混凝土結構及砌體結構-第三章混凝土結構的設計原則

1、第第3 3章章 混凝土結構的設計原則混凝土結構的設計原則3.1 結構設計的基本要求結構設計的基本要求3.2 概率極限狀態(tài)設計方法概率極限狀態(tài)設計方法3.3 概率極限狀態(tài)設計法的使用設計表達式概率極限狀態(tài)設計法的使用設計表達式第3章 混凝土結構的設計原則第3章 混凝土結構的設計原則3.1 3.1 結構設計的要求結構設計的要求3.1.1 3.1.1 結構的功能要求結構的功能要求安全性安全性 如（如（MMu） 結構在預定的使用期間內（結構在預定的使用期間內（一般為一般為50年年），應能承受在），應能承受在正常施工、正常使用情況下可能出現(xiàn)的各種荷載、外加變形正常施工、正常使用情況下可能出現(xiàn)的各種荷載、

2、外加變形（如超靜定結構的支座不均勻沉降）、約束變形（如溫度和（如超靜定結構的支座不均勻沉降）、約束變形（如溫度和收縮變形受到約束時）等的作用。收縮變形受到約束時）等的作用。 在偶然事件（如地震、爆炸）發(fā)生時和發(fā)生后，結構應在偶然事件（如地震、爆炸）發(fā)生時和發(fā)生后，結構應能保持整體穩(wěn)定性，不應發(fā)生倒塌或連續(xù)破壞而造成生命財能保持整體穩(wěn)定性，不應發(fā)生倒塌或連續(xù)破壞而造成生命財產的嚴重損失。產的嚴重損失。適用性適用性 如（如（f f ） 結構在正常使用期間，具有良好的工作性能。如不發(fā)生影結構在正常使用期間，具有良好的工作性能。如不發(fā)生影響正常使用的過大的變形（撓度、側移）、振動（頻率、振響正常使用的

3、過大的變形（撓度、側移）、振動（頻率、振幅），或產生讓使用者感到不安的過大的裂縫寬度。幅），或產生讓使用者感到不安的過大的裂縫寬度。耐久性耐久性 如（如（wmax wmax） 結構在正常使用和正常維護條件下，應具有足夠的耐久性。結構在正常使用和正常維護條件下，應具有足夠的耐久性。即在各種因素的影響下（即在各種因素的影響下（混凝土碳化、鋼筋銹蝕混凝土碳化、鋼筋銹蝕），），結構的結構的承載力和剛度承載力和剛度不應隨時間有過大的降低，而導致結構在其預不應隨時間有過大的降低，而導致結構在其預定使用期間內喪失安全性和適用性，降低使用壽命。定使用期間內喪失安全性和適用性，降低使用壽命。第3章 混凝土結構的

4、設計原則結構的可靠性結構的可靠性 可靠性可靠性安全性、適用性和耐久性的總稱安全性、適用性和耐久性的總稱就是指結構在規(guī)定的使用期限內（設計工作壽命就是指結構在規(guī)定的使用期限內（設計工作壽命=50年），年），在規(guī)定的條件下（在規(guī)定的條件下（正常設計、正常施工、正常使用和維護正常設計、正常施工、正常使用和維護），），完成預定結構功能的能力；建筑類別不同使用年限不同，具完成預定結構功能的能力；建筑類別不同使用年限不同，具體值如表體值如表3.1所示。所示。結構可靠性越高，建設造價投資越大。結構可靠性越高，建設造價投資越大。如何在結構可靠與經(jīng)濟之間取得均衡如何在結構可靠與經(jīng)濟之間取得均衡，就是設計方，就是

5、設計方法要解決的問題。法要解決的問題。第3章 混凝土結構的設計原則顯然這種可靠與經(jīng)濟的均衡受到多方面的影響，如國家顯然這種可靠與經(jīng)濟的均衡受到多方面的影響，如國家經(jīng)濟實力、設計工作壽命、維護和修復等。經(jīng)濟實力、設計工作壽命、維護和修復等。規(guī)范規(guī)定的設計方法，是這種均衡的最低限度，也是國規(guī)范規(guī)定的設計方法，是這種均衡的最低限度，也是國家法律。家法律。設計人員可以根據(jù)具體工程的重要程度、使用環(huán)境和情設計人員可以根據(jù)具體工程的重要程度、使用環(huán)境和情況，以及業(yè)主的要求，提高設計水準，增加結構的可況，以及業(yè)主的要求，提高設計水準，增加結構的可靠度?？慷?。經(jīng)濟的概念不僅包括第一次建設費用，還應考經(jīng)濟的概念

6、不僅包括第一次建設費用，還應考慮維修，損失及修復的費用慮維修，損失及修復的費用第3章 混凝土結構的設計原則3.1.2 3.1.2 結構的極限狀態(tài)結構的極限狀態(tài)結構能夠滿足功能要求而良好地工作，則稱結構是結構能夠滿足功能要求而良好地工作，則稱結構是“可靠可靠”的或的或“有效有效”的。反之，則結構為的。反之，則結構為“不可靠不可靠”或或“失效失效”。區(qū)分結構區(qū)分結構“可靠可靠”與與“失效失效”的臨界工作狀態(tài)稱為的臨界工作狀態(tài)稱為“極限極限狀態(tài)狀態(tài)”第3章 混凝土結構的設計原則承載力能力極限狀態(tài)承載力能力極限狀態(tài) 超過該極限狀態(tài)，結構就不能滿足預定的安全性功能要求超過該極限狀態(tài)，結構就不能滿足預定的

7、安全性功能要求 結構整體或其中一部分作為剛體失去平衡（如傾覆、滑移）；結構整體或其中一部分作為剛體失去平衡（如傾覆、滑移）； 結構構件或連接因材料強度破壞，或者過度的塑性變形而不適結構構件或連接因材料強度破壞，或者過度的塑性變形而不適于繼續(xù)承受荷載；于繼續(xù)承受荷載； 結構形成結構形成幾何可變體系幾何可變體系（超靜定結構中出現(xiàn)足夠多塑性鉸）（超靜定結構中出現(xiàn)足夠多塑性鉸） 結構或構件喪失穩(wěn)定（如細長受壓構件的壓曲失穩(wěn)）結構或構件喪失穩(wěn)定（如細長受壓構件的壓曲失穩(wěn)）第3章 混凝土結構的設計原則正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài) 超過該極限狀態(tài)，結構就不能滿足預定的適用性和耐久性超過該極限狀態(tài)，結構就

8、不能滿足預定的適用性和耐久性的功能要求。的功能要求。 影響正常使用或外觀的變形、側移（影響非結構構件、影響正常使用或外觀的變形、側移（影響非結構構件、不安全感、不能正常使用（吊車）等）；不安全感、不能正常使用（吊車）等）； 影響正常使用或耐久性能的局部損壞（鋼筋銹蝕、不安影響正常使用或耐久性能的局部損壞（鋼筋銹蝕、不安全感、漏水等）；全感、漏水等）； 影響正常使用的振動（不舒適）；影響正常使用的振動（不舒適）；影響正常使用的其他特定狀態(tài)。影響正常使用的其他特定狀態(tài)。第3章 混凝土結構的設計原則 結構的設計使用年限結構的設計使用年限 結構的設計使用年限是指設計規(guī)定的結構或結構構件不結構的設計使用

9、年限是指設計規(guī)定的結構或結構構件不需要進行大修即可按達到其預定功能的使用時期。需要進行大修即可按達到其預定功能的使用時期。 設計年限可按設計年限可按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)一標準確定，確定，也可經(jīng)過主管部門的批準按業(yè)主的要求確定。一般建筑結構也可經(jīng)過主管部門的批準按業(yè)主的要求確定。一般建筑結構的設計使用年限為的設計使用年限為50年。年。注意：注意：區(qū)別建筑物的設計使用年限與建筑物的使用壽命。區(qū)別建筑物的設計使用年限與建筑物的使用壽命。第3章 混凝土結構的設計原則3.1.3 3.1.3 作用效應作用效應S和結構抗力和結構抗力R1.作用的概念與類型作用的概念與類型 使結構或構

10、件產生內力（應力）、變形（位移、應變）使結構或構件產生內力（應力）、變形（位移、應變）和裂縫的各種原因的總稱。和裂縫的各種原因的總稱。 直接作用直接作用：荷載：荷載 間接作用間接作用：混凝土的收縮、溫度變化、基礎的差異沉降、：混凝土的收縮、溫度變化、基礎的差異沉降、地震等地震等 作用在結構上并使結構產生內力（如彎矩、剪力、軸向力、作用在結構上并使結構產生內力（如彎矩、剪力、軸向力、扭矩等）、變形、裂縫等作用稱為作用效應或荷載效應。扭矩等）、變形、裂縫等作用稱為作用效應或荷載效應。第3章 混凝土結構的設計原則2.2 結構的作用、作用效應和結構抗力荷載的分類荷載的分類按作用按作用時間時間的長短和性

11、質，荷載分為三類：的長短和性質，荷載分為三類：1.永久荷載永久荷載在結構設計使用年限內，其值不隨時間而變化，在結構設計使用年限內，其值不隨時間而變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計，或其變化是單調的并或其變化與平均值相比可以忽略不計，或其變化是單調的并能趨于限值的荷載。能趨于限值的荷載。2.可變荷載可變荷載在結構設計基準期內其值隨時間而變化，其變在結構設計基準期內其值隨時間而變化，其變化與平均值不可忽略的荷載。化與平均值不可忽略的荷載。3.偶然荷載偶然荷載在結構設計基準期內不一定出現(xiàn)，但一旦出現(xiàn)在結構設計基準期內不一定出現(xiàn)，但一旦出現(xiàn)其值很大且作用時間很短的荷載。其值很大且作用時間很短的荷載

12、。按作用空間位置的變異分為：固定荷載、可動荷載。按作用空間位置的變異分為：固定荷載、可動荷載。按作用結構的反應分為：靜態(tài)荷載、動態(tài)荷載。按作用結構的反應分為：靜態(tài)荷載、動態(tài)荷載。第3章 混凝土結構的設計原則 結構由于各種原因，引起內力和變形稱為作用效應。內力：軸力、彎矩、剪力、扭矩；變形：撓度、轉角、裂縫。2.作用效應作用效應第3章 混凝土結構的設計原則CQSCGSor 作用效應取決于作用的方式及結構或構件的幾何尺寸及支承條件。簡支梁在跨中一集中荷載作用下跨中彎矩lPM41 例： 簡支梁在均布荷載作用下跨中彎矩S = cQc 荷載效應系數(shù)Q 荷載 作用效應具有隨機性qlM281281ll41c

13、第3章 混凝土結構的設計原則 結構抗力是指結構或構件承受作用效應的能力。 結構抗力的影響因素：材料性能的不確定性材料幾何參數(shù)的不確定性計算模式的不確定性 結構的抗力具有隨機性。4. 結構抗力結構抗力第3章 混凝土結構的設計原則2.2 結構的作用、作用效應和結構抗力結構的極限狀態(tài)可用下面的極限狀態(tài)函數(shù)表示：結構的極限狀態(tài)可用下面的極限狀態(tài)函數(shù)表示：Z=R-S對應的：對應的：Z=R-S0 時，時，結構處于可靠狀態(tài)；結構處于可靠狀態(tài)；Z=R-S=0時，時，結構達到極限狀態(tài)；結構達到極限狀態(tài)；Z=R-S R)第3章 混凝土結構的設計原則Sk f (S)，f (R)S，RRkS及及R概率分布曲線概率分布

14、曲線第3章 混凝土結構的設計原則 結構的效應S及結構的抗力R均符合正態(tài)分布，因此結構的功能函數(shù)也符合正態(tài)分布。如圖：圖中ZR) =P(Z 0)ZZfP值2.73.23.74.2失效概率 Pf3.510-36.910-41.110-41.310-5 可靠指標可靠指標第3章 混凝土結構的設計原則在確定結構的可靠指標 時，應該使結構的失效概率降低到人們可以接受的程度，做到既安全可靠又經(jīng)濟合理。統(tǒng)一標準規(guī)定 ： 的取值與構件的破壞類型及結構的重要性有關。 3.2.2 目標可靠指標及安全等級第3章 混凝土結構的設計原則1.1.荷載的代表值和設計值荷載的代表值和設計值荷載的標準值荷載的標準值1.定義定義將

15、荷載視為隨機變量，采用數(shù)理統(tǒng)計的方法加以處理而得到將荷載視為隨機變量，采用數(shù)理統(tǒng)計的方法加以處理而得到的具有一定概率（的具有一定概率（95%）的最大荷載值）的最大荷載值2.分類分類a.永久荷載的代表值永久荷載的代表值 ；b.可變荷載的代表值可變荷載的代表值 ；c.偶然荷載的代表值偶然荷載的代表值 ；第3章 混凝土結構的設計原則3.3 3.3 概率極限狀態(tài)設計方法概率極限狀態(tài)設計方法3.3.1 3.3.1 荷載的代表值和設計值荷載的代表值和設計值可變荷載的代表值可變荷載的代表值可變荷載組合值可變荷載組合值 當幾種荷載進行組合時，需作適當調整，其中最大荷載當幾種荷載進行組合時，需作適當調整，其中最

16、大荷載取標準值，其他伴隨的荷載采用小于取標準值，其他伴隨的荷載采用小于1.0的組合值系數(shù)乘以相的組合值系數(shù)乘以相應的標準值來表達其荷載代表值，這種經(jīng)調整后的伴隨可變應的標準值來表達其荷載代表值，這種經(jīng)調整后的伴隨可變荷載，稱為可變荷載的組合值。荷載，稱為可變荷載的組合值?？勺兒奢d頻遇值可變荷載頻遇值 結構上時而出現(xiàn)的較大荷載的代表值之一，是該可變荷結構上時而出現(xiàn)的較大荷載的代表值之一，是該可變荷載標準值和荷載的頻遇值系數(shù)的乘積。載標準值和荷載的頻遇值系數(shù)的乘積。可變荷載的準永久值可變荷載的準永久值 結構上經(jīng)常作用的可變荷載的代表值之一，是該可變荷結構上經(jīng)常作用的可變荷載的代表值之一，是該可變荷

17、載標準值和荷載的準永久值系數(shù)的乘積。載標準值和荷載的準永久值系數(shù)的乘積。第3章 混凝土結構的設計原則3.3.2 材料強度的標準值材料強度的標準值在材料強度實測值的總體中，強度標準值應具有不小于在材料強度實測值的總體中，強度標準值應具有不小于95的的保證率。保證率。材料強度標準值除以材料的分項系數(shù)得到材料強度的設計值。材料強度標準值除以材料的分項系數(shù)得到材料強度的設計值。第3章 混凝土結構的設計原則d.荷載的設計值荷載的設計值 將永久荷載值和可變荷載只組合成一個可以用于設計的荷將永久荷載值和可變荷載只組合成一個可以用于設計的荷載值載值niQiciQiSSS2kGkG0 S R式中 S 內力組合設計值0 結構構件的重要性系數(shù)， 對一、二、三級分別取1.1, 1.0, 0.9 R 結構構件的承載力設計值R = R( ) = R(fc , fs , k , )3.3.3 計算表達式第3章 混凝土結構的設計