結(jié)構(gòu)的功能要求和極限狀態(tài)

1、1第 三 章 結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理 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)式容許應(yīng)力法設(shè)計法重點：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)計法及允許應(yīng)力設(shè)計法2第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法一、結(jié)構(gòu)可靠度及結(jié)構(gòu)設(shè)計方法工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要保證其安全可靠、經(jīng)濟合理由于實際工程結(jié)構(gòu)中存在多種不確定性對工程結(jié)構(gòu)的安全可靠可能會產(chǎn)生不利影響為避免可能產(chǎn)生的不安全可靠情況，一般需比計算要求的截面或材料用量增加截面或材料用量增加越多，安全可靠程度就越高，不安全的可能性就越小，但工程結(jié)構(gòu)造價也越大 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，以取得結(jié)

2、構(gòu)設(shè)計安全可靠與經(jīng)濟合理之間的均衡。3第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法安全性Safety （MMu）：結(jié)構(gòu)在預(yù)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)的各種荷載和變形。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(yán)重?fù)p失。 結(jié)構(gòu)的功能:4適用性Serviceability （f f wmax wmax） ：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。耐久性Durability ：結(jié)構(gòu)在正常使用和正常維護(hù)條件下，

3、應(yīng)具有足夠的耐久性，完好使用到設(shè)計規(guī)定的年限。例如混凝土不發(fā)生嚴(yán)重風(fēng)化、腐蝕、脫落，鋼筋不發(fā)生銹蝕等。567倫敦千年橋它把圣保羅大教堂與新的泰特現(xiàn)代藝術(shù)畫廊和星球劇院聯(lián)系起來。這座泰晤士河上的“千年橋”耗資1820萬英鎊，2000年6月10日首次向公眾開放時，橋身出現(xiàn)明顯擺動，三天后被迫關(guān)閉。有關(guān)部門在這座350米長的步行橋上加裝了91個類似汽車減震器的裝置，方得以重新向公眾開放。重新開放后的千年橋熱鬧非凡。8910 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 結(jié)構(gòu)上的作用(action)和作用效應(yīng)(ef

4、fect of an action) 11第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法 結(jié)構(gòu)上的作用可按下列性質(zhì)分類： （1）按隨時間的變異可分為三類：永久作用在設(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?？勺冏饔迷谠O(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。偶然作用在設(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。如爆炸力、撞擊力、罕遇的地震等。12第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法1 結(jié)構(gòu)上的作用(action)和作用效應(yīng)(effect of an action)

5、 （2）按隨空間位置的變異可分為二類：固定作用在結(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。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。自由作用在結(jié)構(gòu)上一定范圍內(nèi)可以任意分布的作用。如樓面的人員荷載、吊車荷載等。13第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法1 結(jié)構(gòu)上的作用(action)和作用效應(yīng)(effect of an action) （3）按結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特點可分為二類：靜態(tài)作用使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的加速度可以忽略不計的作用。如結(jié)構(gòu)自重、住宅或辦公樓的樓面活荷載動態(tài)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)。如吊車荷載、地震作用、大型

6、動力設(shè)備的作用、高聳結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載等。 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)S。14第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2 結(jié)構(gòu)抗力(resistance) 結(jié)構(gòu)抗力R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強度、變形模量等幾何參數(shù)的不確定性構(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計算模式的不確定性15第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法 結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(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(hù)），完成預(yù)定結(jié)構(gòu)功能的能力。 結(jié)構(gòu)可靠

7、性越高，建設(shè)造價投資越大。因此，如何在結(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。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(fù)的費用。 結(jié)構(gòu)的可靠性 reliability16第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法3 結(jié)構(gòu)可靠性(reliability)及可靠度(degree of reliability) 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、

8、適用性和耐久性要求。17 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(hù)和修復(fù)等。規(guī)范規(guī)定的設(shè)計方法，是這種均衡的最低限度。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(zhǔn)，增加結(jié)構(gòu)的可靠性。第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法18第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法4 設(shè)計使用年限(design working life)和設(shè)計基準(zhǔn)期（design reference period) 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(jìn)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)

9、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。19 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。類別設(shè)計使用年限（年）示例15臨時性結(jié)構(gòu)225易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件350普通房屋和構(gòu)筑物4100紀(jì)念性建筑和特別重要的建筑物 設(shè)計使用年限分類20第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法5 結(jié)構(gòu)的安全等級(safety class) 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。21安全等級破壞后果的影響程度建筑物的類型一級很嚴(yán)重重要的建筑物二級嚴(yán)重一般的建筑物三級不嚴(yán)重次要的建筑物建筑結(jié)構(gòu)的安全

10、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(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。22第三章 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(calculation method for design) 容許應(yīng)力法：最早的計算理論，沿用彈性理論假設(shè)。 破損階段法：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)按二種極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計，是 的基礎(chǔ)上，按破壞階段計算構(gòu)件截面的承載能力。工程結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的重大發(fā)展。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)的可靠概率，按發(fā)展階段，該法可分為三個水準(zhǔn)。水準(zhǔn) 半概率法水準(zhǔn) 近似概率法水

11、準(zhǔn) 全概率法23第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法容許應(yīng)力設(shè)計法假定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能是彈性的，過于粗糙；結(jié)構(gòu)中一點達(dá)到容許應(yīng)力，即認(rèn)為結(jié)構(gòu)失效，不能充分利用材料；沒有考慮結(jié)構(gòu)功能的多樣性要求；安全系數(shù)是憑經(jīng)驗確定的，缺乏科學(xué)依據(jù)。24第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法破損階段設(shè)計法 整個截面達(dá)到極限承載力才認(rèn)為失效，考慮了材料塑性和強度的充分發(fā)揮，極限荷載可以直接由試驗驗證，構(gòu)件的總安全度較為明確。 但安全系數(shù)K仍然憑經(jīng)驗確定， 沒有考慮結(jié)構(gòu)功能的多樣性要求的問題。25第三章 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(jìn)行設(shè)計外，還包括了撓度和裂縫寬度（適用性）的極限狀態(tài)的設(shè)計。 材料強度 fck 和 f

12、sk 是根據(jù)統(tǒng)計后按一定保證率取其下限分位值，反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)驗確定定，但對于不同荷載的變異大小，可取不同的荷載系數(shù)。 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(dá)，26第三章 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(xué)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。27 失效概率越小，表示結(jié)構(gòu)可靠性越大。因此，

13、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degree of reliability 。（即:結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi),在規(guī)定的條件下,完成設(shè)計預(yù)定功能的概率。） 當(dāng)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(dān)心，即可認(rèn)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)28第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法1 荷載的統(tǒng)計特性(statistical characteristic of a load) 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(jìn)行了大量的調(diào)查和實測工

14、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)二、荷載和材料強度的取值29第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法2 荷載標(biāo)準(zhǔn)值(characteristic value of a load) 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 Pk。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。

15、 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)值荷載標(biāo)準(zhǔn)值的概率含義 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。30第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法3 材料強度的變異性及統(tǒng)計特性(variability and statistical characteristic of material strength ) 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31第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法4 材料強度標(biāo)準(zhǔn)值(characteristic value of a material strength) 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)值具有不小于95%保證率的強度值 混凝土的強度標(biāo)準(zhǔn)值具有95%保證率的強度值3233混凝土強度的標(biāo)準(zhǔn)值(Characteristic Strength)34混凝土強度的標(biāo)準(zhǔn)值35第三章 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(yù)定的安全性功能要求。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載力（