高等钢筋溷凝土结构-11结构设计方法.ppt

第十一章 结构设计方法,目前我国土木工程结构教育和各种工程结构设计规范的主要内容，对结构安全性的计算都是着落于结构构件 这显然没有能够使得结构工程师更多的考虑整体结构的安全性。 虽然结构构件的安全性与整体结构的安全性有一定的联 系，但 结构构件的安全性整体结构的安全性,工程结构的鲁棒性,所有结构构件安全性相同的结构，其整体结构的安全性不一定相同。 一个结构工程师的设计水平，往往体现在他对整体结构安全性的把握。 工程结构的鲁棒性就是研究整体结构安全性，使结构工程师在保证结构构件安全性的前提下，更多的关注整体结构的安全性。,耐久性,适用性,承载能力极限状态,安全性,Safety,Serviceability,Durability,结构鲁棒性的概念和意义,鲁棒性 Robustness,鲁棒是Robust的音译，也就是健壮、坚固、耐用的意思。 鲁棒性（robustness）就是系统的健壮性。它是在异常和危险情况下系统生存的关键。比如说，计算机软件在输入错误、磁盘故障、网络过载或有意攻击情况下，能否不死机、不崩溃，就是该软件的鲁棒性。所谓“鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性。根据对性能的不同定义，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。,鲁棒性，结构的整体性及结构的抗倒塌性 易损性，结构容易受到伤害或损伤的程度 鲁棒性的反意是易损性（Vulnerability） Jitendra A等（2003）对结构易损性的解释是，局部很小的破坏导致很大的结构破坏 显然一个整体性好的结构，也即结构的局部破坏不影响结构的整体安全性时，结构的易损性就小，鲁棒性就大,相对于工程结构在正常情况下的安全性、适用性和耐久性的性能，工程结构的鲁棒性是指整体结构抵御意外事件的能力 事实上，结构的安全性往往是在意外事件情况下才能体现出来,意外事件是指在工程结构使用阶段可能出现，但其量值、作用形式和作用位置难以估计的非正常荷载和作用（如极罕遇地震、飞机撞击、恐怖爆炸袭击、重大人为失误等） 对于意外事件，在工程结构的设计阶段通常无法进行细致全面和深入的分析，并给予充分保证 工程结构在意外事件发生时和发生后，应能保持整体稳定性，不应发生与其原因不相称的倒塌或连续破坏，造成重大的生命和财产损失,鲁棒性与安全性既有联系，又有区别 两者都是关心的工程结构安全问题，但鲁棒性是以避免工程整体结构的终极垮塌为目标，是无法接受的安全性上限 而安全性通常是以结构（构件）的最大承载力为目标，即按所谓的“承载力极限状态”来考虑的安全性。结构达到最大承载力（极限状态）并不意味着结构的垮塌 安全性是针对正常使用荷载和作用来考虑的，而鲁棒性是针对意外荷载和作用来考虑的,鲁棒性与安全性的关系,鲁棒性与安全性既有联系，又有区别,安全性 正常荷载和作用 构件破坏 构件最大承载力 弹性计算 承载力,鲁棒性与安全性的区别,鲁棒性 意外荷载和作用 结构破坏(结构体系) 结构最大承载力 构件连接 弹塑性计算 变形,鲁棒性与冗余度,与结构鲁棒性相关的另一个概念是结构的冗余度 Redundancy 结构的冗余度，即结构的超静定次数。 但对结构鲁棒性来说，冗余度意味着具有备用传力路径，也即当意外事件造成结构中的某一构件或局部破坏而丧失其承载能力，其原有传力功能可转由结构其它未破坏部分传递，称为备用传力路径和备用传力能力。 冗余度大的结构，整体性好，备用传力路径多和备用传力能力大，其鲁棒性也高。,结构的破坏模式可以分为整体型破坏模式和局部型破坏模式。 具有整体破坏模式的结构有：强柱弱梁框架结构、剪力墙结构、筒体结构、束筒结构、巨型框架结构等； 而框支结构、积木式结构（砌体结构）则往往容易产生局部式破坏模式，也即结构局部的损坏即可能导致整体结构的严重破坏、并造成重大灾害。 只有对于具有整体式破坏模式的结构，提高结构鲁棒性的措施才具有实际意义。,结构破坏模式与鲁棒性,具有整体型破坏模式的结构，其结构体系中构件的重要性层次明确，即具有整体型关键构件、一般构件、次要构件和赘余构件，次要构件和赘余构件的破坏，乃至从结构去除，都不会对整体结构的安全性有重大影响。 从结构抵御意外事件角度来看，整体型破坏模式的结构可以使得更多的（次要或赘余）构件破坏，有利于耗散更多的能量。,结构的鲁棒性高，意味着结构有更高的安全储备 通常人们所理解的结构的安全储备，是指结构的最大承载力与使用荷载的比值。 实际上，延性大小也是结构安全储备的重要组成部分。 从结构冗余度观点来看，脆性构件的破坏通常导致与该构件相关联的所有冗余度均丧失，而延性构件的破坏则不会导致与该构件相关联的所有冗余度同时丧失，即延性构件对于维持整体结构的冗余度具有重要作用。,结构的承载力和延性与鲁棒性,结构和构件的延性对结构抗震的意义有以下几方面： (1) 实际意义上结构破坏的定义，是以结构达到极限变形能力为依据的。延性是结构抗破坏能力的重要指标。足够的延性能力有利于避免结构的突然倒塌。 (2) 对于超静定的结构，足够的延性有利于充分的内力重分布，有利于提高整体结构的承载力，显著增加整体结构的鲁棒性。 (3) 对于地震等动力作用，延性和滞回耗能有助于减小结构的地震动力响应。,需引起注意是，在讨论结构延性问题时，不能仅仅局限于延性系数，而要将结构的延性与结构的破坏模式联系起来。 对于抗震结构来说，整体结构的延性比局部构件的延性更为重要。 比如说，延性系数达到6的框支结构，其抗震性能和鲁棒性不可能好于延性系数只有3的剪力墙结构。 通常，构件的延性是保证出现塑性铰部位的变形能力和耗能能力。 而结构的延性与构件的延性既有联系，又有区别 结构的延性反映的是整体结构在某种荷载下的宏观变形能力。,具有整体破坏模式的结构，结构中大部分构件的延性得以充分发挥，结构的鲁棒性大； 而局部破坏模式，即使局部破坏部位构件的延性很大，其结构鲁棒性也不好。 因此，结构延性也只有对具有整体破坏模式的结构才有意义。 比如说，延性系数达到6的框支结构，其抗震性能和鲁棒性不可能好于延性系数只有3的剪力墙结构。,赘余构件是一种特殊的次要构件，对增加结构的鲁棒性具有重要意义，甚至是十分重要的。 许多消能减震结构，特别是采用位移型阻尼器的消能减震结构，位移型阻尼器实际上都是一种赘余构件。,赘余构件与鲁棒性,赘余构件在正常使用情况下不起作用或只起很小的作用，但在遭遇意外事件（如罕遇地震）时，它们就能够起作用。 赘余构件的破坏、甚至退出（从结构中去除）不会影响整个结构的完整性。,虽然赘余构件的采用可能违背工程经济与简洁的概念，但作为一种特殊的安全储备，对于结构抵御不可预测的意外作用具有重要作用。,从某种程度说，对于结构鲁棒性来说，合理设置赘余构件的概念可能比计算设计更为重要。 由于赘余构件要求先于主体结构构件破坏，因此赘余构件的安全度不应提高，反而应该降低，只要在正常使用情况下，不因赘余构件的损坏而给使用者带来不适的心理影响即可，否则会适得其反。,提高结构鲁棒性措施的有以下几个方面：,尽量采用具有备用传力路径的结构体系 结构体系应具有层次性，具有整体型关键构件； 应从承载力和延性两方面提高整体结构的安全储备，对于整体型关键构件主要提高承载力安全储备，对于其它构件在保证基本承载力安全储备的基础上，提高变形能力安全储备 使结构在意外事件作用下具有整体型破坏模式； 增加与整体型关键构件相关联的冗余度 设置加强结构整体性的构件，并加强构件间的连接构造措施，增强结构的整体性 设置专门的赘余构件,混凝土结构构件设计计算方法(calculation method for design),容 许 应 力 法：最早的计算理论，沿用弹性理论假设。,破 坏 阶 段 法：与容许应力法的主要区别是在考虑材料塑性性能,极 限 状 态 设 计 法：明确规定结构按三种极限状态进行设计，是工程,概率极限状态设计法：在极限状态设计法的基础上考虑结构的可靠,的基础上，按破坏阶段计算构件截面的承载能力。,结构设计理论的重大发展。,水准 半概率法,水准 近似概率法,水准 全概率法,概率，按发展阶段，该法可分为三个水准。,钢筋混凝土构件：,混凝土应力,钢筋应力,式中： 分别为安全系数,容许应力法,容许应力法构件在外界作用下，某截面的最大应力 达到或超过材料的容许应力时，构件即失效（破坏），即要满足：,特点 1、安全系数K是个大于1的数字 K越大，结构的安全度就越高，同时材料的用量就越多 2、没有考虑结构功能的多样性要求 对于结构一方面要考虑承载能力，另一方面也许考虑其正常使用时裂缝、变形。 3、安全系数的确定主要凭借经，缺乏严格科学依据。,破损阶段设计法20世纪30年代,破损阶段设计法：构件在外界作用下，某截面的内力达到某极限内力时，构件即失效（破坏），以受弯构件为例，其计算表达式为：,式中： 为截面中内力， 为截面所能承受的极限弯矩 为安全系数,特点 1、考虑了材料塑性和强度的充分发挥，极限荷载可以直接由试验验证，构件的总安全度较为明确 2、安全系数的确定依赖经验，且是一个定值 3、没有考虑结构功能的多样性要求 由于采用了极限平衡的理论，对荷载作用下结构的应力分布及位移变化，无法做出适当的预计。,多系数极限状态设计法 1、构件的极限状态，不仅包括承载力的极限状态，而且包括挠度（变形）及裂缝宽度的极限状态，这已经包含了安全性和适用性的一些概念 2、对于承载能力极限状态，针对荷载、材料的不同变异性，不再采用单一系数，即多系数法。,承载能力极限多系数状态表达式：,式中： 为标准荷载或效应， 为相应的超载系数， 为钢筋及混凝土的强度， 为相应的均质系数， 为工作条件系数， 为截面几何特性,特点 1、安全系数的选取已经从纯经验性到了部分采用概率统计值 2、设计方法的本质依然是一种半经验半概率的方法,公路桥涵设计规范（JTJ 021-85）采用了多系数、单系数表达的极限状态设计法,基于可靠性理论的概率极限状态设计法 20世纪 40年代美国学者A.M.Freadentbal提出了结构可靠性理论，到了6070年代结构可靠性理论有了很大的发展，70年代以来，国际上的结构可靠度理论在土木工程领域逐步进入了实用阶段。 我国从20世纪70年代中期才开始研究，但至80年代后期就在建筑结构领域率先进入了实用阶段，先后出版了系列国家标准,建筑结构可靠度设计统一标准(GBJ68-84) 工程结构可靠度设计统一标准(GB50153-92) 港口工程结构可靠度设计统一标准(GB 50158-92) 铁路工程结构可靠度设计统一标准(GB 50216-94) 公路工程结构可靠度设计统一标准(GB/T 50283-1999),按发展进程，概率设计法划分为三个水准：,水准半概率设计法，只对影响结构可靠度的某些参数，用数理统计进行分析，并与经验相结合，然后引入某些经验系数，该法对结构的可靠度还不能作出定量的估计。,水准近似概率设计法，运用概率论和数理统计，对工程结构、构件或截面设计的可靠概率作出较为近似的相对估计；分析中忽略或简化了变量随时间的关系，非线性极限状态方程线性化。,水准全概率设计法，在对整个体系进行精确概率分析的基础上，以结构失效概率作为结构的直接度量。,我国目前的公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范和混凝土结构设计规范采用的是 近似概率极限状态设计法,结构可靠度基本概念,结构的功能要求 结构在规定的设计使用年限内应满足下列功能要求： 1、在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用 2、在正常使用时具有良好的工作性能 3、在正常维护下具有足够的耐久性 4、在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必要的整体稳定性 1项、4项 结构安全性的要求 2项 结构适用性的要求 3项 结构耐久性的要求 结构在规定的时间（设计使用年限）内，在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用），完成预定功能的能力 结构的可靠性，包括结构的安全性、适用性和耐久性,承载能力极限状态 - 结构或结构构件达到最大承载力或不适于继续承载的变形 承载能力极限状态标志 （1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡 （2）结构构件或连接因超过材料强度而破坏(包括疲劳破坏)，或因过度变形而不适于继续承载 （3）结构转变为机动机构 （4）结构或结构构件丧失稳定性 (5) 地基丧失承载力而破坏 保证结构或构件的安全性,正常使用极限状态 -结构或结构构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值 正常使用极限状态标志 （1）影响正常使用或外观的变形 （2）影响正常使用或耐久性的局部破坏(包括裂缝) （3）影响正常使用的振动 （4）影响正常使用的其它特定状态（例：渗漏、腐蚀、冻害等) 保证结构或构件的适用性、耐久性,结构可靠度的基本原理,功能函数,可靠度分析中，结构的极限状态一般用功能函数描绘。当有n个随机变量(X1,X2,Xn)影响结构的可靠度时，结构的功能函数可表示为,0 结构可靠,=0 极限状态,0 结构失效,若功能函数中仅包括结构抗力R和作用（或荷载）综合效应S两个基本变量，则功能函数为：,结构所处状态,作用效应S,抗力R,R1,R2,R=S（极限状态）,Z1,Z2,S2R2(失效),S1R1（可靠）,设计计算原则：采用以概率论为基础的极限状态设计法，保证设计结构的失效概率足够小，或可靠概率足够大。,结构可靠指标 若RN(R , R)，S N(S , S) ，且R、S 相互独立, Z=R-S N(z , z) ， z = R - S ， 2z= 2R + 2S,Pf 计算复杂，但(由图看出)均值Z向右移，则Pf 减小，可靠度加大。, 越大， Pf 越小 ，结构越可靠。,结构可靠度分析的实用方法,中心点法 ：只适用于基本变量为正态分布、功能函数为线性的情况,中心点法,根据概率论中心极限定理，当n，Z 近似服从正态分布 = z / z P f =1- ( ),验算点法（JCSS建议）： 能够考虑非正态基本变量、非线性极限状态方程, = z / z P f =1- ( ),将Z在各变量的均值点处展开成泰勒级数，并取线性项,验算点法 （以两个正态基本变量R、S情况为例） 将一般正态分布N（ , ） 标准正态分布N（0，1） 坐标变换,极限状态方程：,极限状态方程：,验算点,结构体系的可靠度,结构构件(包括连接）的可靠度 结构体系可靠度? 一、基本概念 1、结构构件的失效性质（根据其材料和受力性质不同） 脆性构件 -一旦失效立即完全丧失功能的构件 延性构件-失效后仍能维持原有功能的构件 构件失效性质的不同，对结构体系可靠度的影响不同 2、结构体系的失效模型 组成结构的方式（静定、超静定） 构件失效性质（脆性、