混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

第3章結(jié)構(gòu)設(shè)計方法3.1結(jié)構(gòu)的功能要求和極限狀態(tài)3.2結(jié)構(gòu)上的作用、作用效應和結(jié)構(gòu)抗力3.3極限狀態(tài)方程3.4結(jié)構(gòu)近似概率極限狀態(tài)設(shè)計法3.5實用設(shè)計表達式3.6混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)定

1.結(jié)構(gòu)的功能要求

結(jié)構(gòu)的功能要求

安全性

適用性

耐久性

《標準》規(guī)定結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計使用年限內(nèi)應滿足下列功能要求：

在正常施工和正常使用時，能承受可能出現(xiàn)的各種作用

在正常使用時具有良好的工作性能

在正常維護下具有足夠的耐久性能

在設(shè)計規(guī)定的偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后，仍能保持必要的整體穩(wěn)定性

什么是結(jié)構(gòu)的可靠性？

結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期限內(nèi)，在規(guī)定的條件下（正常設(shè)計、正常施工、正常使用和維護），完成預定功能的能力，稱為結(jié)構(gòu)的可靠性

2.結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)

什么是結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)

結(jié)構(gòu)能夠滿足功能要求而且良好的工作，則稱結(jié)構(gòu)“可靠”或“有效”，反之則稱結(jié)構(gòu)“不可靠”或“失效”。區(qū)分結(jié)構(gòu)可靠與失效的界限狀態(tài)稱為極限狀態(tài)

《標準》將結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)分成兩類：

承載力極限狀態(tài)

正常使用極限狀態(tài)

承載力極限狀態(tài)

是指對應結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到最大承載力或不適于繼續(xù)承載的變形的狀態(tài)，是結(jié)構(gòu)安全性的基本保證

下列狀態(tài)之一，應認為超過了承載力極限狀態(tài)：

整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡結(jié)構(gòu)構(gòu)件或其連接因超過材料強度而破壞（包括疲勞破壞），或因過度變形而不適于繼續(xù)承載結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系

結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定

地基喪失承載能力而破壞

正常使用極限狀態(tài)

是指對應結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值

下列狀態(tài)之一時，應認為超過正常使用極限狀態(tài)：

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

影響正常使用的振動

影響正常使用的其他特定狀態(tài)

3.結(jié)構(gòu)的設(shè)計狀況

結(jié)構(gòu)的設(shè)計狀況

持久狀況：在結(jié)構(gòu)使用過程中一定出現(xiàn)，其持續(xù)期很長的狀況。持續(xù)期一般與設(shè)計使用年限為同一數(shù)量級

短暫狀況：在結(jié)構(gòu)施工和使用過程中出現(xiàn)概率較大，而與設(shè)計使用年限相比，持續(xù)期很短的狀況

偶然狀況：在結(jié)構(gòu)使用過程中出現(xiàn)概率較小，且持續(xù)期很短的狀況

1.結(jié)構(gòu)上的作用

什么是結(jié)構(gòu)上的作用？

結(jié)構(gòu)上的作用是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力和變形的所有原因

永久作用：在設(shè)計基準期內(nèi)其量值不隨時間變化，或其變化與平均值相比可以忽略的作用

可變作用：在設(shè)計基準期內(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

偶然作用：在設(shè)計基準期內(nèi)不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)其值很大且持續(xù)時間很短的作用作用按隨時間的變異分類：

作用按隨空間位置的變異分類：

固定作用：在結(jié)構(gòu)上具有固定分布的作用

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

作用按結(jié)構(gòu)的反應特點分類：

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

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

荷載代表值永久荷載應采用標準值作為代表值

可變荷載應根據(jù)設(shè)計要求采用標準值、組合值、頻遇值或準永久值作為代表值

偶然荷載應按建筑結(jié)構(gòu)使用的特點確定其代表值

荷載標準值是荷載的基本代表值

荷載標昏準值荷載標陜準值是想指其在犧結(jié)構(gòu)的嗚使用其驢間可能侍出現(xiàn)的最大荷載燥值，該值在統(tǒng)一由設(shè)計基直準期最大荷載訓概率分布哥的某個分丟位值來確荷載組烤合值荷載組錘合值是結(jié)構(gòu)水承受兩蹄種或兩灶以上可距變荷載也時，承勝載力極參限狀態(tài)揮按基本結(jié)組合設(shè)世計和正瞎常使用艇極限狀巾態(tài)按標顯準組合趣設(shè)計采當用的可變荷欠載代表余值荷載頻遇備值荷載頻續(xù)遇值是設(shè)計基往準期內(nèi)荷載達到們和超過該騰值的總持糕續(xù)時間與捉設(shè)計基準毛期的比值羽小于0.1的荷載就代表值荷載準勻永久值荷載準峰永久值根據(jù)在設(shè)計基準蓋期內(nèi)荷載達到循和超過該收值的總持兔續(xù)時間與雁設(shè)計基準閑期的比值皺為0.5確定2.作用效應和結(jié)構(gòu)抗盡力什么是作用效叢應？結(jié)構(gòu)或騰結(jié)構(gòu)構(gòu)炎件在各沙種作用蔽因素的愉作用下流，將產(chǎn)盾生內(nèi)力和題變形稱為作用滾效應，用S表示什么是結(jié)構(gòu)抗脫力？結(jié)構(gòu)抗億力是指結(jié)構(gòu)或購結(jié)構(gòu)構(gòu)寶件承受寨內(nèi)力和兇變形能看力，用R表示1.設(shè)計基爭準期和始設(shè)計使錢用年限設(shè)計基阿準期設(shè)計基律準期是裹為確定可變作用及與時間裹有關(guān)的材料性斗能取值而賽選定的時間參數(shù)設(shè)計使惜用年限設(shè)計使計用年限甜是設(shè)計規(guī)定挖的一個期雨限，是計算結(jié)構(gòu)對可靠度的除依據(jù)注意：結(jié)構(gòu)設(shè)粘計使用西年限不等同醉于其使用省壽命2.極限狀態(tài)惹方程當Z＞0時，結(jié)卵構(gòu)處于可靠狀些態(tài)當Z＝0時，結(jié)構(gòu)例達到極限狀態(tài)當Z＜0時，結(jié)構(gòu)哭處于失效狀態(tài)Z＝R究－S＝撐g（R供,S）結(jié)構(gòu)功能兩函數(shù)極限狀態(tài)挺方程Z＝R-響S＝枯g（R,菠S）＝0一般表偉達式Z＝g（藥X1,X2,…,驅(qū)Xn）1.結(jié)構(gòu)可靠拍度和失效概率結(jié)構(gòu)的恩可靠性是指結(jié)構(gòu)戲或結(jié)構(gòu)構(gòu)息件在規(guī)定斧的時間透內(nèi)，在繭規(guī)定的虧條件下舞，完成預定結(jié)降構(gòu)功能的能力結(jié)構(gòu)可靠熱度是結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量S≤R的概率稱劃為可靠概景率,記為PsS＞R的概率稱批為失效概笛率，記為PfPs+Pf=1of(Z)Z失效概姐率pf與可靠擔指標β壺的關(guān)系結(jié)構(gòu)或申結(jié)構(gòu)構(gòu)嫁件失效階的概率功能函援數(shù)Z的平均睜值μZ功能函商數(shù)Z的標準尿差σZof(R珠)f(S)f(S款)S和R概率密度困曲線結(jié)構(gòu)可靠厘指標β2.目標可靠鏡指標和安全等眨級什么是號目標可癥靠指標垂？為了使躁結(jié)構(gòu)設(shè)烤計既安全可靠句又經(jīng)濟合略理，選擇阻的在不肚同情況統(tǒng)下可接受的算可靠指標〔β〕按承載撒力極限屠狀態(tài)設(shè)互計時應體滿足或用失效蜻概率表示≥建筑結(jié)構(gòu)輪的安全等動級《標準笨》根據(jù)至結(jié)構(gòu)破趴壞可能督產(chǎn)生的后果的嚴喘重性，將建始筑物劃壇分為三個安鍋全等級1.分項系數(shù)分項系賽數(shù)因為（3－1渡）用加拿拔大學者N．C．Lind提出的分咳離方法，珠將（3－1很）等式右邊少根號項線姓性化，即(3－2喚)分離系數(shù)a當S和R均為正態(tài)擴分布，且滿尋足1／3＜σR／σS＜3時，如乏果取a＝0.75±0.06，其誤差能滿足工潮程結(jié)構(gòu)要丙求。將（3－2）式代入（3－1）式得：因為(3－3戀)(3－4治)將（3－糞4）式代入（3－3句）得：將（3－奪5）式移項道整理后趴得設(shè)計紅表達式(3－些5)(3－甜6)R和S標準值與歉平均值有鋸下列關(guān)系（3－鞭7）將（3－喪7）式代入（3－6昨）式，并用〔β〕代替β，則可得：式中(3－閥8)2.承載力極壇限狀態(tài)設(shè)計表切達式承載力假極限狀料態(tài)設(shè)計表達耕式式中結(jié)構(gòu)構(gòu)件期的重要性做系數(shù)g0安全等特級為一級或設(shè)計貿(mào)使用年簽限為100年及以上影的結(jié)構(gòu)降構(gòu)件不薦應小于1.1安全等級王為二級或設(shè)計幻玉使用年黑限為50年的結(jié)構(gòu)構(gòu)攝件不應小妹于1.0安全等紛級為三級或設(shè)計使周用年限為5年及以餃下的結(jié)構(gòu)俱構(gòu)件不棗應小于0.9抗震設(shè)竭計中，不考慮應結(jié)構(gòu)構(gòu)鉤件的重榴要性系準數(shù)荷載效應杠組合的設(shè)酷計值S按承載按力極限埋狀態(tài)設(shè)跳計時:應考慮作剛用效應的基本組妹合必要時尚疾應考慮作亭用效應的偶然組合《荷載規(guī)冊范》規(guī)定S基本組程合應從洞下列組倒合值中無取最不利值確定：1.由可變荷被載效應侄控制的組合對于一般排架、胳框架結(jié)浪構(gòu)，可采用針下列簡化送的組合2.由永久荷載斷效應控制的組合一般情況牧下可取y＝0.9綿0當只有一姿個可變荷棗載時,取y＝1.貌03.正常使用云極限狀態(tài)設(shè)計表肚達式正常使用醫(yī)極限狀態(tài)稅設(shè)計表達困式Sk荷載效應組合值式中C結(jié)構(gòu)構(gòu)件微滿足正常傲使用要求所規(guī)定的稈限值荷載效應乓組合值Sk1.荷載漏效應的標準組允合2.荷玩載效應蘿的準永久組神合4.按極限渴狀態(tài)設(shè)被計時材料升強度指濫標材料強度段指標的取錢值原則按承載力極限狀態(tài)扶設(shè)計時，夏材料強度胞指標取設(shè)計值按正常使用極限狀態(tài)逃設(shè)計時，若材料強度通指標取標準值《規(guī)范》規(guī)定董材料強艙度的標準值應不小于95%保證率的粒強度值，即：材料強度爹的設(shè)計值鋼筋抗公拉強度深標準值有明顯屈醉服點的熱軋鋼步筋是以鋼謹材出廠的廢品限值作為鋼徹筋強度候的標準值,其值保證群率約為97.73%，即相當于平均值盤減去二共倍的標舌準差沒有明仆顯屈服敲點的鋼筋取0.8鄰5σb作為鋼筋鑄強度的標準值混凝土強終度等級根據(jù)150淘mm的箏立方體更標準試羨件，按照標準養(yǎng)護蛋和試驗方破法測得的具纏有具有95%保證率業(yè)的抗壓淘強度即（3－9奴）《規(guī)范》規(guī)定鋼筋混戀凝土結(jié)軍構(gòu)的混沒凝土強面度等級不應低于C15當采用HRB3緞35級鋼筋時康，混凝土便強度等級不宜低于C20當采用HRB4墓00和RRB晚400級鋼筋療以及承褲受重復牌荷載的藍構(gòu)件，彼混凝土慶強度等絮級不得低于C30當采用走鋼絞線蘋、鋼絲倡、熱處托理鋼筋勞作預應君力鋼筋淘時，混右凝土強團度等級不宜低于C40混凝土圖的軸心恰抗壓強藍度標準宿值《規(guī)范》隔假定混凝開土的軸心創(chuàng)抗壓強度往與相應混授凝土強度爆等級的立照方體強度拋具有相同的欄變異系購數(shù)將（3－蕩9）代入乎得混凝土脅的軸心浪抗拉強代度標準痕值《規(guī)范》吵假定混凝妨土的軸心蹈抗拉強度濤與相應混忽凝土強度獲等級的立齊方體強度委具有相同的極變異系叔數(shù)將（3—9）式代仗入上式禽可得1.耐久性攔設(shè)計要求結(jié)構(gòu)耐驚久性設(shè)村計要求混凝土結(jié)陜構(gòu)應能在匯預期的自然和瓶人為環(huán)始境的化學和物耐理作用下，脫滿足在規(guī)販定的設(shè)計工激作壽命肺期內(nèi)不出現(xiàn)翠無法接槐受的承載力減灑小、使用拾功能降低律和不能接膏受的外觀厭破損等耐久性定義結(jié)構(gòu)或竭構(gòu)件在預定設(shè)計察工作壽命尤期內(nèi)，在正?；啪S護條奸件下，不需要進行大儉修即可滿足正常使僚用和安匯全功能醉要求影響混凝皆土結(jié)構(gòu)耐渾久性的因聾素混凝土碳化混凝土的堿集料香反應混凝土唇的凍融鋼筋銹蝕混凝土裂縫構(gòu)件表巾面機械磨損消和風化等2.工程實例Det樸eri乘ora情tio飾no怪fR怨ein峰for壯ced宅Co奔ncr爹ete揉Br農(nóng)idg惡ed佛ue衰to梢Poo聾rD雨ura馬bil培ityHig裹hwa銀yB互rid成ge掙in吐Ser蜻vic泊eN板ew窄Yor迫kS賓tat遣e,懇US貴州某鋁嘴廠－一柱開蹦裂嘉裕關(guān)－結(jié)構(gòu)梁腐莖蝕破壞張掖－堿泉村張掖－墻面張掖－高架橋墩青?；ず訌S－橋柱青海化工跨廠－橋面護欄團結(jié)湖－橋柱沈陽－山鬼海關(guān)高速套公路路椽石沈陽－山剛海關(guān)高速跡公路冬季撤尼鹽沈陽－山弱海關(guān)摻入硅槍灰、減賀水劑、飲超細粉樓煤灰的路緣3.耐久性設(shè)繭計方法結(jié)構(gòu)耐久鉗性設(shè)計方探法《規(guī)范》主要考慮秒混凝土結(jié)借構(gòu)的工作環(huán)渣境和設(shè)計使滑用年限這兩個參因素進墊行耐久刮性設(shè)計伙，即對鳥構(gòu)件混兔凝土最小保刑護層厚啞度、混雖凝土材載料和裂予縫控制等提出具別體要求4.結(jié)構(gòu)工譜作環(huán)境類別結(jié)構(gòu)工作肥環(huán)境類別《規(guī)范》將混凝土痰結(jié)構(gòu)的工欲作環(huán)境分旱為五類5.混凝土翠的要求混凝土踐的要求混凝土質(zhì)技量對結(jié)構(gòu)擔耐久性的輛影響主要活取決于混酸凝土的密實性、箭氯離子和記堿的含量等《規(guī)范》觀規(guī)定：用泄于一類、二帝類和三類環(huán)境中，設(shè)計使蜜用年限摩為50年的結(jié)構(gòu)混碑凝土應符翅合表3—5的要求。表3—5注：1氯離子鼻含量系偏指其占攪水泥用溫量的百通分率2預應力構(gòu)房誠件混凝土煤中的最大氯能離子含幻玉量為0.06續(xù)%，最小水泥堪用量為300㎏／m3；最低混漲凝土強裝度等級纏應按表蒜中規(guī)定提高兩懂個等級潤；3素混凝抵土構(gòu)件觀的最小類水泥用高量不應籍少于表恐中數(shù)值航減25㎏／m3；4當混凝決土中加倦入活性悠摻合料葛或能提花高耐久餐性的外亞加劑時殿，可適謎當降低洋最小水醫(yī)泥用量倦；5當有可靠傭工程經(jīng)驗會時，處于于一類和二熱類環(huán)境中拾的最低混窩凝土強度仙等級可降富低一個等嘉級；6當使用膛非堿性檔骨料時夢，對混椒凝土中必堿含量戒可不作兄限制。對于一類環(huán)境中否，設(shè)計璃使用年境限為100年的結(jié)享構(gòu)混凝脊土應符險合下列腔規(guī)定：1鋼筋混駱凝土結(jié)梁構(gòu)的最誘低混凝項土強度晶等級為芝C30秧；預應顯力混凝牙土結(jié)構(gòu)散的最低梳混凝土看強度等您級為C透40；2混凝土中增的最大氯逗離子含量巴為0.06毒%；3宜使用治非堿性似活性骨顛料；當孤使用堿判性活性販骨料時晉，混凝誼土中的辛最大堿婦含量為3.0㎏／m3；4在使用顧過程中視，應定粥期維護對于二類和三類環(huán)境中，腦設(shè)計使用慚年限為100年的結(jié)爆構(gòu)混凝饑土應采喝取下列腎有效措羨施：1限制混懼凝土的醒水灰比哀；2適當提勇高混凝脅土的強工度等級3提高混喉凝土的槍抗凍和閥抗?jié)B能恒力；4構(gòu)件表卵面涂防擾護層使兵構(gòu)件不炮直接承必受環(huán)境遺作用。6.最小保護精層厚度混凝土餅最小保姥護層厚蒸度《規(guī)范》對所處一徐、二、三宇類環(huán)境中閣，設(shè)計使坊用年限為50年的混記凝土結(jié)岡構(gòu)，規(guī)精定了最彼小混凝史土保護談層厚度捐（見附挺表13）對所處摸一類環(huán)益境中，就設(shè)計使覽用年限谷為100年的混凝錯土結(jié)構(gòu)，遵混凝土保診護層厚度輩應按附表13的規(guī)定禮增加40%當采取賤有效的聾表面防爭護措施俊時，混封凝土保蠢護層厚目度可適鈔當減少附表13注：1縱向受團力筋的天混凝土漿保護層室應符合茄附表的囑規(guī)定，秒且不應摸小于鋼紡筋的公丹稱