結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,4 設(shè)計使用年限和設(shè)計基準(zhǔn)期,設(shè)計使用年限是指設(shè)計規(guī)定的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件不需進行大修即可按其預(yù)定目的使用的時期，即結(jié)構(gòu)在規(guī)定的條件下所應(yīng)達(dá)到的使用年限。,設(shè)計使用年限的概念不同于實際壽命、耐久年限或設(shè)計基準(zhǔn)期。建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了各類建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限。,設(shè)計使用年限分類,設(shè)計基準(zhǔn)期指為確定可變作用及與時間有關(guān)的材料性能等取值而選用的時間參數(shù)。統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定設(shè)計基準(zhǔn)期為50年。,結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理,結(jié)構(gòu)可靠度及結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,5 結(jié)構(gòu)的安全等級,結(jié)構(gòu)的安全等級根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生的后果，即危及人的生命、造成的經(jīng)濟損失、產(chǎn)生社會影響等的嚴(yán)重程度確定。,建筑結(jié)構(gòu)的安全等級,建筑物中各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全等級宜與整個結(jié)構(gòu)的安全等級相同，但允許對部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)其重要程度和綜合效益進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。,結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理,結(jié)構(gòu)可靠度及結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,6 混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計計算方法,容 許 應(yīng) 力 法：最早的計算理論，沿用彈性理論假設(shè)。,破 壞 階 段 法：與容許應(yīng)力法的主要區(qū)別是在考慮材料塑性性能,極 限 狀 態(tài) 設(shè) 計 法：明確規(guī)定結(jié)構(gòu)按三種極限狀態(tài)進行設(shè)計，是工程,概率極限狀態(tài)設(shè)計法：在極限狀態(tài)設(shè)計法的基礎(chǔ)上考慮結(jié)構(gòu)的可靠,的基礎(chǔ)上，按破壞階段計算構(gòu)件截面的承載能力。,結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的重大發(fā)展。,水準(zhǔn) 半概率法,水準(zhǔn) 近似概率法,水準(zhǔn) 全概率法,概率，按發(fā)展階段，該法可分為三個水準(zhǔn)。,結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理,荷載和材料強度的取值,1 荷載的統(tǒng)計特性,我國對建筑結(jié)構(gòu)的各種恒載、民用房屋樓面活荷載、風(fēng)荷載和雪荷載進行了大量的調(diào)查和實測工作。對所取得的資料應(yīng)用概率統(tǒng)計方法處理后，得到了這些荷載的概率分布統(tǒng)計參數(shù)。,永久荷載 正態(tài)分布,可變荷載 ,可變荷載隨時間的變異可統(tǒng)一用隨機過程來描述。對可變荷載隨機過程的樣本函數(shù)處理后可得到可變荷載在任意時點的概率分布和在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)的最大值的概率分布。, 極值型分布,結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理,荷載和材料強度的取值,2 荷載標(biāo)準(zhǔn)值,荷載標(biāo)準(zhǔn)值是建筑結(jié)構(gòu)按極限狀態(tài)設(shè)計時采用的荷載基本代表值。荷載標(biāo)準(zhǔn)值可由設(shè)計基準(zhǔn)期最大荷載概率分布的某一分位值確定，若為正態(tài)分布，則如圖中的 。,荷載標(biāo)準(zhǔn)值的概率含義,永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值按結(jié)構(gòu)設(shè)計 規(guī)定的尺寸和材料容重平均值確定。,在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，各類可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值及各種材料容重可由荷載規(guī)范查取。,可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值,樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值,風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值,雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值,結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理,荷載和材料強度的取值,3 材料強度的變異性及統(tǒng)計特性,材料強度的變異性主要是指材質(zhì)以及工藝、加載、尺寸等因素引起的材料強度的不確定性。,鋼筋強度 正態(tài)分布,混凝土強度 正態(tài)分布,某鋼廠鋼材屈服強度統(tǒng)計資料,某預(yù)制構(gòu)件廠對某工程所作使塊的統(tǒng)計資料,結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理,荷載和材料強度的取值,4 材料強度標(biāo)準(zhǔn)值,鋼筋和混凝土的強度標(biāo)準(zhǔn)值是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)按極限狀態(tài)設(shè)計時采用的材料強度基本代表值。材料強度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)根據(jù)符合規(guī)定質(zhì)量的材料強度的概率分布的某一分位值確定。,材料強度標(biāo)準(zhǔn)值的概率含義,鋼筋強度標(biāo)準(zhǔn)值,混凝土的強度標(biāo)準(zhǔn)值,具有95%保證率的強度值,具有不小于95%保證率的強度值,結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理,概率極限狀態(tài)設(shè)計法,1 結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài),整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)實質(zhì)上是區(qū)分結(jié)構(gòu)可靠與失效的界限。,極限狀態(tài)分為兩類：,承載能力極限狀態(tài),正常使用極限狀態(tài),安全性,適用性、耐久性,通常對結(jié)構(gòu)構(gòu)件先按承載能力極限狀態(tài)進行承載能力計算，然后根據(jù)使用要求按正常使用極限狀態(tài)進行變形、裂縫寬度或抗裂等驗算。,結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理,概率極限狀態(tài)設(shè)計法,2 結(jié)構(gòu)的設(shè)計狀況,建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)在施工和使用中的環(huán)境條件和影響，區(qū)分下列三種設(shè)計狀況：,持久狀況,短暫狀況,偶然狀況,在結(jié)構(gòu)使用過程中一定出現(xiàn)，持續(xù)時間較長的狀況,在結(jié)構(gòu)施工和使用過程中出現(xiàn)概率較大，而與設(shè)計使用年限相比持續(xù)時間很短的狀況,在結(jié)構(gòu)使用過程中出現(xiàn)概率很小，且持續(xù)期很短的狀況,均應(yīng)進行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計；對偶然狀況，允許主要承重結(jié)構(gòu)因出現(xiàn)設(shè)計規(guī)定的偶然事件而局部破壞，但其剩余部分具有在一段時間內(nèi)不發(fā)生連續(xù)倒塌的可靠度；對持久狀況，尚應(yīng)進行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計；對短暫狀況，可根據(jù)需要進行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計,結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理,概率極限狀態(tài)設(shè)計法,3 結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)和極限狀態(tài)方程,按極限狀態(tài)方法設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)時，要求所設(shè)計的結(jié)構(gòu)具有一定的預(yù)定功能，這可用包括各有關(guān)變量在內(nèi)的結(jié)構(gòu)功能函數(shù)來表達(dá)，即,極限狀態(tài)方程,當(dāng)功能函數(shù)中僅包括作用效應(yīng) 和結(jié)構(gòu)抗力 兩個基本變量時，可得,當(dāng) 時，,結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài),當(dāng) 時，,當(dāng) 時，,結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài),結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài),功能函數(shù),結(jié)構(gòu)所出的狀態(tài),結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理,概率極限狀態(tài)設(shè)計法,4 結(jié)構(gòu)的失效概率,由于作用效應(yīng) 和結(jié)構(gòu)抗力 都是隨機變量或隨機過程，因此要絕對地保證 總是大于 是不可能的。,由圖可見，在多數(shù)情況下， 大于 。但是，由于 和 的離散性，在它們概率密度曲線的重疊區(qū)（陰影段內(nèi)）仍有可能出現(xiàn) 小于 的情況，這種可能性的大小用概率來表示就是失效概率 。,和 的概率密度曲線,結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理,概率極限狀態(tài)設(shè)計法,當(dāng)結(jié)構(gòu)功能函數(shù)中僅有兩個獨立的隨機變量 和 ，且都服從正態(tài)分布時，功能函數(shù) 的概率密度曲線如圖所示。,功能函數(shù)的概率密度曲線,結(jié)構(gòu)的失效概率可直接通過 的概率（圖中陰影面積）來表達(dá)，即,4 結(jié)構(gòu)的失效概率,結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理,概率極限狀態(tài)設(shè)計法,5 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠指標(biāo),令,則,由上式可見， 與 具有數(shù)值上的對應(yīng)關(guān)系，也具有與 相對應(yīng)的物理意義。 越大， 就越小，即結(jié)構(gòu)越可靠，故 稱為可靠指標(biāo)。,當(dāng)僅有作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力兩個基本變量且均按正態(tài)分布時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠指標(biāo)可按上式計算；當(dāng)基本變量為非正態(tài)分布時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠指標(biāo)應(yīng)以結(jié)構(gòu)構(gòu)件作用效應(yīng)和抗力當(dāng)量正態(tài)分布的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差按上式計算。,結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理,概率極限狀態(tài)設(shè)計法,7 設(shè)計可靠指標(biāo),設(shè)計規(guī)范所規(guī)定的、作為設(shè)計結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件時所應(yīng)達(dá)到的可靠指標(biāo)，稱為設(shè)計可靠指標(biāo)，它是根據(jù)設(shè)計所要求達(dá)到的結(jié)構(gòu)可靠度而取定的，所以又稱為目標(biāo)可靠指標(biāo)。,設(shè)計可靠指標(biāo)，理論上應(yīng)根據(jù)各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性、破壞性質(zhì)（延性、脆性）幾失效后果，用優(yōu)化方法分析確定。限于目前統(tǒng)計資料不夠完備，并考慮到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的現(xiàn)實繼承性，一般采用“校準(zhǔn)法”確定。所謂“校準(zhǔn)法”，就是通過對原有規(guī)范可靠度的反演計算和綜合分析，確定以后設(shè)計時所采用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠指標(biāo)。