《基本设计原则》PPT课件.ppt

混凝土结构基本设 计原则,第三章,3.1 结构的功能要求,3.1.1 混凝土结构的组成与作用 骨架 构件,3.1.2 结构上的作用、结构抗力,按时间的变异分布：永久作用、可变作用、偶然作用,按随空间位置的变异分类：固定作用、可动作用,按结构的反应分类：静态作用、动态作用,结构或结构构件承受内力和变形的能力称为结构抗力R,作用,直接作用：,间接作用：,按时间分,永久作用：,可变作用：,按位置分,固定作用,可动作用,按反应分,静态作用,动态作用,荷载,温度应力、基础沉降，地震作用,自重，土压力,楼面活荷载、风荷载、雪荷载,结构由于各种原因，引起内力和变形称为作用效应。,内力：轴力、弯矩、剪力、扭矩；,变形：挠度、转角、裂缝。,作用效应取决于作用的方式及结构或构件的几何尺寸及支承条件。,简支梁在跨中一集中荷载作用下跨中弯矩,例：,简支梁在均布荷载作用下跨中弯矩,S = cQ,c 荷载效应系数,Q 荷载,作用效应具有随机性,结构抗力是指结构或构件承受作用效应的能力。,结构抗力的影响因素：,材料性能的不确定性,材料几何参数的不确定性,计算模式的不确定性,结构的抗力具有随机性。,安全性：结构在正常施工和使用时应能承受可能出现的各种荷载及外部作用，以及在偶然事件发生时及发生后能保持必需的整体稳定性。,安全性、适用性、耐久性,适用性：结构在正常使用时有良好的工作性能。,耐久性：结构在正常维护下，材料性能虽随时间变化，但仍能满足预定功能要求。,3.1.3 结构的功能要求,3.1.4 结构的可靠性与安全等级,是结构或其构件能够满足前述某一功能要求的临界状态。超过这一界限，结构或其构件就不能满足设计规定的该项功能要求而进入失效状态。,3.2.1 极限状态的定义：,3.2 结构极限状态,极限状态的分类：,承载能力极限状态,正常使用极限状态,极限状态的 表现形式：,(承)：刚体失去平衡，材料强度不足，结构转变为机构，失稳,(正)：过大的变形，影响正常使用或耐久性能的局部损坏，过大的振动,结构或构件能否完成预定功能与结构的荷载效应S与结构的抗力R有关。,3.2.2 极限状态分类,可靠概率有多大？,Z 0，,即RS 结构可靠,Z = 0，,即R=S 结构处于极限状态。,即RS 结构失效,Z 0，,失效概率有多大?,3.3 随机变量的统计特征,3.3.1 随机变量及其概率分布,正态分布的概率密度函数,3.3.2 结构主要荷载于抗力参数的分布,荷载：永久荷载 、民用建筑露面活荷载、风 荷载 结构抗力,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。,结构的安全性、适用性、耐久性之总和。,结构的可靠性：,结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。,所有结构构件均应进行承载力计算，对某些构件还需进行变形和裂缝宽度的验算。,3.4.1结构的可靠度,规范规定：,3.4 概率极限状态设计法,结构或构件能否完成预定功能与结构的作用效应S与结构的抗力R有关。,可靠概率有多大？,Z 0，,即RS 结构可靠,Z = 0，,即R=S 结构处于极限状态。,即RS 结构失效,Z 0，,失效概率有多大?,结构的效应S及结构的抗力R均符合正态分布，因此结构的功能函数也符合正态分布。如图：,图中Z0部分(阴影)面积即为失效概率Pf,Pf 计算复杂，但(由图看出)均值Z向右移Pf 减小，可靠度加大。,令, 越大， Pf 越小 ，结构越可靠。,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。,统一标准规定 ：, 的取值与构件的破坏类型及结构的重要性有关。, ,3.4.2 结构目标可靠度,0 S R,式中 S 内力组合设计值,0 结构构件的重要性系数， 对一、二、三级分别取1.1, 1.0, 0.9,R 结构构件的承载力设计值,R = R( ) = R(fc , fs , k , ),3.4.3 实用设计表达式,3.4.3.1 承载能力极限状态设计表达式,内力组合设计值,基本组合：,25,式中 G 永久荷载分项系数。有利时取1.0， 不利时取1.2,GG 永久荷载标准值。,由数理统计分析按一定保证率确定的值，可根据荷载规范取值。,一般情况取Q =1.4，当楼面活荷载标准值大于4kN/m2，取 Q =1.3,Qik 活荷载标准值。,cG, cQ1, cQi, 永久荷载及活荷载的作用效应系数,ci 第i个可变荷载的组合系数,无风 1.0,有风 0.6,Qi 活荷载分项系数。,由数理统计分析按一定保证率确定的值。(95%保证率),结构构件的承载力设计值,R = R( ) = R(fc , fs , k , ),是由材料强度的标准值fck除以砼材料分项系数 c 1.0所得。,fc 混凝土材料强度设计值。,fck是由数理统计分析且具有95%的保证率的材料强度。,是由钢材强度的标准值fsk除以材料分项系数(s 1.0)求得。,结构构件的抗力应根据截面的受力状态不同用相应的计算模型确定。,fs 钢材强度设计值。,fsk是由数理统计且具有95%保证率的材料强度。,根据极限状态设计法，用结构的失效概率Pf 来衡量结构的可靠度概念十分明确，用可靠指标 表示与Pf一一对应关系更容易为人们接受。在实用表达式中，是由结构的破坏形态和安全等级与工程经验校准确定的分项等效来满足可靠度指标要求的。G, Q, s, c,中隐含着可靠度指标 。,3.4.3.2 正常使用极限状态设计表达式,变形及裂缝宽度的验算, 变形验算,式中 f 受弯构件按荷载短期效应组合并考虑长期效应组合影响计算的最大挠度。,flim 规范允许挠度,f flim, 裂缝验算,规范按使用阶段对结构构件裂缝的不同要求，将裂缝控制等级分为三级：,一级：严格要求不裂，使用阶段不允许出现拉应力。,二级：一般要求不裂，使用阶段允许出现拉应力，但应作限制。,三级：允许开裂，应验算裂缝宽度,wmax wlim,荷载的标准组合 Sk：,荷载的准永久组合 Sq：,式中，qi 第i个可变荷载的准永久值系数,例：一简支梁，跨度为6米，作用于上的均布荷载，恒载标准值 gk=3kN/m，分项系数G=1.2，活荷载标准值qk=6kN/m，分布系数Q=1.4，分别计算梁跨中截面弯矩的基本效应组合