第03章 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則-4學(xué)時(shí)

學(xué)習(xí)目標(biāo)▲掌握極限狀態(tài)的基本概念；▲了解結(jié)構(gòu)可靠度的基本原理；▲熟悉近似概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

第三章混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則教學(xué)提示▲首先應(yīng)明確《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)宜遵守的基本原則。▲本章應(yīng)重點(diǎn)介紹結(jié)構(gòu)上的作用、對(duì)結(jié)構(gòu)的功能要求、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期、兩類極限狀態(tài)以及極限狀態(tài)的實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式。

第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

▲

工程結(jié)構(gòu)需要安全適用、經(jīng)濟(jì)合理；這只有技術(shù)先進(jìn)才能實(shí)現(xiàn)。▲

實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中存在多種不確定性；▲工程結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)原則就是研究各種不確定性問題，實(shí)現(xiàn)可靠性與經(jīng)濟(jì)性的最佳平衡。一、作用的概念：

使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力或變形的原因，分直接作用和

間接作用兩種。直接作用：是指施加在結(jié)構(gòu)上的集中力或分布力，即荷載。間接作用：是指引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因（混凝土收縮、溫度變化、基礎(chǔ)差異沉降、地震等）。第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

3.1極限狀態(tài)和設(shè)計(jì)狀況

3.1.1結(jié)構(gòu)上的作用3.1極限狀態(tài)和設(shè)計(jì)狀況

（按隨時(shí)間的變異性可分為三類）1、永久作用：在結(jié)構(gòu)使用期間，其量值不隨時(shí)間變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計(jì)的作用。二、作用的分類：如結(jié)構(gòu)自重、土壓力、預(yù)應(yīng)力、地基沉降、焊接等。2、可變作用：在結(jié)構(gòu)使用期間，其量值隨時(shí)間變化，且其變化與平均值相比不可忽略的作用。如樓面活荷載、吊車荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、汽車荷載、溫度變化等。3、偶然作用：在結(jié)構(gòu)使用期間不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)其量值很大且持續(xù)時(shí)間很短的作用。如爆炸力、撞擊力、罕遇的地震等。第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

3.1極限狀態(tài)和設(shè)計(jì)狀況

第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

三、荷載標(biāo)準(zhǔn)值

是荷載的基本代表值，為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)最大荷載概率分布的某個(gè)分位值。

1、

永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值：按設(shè)計(jì)尺寸與材料重力密度的乘積計(jì)算。一般相當(dāng)于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)最大荷載概率分布的0.5分位值。

2、可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值：為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)最大荷載概率分布的某個(gè)分位值。對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)，查荷載規(guī)范GB50009。對(duì)于道橋結(jié)構(gòu)，查公路橋涵通用規(guī)范JTGD60。3.1極限狀態(tài)和設(shè)計(jì)狀況

3.1極限狀態(tài)和設(shè)計(jì)狀況

3.1.2結(jié)構(gòu)的功能

（包括安全性、適應(yīng)性和耐久性）一、結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)

第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞后果的影響程度分為三級(jí)。安全等級(jí)破壞后果建筑物類型一級(jí)很嚴(yán)重重要的建筑物二級(jí)嚴(yán)重一般的建筑物三級(jí)不嚴(yán)重次要的建筑物建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

安全等級(jí)破壞后果橋梁類型一級(jí)很嚴(yán)重特大及重要大橋二級(jí)嚴(yán)重大、中橋及重要小橋三級(jí)不嚴(yán)重小橋、涵洞橋梁結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)3.1極限狀態(tài)和設(shè)計(jì)狀況

第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

1、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限是指設(shè)計(jì)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(shí)期。2、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限不同于實(shí)際壽命和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期。二、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期類別設(shè)計(jì)使用年限（年）示例15臨時(shí)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

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限分類3.1極限狀態(tài)和設(shè)計(jì)狀況

3、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：指為確定可變作用及與時(shí)間有關(guān)的材料性能等取值而選用的時(shí)間參數(shù)。建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年。橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年。第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

3.1極限狀態(tài)和設(shè)計(jì)狀況

三、結(jié)構(gòu)的功能

（包括安全性、適應(yīng)性和耐久性）1、安全性

結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)規(guī)定的使用年限內(nèi)，能承受在正常施工和正常使用時(shí)可能出現(xiàn)的各種作用。在設(shè)計(jì)規(guī)定的偶然事件發(fā)生時(shí)及發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性。第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

▲設(shè)計(jì)使用年限：一般為50年。▲各種作用：指荷載、外加變形和約束變形（如溫度和收縮變形受到約束時(shí)）；▲偶然事件：如地震、爆炸、火災(zāi)、撞擊等；▲整體穩(wěn)定性：指建筑結(jié)構(gòu)僅產(chǎn)生局部的損壞而不致發(fā)生連續(xù)倒塌。

結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)規(guī)定的使用年限內(nèi)，在正常使用時(shí)具有良好的工作性能。

▲良好的工作性能：指不發(fā)生影響正常使用的過大的變形、振動(dòng)，或產(chǎn)生讓使用者感到不安的過大的裂縫寬度等。第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

2、適用性3、耐久性

結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)規(guī)定的使用年限內(nèi)，在正常維護(hù)下具有足夠的耐久性能?！途眯阅埽褐冈诟鞣N因素（混凝土碳化、鋼筋銹蝕等）的影響下，結(jié)構(gòu)的承載力和剛度不應(yīng)隨時(shí)間有過大的降低，而降低使用壽命。3.1極限狀態(tài)和設(shè)計(jì)狀況

3.1.3極限狀態(tài)▲結(jié)構(gòu)能夠滿足功能要求而良好地工作，則稱結(jié)構(gòu)為可靠（或有效）。反之，則結(jié)構(gòu)為不可靠（或失效）?！鴧^(qū)分結(jié)構(gòu)“可靠”與“失效”的臨界工作狀態(tài)稱為“極限狀態(tài)”第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

一、極限狀態(tài)的概念

整個(gè)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(jì)規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)為該功能的極限狀態(tài)。二、兩類極限狀態(tài)

承載能力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)。3.1極限狀態(tài)和設(shè)計(jì)狀況

（1）概念：承載能力極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載力或不適于繼續(xù)承載的變形。------安全性。第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

1、承載能力極限狀態(tài)

UltimateLimitState（2）標(biāo)志▲整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡?！Y(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過材料強(qiáng)度而破壞（包括疲勞破壞）或因過度變形而不適于繼續(xù)承載?！?/p>

結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系（超靜定結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)足夠多塑性鉸）?！?/p>

結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如細(xì)長(zhǎng)受壓構(gòu)件的壓曲失穩(wěn)）?！?/p>

地基喪失承載能力而破壞。3.1極限狀態(tài)和設(shè)計(jì)狀況

（2）標(biāo)志：▲

影響正常使用或外觀的變形；▲

影響正常使用或耐久性能的局部損壞（包括裂縫、鋼筋銹蝕、漏水等）；▲

影響正常使用的振動(dòng)；▲

影響正常使用的其他特定狀態(tài)。第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

2、正常使用極限狀態(tài)

ServiceabilityLimitState（1）概念：正常使用極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項(xiàng)規(guī)定限值。對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性和耐久性。3.1極限狀態(tài)和設(shè)計(jì)狀況

▲

S—作用效應(yīng)結(jié)構(gòu)上的作用引起的效應(yīng)（如彎矩、軸力、剪力、扭矩等）結(jié)構(gòu)力學(xué)的主要內(nèi)容▲R—結(jié)構(gòu)抗力

結(jié)構(gòu)抵抗作用效應(yīng)的能力，如受彎承載力Mu本課程的主要內(nèi)容第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

3.1.4極限狀態(tài)方程▲因S和R都是隨機(jī)變量，不一定絕對(duì)安全所以第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

Z>0可靠Z=0

極限狀態(tài)Z<0

失效Z=R-S一、結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)二、極限狀態(tài)方程Z=0即R-S＝03.1極限狀態(tài)和設(shè)計(jì)狀況

第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

3.1.5工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)狀況一、持久狀況：在結(jié)構(gòu)使用過程中一定出現(xiàn)，且持續(xù)期與使用期為同一數(shù)量級(jí)的狀況。應(yīng)進(jìn)行承載能力、正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)二、短暫狀況：在結(jié)構(gòu)施工和使用過程中出現(xiàn)概率較大，而持續(xù)期較短的狀況。

一般只進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)計(jì)算，必要時(shí)才做正常使用極限狀態(tài)計(jì)算。三、偶然狀況：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。只進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)計(jì)算，不必考慮正常使用極限狀態(tài)計(jì)算。3.1極限狀態(tài)和設(shè)計(jì)狀況

3.2極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法一、可靠性

結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)規(guī)定的使用年限內(nèi)，在規(guī)定的條件下（正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用和維護(hù)），完成預(yù)定功能（安全性、適用性和耐久性）的能力。即是安全性、適用性和耐久性的總稱。第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

3.2.1結(jié)構(gòu)的可靠度3.2按近似概率的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法二、可靠度結(jié)構(gòu)可靠度：是結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量。一、R和S的概率密度曲線---正態(tài)分布▲可見，在多數(shù)情況下，R>S?！谥丿B區(qū)（陰影段內(nèi)）仍有可能出現(xiàn)R<S的情況，這種可能性的大小用概率來表示就是失效概率。▲因此要絕對(duì)地保證R>S是不可能的。3.2.2可靠指標(biāo)與失效概率第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

3.2極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法二、Z的概率密度曲線、失效概率、可靠指標(biāo)第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

失效概率可見，Pf越小，越大3.2極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

三、容許失效概率四、失效概率pf與可靠指標(biāo)的關(guān)系當(dāng)Pf小于某個(gè)值時(shí)，人們不再擔(dān)心。該失效概率稱為容許失效概率[Pf]。賽車

飛機(jī)火車?yán)讚艄娦睦矸治觯耗懘?0-3

謹(jǐn)慎10-4

不再考慮10-5

失效概率：較安全5×10-3安全5×10-4很安全5×10-53.2極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

五、建筑結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠指標(biāo)破壞類型安全等級(jí)一級(jí)二級(jí)三級(jí)延性破壞3.73.22.7脆性破壞4.23.73.2六、橋梁結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠指標(biāo)破壞類型安全等級(jí)一級(jí)二級(jí)三級(jí)延性破壞4.74.23.7脆性破壞5.24.74.23.2極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法3.3實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

3.3.1設(shè)計(jì)驗(yàn)算點(diǎn)的確定、分項(xiàng)系數(shù)

f(S)SSk

f(R)RRk一、S

、R的概率密度曲線3.3實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式Skf(S)，f(R)S，RRk第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

二、設(shè)計(jì)驗(yàn)算點(diǎn)的確定3.3實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式Skf(S)，f(R)S，RRk第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

二、設(shè)計(jì)驗(yàn)算點(diǎn)的確定3.3實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式Skf(S)，f(R)S，RRk第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

二、設(shè)計(jì)驗(yàn)算點(diǎn)的確定3.3實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式SK<RKS=RSkf(S)，f(R)S，RRk第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)驗(yàn)算點(diǎn)

Pf=[Pf]二、設(shè)計(jì)驗(yàn)算點(diǎn)的確定▲取S＝SSkR＝Rk/R3.3實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

3.3.2承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式一、結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)0安全等級(jí)或使用年限一級(jí)或100年二級(jí)或50年三級(jí)或5年01.11.00.9二、承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式0SR建規(guī)橋規(guī)0SudR3.3實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

▲基本組合-由可變荷載效應(yīng)控制▲基本組合-由永久荷載效應(yīng)控制三、建規(guī)--承載能力極限狀態(tài)的

荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值S3.3實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

▲基本組合四、橋規(guī)--承載能力極限狀態(tài)的

荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值Sud3.3實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式3.3.3正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

一、建規(guī)正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式：SC2、S-正常使用極限狀態(tài)的荷載效應(yīng)組合值1、C-正常使用極限狀態(tài)所規(guī)定的變形、裂縫寬度和應(yīng)力等的限值。具體見教材P385附表1-15和1-16▲標(biāo)準(zhǔn)組合▲準(zhǔn)永久組合---準(zhǔn)永久系數(shù)。對(duì)民用建筑一般為0.3~0.5。具體查荷載規(guī)范GB50009-2001

。3.3實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

---分別為頻遇值系數(shù)和準(zhǔn)永久系數(shù)。具體查JTGD60第4.1.7。二、橋規(guī)持久狀況正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)1、采用的荷載效應(yīng)組合：▲短期效應(yīng)組合▲長(zhǎng)期效應(yīng)組合3.3實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

2、應(yīng)驗(yàn)算的內(nèi)容（1）預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的抗裂驗(yàn)算；應(yīng)力限值見JTGD62第6.3.1條。（2）裂縫寬度驗(yàn)算；寬度限值見JTGD62第6.4.2條。0.15mm,0.2mm（3）撓度驗(yàn)算。撓度限值見JTGD62第6.5.3條。l/600三、橋規(guī)持久狀況和短暫狀況構(gòu)件的應(yīng)力計(jì)算1、持久狀況預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的應(yīng)力計(jì)算2、短暫狀況構(gòu)件的應(yīng)力計(jì)算為強(qiáng)度驗(yàn)算，為承載力計(jì)算的補(bǔ)充第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

3.3.4、材料強(qiáng)度和荷載的取值材料強(qiáng)度有實(shí)測(cè)值、標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值一、材料強(qiáng)度3.3實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

3.3實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

1、材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值

根據(jù)材料強(qiáng)度概率分布的某個(gè)分位值確定。

混凝土的分位值取0.05（即95%的保證率）；

鋼筋的分位值取0.0227（即97.73%的保證率）。2、材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值等于材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值除以材料分項(xiàng)系數(shù)?；炷粒篶=1.4；普通鋼筋:s=1.1；預(yù)應(yīng)力鋼筋:s=1.2(1.41)。

fy、fc查教材P316～317建工混凝土：c=1.45；普通鋼筋:s=1.2；預(yù)應(yīng)力鋼筋:s=(1.25)1.47。

fsd、fcd教材P493道橋第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

3、混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值強(qiáng)度種類符號(hào)混凝土強(qiáng)度等級(jí)C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60C65C70C75C80建工軸心抗壓fck10.013.416.720.123.426.829.632.435.538.541.544.547.450.2軸心抗拉ftk1.271.541.782.012.202.392.512.642.742.852.932.993.053.11道橋軸心抗壓fck10.013.416.720.123.426.829.632.435.538.541.544.547.450.2軸心抗拉ftk1.271.541.782.012.202.402.512.652.742.852.933.003.053.103.3實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

4、混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值強(qiáng)度種類符號(hào)混凝土強(qiáng)度等級(jí)C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60C65C70C75C80建工軸心抗壓fc7.29.611.914.316.719.121.123.125.327.529.731.833.835.9軸心抗拉ft0.911.101.271.431.571.711.801.891.962.042.092.142.182.22道橋軸心抗壓fcd6.99.211.513.816.118.420.522.424.426.528.530.532.434.6軸心抗拉ftd0.881.061.231.391.521.651.741.831.891.962.022.072.102.143.3實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

鋼筋種類抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fyk抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy’HPB235235210210HRB335335300300HRB400400360360RRB400400360360建規(guī)鋼筋種類抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fsk抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fsd抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fsd’R235235195195HRB335335280280HRB400400330330KL400400330330橋規(guī)5、鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、設(shè)計(jì)值3.3實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

1、荷載標(biāo)準(zhǔn)值－前面已講

二、荷載荷載也有實(shí)測(cè)值、標(biāo)