02結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

1、第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法第2章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法 The Design Approach 工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要保證安全可靠、經(jīng)濟合理 由于實際工程結(jié)構(gòu)中存在多種不確定性 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法就是研究工程設(shè)計中的各種不確定性問題，取得安全可靠與經(jīng)濟合理之間的均衡第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法容許應(yīng)力設(shè)計方法 allowable stress 安全系數(shù) K 是一個大于1.0的數(shù)值 K 越大，結(jié)構(gòu)安全度就越高，同時結(jié)構(gòu)材料用量也越多 為取得安全可靠與經(jīng)濟合理的均衡， 在綜合考慮各種不確定性因素影響后，可選取一個合適的安全系數(shù)。第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法 材料力學中研究的是：單一材料、線彈性、簡單結(jié)構(gòu)實際工程結(jié)構(gòu)遠比它復雜 如鋼筋混凝

2、土梁的受彎，從安全角度考慮，需要確定其極限受彎承載力； 而為控制正常使用階段的裂縫和撓度變形，需要確定帶裂縫工作階段的受力情況。 采用容許應(yīng)力設(shè)計方法，無法統(tǒng)一這兩方面的要求。第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法 因此，首先根據(jù)工程結(jié)構(gòu)需要滿足實際使用的各種要求（結(jié)構(gòu)的功能），對安全可靠有更具體的科學定義 另一方面，需要盡可能詳細了解結(jié)構(gòu)在不同情況下（施工、使用、破壞）可能受到的各種外界影響的大小和變化情況 外界影響：各種荷載、溫度變化、沉降、收縮徐變、地震、侵蝕、凍融等 以及結(jié)構(gòu)尺寸、材料強度等的變異情況，以便科學合理的選定結(jié)構(gòu)可靠度。第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.1 結(jié)構(gòu)的功能結(jié)構(gòu)的功能 Functions o

3、f Structure 安全性 Safety 如（MMu） 結(jié)構(gòu)在預定的使用期間內(nèi)（一般為50年），應(yīng)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（如超靜定結(jié)構(gòu)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。 在偶然事件（如地震、爆炸）發(fā)生時和發(fā)生后，結(jié)構(gòu)應(yīng)能保持整體穩(wěn)定性，不應(yīng)發(fā)生倒塌或連續(xù)破壞而造成生命財產(chǎn)的嚴重損失。第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.1 結(jié)構(gòu)的功能 適用性 Serviceability 如（f f ） 結(jié)構(gòu)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(cè)移）、振動（頻率、振幅），或產(chǎn)生讓使用者感到不安的過大的裂縫寬度

4、。 耐久性 Durability 如（wmax wmax） 結(jié)構(gòu)在正常使用和正常維護條件下，應(yīng)具有足夠的耐久性。即在各種因素的影響下（混凝土碳化、鋼筋銹蝕），結(jié)構(gòu)的承載力和剛度不應(yīng)隨時間有過大的降低，而導致結(jié)構(gòu)在其預定使用期間內(nèi)喪失安全性和適用性，降低使用壽命。第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.1 結(jié)構(gòu)的功能 2.1 結(jié)構(gòu)的可靠度 Reliability Degrees of Structures 可靠性安全性、適用性和耐久性的總稱 就是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期限內(nèi)（設(shè)計工作壽命=50年），在規(guī)定的條件下（正常設(shè)計、正常施工、正常使用和維護），完成預定結(jié)構(gòu)功能的能力。 結(jié)構(gòu)可靠性越高，建設(shè)造價投資越大。 如

5、何在結(jié)構(gòu)可靠與經(jīng)濟之間取得均衡，就是設(shè)計方法要解決的問題。第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.1 結(jié)構(gòu)的功能 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(shè)計工作壽命、維護和修復等。 規(guī)范規(guī)定的設(shè)計方法，是這種均衡的最低限度，也是國家法律。 設(shè)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(shè)計水準，增加結(jié)構(gòu)的可靠度。 經(jīng)濟的概念不僅包括第一次建設(shè)費用，還應(yīng)考慮維修，損失及修復的費用第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.2 極限狀態(tài)2.2 極限狀態(tài) Limit State 結(jié)構(gòu)能夠滿足功能要求而良好地工作，則稱結(jié)構(gòu)是“可靠”的或“有效”的。反之，則結(jié)構(gòu)為“不可靠”或“失效”。 區(qū)分結(jié)

6、構(gòu)“可靠”與“失效”的臨界工作狀態(tài)稱為“極限狀態(tài)”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)定的某一特定功能。第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法承載力能力極限狀態(tài) Ultimate Limit State超過該極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不能滿足預定的安全性功能要求 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載力（包括疲勞） 結(jié)構(gòu)整體或其中一部分作為剛體失去平衡（如傾覆、滑移） 結(jié)構(gòu)塑性變形過大而不適于繼續(xù)使用 結(jié)構(gòu)形成幾何可變體系（超靜定結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)足夠多塑性鉸） 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如細長受壓構(gòu)件的壓曲失穩(wěn)）2.2 極限狀態(tài)第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.2 極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài) Serviceability Limit State

7、超過該極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不能滿足預定的適用性和耐久性的功能要求。 過大的變形、側(cè)移（影響非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、不安全感、不能正常使用（吊車）等）； 過大的裂縫（鋼筋銹蝕、不安全感、漏水等）； 過大的振動（不舒適）； 其他正常使用要求。第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.2 極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)功能的表達S R 失效結(jié)構(gòu)力學的主要內(nèi)容本課程的主要內(nèi)容第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.3 結(jié)構(gòu)中的不確定性2.3 荷載和材料強度 Loads and Material Strengths 荷載標準值的確定1 荷載統(tǒng)計特征：永久荷載G，可變荷載Q2 荷載標準值取值 規(guī)范實際取值：1 永久荷載：取實際材料容重的平均值2 可變荷載：對不同荷載性質(zhì)進

8、行了調(diào)整第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.3 結(jié)構(gòu)中的不確定性2.3 荷載和材料強度 Loads and Material Strengths 荷載分項系數(shù)、荷載設(shè)計值荷載分項系數(shù)G, Q 確定原則： 給定的荷載標準值條件下，對各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件在各種常遇的荷載效應(yīng)比值和組合下，用不同的分項系數(shù)值，按極限設(shè)計方法計算所得的各種構(gòu)件的可靠度指標，與規(guī)定的可靠指標總體差異最小。荷載設(shè)計值： 荷載分項系數(shù)與荷載標準值的乘積稱荷載設(shè)計值。第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.3 結(jié)構(gòu)中的不確定性2.3 荷載和材料強度 Loads and Material Strengths 1 永久荷載分項系數(shù) 可變荷載控制時，取1.2 永久荷載

9、控制時，取 1.3 永久荷載對結(jié)構(gòu)有利時，取1.02 可變荷載分項系數(shù) 一般情況下，取1.4（由永久荷載控制時，取0.71.4） 當活載標準值大于4kN/m2 時，取1.3荷載分項系數(shù)的取值：第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.3 結(jié)構(gòu)中的不確定性2.3 荷載和材料強度 Loads and Material Strengths 當結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上同時作用幾個可變荷載時，各荷載同時達到最大的概率要小很多，采用組合系數(shù)的方式進行調(diào)整。 荷載組合系數(shù)： 在實際框架計算中，一般可采用下式組合：恒載活載；恒載風載；恒載0.9（活載風載）第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.3 結(jié)構(gòu)中的不確定性2.3 荷載和材料強度 Loads an

10、d Material Strengths可變荷載的頻遇荷載和準永久荷載第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.3 結(jié)構(gòu)中的不確定性荷載和材料強度 Loads and Material Strengths 材料強度標準值的確定1 材料強度的變異性及統(tǒng)計特征2 材料強度標準值 鋼筋2，保證率97.73%（國家鋼材質(zhì)量標準）混凝土1.6452 保證率95%第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.3 結(jié)構(gòu)中的不確定性結(jié)構(gòu)設(shè)計中的不確定性 Undetermined Factors in Design 恒載 g與構(gòu)件尺寸、材料容重等有關(guān) 活載 q（樓面活載、雪荷載）的數(shù)值是隨時在變化的 計算跨度 l 的不準確材料強度 fy 和 fc 的

11、離散截面尺寸h0和 b 的施工誤差應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系參數(shù) k1 和 k2不一定安全（可靠）第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法 由于結(jié)構(gòu)工程中的不確定性，為取得安全可靠與經(jīng)濟合理的均衡，在設(shè)計中需要考慮這些不確定性的影響。結(jié)構(gòu)設(shè)計方法就是處理這種安全可靠與經(jīng)濟合理的矛盾。第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法極限狀態(tài)設(shè)計法 除要求對承載力極限狀態(tài)進行設(shè)計外，還包括的撓度和裂縫寬度（適用性）的極限狀態(tài)的設(shè)計。 對于承載力極限狀態(tài)，針對荷載、材料的不同變異性，不再采用單一的安全系數(shù)，而采用的多系數(shù)表達， 材料強度 fck 和 fsk 是根據(jù)統(tǒng)計后按一定保證率取其下限分位值，反

12、映的材料強度的變異性。 荷載值 qik 也盡可能根據(jù)各種荷載的統(tǒng)計資料，按一定保證率取其上限分位值。 荷載系數(shù) kqi ，材料強度系數(shù) kc 和 ks 仍按經(jīng)驗確定，但對于不同荷載的變異大小，可取不同的荷載系數(shù)。第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計法 由于實際結(jié)構(gòu)中的不確定性，因此無論如何設(shè)計結(jié)構(gòu)，都會有失效的可能性存在，只是可能性大小不同而已。 為了科學定量的表示結(jié)構(gòu)可靠性的大小，采用概率方法是比較合理的。 失效概率越小，表示結(jié)構(gòu)可靠性越大。因此，可以用失效概率來定量表示結(jié)構(gòu)可靠性的大小。結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量稱為結(jié)構(gòu)可靠度reliability degree

13、。 當失效概率Pf小于某個值時，人們因結(jié)構(gòu)失效的可能性很小而不再擔心，即可認為結(jié)構(gòu)設(shè)計是可靠的。該失效概率限值稱為容許失效概率Pf。失效概率probability of failurePf = P (S R)第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)功能函數(shù) Z = R - SPf =P (S R) =P(Z 0)b 可靠指標 reliability index第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法 根據(jù)統(tǒng)計，觸電的年死亡率為610-6 b =3.7時，Pf=1.110-4，按設(shè)計基準期50年考慮，年失效概率為1.110-4/50=2.210-6 50年后并不是結(jié)構(gòu)就失效，而是失效概率增加

14、。同時，結(jié)構(gòu)失效也并不表示結(jié)構(gòu)倒塌，結(jié)構(gòu)倒塌也不一定造成人員傷亡。 我國對于一般工程結(jié)構(gòu)，當為延性破壞時，其可靠指標取b =3.2，對脆性破壞取b =3.7。 對于重要的工程結(jié)構(gòu)，應(yīng)提高可靠指標。第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法作用效應(yīng)標準值Sk 作用效應(yīng)S的不確定性就主要取決于結(jié)構(gòu)上作用Q的不確定性永久荷載G可變荷載Q偶然荷載（作用） 不同的荷載，其變異情況不同。根據(jù)統(tǒng)計分析可以確定一個具有一定保證率（如95%）的上限荷載分位值，該特征值稱為荷載標準值（符號Gk，Qik）。 按荷載標準值確定的荷載效應(yīng)，稱為荷載效應(yīng)標準值Sk 有多個可變荷載同時作用的情況，考慮到它們同時達到標準值的可

15、能性較小，考慮荷載組合系數(shù)y，第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)抗力標準值Rkfck、fsk分別為混凝土和鋼筋的強度標準值，截面尺寸b、h0和配筋As取設(shè)計值。Rk的具體表達形式是本課程的主要內(nèi)容。 f(S)SSk f(R)RRk第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法Sk f(S)，f (R)S，RRk實用設(shè)計表達式第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法實用設(shè)計表達式Sk f(S)，f (R)S，RRk第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法實用設(shè)計表達式Sk f(S)，f (R)S，RRk第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法設(shè)計驗算點S*=R*實用設(shè)計表達式Pf = PfS

16、k f(S)，f (R)S，RRk2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法作用效應(yīng)設(shè)計值，gS作用效應(yīng)分項系數(shù)結(jié)構(gòu)抗力設(shè)計值，gR結(jié)構(gòu)抗力分項系數(shù)第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法規(guī)范設(shè)計表達式g0 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)正常使用極限狀態(tài)，可靠度要求可適當降低，所有分項系數(shù)取1.0第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法材料強度設(shè)計值表4-6 混凝土強度設(shè)計值（N/mm2）混 凝 土 強 度 等 級強度種類符號C15C20C25C30C35C40軸心抗壓強度fc7.29.611.914.316.719.1軸心抗拉強度ft0.911.101.271.431.571.71混 凝 土 強 度 等 級C45C50C55C60C65C70C75C8021.223