結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理

第3章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理1◆工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要保證安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理◆由于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中存在多種不確定性◆對(duì)工程結(jié)構(gòu)的安全可靠可能會(huì)產(chǎn)生不利影響◆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(jià)也越大◆

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法就是研究工程設(shè)計(jì)中的各種不確定性問(wèn)題，取得安全可靠與經(jīng)濟(jì)合理之間的均衡2◆容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法

allowablestress◆安全系數(shù)K是一個(gè)大于1.0的數(shù)值◆K越大，結(jié)構(gòu)安全度就越高，同時(shí)結(jié)構(gòu)材料用量也越多◆為取得安全可靠與經(jīng)濟(jì)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(gè)合適的安全系數(shù)。3◆材料力學(xué)中研究的是：?jiǎn)我徊牧?、線彈性、簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)◆實(shí)際工程結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比它復(fù)雜◆如鋼筋混凝土梁的受彎，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(jì)方法，無(wú)法統(tǒng)一這兩方面的要求。4◆因此，首先根據(jù)工程結(jié)構(gòu)需要滿足實(shí)際使用的各種要求（結(jié)構(gòu)的功能），對(duì)安全可靠有更具體的科學(xué)定義◆另一方面，需要盡可能詳細(xì)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(qiáng)度等的變異情況，以便科學(xué)合理的選定結(jié)構(gòu)可靠度。5主要內(nèi)容結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求結(jié)構(gòu)的功能要求結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限結(jié)構(gòu)的作用、作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力結(jié)構(gòu)的作用與作用效應(yīng)結(jié)構(gòu)抗力結(jié)構(gòu)按概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)按正常使用極限狀態(tài)計(jì)算6結(jié)構(gòu)的功能要求◆安全性

Safety

◎

如（M≤Mu）◎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、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(shí)）等的作用?！蛟谂既皇录ㄈ绫?、撞擊、火災(zāi)等）發(fā)生時(shí)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(cái)產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失。7◆安全性

Safety

◎

如（M≤Mu）◎上式僅從構(gòu)件自身的承載力來(lái)確定安全性◎結(jié)構(gòu)整體是否安全，不僅與每個(gè)構(gòu)件是否安全有關(guān)，更與構(gòu)件之間的連接是否可靠有關(guān)。

◎結(jié)構(gòu)整體牢固性

◎結(jié)構(gòu)不應(yīng)發(fā)生與原因不相稱的破壞8◆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(guò)大的變形（撓度、側(cè)移）、振動(dòng)（頻率、振幅），或產(chǎn)生讓使用者感到不安的過(guò)大的裂縫寬度。9◆耐久性Durability

◎如（wmax≤[wmax]）◎結(jié)構(gòu)在正常使用和正常維護(hù)條件下，應(yīng)具有足夠的耐久性?！蚣丛诟鞣N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(shí)間有過(guò)大的降低，而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在其預(yù)定使用期間內(nèi)喪失安全性和適用性，降低使用壽命。10◆結(jié)構(gòu)的可靠性reliability■可靠性——安全性、適用性和和耐久性的總稱■就是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定定的使用期限內(nèi)（（設(shè)計(jì)工作壽命=50年），在規(guī)規(guī)定的條件下（正常設(shè)計(jì)、正常施施工、正常使用和和維護(hù)），完成預(yù)定結(jié)構(gòu)構(gòu)功能的能力?！鼋Y(jié)構(gòu)可靠性越高，，建設(shè)造價(jià)投資越越大。如何在結(jié)構(gòu)可靠與與經(jīng)濟(jì)之間取得均均衡，就是設(shè)計(jì)方法要要解決的問(wèn)題。11■顯然這種可靠與經(jīng)經(jīng)濟(jì)的均衡受到多多方面的影響，如如國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力、、設(shè)計(jì)工作壽命、、維護(hù)和修復(fù)等。。■規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)方方法，是這種均衡衡的最低限度，也也是國(guó)家法律?！鲈O(shè)計(jì)人員可以根據(jù)據(jù)具體工程的重要要程度、使用環(huán)境境和情況，以及業(yè)業(yè)主的要求，提高高設(shè)計(jì)水準(zhǔn)，增加加結(jié)構(gòu)的可靠度。。■經(jīng)濟(jì)的概念不僅包包括第一次建設(shè)費(fèi)費(fèi)用，還應(yīng)考慮維維修，損失及修復(fù)復(fù)的費(fèi)用12◆結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年年限按規(guī)定指標(biāo)設(shè)計(jì)的的建筑結(jié)構(gòu)或構(gòu)件件，在正常施工、正常使用和維護(hù)下，不需進(jìn)行大修修，即可達(dá)到按其其預(yù)定目的使用的的時(shí)期《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)規(guī)范》（GB50009）規(guī)定：：50年13結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)◆結(jié)構(gòu)能夠滿足功能能要求而良好地工工作，則稱結(jié)構(gòu)是是“可靠”的或““有效”的。反之之，則結(jié)構(gòu)為“不不可靠”或“失效效”?！魠^(qū)分結(jié)構(gòu)“可靠”與“失效”的臨界工作狀態(tài)態(tài)稱為“極限狀態(tài)”14承載能力極限狀態(tài)態(tài)UltimateLimitState超過(guò)該極限狀態(tài)，，結(jié)構(gòu)就不能滿足足預(yù)定的安全性功功能要求◆結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最最大承載力（包括括疲勞）◆結(jié)構(gòu)整體或其中一一部分作為剛體失失去平衡（如傾覆覆、滑移）◆結(jié)構(gòu)塑性變形過(guò)大大而不適于繼續(xù)使使用◆結(jié)構(gòu)形成幾何可變變體系（超靜定結(jié)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)足夠多多塑性鉸）◆結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)穩(wěn)定（如細(xì)長(zhǎng)受壓壓構(gòu)件的壓曲失穩(wěn)穩(wěn)）◆結(jié)構(gòu)因局部破壞而而發(fā)生連續(xù)倒塌◆地基喪失承載力而而破壞15正常使用極限狀態(tài)態(tài)ServiceabilityLimitState超過(guò)該極限狀態(tài)，，結(jié)構(gòu)就不能滿足足預(yù)定的適用性和和耐久性的功能要要求?！暨^(guò)大的變形、側(cè)移移（影響非結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件、不安全感、、不能正常使用（（吊車）等）；◆過(guò)大的裂縫（鋼筋筋銹蝕、不安全感感、漏水等）；◆過(guò)大的振動(dòng)（不舒舒適）；◆影響正常使用的其其它特定狀態(tài)（如如相對(duì)沉降量過(guò)大大等）。16結(jié)構(gòu)的作用、作用用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力力作用使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生生內(nèi)力、變形（位移、應(yīng)變）和和裂縫的各種原因的總稱稱作用分類直接作用：施加在結(jié)構(gòu)或或構(gòu)件上的荷載，如結(jié)構(gòu)自重、、樓面上人群及物品重量、風(fēng)風(fēng)壓力、雪壓力力等間接作用：引起結(jié)構(gòu)強(qiáng)迫變變形或約束變形形的原因，如地地震、地基不均勻沉降、溫溫度變化、混凝凝土收縮、焊接接變形等17直接作用（荷載載）分類永久荷載（恒荷荷載）：在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)內(nèi)其值不隨時(shí)間間變化，或其變變化與平均值相相比可以忽略不不計(jì)。例如，結(jié)結(jié)構(gòu)自重?？勺兒奢d（活荷荷載）：在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)內(nèi)其值隨時(shí)間變變化，且其變化化與平均值相比比不可忽略。例例如，樓面活荷荷載、橋面或路路面上的行車荷荷載、風(fēng)荷載、、雪荷載、吊車車荷載等。偶然荷載：在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)內(nèi)出現(xiàn)或不一定定出現(xiàn)，一旦出出現(xiàn)，其值很大大且持續(xù)時(shí)間很很短，如地震、、爆炸、撞擊等等。18結(jié)構(gòu)上的作用（（使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力力和變形的原因因，如荷載、不均均勻沉降、溫度度變形、收縮變變形、地震等））引起的效應(yīng)（（內(nèi)力、變形或裂裂縫）如彎矩M、軸力N、剪力V、扭矩T、撓度f(wàn)、裂縫寬度w等S=S(Q)結(jié)構(gòu)力學(xué)的主要要內(nèi)容作用效應(yīng)S(ActionEffect)19結(jié)構(gòu)抵抗作用效效應(yīng)（內(nèi)力和變變形）的能力，，如受彎承載力力Mu、受剪承載力Vu、剛度、抗裂能力等。R=R(fc,fy,A,h0,As,…)本課程的主要內(nèi)內(nèi)容結(jié)構(gòu)抗力R(Resistant)20結(jié)構(gòu)功能函數(shù)用來(lái)表示結(jié)構(gòu)的的三種工作狀態(tài)態(tài)：當(dāng)，，結(jié)構(gòu)能夠完完成預(yù)定功能，，處于可靠狀態(tài)；當(dāng)，，結(jié)構(gòu)不能完完成預(yù)定功能，，處于失效狀態(tài)；當(dāng)，，結(jié)構(gòu)處于臨界極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)構(gòu)件完成預(yù)預(yù)定功能的工作作狀況可以用作作用效應(yīng)S和結(jié)構(gòu)抗力R的關(guān)系來(lái)描述，，稱為結(jié)構(gòu)功能能函數(shù)。結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)態(tài)21荷載的代表值結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)應(yīng)根據(jù)各種極限限狀態(tài)的設(shè)計(jì)要要求取用不同的的荷載數(shù)值荷載的標(biāo)準(zhǔn)值：：結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)準(zhǔn)期為50年的期間內(nèi)，在在正常情況下可可能出現(xiàn)具有一一定保證率的最大荷載。永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值值，對(duì)結(jié)構(gòu)自重，，按結(jié)構(gòu)構(gòu)件的的設(shè)計(jì)尺寸與材材料單位體積的自重計(jì)算算確定可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值值，按《荷載規(guī)范范》規(guī)定采用（例如：住宅的的樓面使用活荷荷載標(biāo)準(zhǔn)值為2.0kN/m2)荷載和材料強(qiáng)度度2223可變荷載組合值值：當(dāng)結(jié)構(gòu)承受兩種或兩種以上上的可變荷載時(shí)，，它們同時(shí)以各各自的最大值出出現(xiàn)的可能性極極小。此時(shí)，除除其中最大荷載載仍取其標(biāo)準(zhǔn)值外，其他可變變荷載均采用小于1的組合系數(shù)數(shù)yc乘以相應(yīng)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值來(lái)表表達(dá)其荷荷載代表表值2425可變荷載載準(zhǔn)永久久值：結(jié)構(gòu)上經(jīng)經(jīng)常作用用的可變變荷載。。與時(shí)間有一定相相關(guān)，即即在規(guī)定定的期限限內(nèi)，具具有較長(zhǎng)長(zhǎng)的總持持續(xù)時(shí)間間，對(duì)結(jié)構(gòu)的影影響有如如永久荷荷載的性性能《荷載規(guī)范》》規(guī)定：可變變荷載準(zhǔn)永久久值是以荷載載的準(zhǔn)永久值值系數(shù)yq與相應(yīng)的可變荷載載標(biāo)準(zhǔn)值的的乘積來(lái)確確定262728材料強(qiáng)度標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值取值原則：：在材料強(qiáng)強(qiáng)度實(shí)測(cè)值值的總體中中，強(qiáng)度標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)具具有不小于于95％的的保證率。?！镤摻顝?qiáng)度標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值fyk★混凝土強(qiáng)度度標(biāo)準(zhǔn)值立方體抗壓壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值fcu,k軸心抗壓強(qiáng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值值fck抗拉強(qiáng)度標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值ftk29結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中中的不確定定性UndeterminedFactorsinDesign★恒載g與構(gòu)件尺寸、材材料容重等有關(guān)關(guān)★活載q（樓面活載、雪雪荷載）的數(shù)值值是隨時(shí)在變化化的★計(jì)算跨度l的不準(zhǔn)確★材料強(qiáng)度f(wàn)y和fc的離散★截面尺寸h0和b的施工誤差不一定安全（可可靠）30◆結(jié)構(gòu)的失效概率率和可靠指標(biāo)由于實(shí)際結(jié)構(gòu)中中的不確定性，，因此無(wú)論如何何設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，都都會(huì)有失效的可可能性存在，只只是可能性大小小不同而已。為了科學(xué)定量的的表示結(jié)構(gòu)可靠靠性的大小，采采用概率方法是是比較合理的。。失效概率越小，，表示結(jié)構(gòu)可靠靠性越大。因此此，可以用失效效概率來(lái)定量表表示結(jié)構(gòu)可靠性性的大小。結(jié)構(gòu)可靠性的概概率度量稱為結(jié)構(gòu)可靠度。當(dāng)失效概率Pf小于某個(gè)值時(shí)，，人們因結(jié)構(gòu)失失效的可能性很很小而不再擔(dān)心心，即可認(rèn)為結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可靠靠的。該失效概概率限值稱為容許失效概率[Pf]。失效概率Pf=P(S>R)31結(jié)構(gòu)功能函數(shù)Z=R-SPf=P(S>R)=P(Z<0)b

—可靠指標(biāo)

reliabilityindex32◆根據(jù)統(tǒng)計(jì)，觸電電的年死亡率為為6×10-6◆b=3.7時(shí)，Pf=1.1×10-4，按設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年考慮，年失效效概率為1.1×10-4/50=2.2×10-6◆50年后并不是結(jié)構(gòu)構(gòu)就失效，而是是失效概率增加加。同時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)失效也并不表表示結(jié)構(gòu)倒塌，，結(jié)構(gòu)倒塌也不不一定造成人員員傷亡?！粑覈?guó)對(duì)于一般工工程結(jié)構(gòu)，當(dāng)為為延性破壞時(shí)，，其可靠指標(biāo)取取b=3.2，對(duì)脆性破壞取b=3.7。◆對(duì)于重要的工程結(jié)結(jié)構(gòu)，應(yīng)提高可靠靠指標(biāo)。33設(shè)計(jì)可靠指標(biāo)、安安全等級(jí)根據(jù)建筑物的重要要性不同，即一旦旦結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時(shí)時(shí)對(duì)生命財(cái)產(chǎn)的危危害程度及社會(huì)影影響的不同，將建建筑結(jié)構(gòu)分為三個(gè)個(gè)安全等級(jí)：（1）破壞后果很很嚴(yán)重的重要建筑筑物為一級(jí)；（2）破壞后果嚴(yán)嚴(yán)重的一般工業(yè)與與民用建筑物為二二級(jí)；（3）破壞后果不不嚴(yán)重的次要建筑筑物為三級(jí)。34概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)法的實(shí)用表達(dá)式式作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值Sk◆作用效應(yīng)S的不確定性就主要要取決于結(jié)構(gòu)上作作用Q的不確定性★永久荷載G★可變荷載Q◆不同的荷載，其變變異情況不同。根根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可以以確定一個(gè)具有一一定保證率（如95%）的上限荷載分位值值，該特征值稱為為荷載標(biāo)準(zhǔn)值（符號(hào)Gk，Qik）?！舭春奢d標(biāo)準(zhǔn)值確定定的荷載效應(yīng)，稱稱為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值Sk35結(jié)構(gòu)抗力標(biāo)準(zhǔn)值Rkfck、fsk分別為混凝土和鋼鋼筋的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值值，截面尺寸b、h0和配筋A(yù)s取設(shè)計(jì)值。Rk的具體表達(dá)形式是是本課程的主要內(nèi)內(nèi)容。

f(S)SSk

f(R)RRk36Skf(S)，f(R)S，RRk37Skf(S)，f(R)S，RRk38Skf(S)，f(R)S，RRk39設(shè)計(jì)驗(yàn)算點(diǎn)S*=R*Pf=[Pf]Skf(S)，f(R)S，RRk40作用效應(yīng)設(shè)計(jì)值，gS作用效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)數(shù)結(jié)構(gòu)抗力設(shè)計(jì)值，gR結(jié)構(gòu)抗力分項(xiàng)系數(shù)數(shù)41分項(xiàng)系數(shù)42材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值43g0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：：在持久設(shè)計(jì)狀況況和短暫設(shè)計(jì)狀況況下，對(duì)安全等級(jí)級(jí)為一級(jí)的結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件不應(yīng)小于1.1，對(duì)安全等級(jí)級(jí)為二級(jí)的結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件不應(yīng)小于1.0，對(duì)安全等級(jí)級(jí)為三級(jí)的結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件不應(yīng)小于0.9；對(duì)地震設(shè)計(jì)計(jì)狀況應(yīng)取1.0；按承載能力極限狀狀態(tài)計(jì)算實(shí)用設(shè)計(jì)計(jì)表達(dá)式對(duì)持久設(shè)計(jì)狀況，短暫設(shè)計(jì)狀況和地震設(shè)計(jì)狀況，γRd為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力模型不定性系數(shù)；靜力設(shè)計(jì)取1.0，抗震設(shè)計(jì)取承載力抗震調(diào)整系數(shù)γRE

44荷載效應(yīng)組合當(dāng)組合荷載效應(yīng)由由可變荷載控制時(shí)基本組合當(dāng)組合荷載效應(yīng)由由永久荷載控制時(shí)45類別設(shè)計(jì)使用年限（年）γL150.9225_3501.041001.1荷載調(diào)整系數(shù)γL46例1一一簡(jiǎn)支梁，跨度度l=4m，受永久線線均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值值8kN/m，受受可變線均布荷載載標(biāo)準(zhǔn)值6kN/m，跨中受可變變集中荷載，其標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值10kN。。該梁是重要的建建筑構(gòu)件，安全等等級(jí)為一級(jí)，設(shè)計(jì)計(jì)使用年限50年年，求該梁跨中截截面的設(shè)計(jì)彎矩值值。47【練習(xí)】】對(duì)某某非地震震區(qū)的某某框架頂頂層橫梁梁進(jìn)行內(nèi)內(nèi)力分析析，經(jīng)計(jì)計(jì)算知在在永久荷荷載標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值、屋屋面活荷荷載標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值、風(fēng)風(fēng)荷載標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的的分別作作用下，，該橫梁梁梁端彎彎矩標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值分別別為：MGK=20kNm，，