混凝土结构设计的一般原则和方法1.ppt

1,第10章 混凝土结构设计的一般原则和方法,基本要求： 1.了解结构的组成及类型、结构设计的阶段和内容、结构设计的一般原则。 2.了解结构上的作用、作用效应、荷载的分类，掌握荷载代表值、竖向荷载（包括雪荷载）、风荷载的确定方法 3.掌握结构的功能要求、结构功能的极限状态； 4.了解概率极限状态设计方法，理解可靠度、可靠指标的概念以及可靠指标与失效概率的关系； 5.掌握概率极限状态设计实用表达式；掌握荷载各种代表值和强度值的取法，并能够根据不同设计要求进行相应的荷载组合。,2,10.1 建筑结构设计的一般原则 10.1.1建筑结构的组成和类型 一、组成： 1.上部结构：包括水平结构体系（楼、屋盖）和竖向结构体系（墙、柱等）。 2.下部结构：地下室、基础 二、类型： 1.按结构材料：砌体结构、混凝土结构、钢结构、组合结构和混合结构。 2.按竖向结构体系：排架结构、框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构等。,3,10.1.2 建筑结构的设计的阶段和内容 一、初步设计（方案设计）：提出设计方案，对关键问题提出技术措施。 二.技术设计：进行结构平面布置和竖向布置，对整体进行荷载效应分析，确定主要构造措施及重要部位和薄弱部位的技术措施。 三.施工图设计：给出完整的结构施工图 10.1.3 建筑结构设计的一般原则 安全、适用、耐久和经济合理,4,10.2 建筑结构荷载 10.2.1结构上的作用与作用效应 一、作用：使结构产生内力或变形的原因，即施加在结构上的集中或分布荷载以及引起结构外加变形或约束变形的原因。 直接作用：集中或分布荷载； 间接作用：地震、地基沉降、混凝土收缩、温度变化、焊接等因素。 二、作用效应：结构上的作用使结构产生的内力（如弯矩、剪力、轴力、扭矩等）、变形（如挠度、侧移、转角等）、裂缝等的统称。,5,10.2.2 荷载的分类 一、按作用时间长短和性质： 1.永久荷载：在设计基准期内，其值不随时间变化或其变化与平均值相比可以忽略不计的荷载或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。如结构自重、土压力、预加应力、焊接等。 2.可变荷载：在设计基准期内，其值随时间变化且其变化与平均值相比不可忽略的荷载。如安装荷载、楼面上人群及家具等产生的活载、风荷载、雪荷载、吊车荷载等。 3.偶然荷载：在结构设计基准期内不一定出现，但一旦出现其值很大且持续时间很短的荷载。如爆炸力、撞击力等。 二.按空间位置的变异： 1.固定荷载 2.移动荷载,6,三、按结构对荷载的反应性质： 1.静力荷载：结构自重、楼面活荷载、雪荷载等。 2.动力荷载：风荷载、设备振动、吊车荷载等。 设计基准期：建筑结构荷载规范（gb50009-2012）统一采用一般结构的设计使用年限50年作为规定荷载最大值的时域，称为设计基准期。 10.2.3 荷载代表值 标准值、组合值、频遇值、准永久值，其中标准值是基本代表值。 标准值：其在结构的使用年限可能出现的最大荷载值。,7,一、永久荷载代表值：标准值 1.对结构自重，可按结构构件的设计尺寸与材料单位体积（或单位面积）的自重计算确定。 2.对自重变异较大的材料和构件（如现场制作的保温材料、薄壁构件等），在设计中应根据该荷载对结构有利或不利，分别取其自重的下限值或上限值。 二、可变荷载代表值：标准值、组合值、频遇值、准永久值 1.标准值：根据最大荷载的统计分布按一定保证率取其上限分位值；统计有困难时，可根据工程经验确定一协议值作为其标准值。 我国根据建筑结构荷载规范（gb50009-2012）中表5.1.1取值。,8,2.荷载组合值：对于有两种或两种以上可变荷载同时作用时，使组合后的荷载效应在设计基准期内的超越概率与荷载单独作用时相应的超越概率趋于一致的荷载值。 组合值=标准值（qk)组合值系数(c) 3.频遇值：在设计基准期内，其超越的时间为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值。 频遇值=标准值(qk)频遇值系数(f) 4.准永久值：设计基准期内，其超越的总时间为设计基准期一半的荷载值。 准永久值=标准值(qk)准永久值系数(q) 准永久值与频遇值的区别：准永久值的持续时间较长，约为设计基准期的一半，一般与永久荷载组合用于结构长期变形和裂缝宽度的计算；频遇值总持续时间较短，,9,一般与永久荷载组合用于结构振动变形的计算。 10.2.4 竖向荷载 一、楼、屋面的荷载 1.竖向恒荷载： （1）结构的自重：按构件的设计尺寸与材料表观密度确定。 （2）附加在结构上的恒荷载：门窗自重、设备自重等 2.竖向活荷载 （1）民用建筑楼面均布活荷载：荷载规范按等效均布荷载方法给出，并考虑折减，详见规范5.1。 （2）工业建筑楼面均布活荷载：详见规范5.2。,10,（3）屋面活荷载：标准值、组合值、频遇值、准永久值按表5.3.1采用，详见规范5.3。 注意：屋面均布活荷载不应与雪荷载同时组合。 二、雪荷载 屋面水平投影面上的雪荷载标准值，应按下式计算 基本雪压：以一般空旷平坦地面上统计的50年一遇重现期的最大积雪自重给出。参见规范附录e.5 屋面积雪分布系数：屋面水平投影面积上的雪荷载,11,与基本雪压的比值，与屋面形式、朝向及风力有关，见规范7.2。 雪荷载的组合值系数可取0.7，频遇值系数可取0.6，准永久值系数按雪荷载分区、的不同，分别取0.5、0.2、0，分区图见规范附录e.5。 规范7.2.2规定，设计建筑结构及屋面的承重构件时，应按下列规定采用积雪的分布情况： （1）屋面板和檩条按积雪不均匀分布的最不利情况采用； （2）屋架和拱壳可分别按积雪全跨均匀分布情况、不均匀分布的情况和半跨均匀分布的情况采用； （3）框架和柱可按积雪全跨均匀分布情况采用。,10.2.5 风荷载：使结构产生变形和振动 一、风荷载的特点 迎风面-压力 背风面-吸力 构成风荷载 两侧-横风向干扰力 风荷载包括由顺风向的平均风引起的静力风荷载、与平均风方向一致的顺风向脉动风荷载和与平均风方向垂直的横风向脉动风荷载。工程中一般只考虑结构在顺风向风荷载作用下的响应。 二、风荷载的标准值：与风荷载时程有关 可近似按静力风荷载并用动力放大系数考虑脉动风的动力效应,13,垂直于建筑物表面上的风荷载标准值应按下列规定计算计算： 1.计算主要承重结构时，应按下式计算 2.计算围护结构结构，应按下式计算 式中： -高度z处的阵风系数； -风荷载局部体型系数,14,基本风压0：以当地空旷平坦地面上10m高处10min的平均风速观测数据，经概率统计得到的50年一遇的最大 风速v0，按下式计算： 荷载规范规定，基本风压应按规范附录e.5中的中给出的50年重现期的风压采用，并不得小于0.3kn/m2。 对高层建筑、高耸结构以及对风荷载比较敏感的其他结构，基本风压应适当提高，并应由有关的结构设计规范具体规定。 风荷载的组合值、頻遇值和准永久值系数分别取为0.6、0.4和0,15,2. 风压高度变化系数 ： 风速增大规律主要取决于地面粗糙度（分为四类） a类：近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区； b类：田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区； c类：有密集建筑群的城市市区； d类：有密集建筑群且房屋较高的城市市区。 荷载规范规定：对于平坦或稍有起伏的地形，风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别按规范表8.2.1确定。如表10-4。对于山区建筑物，还应考虑修正系数。 3.风荷载体型系数 ：风作用在建筑物表面所引起的实际压力（或吸力）与基本风压的比值。与建筑物的体型、尺度、周围环境和地面粗糙度有关。详见表8.3.1,16,2. 顺风向风振系数 ：考虑脉动风对结构产生动力效应的放大系数，与建筑物的自振周期、结构的阻尼特性以及风的脉动性能等有关。 对于高度大于30m且高宽比大于1.5的房屋，以及基本自振周期t1大于0.25s的各种高耸结构，应考虑风压脉动对结构产生顺风向风振的影响。顺风向风振响应计算应按结构随机振动理论进行。 详见荷载规范,17,10.3 结构的功能要求和极限状态 10.3.1结构的功能要求 1.结构的安全等级：用结构重要性系数0体现 （1）确定原则：根据破坏后果的严重性； （2）等级标准：三级,纪念性建筑物及其他有特殊要求的建筑，其安全等级可按具体情况另行确定。,18,2.结构的设计使用年限 设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。 设计年限可按建筑结构可靠度设计统一标准确定，也可经过主管部门的批准按业主的要求确定。 注意：设计使用年限与使用寿命的区别 3.结构的功能要求,19,工程结构设计的基本目的：在一定的经济条件下，结构在预定的使用期限内满足设计所预期的各项功能。 （1）安全性： 结构应能承受正常施工和使用时可能出现的各种荷载和变形，在偶然事件发生时及发生后能保持必需的整体稳定性，不致发生倒塌。如mmu （2）适用性；结构在正常使用时有良好的工作性能，不产生过大的变形或振幅、过宽的裂缝等。如f f （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。,20,10.3.2结构功能的极限状态 1.概念：整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计指定的某一功能要求（安全、适用、耐久），此特定状态称为该功能的极限状态。 2.极限状态的物理意义：未达到极限状态则处于有效状态；超过极限状态则处于失效状态。 3.分类：,21,1承载力能力极限状态 这种极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载力或者不适于继续承载的变形状态。当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态： （1）结构构件或连接因超过材料强度而破坏，或因过度变形而不适于继续承载； （2）整个结构或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移）； （3）结构转变为机动体系（如超静定结构由于某些截面的屈服，使结构成为几何可变体系）； （4）结构或结构构件丧失稳定（如细长构件的压屈失稳）； （5）结构因局部破坏而发生连续倒塌； （6）地基丧失承载力而破坏（如失稳）； （7）结构或结构构件的疲劳破坏。,22,（2）正常使用极限状态：结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项规定限度的状态。 （1）影响正常使用或外观的变形（如过大的挠度、侧移）； （2）影响正常使用或耐久性能的局部损坏（如过大的裂缝）； （3）影响正常使用的振动（如过低的楼盖竖向自振频率）； （4）影响正常使用的其他特定状态（如侵蚀性环境下产生严重腐蚀）。 （3）两种极限状态之间的关系：结构或构件必须进行承载力极限状态计算，必要时进行正常使用极限状态验算。,23,10.3.3极限状态方程 1.极限状态函数： z=r-s 上式中，r表示结构构件抗力，如受弯承载力mu、受剪承载力vu、容许挠度f、容许裂缝宽度w，它与材料的力学指标及材料用量有关； s表示结构上的各种作用（如荷载、不均匀沉降、温度变形、收缩变形、地震等）产生的效应总和（如弯矩m、轴力n、剪力v、扭矩t、挠度 f、裂缝宽度 w 等） （1）极限状态函数中各量的数学意义： r和s均可视为随机变量，z为复合随机变量，它们,24,之间的运算规则应按概率理论进行。 （2）极限状态函数的物理意义： z=r-s0，结构处于可靠状态； z=r-s=0，结构处于极限状态； z=r-s0，结构处于失效状态； 2.极限状态方程：,式中，g()是函数记号，在这里称为功能函数。,g()由所研究的结构功能而定，可以是承载能力，也可以是变形或裂缝宽度等。,x1,x2, ,xn为影响该结构功能的各种荷载效应以及材料强度、构件的几何尺寸等。,25,10.4按近似概率的极限状态设计法 10.4.1结构的可靠度 1.传统方法存在的问题：缺乏科学性 由于结构抗力和荷载效应的随机性，安全可靠应该属于概率的范畴，应当用结构完成其预定功能的可能性（概率的大小）来衡量，而不是一个定值来衡量。 2.结构的可靠性 结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力称为可靠性。 规定时间是指设计使用年限。 规定的条件为正常设计、正常施工、正常使用、正常维护的条件。,26,预定功能：结构的安全性、适用性、耐久性。 3.结构的可靠度：结构在规定的时间内和规定的条件下完成预定功能的概率-结构可靠性的概率度量。 结构的可靠性和结构的经济性常常是矛盾的。科学的设计方法是要用最经济的方法，合理地实现所需的可靠性。 10.4.2可靠指标与失效概率 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。,27,1.失效概率的求解 根据极限状态函数，由概率论可知如下关系成立： 1) ，为失效概率；失效概率越小，表示结构可靠性越大，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。 2) ，为可靠概率； 3) ，失效和可靠一定发生。,28,4）求解上述概率存在的困难 a.概率密度函数很难确定或不可积分； b.上述积分运算较繁琐，不便于工程设计。 2. 可靠指标 1）物理意义：简化积分运算；,由图看出，阴影部分的面积与z和z的大小有关，增大均值z ，曲线右移阴影部分面积减小；减小z ，曲线变得高而窄，阴影面积也将减少。pf 减小，可靠度加大。,29,2）计算公式： 如果将曲线对称轴至纵轴的距离表示为z的倍数，取 则, 越大， pf 越小 ，结构越可靠。所以和失效概率一样可作为衡量结构可靠度的一个指标，称 为可靠度指标，且 与pf一一对应。,30,3）可靠指标与失效概率的数量关系：,4）关于目标可靠指标 a.目标可靠指标：结构设计必须达到的指标，在确定结构的可靠指标 时，应该使结构的失效概率降低到人们可以接受的程度，做到既安全可靠又经济合理。,可靠指标与失效概率pf的对应关系,31,b.目标可靠指标的确定：,建筑结构可靠度设计统一标准根据结构的安全等级和破坏类型，在对有代表性的构件进行可靠度分析的基础上，规定了按承载能力极限状态设计时的目标可靠指标值，见下表：,32,10.5 实用设计表达式,10.5.1 分项系数,对于一般常见的工程结构，直接采用可靠指标进行设计工作量大，有时会遇到统计资料不足而无法进行的困难。考虑到多年来的设计习惯和使用上的简便，建筑结构可靠度设计统一标准提出了便于实际使用的设计表达式，称为实用设计表达式。,实用设计表达式将影响结构安全的因素视为随机变量，应用数理统计的概率方法进行分析，采用以荷载和材料强度的标准值以及相应的“分项系数”来表示的方式。,分项系数按照目标可靠指标，并考虑工程经验优选确定后，将其隐含在设计表达式中。,33,注意：表达式中虽然采用了统计和概率的方法，但是 概率极限状态分析中只用到统计平均值和均方差，并非实际的概率分布，并且在分离导出分项系数时还作了一些假定，运算中采用了一些近似的处理方法，因而计算结果是近似的，所以只能称为近似概率设计方法。,设计中荷载包括永久荷载、可变荷载等，都是随机变量，因此必须求得各个荷载统计资料的平均值和标准差，利用概率的方法才能得到荷载效应的总的平均值和标准差。 结构抗力包括钢筋和混凝两种材料的强度，还有几何尺寸和计算模式的不定性等，也必须采用概率的方法获得总的平均值和标准差,然后按近似概率的有关计算方法求得可靠指标 ，求得失效概率pf。,34,10.5.2 荷载效应组合 1.承载能力极限状态：采用基本组合和偶然组合，并引入结构重要性系数。 设计表达式： 2.正常使用极限状态：根据设计的不同要求，采用标准组合、频遇组合和准永久组合。 设计表达式：,35,注：基本组合的荷载分项系数应按下列规定采用： （1）永久荷载的分项系数 1）当其效应对结构不利时 -对由可变荷载效应控制的组合，应取为1.2； -对由永久荷载效应控制的组合，应取为1.35。 2）当其效应对结构有利时：不应大于1.0； （2）可变荷载的分项系数 -一般情况下应取1.4； -对标准值大于4kn/m2的工业房屋楼面结构的活荷载应取1.3。 （3）对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，荷载的分项系数应满足有关的建筑结构设计规范的规定。,36,10.5.3.承载能力极限状态设计表达式 （10-24） 上式的物理意义为：荷载效应设计值不超过抗力的设计值；,式中 s 荷载效应组合的设计值；,0 结构构件的重要性系数，与安全等级对应，对安全等级为一级或设计使用年限为100年级以上的结构构件不应小于1.1；对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件不应小于1.0；对安全等级为三级或设计使用年限为5年的结构构件不应小于0.9；在抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数；,37,r 结构构件抗力的设计值，应按各有关建筑结构设计规范的规定确定；为混凝土和钢筋强度标准值(fck 、fsk)、分项系数(c 、s )、几何尺寸标准值以及其它参数的函数。,1.基本组合：荷载效应设计值应从下列组合值中取最不利值确定。,（1）对由可变荷载效应控制的效应设计值，按下式计算,（2）对由永久荷载效应控制的组合，按下式计算,38,注：1.当设计使用年限不为表中数值时， l可线性内插确定。 对荷载标准值可控制的活荷载，设计使用年限调整系数取1.0. 2.偶然组合： （1）用于承载能力极限状态计算的效应设计值，应按下式进行计算： （2）用于偶然事件发生后受损结构整体稳固性验算的效应设计值，应按下式进行计算：,楼面和屋面活荷载考虑设计使用年限的调整系数l,39,3.关于承载能力极限状态设计表达式的可靠性 （1）可靠性的评价包含在三类分项系数之中，即 结构构件重要性系数 ； 荷载分项系数 ； 材料分项系数 ； （2）分项系数的确定原则：由实用设计表达式求得的可靠指标满足目标可靠指标的要求。,40,10.5.4 正常使用极限状态设计表达式 结构或构件超过正常使用极限状态时所造成的财产和生命损失要小于超过承载力极限状态的后果，故其可靠度指标要低一些。在荷载效应及结构抗力计算中均用标准值作为其代表值。 1.表达式：对不同的设计要求,采用荷载的标准组合、频遇组合或准永久组合,其设计表达式为 sdc sd正常使用极限状态的荷载效应组合； c结构或结构构件达到正常使用要求的规定限值,例如变形、裂缝、振幅、加速度、应力等的限值。,41,2.荷载效应组合： （1）对标准组合,荷载效应组合的设计值s为： （2）对频遇组合,荷载效应组合的设计值s为： （3）对于准永久组合,荷载效应组合的设计值s为：,式中 f1可变荷载q1的频遇值系数； qi可变荷载qi的准永久值系数；,42,根据设计需要，常区分荷载的短期作用（标准组合、频遇组合）和荷载的长期作用（准永久组合）下构件的变形大小和裂缝宽度验算。