混凝土結構設計的一般原則和方法

第10章混凝土結構設計的一般原則和方法------按近似概率理論極限狀態(tài)設計法§

10.1建筑結構設計的一般原則10.1.1建筑結構的組成和類型■建筑結構是建筑物的受力主體，以室外地面為界，分上部結構和下部結構（地下室和基礎）。上部結構分：水平結構體系和豎向結構體系（抗側力結構體系）■結構類型：按材料分：砌體、砼、鋼結構、組合結構和混合結構按豎向結構體系分：排架、框架、剪力墻、框--剪和筒體結構。10.1.2建筑結構設計的階段和內容工程建設的三個環(huán)節(jié)：勘察、設計、施工。工程設計三個階段：初步設計、技術設計、施工圖設計。

10.1.3建筑結構設計的一般原則結構設計一般原則：安全、適用、耐久和經濟合理結構應滿足的功能性：安全性、適用性、耐久性。安全性：指建筑結構承載能力的可靠性，即建筑結構應能承受正常施工和使用時的各種荷載和變形，在地震、爆炸等發(fā)生時和發(fā)生后保持整體穩(wěn)定性。適用性：要求結構在正常使用過程中不產生影響使用的過大變形以及過寬的裂縫等。耐久性：要求在正常維護條件下結構不發(fā)生嚴重風化、腐蝕、脫落、碳化，鋼筋不發(fā)生銹蝕等?！?0.2建筑結構荷載10.2.1結構上的作用與荷載

作用的概念：使結構產生內力或變形的原因稱為“作用”◎直接作用：荷載◎間接作用：混凝土的收縮、溫度變化、基礎的差異沉降、地震等結構上的作用使結構產生的內力（如彎矩、剪力、軸向力、扭矩等）、變形、裂縫等統(tǒng)稱為作用效應或荷載效應。

10.2.2荷載的分類

按作用時間的長短和性質，荷載分為三類：1.永久荷載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能趨于限值的荷載。如：自身重力、土壓力、預應力，又稱之為恒荷載。2.可變荷載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。如：樓面活荷載、風荷載、雪荷載、吊車荷載，又稱之為活荷載。3.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)其值很大且作用時間很短的荷載。如：爆炸力、撞擊力、地震作用。10.2.2荷載的分類按空間位置的變異性，荷載可分為固定荷載（設備、水箱等）和移動荷載（人群、吊車、車輛等）。按結構對荷載的反應性質，荷載分為靜力荷載（結構自重、樓面活荷載、雪荷載等）和動力荷載（設備振動、吊車荷載、風荷載、車輛剎車、撞擊力、爆炸力、地震作用等）。設計基準期：由于確定可變荷載的標準值涉及到時域問題，《建筑結構荷載規(guī)范》統(tǒng)一采用一般結構的設計使用年限50年作為規(guī)定荷載最大值的時域，稱其為設計基準期，但它不等同于建筑結構真正的使用壽命。10.2.3荷載代表值荷載代表值有四種：標準值、組合值、頻遇值、準永久值；其中標準值是基本代表值，其它代表值可在其基礎上乘以相應的系數(shù)得到。標準值：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最大荷載值。即在結構設計基準期內（50年）可能出現(xiàn)的最大荷載值。10.2.3荷載代表值《建筑結構荷載規(guī)范》GB50009—2012規(guī)定：a.永久荷載（結構自重）標準值：可根據(jù)結構的設計尺寸和材料的重力密度確定。以其標準值作為代表值。b.可變荷載標準值：常與時間有關，是一個隨機過程，原則上用統(tǒng)計分布來描述，在有足夠統(tǒng)計資料的條件下，是由設計使用年限內根據(jù)其最大荷載的統(tǒng)計分布按一定保證率取其上限分位值。在無充分統(tǒng)計資料時，可根據(jù)已有的工程實踐經驗，分析判斷后確定一個協(xié)議值為其標準值?？勺兒奢d應根據(jù)不同的設計要求采用標準值、組合值、頻遇值、準永久值作為其代表值。c.偶然荷載按結構的使用特點確定其代表值。10.2.3荷載代表值可變荷載的組合值：指兩種或兩種以上可變荷載同時作用時，其組合后的荷載效應在設計基準期內的超越概率能與荷載單獨作用時相應超越概率趨于一致的荷載值?？勺兒奢d的準永久值：指在設計基準期內其超越的總時間約為設計基準期一半的荷載?？勺兒奢d的頻遇值：指在設計基準期內其超越的總時間為規(guī)定的較小比率，或超越頻率為規(guī)定頻率的荷載值（區(qū)別可變荷載的準永久值和頻遇值P4）。10.2.4豎向荷載；10.2.5風荷載；自學§10.3結構的功能要求和極限狀態(tài)

10.3.1結構的功能要求

1.結構的安全等級（在設計中用結構的重要性系數(shù)來體現(xiàn)）安全等級破壞后的影響程度建筑物的類型一級很嚴重重要的建筑物二級嚴重一般的建筑物三級不嚴重次要的建筑物2.

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《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》確定，也可經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50年。注意：區(qū)別建筑物設計使用年限與建筑物的使用壽命。二者有關系，但不等同。超過設計使用年限的結構不是不能繼續(xù)使用，而是其可靠度降低了，需要維修和加固。3.

建筑結構的功能

◆安全性◎如（M≤Mu）◎結構在預定的使用期間內（一般為50年），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（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。◎在偶然事件（如地震、爆炸、地震）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)破壞而造成生命財產的嚴重損失。3.建筑結構的功能◆適用性如（f≤[f]）◎結構在正常使用期間，具有良好的工作性能。如不發(fā)生影響正常使用的過大的變形（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?！裟途眯?/p>

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。即在各種因素的影響下（混凝土碳化、鋼筋銹蝕），結構的承載力和剛度不應隨時間有過大的降低，而導致結構在其預定使用期間內喪失安全性和適用性，降低使用壽命。結構的可靠性可靠性——安全性、適用性和耐久性的總稱就是指結構在規(guī)定的設計使用期限內（一般為50年），在規(guī)定的條件下（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。結構可靠性越高，建設造價投資越大。如何在結構可靠與經濟之間取得均衡，就是設計方法要解決的問題。結構可靠性的有關問題顯然這種可靠性與經濟的均衡受到多方面的影響，如國家經濟實力、設計使用年限的長短、維護和修復投入等。規(guī)范規(guī)定的設計方法，是這種均衡的最低限度，是國家法律，在未取得許可時不得超出規(guī)范。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，在充分論證和取得許可的情況下提高設計水準，增加結構的可靠度。經濟的概念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。10.3.2

結構功能的極限狀態(tài)◆結構能夠滿足功能要求而良好地工作，則稱結構是“可靠”的或“有效”的。反之，則結構為“不可靠”或“失效”?！魠^(qū)分結構“可靠”與“失效”的臨界工作狀態(tài)稱為“極限狀態(tài)”10.3.2結構功能的極限狀態(tài)

極限狀態(tài)可分為：承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)1、承載能力極限狀態(tài)：結構或構件達到最大承載能力或達到不適于繼續(xù)承載的變形狀態(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：◆結構或構件達到最大承載力（包括疲勞）◆結構整體或其中一部分作為剛體失去平衡（如傾覆、滑移）◆結構塑性變形過大而不適于繼續(xù)使用◆結構形成幾何可變體系（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)）10.3.2結構功能的極限狀態(tài)2、正常使用極限狀態(tài)：結構或構件達到正常使用或耐久性能中某項規(guī)定限度的狀態(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的功能要求：◆過大的變形、側移（影響非結構構件、不安全感、不能正常使用吊車等）；◆過大的裂縫（鋼筋銹蝕、不安全感、漏水等）；◆過大的振動（不舒適）。注意：結構或構件在進行承載能力極限狀態(tài)計算后，還應該進行正常使用極限狀態(tài)的驗算。

10.3.3極限狀態(tài)方程S<R

可靠S=R

極限狀態(tài)S>R

失效S——荷載效應結構上的各種作用（如荷載、不均勻沉降、溫度變形、收縮變形、地震等）產生的效應總和（如彎矩M、軸力N、剪力V、扭矩T、撓度f、裂縫寬度w

等）

S=S(Q)材料力學、結構力學主要內容R——結構構件抗力結構抵抗荷載效應的能力，如受彎承載力Mu、受剪承載力

Vu、容許撓度[f]、容許裂縫寬度[w]R=R(fc,fy,A,h0,As,…)本課程的主要內容10.3.3極限狀態(tài)方程結構的極限狀態(tài)可用下面的極限狀態(tài)函數(shù)表示：Z=R-S對應的：Z=R-S>0時，結構處于可靠狀態(tài)；Z=R-S=0時，

結構達到極限狀態(tài)；Z=R-S<0時，結構處于失效（破壞）狀態(tài)。在結構設計中，不僅僅只考慮結構的承載能力，有時還要考慮結構的適用性和耐久性，則極限狀態(tài)方程可推廣為：§

10.4

按近似概率的極限狀態(tài)設計法★由于結構抗力和荷載效應的隨機性，安全可靠應該屬于概率的范疇，應當用結構完成其預定功能的可能性（概率）的大小來衡量，而不是一個定值來衡量?！锊牧蠌姸萬y

和fc

的離散★截面尺寸h0和b的施工誤差★應力-應變關系參數(shù)k1和k2不一定安全（可靠）10.4.1

結構的可靠度

由于結構工程中的不確定性，為取得安全可靠與經濟合理的均衡，在設計中需要考慮這些不確定性的影響。結構設計方法就是處理這種安全可靠與經濟合理的矛盾。結構設計方法的演變◆容許應力設計法(理想彈性體）不足之處：◎鋼筋混凝土結構的受力性能不是彈性的；◎結構中一點達到容許應力，結構即認為失效；◎沒有考慮結構功能的多樣性要求；◎安全系數(shù)是憑經驗確定的，缺乏科學依據(jù)。結構設計方法的演變◆破損階段設計法整個截面達到極限承載力才認為失效，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，構件的總安全度較為明確。

不足之處：◎但安全系數(shù)K仍然憑經驗確定，◎沒有考慮結構功能多樣性要求的問題。結構設計方法的演變◆極限狀態(tài)設計法除要求對承載力極限狀態(tài)進行設計外，還包括對撓度和裂縫寬度（適用性）的極限狀態(tài)的設計。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：◎

材料強度標準值fck

和fsk

是根據(jù)統(tǒng)計后按一定保證率取其下限分位值，反映的材料強度的變異性?！?/p>

荷載標準值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)。10.4.2

可靠指標與失效概率由于實際結構中的不確定性，因此無論如何設計結構，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構可靠性的大小，采用概率方法是比較合理的。失效概率Pf=P(S>R)失效概率越小，表示結構可靠性越大。因此，可以用失效概率來定量表示結構可靠性的大小。結構可靠性的概率度量稱為結構可靠度。

當失效概率Pf小于某個值時，人們因結構失效的可能性很小而不再擔心，即可認為結構設計是可靠的。該失效概率限值稱為容許失效概率[Pf]。結構功能函數(shù)Z=R-SPf=P(S>R)=P(Z<0)b

—可靠指標不同安全等級的目標可度指標[β]破壞類型安全等級一級二級三級延性破壞3．7

3．2

2．7脆性破壞4．23．73．2

作用效應標準值Sk◆作用效應S的不確定性主要取決于結構上作用Q的不確定性◆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）?！舭春奢d標準值確定的荷載效應，稱為荷載效應標準值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能性較小，考慮荷載組合系數(shù)y★永久荷載G★可變荷載Q★偶然荷載（作用）結構抗力標準值Rkfck、fsk分別為混凝土和鋼筋的強度標準值,根據(jù)統(tǒng)計后按一定保證率取其下限分位值,截面尺寸b、h0和配筋As取設計值。Rk具體表達形式是本課程主要內容。

f(S)SSk

f(R)RRkSkf(S)，f

(R)S，RRk

§

10.5

實用設計表達式實用設計表達式Skf(S)，f

(R)S，RRk實用設計表達式Skf(S)，f

(R)S，RRk設計驗算點S*=R*實用設計表達式Pf=[Pf]Skf(S)，f

(R)S，RRk作用效應設計值，gS作用效應分項系數(shù)結構抗力設計值，gR結構抗力分項系數(shù)10.5.2荷載效應組合10.5.3承載能力極限狀態(tài)設計表達式（1）由可變荷載效應控制的組合

γ0（γGSGK十γQlSQ1K十

≤（2）由永久荷載效應控制的組合γ0（γGSGK十

≤

γ0——結構重要性系數(shù)結構的安全等級為一、二、三級時：

γ0分別取1.1、1.0、0.9

10.5.4正常使用極限狀