第章結構設計原理設計方法

1、.1一、結構的功能要求一、結構的功能要求1、三項基本功能要求：、三項基本功能要求：l 結構應能承受在正常施工和正常使用期間可能出現(xiàn)的各結構應能承受在正常施工和正常使用期間可能出現(xiàn)的各 種荷載、外加變形、約束變形等的作用種荷載、外加變形、約束變形等的作用 l 結構在正常使用條件下具有良好的工作性能結構在正常使用條件下具有良好的工作性能適用性適用性l 結構在正常使用和正常維護條件下，在規(guī)定的時間內，結構在正常使用和正常維護條件下，在規(guī)定的時間內，具有足夠的耐久性具有足夠的耐久性耐久性耐久性.2承載能力承載能力 穩(wěn)穩(wěn) 定定 性性 適適 用用 性性 耐耐 久久 性性 用可靠度度量用可靠度度量 可靠性可

2、靠性結構在結構在規(guī)定的時間規(guī)定的時間（設計基準期）內，在（設計基準期）內，在規(guī)規(guī)定的條件定的條件（結構設計時所確定的（結構設計時所確定的正常設計正常設計、正常施工正常施工和和正常正常使用條件使用條件）下，完成）下，完成預定功能預定功能的能力。的能力。 可靠度可靠度結構在規(guī)定的時間內，在規(guī)定的條件下，完結構在規(guī)定的時間內，在規(guī)定的條件下，完成預定功能的成預定功能的概率概率。可靠性可靠性 2、結構的可靠性、結構的可靠性.3 規(guī)定時間（設計基準期）規(guī)定時間（設計基準期）設計基準期設計基準期 進行結構可靠性分析時，考慮持久設計狀進行結構可靠性分析時，考慮持久設計狀況下各項變量與時間關系所采用的基準時間

3、參數(shù)。況下各項變量與時間關系所采用的基準時間參數(shù)。 可靠性概念的釋義可靠性概念的釋義 一般橋梁結構的設計基準期為一般橋梁結構的設計基準期為100年年 建筑結構的設計基準期為建筑結構的設計基準期為50年年規(guī)定條件：規(guī)定條件：正常施工、設計、使用，不考慮人為過失正常施工、設計、使用，不考慮人為過失結構的結構的設計基準期設計基準期與結構與結構使用壽命使用壽命有什么異同？有什么異同？4設計基準期和設計使用年限設計基準期和設計使用年限 是為確定荷載代表是為確定荷載代表值及與時間有關的值及與時間有關的材料性能等取值而材料性能等取值而選用的時間參數(shù)選用的時間參數(shù)（我國取用的設計（我國取用的設計基準期為基準期

4、為5050年）。年）。必須說明：當結構必須說明：當結構的使用年限達到或的使用年限達到或超過設計基準期后，超過設計基準期后，并不意味結構立即并不意味結構立即報廢，而只意味結報廢，而只意味結構的可靠度將逐步構的可靠度將逐步降低。降低。類別類別設計使用年限（年）設計使用年限（年）示示 例例1 11 15 5臨時性建筑臨時性建筑2 22525易于替換的結構構件易于替換的結構構件 3 35050普通房屋和構筑物普通房屋和構筑物 4 4100100及以上及以上紀念性建筑和特別重紀念性建筑和特別重要的建筑結構要的建筑結構 是設計規(guī)定的一個期限，是指按規(guī)定指標是設計規(guī)定的一個期限，是指按規(guī)定指標設計的建筑結構

5、或構件，在正常施工、正設計的建筑結構或構件，在正常施工、正常使用和維護下，不需進行大修即可達到常使用和維護下，不需進行大修即可達到其預定功能要求的使用年限。其預定功能要求的使用年限。 .5二、結構的極限狀態(tài)二、結構的極限狀態(tài) 1定義：定義： 當整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態(tài)而不能滿當整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態(tài)而不能滿足設計規(guī)定的某一功能要求時，則此特定狀態(tài)稱為該結構的足設計規(guī)定的某一功能要求時，則此特定狀態(tài)稱為該結構的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)。 結構的極限狀態(tài)也是結構處于可靠狀態(tài)與失效狀態(tài)的臨結構的極限狀態(tài)也是結構處于可靠狀態(tài)與失效狀態(tài)的臨界狀態(tài)。界狀態(tài)。.6正常使用正常使用極限

6、狀態(tài)極限狀態(tài)承載能力承載能力極限狀態(tài)極限狀態(tài)極限狀態(tài)極限狀態(tài) 2 2、極限狀態(tài)的分類、極限狀態(tài)的分類歐洲混凝土協(xié)會歐洲混凝土協(xié)會國際預應力混凝土協(xié)會國際預應力混凝土協(xié)會國際標準化組織國際標準化組織我國的可靠度標準、各種規(guī)范我國的可靠度標準、各種規(guī)范.7 承載能力極限狀態(tài)承載能力極限狀態(tài) 對應于結構或構件達到最大承載能力或不適于繼續(xù)承對應于結構或構件達到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形。載的變形。承載能力承載能力極限狀態(tài)極限狀態(tài)結構構件或連接處因結構構件或連接處因超過材料強度超過材料強度而破壞而破壞結構轉變結構轉變成成機動體系機動體系整個結構或結構的一部整個結構或結構的一部分作為剛體分作為剛體

7、失去平衡失去平衡 （滑動、倒塌）（滑動、倒塌）結構或結構構件結構或結構構件喪喪失穩(wěn)定失穩(wěn)定（柱的壓曲（柱的壓曲失穩(wěn)）失穩(wěn)）4321.8 正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài) 對應于結構或構件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)對應于結構或構件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值。定限值。影響正常使用或外觀的影響正常使用或外觀的變形變形影響正常使用或耐久性能的影響正常使用或耐久性能的局部損壞局部損壞影響正常使用的影響正常使用的振動振動影響正常使用的其它影響正常使用的其它特定狀態(tài)特定狀態(tài).9三、結構可靠度的基本原理三、結構可靠度的基本原理 1 1、功能函數(shù)、功能函數(shù) 可靠度分析中，結構的極限狀態(tài)一般用功能函

8、數(shù)描繪?？煽慷确治鲋?，結構的極限狀態(tài)一般用功能函數(shù)描繪。當有當有n個隨機變量個隨機變量(X1,X2,.Xn)影響結構的可靠度時，結構影響結構的可靠度時，結構的功能函數(shù)可表示為的功能函數(shù)可表示為0 結構可靠結構可靠 =0 極限狀態(tài)極限狀態(tài) R2( (失效失效) )S1R1（可靠）（可靠）.112 2、結構抗力和作用、結構抗力和作用l結構抗力結構抗力結構構件承受內力和變形的能力，如強結構構件承受內力和變形的能力，如強度、剛度、抗裂度等。它是結構材料性能和幾何參數(shù)等度、剛度、抗裂度等。它是結構材料性能和幾何參數(shù)等的函數(shù)。的函數(shù)。l作作 用用施加在結構上的集中力或分布力，或引施加在結構上的集中力或分布

9、力，或引起結構外加變形或約束變形的原因，它分為直接作用和起結構外加變形或約束變形的原因，它分為直接作用和間接作用。間接作用。.12 兩類作用兩類作用間接作用間接作用直接作用直接作用施加在結構上的荷載，如施加在結構上的荷載，如結構自重、汽車荷載等。結構自重、汽車荷載等。引起結構引起結構外加變形外加變形和和約束變形約束變形的原因的原因作作 用用.13約束變形約束變形結構材料發(fā)生結構材料發(fā)生收收縮縮或或膨脹膨脹等變化等變化，結構在支座或，結構在支座或節(jié)點的約束下間節(jié)點的約束下間接產生的變形。接產生的變形。強迫結構產強迫結構產生生變形變形?；?。基礎的不均勻礎的不均勻沉降，地震沉降，地震等。等。外加變形

10、外加變形何為作用效應？何為作用效應？.14 作用效應作用效應 結構對所受作用的反應：結構或者構件的內力、變形等結構對所受作用的反應：結構或者構件的內力、變形等。PL/4P 彎矩圖彎矩圖 剪力圖剪力圖P/2PP/2P.153、失效與失效概率：、失效與失效概率： 失效失效指結構或結構的一部分不能滿足設計所規(guī)定某一指結構或結構的一部分不能滿足設計所規(guī)定某一功能要求，即達到或超過了承載能力極限狀態(tài)或正常使用功能要求，即達到或超過了承載能力極限狀態(tài)或正常使用極限狀態(tài)中的某一限值。極限狀態(tài)中的某一限值。 失效概率失效概率作用效應作用效應S和結構抗力和結構抗力R都是隨機變量或隨都是隨機變量或隨機過程，因此要

11、絕對地保證機過程，因此要絕對地保證R總是大于總是大于S是不可能的?？墒遣豢赡艿摹？赡艹霈F(xiàn)能出現(xiàn)R小于小于S的情況，這種可能性的大小用概率來表示的情況，這種可能性的大小用概率來表示就是就是失效概率。失效概率。 .16(0)fPP ZRS(0)rPP ZRSl 失效概率失效概率Pf 如下圖所示出現(xiàn)如下圖所示出現(xiàn)RS的概率，的概率， 圖中非陰影部分面積。圖中非陰影部分面積。1frpp兩者互補兩者互補)(zfZzmZfPZ 0Z 0Z 0.18 現(xiàn)將現(xiàn)將Z的正態(tài)分布的正態(tài)分布N( ， )轉化為標準正態(tài)分布轉化為標準正態(tài)分布 N(0,1)，引入標準化變量引入標準化變量t( =0, =1)，有，有)(bf

12、P為什么常用為什么常用可靠指標可靠指標來描述結構可靠度？來描述結構可靠度？21exp122ZZmZZfZzmmtPdtsss b b)(tfT) 1 , 0(Nzzmzts s 0zzms s/ fPZmZstmts引入符號引入符號，令，令zzmbs得得無量綱系數(shù)無量綱系數(shù)稱為稱為可靠指標可靠指標.19 可靠指標用來描述結構可靠度的原因可靠指標用來描述結構可靠度的原因1.01.642.003.003.714.004.5084.1300%94.9500%97.7300%99.8650%99.9896%99.9968%99.9997%15.8700%5.0500%2.2700%0.1350%0.0

13、104%0.0032%0.0003%fPb可靠指標與可靠度及失效概率關系可靠指標與可靠度及失效概率關系 如右圖所示，標準差如右圖所示，標準差 為常量時，為常量時，增加，概率密度曲線由于增加，概率密度曲線由于 的增加而向右移動，的增加而向右移動，即，即， 將將變小，變?yōu)樽冃?，變?yōu)?，結構可靠度增大。，結構可靠度增大。 fPzszmfPfPfPZzmbs(zmb增 大 后 的 值 ）)(zfzrP 可靠指標是可靠度的度量，與其有一一對應的數(shù)量關系；可靠指標是可靠度的度量，與其有一一對應的數(shù)量關系；.205、目標可靠指標、目標可靠指標目標可靠指標目標可靠指標建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準建筑結構可靠度設

14、計統(tǒng)一標準考慮考慮各種荷載效應組合情況，選擇若干有代表性的構件進行了各種荷載效應組合情況，選擇若干有代表性的構件進行了大量的計算分析，規(guī)定對于一般工民建作為設計依據(jù)的可大量的計算分析，規(guī)定對于一般工民建作為設計依據(jù)的可靠指標?？恐笜?。安全等級安全等級一級：破壞后果很嚴重的重要建筑物；二級：一級：破壞后果很嚴重的重要建筑物；二級：破壞后果嚴重的一般工民建筑；三級：破壞后果不嚴重的破壞后果嚴重的一般工民建筑；三級：破壞后果不嚴重的次要建筑物。次要建筑物。.21延性破壞延性破壞三三 級級二二 級級一一 級級脆性破壞脆性破壞安全等級安全等級破壞類型破壞類型4.74.23.75.24.74.2延性破壞延

15、性破壞三三 級級二二 級級一一 級級脆性破壞脆性破壞安全等級安全等級破壞類型破壞類型3.73.22.74.23.73.2公路橋梁目標可靠指標建筑結構目標可靠指標公路工程結構可靠度設計統(tǒng)一標準公路工程結構可靠度設計統(tǒng)一標準（GB/T50283-1999）建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準（GB50068-2001）.22二、公路橋涵結構的安全等級二、公路橋涵結構的安全等級 根據(jù)橋涵結構破壞所產生的后果的嚴重程度，根據(jù)橋涵結構破壞所產生的后果的嚴重程度，可分為：一級、二級、三級?？煞譃椋阂患?、二級、三級。公路橋涵結構的安全等級安全等級安全等級破壞后果破壞后果橋涵類型橋涵類型結構重

16、要性系結構重要性系數(shù)數(shù)0一級一級很嚴重很嚴重特大橋、重要大橋特大橋、重要大橋1.1二級二級嚴重嚴重大橋、中橋、重要大橋、中橋、重要小橋小橋1.0三級三級不嚴重不嚴重小橋、涵洞小橋、涵洞0.9.23二、建筑結構安全等級二、建筑結構安全等級安全等級安全等級一級一級二級二級三級三級延性破壞延性破壞3.73.22.7脆性破壞脆性破壞4.23.73.2.241、設計原則、設計原則：作用效應最不利組合作用效應最不利組合(基本組合基本組合)設計值必須小設計值必須小于或等于結構抗力的設計值。于或等于結構抗力的設計值。即設計文件規(guī)定值。即設計文件規(guī)定值。標準值標準值何參數(shù)何參數(shù)可靠數(shù)據(jù)時，可采用幾可靠數(shù)據(jù)時，可

17、采用幾幾何參數(shù)設計值，當無幾何參數(shù)設計值，當無材料強度設計值；材料強度設計值；級、三級分別取級、三級分別取設計安全等級一級、二設計安全等級一級、二，對應于，對應于結構設計安全等級采用結構設計安全等級采用結構的重要性系數(shù)，按結構的重要性系數(shù)，按式中：式中：,),(9 . 0 , 0 . 1 , 1 . 10kddddaafafRR。三、承載能力極限狀態(tài)狀態(tài)設計表達式三、承載能力極限狀態(tài)狀態(tài)設計表達式（以塑性理論為基礎）：（以塑性理論為基礎）：RSd02、基本表達式、基本表達式:.25四、持久狀況正常使用極限狀態(tài)計算表達式四、持久狀況正常使用極限狀態(tài)計算表達式1cs2、極限狀態(tài)設計表達式、極限狀態(tài)

18、設計表達式:?？蓞⒖家?guī)范相應取值可參考規(guī)范相應取值抗裂的應力限值抗裂的應力限值變形、裂縫寬度、截面變形、裂縫寬度、截面: :例如例如要求所規(guī)定的限值要求所規(guī)定的限值結構構件達到正常使用結構構件達到正常使用用效應組合設計值用效應組合設計值; ;正常使用極限狀態(tài)的作正常使用極限狀態(tài)的作式中：式中：）（1cs1 1、設計原則、設計原則: :是以結構彈性理論或彈塑性理論為基礎是以結構彈性理論或彈塑性理論為基礎, ,采用作采用作用的短期效應組合、長期效應組合或短期效應組合并考慮長期用的短期效應組合、長期效應組合或短期效應組合并考慮長期效應組合的影響，對構件的抗裂、裂縫寬度和撓度進行驗算，效應組合的影響，

19、對構件的抗裂、裂縫寬度和撓度進行驗算，并使各項計算值不超過規(guī)范規(guī)定的各項限值。并使各項計算值不超過規(guī)范規(guī)定的各項限值。26材料強度的取值材料強度的取值材料強度設計值材料強度標準值材料強度設計值材料強度標準值/ /材料分項系數(shù)材料分項系數(shù) 考慮由于材料考慮由于材料強度的變異以強度的變異以及幾何參數(shù)和及幾何參數(shù)和設計模式的不設計模式的不定性可能使結定性可能使結構抗力進一步構抗力進一步降低的不利影降低的不利影響。響。 根據(jù)標準試根據(jù)標準試件用標準試件用標準試驗方法測得驗方法測得的具有的具有9595以上保證率以上保證率的強度值，的強度值， 材料分項系材料分項系數(shù)根據(jù)結構數(shù)根據(jù)結構可靠度分析，可靠度分析

20、，并考慮材料并考慮材料質量的分布質量的分布規(guī)律和一定規(guī)律和一定的保證率確的保證率確定定。 由規(guī)范或附錄直接查用由規(guī)范或附錄直接查用27荷載設計值及荷載分項系數(shù)荷載設計值及荷載分項系數(shù)荷載設計值荷載分項系數(shù)荷載設計值荷載分項系數(shù)荷載標準值荷載標準值 由于荷載是隨由于荷載是隨機變量，考慮其有機變量，考慮其有超過荷載標準值的超過荷載標準值的可能性，設計時將可能性，設計時將荷載標準值乘以一荷載標準值乘以一個大于個大于1 1的調整系的調整系數(shù)數(shù) 。它比荷載的。它比荷載的標準值具有更大的標準值具有更大的可靠度。可靠度。荷載類別荷載類別荷載特征荷載特征荷載分項荷載分項 系數(shù)系數(shù)永久荷載永久荷載當其效應對結構

21、不利時當其效應對結構不利時對由可變荷載效應控制的組合對由可變荷載效應控制的組合對由永久荷載效應控制的組合對由永久荷載效應控制的組合1.21.21.351.35當其效應對結構有利時當其效應對結構有利時一般情況下一般情況下對結構的傾覆、滑移或漂浮驗算對結構的傾覆、滑移或漂浮驗算1.01.00.90.9可變荷載可變荷載一般情況下一般情況下對標準值對標準值4kN4kNm m2 2的工業(yè)房屋樓的工業(yè)房屋樓面活荷載面活荷載1.41.41.31.3.28承載能力極限狀態(tài)實用設計表達式承載能力極限狀態(tài)實用設計表達式 0S R 結構重要性系數(shù)結構重要性系數(shù) 結構構件抗力結構構件抗力設計值設計值RR（fc，fs，

22、k） 荷載效應荷載效應組合組合設計值設計值 一般排架、框架結構，可采用簡化公式：一般排架、框架結構，可采用簡化公式： 安全等級為三級（或安全等級為三級（或年年 ）0.安全等級為一級（或安全等級為一級（或100年及以上年及以上 ）01.1 安全等級為二級（或安全等級為二級（或年年 ）01.由永久荷載效應控制的組合：由永久荷載效應控制的組合： 由可變荷載效應控制的組合：由可變荷載效應控制的組合： .291.2.2 1.2.2 實用設計表達式實用設計表達式（2 2）荷載效應基本組合設計值）荷載效應基本組合設計值 S S對于基本組合，荷載效應組合的設計值對于基本組合，荷載效應組合的設計值S應從由可變荷

23、應從由可變荷載效應控制的組合和由永久荷載效應控制的組合中取最不利載效應控制的組合和由永久荷載效應控制的組合中取最不利值確定。值確定。 1）由可變荷載效應控制的組合）由可變荷載效應控制的組合.30 ：結構構件的重要性系數(shù)，對安全等級為一級或設計使：結構構件的重要性系數(shù)，對安全等級為一級或設計使用年限為用年限為100100年及以上的結構構件，不應小于年及以上的結構構件，不應小于1.11.1；對安全等級；對安全等級為二級或設計使用年限為為二級或設計使用年限為5050年的結構構件，不應小于年的結構構件，不應小于1.01.0；對安；對安全等級為三級或設計使用年限為全等級為三級或設計使用年限為5 5年及以

24、下的結構構件，不應小年及以下的結構構件，不應小于于0.90.9；在抗震設計中，不考慮結構構件的重要性系數(shù)。；在抗震設計中，不考慮結構構件的重要性系數(shù)。0)(k2k11k0iQciniiQQQGGSSSS.31G ：永久荷載分項系數(shù)，按下表：永久荷載分項系數(shù)，按下表1.2.3采用；采用； SGk ：永久荷載標準值：永久荷載標準值Gk 計算的荷載效應值；計算的荷載效應值；Qi ：第：第i個可變荷載的分項系數(shù)；按下表個可變荷載的分項系數(shù)；按下表1.2.3采用；采用； SQik ：按可變荷載標準值：按可變荷載標準值Qi計算的荷載效應值計算的荷載效應值;ci ：可變荷載：可變荷載Qi的組合值系數(shù)，民用建

25、筑樓面均布活的組合值系數(shù)，民用建筑樓面均布活 荷載、屋面均布活荷載的組合值系數(shù)；荷載、屋面均布活荷載的組合值系數(shù)；)(k2k11k0iQciniiQQQGGSSSS32表1.2.3 荷載分項系數(shù)的取值荷載特性荷載分項系數(shù)永久荷載永久荷載效應對結構不利由可變荷載效應控制的組合1.2由永久荷載效應控制的組合1.35永久荷載效應對結構有利1.0傾覆、滑移或飄浮驗算0.9可變荷載一般情況1.4對標準值大于4kN/m2的工業(yè)房屋樓面結構的活荷載取1.3返回.33 當考慮以豎向的永久荷載效應控制的組合時，參與組當考慮以豎向的永久荷載效應控制的組合時，參與組合的可變荷載僅限于豎向荷載。合的可變荷載僅限于豎向

26、荷載。 )(10QikciniQiGkGSSS2 2）由永久荷載效應控制的組合）由永久荷載效應控制的組合(1.2.4) 應用（應用（1.2.31.2.3）、式（）、式（1.2.41.2.4）時應注意以下問題：）時應注意以下問題：.343 3）一般排架、框架結構的簡化表達式）一般排架、框架結構的簡化表達式對一般排架、框架結構，可不區(qū)分第一可變荷載對一般排架、框架結構，可不區(qū)分第一可變荷載和第和第i i個可變荷載，并采用相同的組合值系數(shù)，個可變荷載，并采用相同的組合值系數(shù)，其荷其荷載效應組合設計值取由可變荷載效應控制和由永久荷載效應組合設計值取由可變荷載效應控制和由永久荷載效應控制的組合值中的最不利值。載效應控制的組合值中的最不利值。由可變荷載效應由可變荷載效應控制的組合按下式計算：控制的組合按下式計算： 由永久荷載效應控制的組合仍按式（由永久荷載效應控制的組合仍按式（1.2.4）采用。）采用。k1k9 .0QiniQiGGSSS(1.2.6).35 2. 2.按正常使用極限狀態(tài)設計的實用表達式