混凝土结构设计原理第三章按近似概率理论极限状态设计法.pptVIP

第三章 按近似概率理论极限状态设计法,第三章 按近似概率理论的极限状态设计法,3.1 极限状态,3.1 极限状态,荷载的分类 按作用时间的长短和性质，荷载分为三类： 1.永久荷载 在结构设计使用年限内，其值不随时间而变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。 2.可变荷载 在结构设计基准期内其值随时间而变化，其变化与平均值不可忽略的荷载。 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作用时间很短的荷载。,第三章 按近似概率理论的极限状态设计法,3.1 极限状态,3.1 极限状态,结构的功能要求 1. 结构的安全等级,第三章 按近似概率理论的极限状态设计法,3.1 极限状态,3.1 极限状态,2. 结构的设计使用年限 结构的设计使用年限是指设计规定的结构或结构构件不需要进行大修即可按达到其预定功能的使用时期。 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。一般建筑结构的设计使用年限为50年。 注意：区别建筑物的设计使用年限与建筑物的使用寿命。,第三章 按近似概率理论的极限状态设计法,3.1 极限状态,3. 结构的功能, 安全性 能够承受可能出现的各种作用 结构在预定的使用期间内（一般为50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。 通过承载力的验算来满足安全性的要求,第三章 按近似概率理论的极限状态设计法,3.1 极限状态, 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。 通过验算挠度、裂缝宽度来满足要求 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。 主要通过构造要求来满足要求,第三章 按近似概率理论的极限状态设计法,3.1 极限状态, 结构的可靠性 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=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。,第三章 按近似概率理论的极限状态设计法,3.1 极限状态, 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,第三章 按近似概率理论的极限状态设计法,3.1 极限状态,3.1.3 结构功能的极限状态, 整个结构或结构的某一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定阶段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” 极限状态分为两类：承载力极限状态和正常使用极限状态,第三章 按近似概率理论的极限状态设计法,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 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）,3.1 极限状态,第三章 按近似概率理论的极限状态设计法,3.1 极限状态,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。 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。,第三章 按近似概率理论的极限状态设计法,3.1 极限状态,3.2 极限状态设计方法方程,S R 可靠,S荷载效应 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）,S = S(Q),R结构抗力 结构抵抗作用效应的能力，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,R = R(fc, fy, A, h0, As, ),S = R 极限状态,S R 失效,结构力学的主要内容,本课程的主要内容,3.2.1 功能函数、极限状态方程,第三章 按近似概率理论的极限状态设计法,3.1 极限状态,结构的极限状态可用下面的极限状态函数表示： Z=R-S 对应的： Z=R-S0 时， 结构处于可靠状态； Z=R-S=0时， 结构达到极限状态； Z=R-S0时， 结构处于失效（破坏）状态。 在结构设计中，不仅仅只考虑结构的承载能力，有时还要考虑结构的适用性和耐久性，则极限状态方程可推广为：,第三章 按近似概率理论的极限状态设计法,3.2按近似概率的极限状态设计法, 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。,材料强度 fy 和 fc 的离散 截面尺寸h0和 b 的施工误差 荷载,故：Z也是随即变量,第三章 按近似概率理论的极限状态设计法,3.3 结构设计方法,以概率理论为基础的极限状态设计法,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),第三章 按近似概率理论的极限状态设计法,3.3 结构设计方法,结构功能函数 Z = R - S,Pf =P (S R) =P(Z 0),b 可靠指标,第三章 按近似概率理论的极限状态设计法,3.3 结构设计方法,3.3 荷载的代表值,荷载代表值是指设计中用以验算极限状态所采用的荷载量值，如标准值、组合值、频遇值和准永久值。,3.3.1 荷载标准值,1.定义 荷载标准值是建筑结构荷载规范(GB 500092001)规定的荷载基本代表值，为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值(如均值、众值、中值或某个分位值)。 2.确定 a.结构的自重可根据结构的设计尺寸和荷载规范给定的材料重力密度确定； b.可变荷载标准值设计时直接查荷载规范,3.3.2 荷载准永久值,1.定义 荷载准永久值是指可变荷载在设计基准期内，其超越的总时间约为设计基准一半的荷载值。可变荷载准永久值为可变荷载标准值乘以荷载准永久值系数 q 。,2.确定 荷载准永久值系数q GB500092001 给出。如住宅，楼面均布荷载标准为 2.0kN/m2，荷载准永久值系数q 为 0.4，则活荷载准永久值为 2 .0 0. 4 = 0 .8 kN/m2。,3.3.3 荷载频遇值,1.定义 荷载频遇值是指可变荷载在设计基准期内，其超越的总时间约为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值。 2.确定 可变荷载频遇值为可变荷载标准值乘以荷载频遇值系数 f 。荷载准永久值系数 f 由 GB 500092001 给出。如住宅，楼面均布荷载标准为 2.0kN/m2，荷载频遇值系数 f 为 0.5，则活荷载准永久值为 2 . 0 0 . 5 = 1. 0 kN/m2。,3.3.4 荷载组合值,1、定义 荷载组合值是指对可变荷载，使组合后的荷载效应在设计基准内的超越概率，能与该荷载单独出现时的相应概率趋于一致的荷载值；或使组合后的结构具有统一规定的可靠指标的荷载值。 2、确定 如住宅，楼面均布荷载标准为 2.0kN/m2，荷载组合值系数 c 为 0.7，则活荷载组合值为 2 . 0 0 . 7 = 1 . 4 kN/m2。,3.4 材料强度的标准值和设计值,3.4.1 钢筋强度的标准值和设计值, 对有明显屈服点的热轧钢筋，取国家标准规定的屈服点作为标准值。 对无明显屈服点的碳素钢丝、钢绞线、热处理钢筋及冷拔低碳钢丝，取国家标准规定的极限抗拉强度作为标准值，但设计时取 0.8 f su （极限抗拉强度)作为条件屈服点。 对冷拉钢筋，取其冷拉后的屈服点作为强度标准值。 钢筋强度设计值与其标准值之间的关系为：,3.4.2 混凝土强度的标准值和设计值,第三章 按近似概率理论的极限状态设计法,3.5 概率极限状态实用设计表达式,3.5.1 分项系数 采用概率极限状态方法用可靠指标 进行设计，需要大量的统计数据，计算可靠指标比较复杂，GB 500682001 提出了便于实际使用的设计表达式，称为实用设计表达式。采用了以荷载和材料强度的标准值分别与荷载分项系数和材料强度分项系数相联系的荷载设计值、材料强度设计值来表达的方式。,3.5.2 承载能力极限状态设计表达式,承载能力极限状态设计表达式为：,荷载效应组合分为基本组合和偶然组合。 对于基本组合，荷载效应组合的设计值 S 应从下列组合值中取最不利值确定。 由可变荷载效应控制的组合：,由永久荷载效应控制的组合：,3.5.3 正常使用极限状态设计表达式,对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，采用荷载的标准组合、频遇组合或准永久组合，并应按下列设计表达式进行设计：