土木工程学院桥梁工程系学习课件PPT混凝土结构设计的基本原则.ppt

桥梁工程系杨 剑 2 钢筋混凝土材料的力学性能 桥梁工程系杨 剑 本章主要内容 结构设计方法中的几个基本概念 结构设计方法的发展 桥梁工程系杨 剑 1 结构设计方法中的几个基本概念 一、结构的功能要求 二、结构的可靠性 三、结构上的作用和作用效应以及抗力 四、结构功能的极限状态 桥梁工程系杨 剑 一、结构的功能要求 1.1安全性 结构在预定的使用期间内（一般为50年，桥梁为100 年），应能承受在正常施工、正常使用情况下可能出现 的各种荷载、外加变形（如超静定结构的支座不均匀沉 降）、约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）等的 作用。 在偶然事件（如地震、爆炸）发生时和发生后， 结构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而 造成生命财产的严重损失。 不会破坏。 桥梁工程系杨 剑 1.2 适用性 结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。如不发 生影响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振动（ 频率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝 宽度。 1.3 耐久性 结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性 。即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀），结构 的承载力和刚度不应随时间有过大的降低，而导致结构在其 预定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。 桥梁工程系杨 剑 可靠性安全性、适用性和耐久性的总称 就是指结构在规定的使用期限内（设计工作寿命，一般 为50年），在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常 使用和维护），完成预定结构功能（安全性、耐久性、适 用性）的能力。 结构可靠性越高，建设造价投资越大。 如何在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计 方法要解决的问题。 二、结构的可靠性 桥梁工程系杨 剑 显然这种可靠与经济的均衡受到多方面的影响，如国 家经济实力、设计工作寿命、维护和修复等。 规范规定的设计方法，是这种均衡的最低限度，也是 国家法律。 设计人员可以根据具体工程的重要程度、使用环境和 情况，以及业主的要求，提高设计水准，增加结构的 可靠度。 经济的概念不仅包括第一次建设费用，还应考虑维修 ，损失及修复的费用 桥梁工程系杨 剑 在建温福铁路是我国东南沿海铁路重要组成部分，为保证 100年设计使用寿命必须进行结构耐久性设计。海洋环境中的 桥梁结构遭受破坏的主要原因是氯盐侵蚀导致的钢筋锈蚀。钢 筋锈蚀带来体积膨胀, 导致混凝土剥落,从而使结构破坏。 构造措施: 适当增加钢筋的混凝土保护层厚度,推延氯离子渗透到 钢筋表面的时间； 控制结构裂缝宽度,减少外界氯离子的渗透。 桥梁工程系杨 剑 三、结构上的作用和作用效应 定义 ： 结构在施工和使用期间要承受的各种使结构产 生内力和变形的所有因素的总称。 1、结构上的作用 桥梁工程系杨 剑 结构上的作用 直接作用集中荷载、分布荷载 间接作用 地震、地基沉降、温度变化 永久作用 可变作用 偶然作用 固定作用 可动作用 静态作用 动态作用 按时间分 按空间位置 按结构反应 按方式分 桥梁工程系杨 剑 2. 作用效应 结构上的作用在结构上产生的内力和变形以及支座反 力等统称为作用效应。常用“s”表示 3. 结构抗力 结构所具有的抵抗作用效应的能力。常用 “r”表示 桥梁工程系杨 剑 五、结构功能的极限状态 1、极限状态概念：如果整个结构或结构的一部分超过 某一特定状态，就不能满足预定功能的某一功能要求 ，此特定状态称为该功能的极限状态。 结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠”的 或“有效”的。反之，则结构为“不可靠”或“失效”。 区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限状态” s r 失效 不同的功能要求，有不同的极限状态。 确定结构在极限状 态时的抗力r，则 桥梁工程系杨 剑 1）承载力能力极限状态 超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求 达到承载能力极限状态的标志 结构或构件达到最大承载力（包括疲劳） 结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移） 结构塑性变形过大而不适于继续使用 结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰） 结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳） 桥梁工程系杨 剑 2）正常使用极限状态 超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久 性的功能要求。 达到正常使用极限状态发标志 过大的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、不能正常使用（ 吊车）等）； 过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）； 过大的振动（不舒适）； 其他正常使用要求。 桥梁工程系杨 剑 2、三种设计状况及极限状态设计要求 （1）持久状况：结构使用过程中一定出现其持续很长的 状况，持续期间设计使用年限为同一数量级。 （2）短暂状况：结构施工和使用过程中出现概率较大， 与设计使年限相比持续期很短的状况，如施工和维修。 （3）偶然状况：在结构使用过程中出现概率很小，且持 续时间很短的状况，如火灾爆炸。 设计状况 极限状态设计要求 1、 对三种设计状况，均应进行承载能力极限状态设计； 2、 对持久状况，尚应进行正常使用极限状态设计； 3、 对短暂状况，可根据需要进行正常使用极根状态设计 。 桥梁工程系杨 剑 由于结构工程中的不确定性，为取得安全可靠与经济 合理的均衡，在设计中需要考虑这些不确定性的影响。 结构设计方法就是处理这种安全可靠与经济合理的矛盾 。 2 结构设计方法的发展 结构设计方法经历了： 容许应 力法 破损阶 段法 极限状 态法 以概率理论为基 础的极限状态法 桥梁工程系杨 剑 2.1 容许应力设计法 钢筋混凝土结构的受力性能不是弹性的； 结构中一点达到容许应力，结构即认为失效 ； 没有考虑结构功能的多样性要求； 安全系数是凭经验确定的，缺乏科学依据。 桥梁工程系杨 剑 整个截面达到极限承载力才认为失效，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。 但安全系数k仍然凭经验确定， 没有考虑结构功能的多样性要求的问题。 2.2 破损阶段设计法 桥梁工程系杨 剑 除要求对承载力极限状态进行设计外，还包括的挠度和裂缝宽度（适 用性）的极限状态的设计。 对于承载力极限状态，针对荷载、材料的不同变异性，不再采用单一 的安全系数，而采用的多系数表达， 材料强度 fck 和 fsk 是根据统计后按一定保证率取其下限分位值，反 映的材料强度的变异性。 荷载值 qik 也尽可能根据各种荷载的统计资料，按一定保证率取其上 限分位值。 荷载系数 kqi ，材料强度系数 kc 和 ks 仍按经验确定，但对于不同荷 载的变异大小，可取不同的荷载系数。 2.3极限状态设计法 桥梁工程系杨 剑 由于实际结构中的不确定性，因此无论如何设计结构，都会有失效的 可能性存在，只是可能性大小不同而已。 为了科学定量的表示结构可靠性的大小，采用概率方法是比较合理的 。 失效概率越小，表示结构可靠性越大。因此，可以用失效概率来定 量表示结构可靠性的大小。结构可靠性的概率度量称为结构可靠度。 当失效概率pf小于某个值时，人们因结构失效的可能性很小而不再 担心，即可认为结构设计是可靠的。该失效概率限值称为容许失效概率 pf。 失效概率pf = p (s r) 2.4 以概率理论为基础的极限状态设计法 桥梁工程系杨 剑 (1) 材料强度标准值与设计值 材料强度标准值 为保证设计时材料强度取值的可靠性，一般对同一等级的材料， 取具有一定保证率的强度值作为该等级强度的标准值。 规范规定材料强度的标准值fk应具有不小于95%的 保证率, 即 桥梁工程系杨 剑 材料强度设计值 材料强度标准值除以材料强度分项系数后得到的强度指标。 桥规(jtg d62)采用混凝土强度分项系数 普通钢筋抗拉强度 预应力用钢丝、钢绞线 原规范安全系数取1.25，而国家标 准规定钢丝和钢绞线 的条件屈服点为极限抗拉强度的0.85倍 ，因而钢丝、钢绞线 混规混凝土为1.4；普通钢筋为1.1；预应力钢筋为1.2 桥梁工程系杨 剑 作用效应组合各种作用效应的取舍以及它们同时作 用的可能性 组合原则以桥梁在施工和运营时可能处于最不利的 受力状态为原则 基本组合方式（公、铁）： 作用效应基本组合，即仅考虑主力； 作用效应偶然组合，即主力与特殊荷载同时作用； 作用短期效应组合，即主力与附加力同时作用； 作用长期效应组合。即主力与附加力同时作用。 (2) 荷载效应设计值与结构抗力设计值 桥梁工程系杨 剑 铁路桥涵结构按容许应力法组合 桥梁设计时：仅考虑主力与一个方向（顺桥或横桥方向）的 附加力相结合。 桥梁工程系杨 剑 公路桥涵结构 按承载能力极限状态设计时的基本组合 结构重要性系数，1.1,1.0,0.9 承载能力极限状态下作用基本组合的效应组合设计值 第i个永久作用效应的分项系数 第i个永久作用效应的标准值 汽车荷载效应（含冲击力、离心力）的分项系数 汽车荷载效应（含冲击力、离心力）的标准值 除汽车荷载效应外的其他可变作用效应的组合系数 除汽车荷载效应、风荷载外的其他第j个可变作用效应的分项系数 除汽车荷载效应外的其他第j个可变作用效应的标准值 桥梁工程系杨 剑 正常使用极限状态荷载效应组合 正常使用极限状态设计，按照作用持续时间不同采用两种组 合短期效应组合和长期效应组合。 短期效应组合：永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相 组合 短期效应组合设计值 ； 第j个可变作用效应的频遇值系数。 桥梁工程系杨 剑 长期效应组合：永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应 相组合。 长期效应组合设计值 ； 第j个可变作用效应的准永久值系数 正常使用极限状态结构抗力 正常使用极限状态结构抗力分为抗裂限值、裂缝宽度限值、 挠度限值。这些限值按规范规定。 桥梁工程系杨 剑 荷载效应设计值，gs作用效应分项系数 当荷载效应与荷载值成线形关系时，可表示为 第i个永久 作用效应 的分项系 数 第j个可变 作用效应 第1个永 久作用效 应的分项 系数 第1个可 变作用效 应（起控 制作用的 可变作用 ） 第i个永久 作用效应 第j个可变 作用效应 的分项系 数 第j个可变作 用效应的组 合系数 第i个永久 作用的标 准值 第i个永久作 用的作用