混凝土结构基本设计原则.ppt

第三章 混凝土结构基本设计原则,第三章 混凝土结构基本设计原则 The Design Approach of Concrete Structure,3.1 结构的功能,3.1 结构的功能 Functions of Structure,一、结构上的作用、作用效应S和结构抗力R 作用 1、定义： 使结构产生内力和变形的原因称为“作用”。 直接作用：即荷载。 间接作用：引起结构外加变形和约束变形的其他作用。 如地震作用、基础沉降、温度变化、混凝土的 收缩、徐变和焊接变形等。,2、荷载的分类： 按作用时间的长短和性质，荷载可分为三类：,第三章 混凝土结构基本设计原则,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.1 结构的功能,永久荷载： 又称恒荷载。在结构设计使用期内，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。如结构自重、土压力、预应力等。,可变荷载： 又称活荷载。在结构设计使用期内，其值随时间而变化，或其变化与平均值相比不可忽略的荷载。如楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等。,偶然荷载： 在结构设计使用期内不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载。如地震、爆炸、撞击等。,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.1 结构的功能, 作用效应S Action Effect,1、定义： 指各种作用在结构上产生的内力（如弯矩M、轴力N、 剪力V、扭矩T）和变形（如挠度 f、裂缝宽度 w 等）。 如作用为直接作用，则作用效应称为荷载效应。 在线弹性材料中，荷载效应=荷载 荷载效应系数,跨中截面 ， 支座截面 ，,如：,其中 即为荷载效应系数。,其中 即为荷载效应系数。,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.1 结构的功能,2、作用（荷载）效应的不确定性 荷载本身的变异性； 内力计算假定和实际受力情况间的差异。, 结构抗力R Resistant,1、定义： 结构或结构构件承受内力和变形的能力，称为结构抗力R。 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等。 结构抗力是结构内部固有的，其大小主要由构件的截面尺寸、 材料强度及材料用量、计算模式等决定，即,R = R(fc, fy, A, h0, As, ),（即S为随机变量）,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.1 结构的功能,2、结构抗力R的不确定性 由于人为因素的影响，构件的截面几何参数具有不确定性； 材料性能（如材质、强度等）受制作工艺以及制作与使用环境 的影响而具有变异性。,（即R为随机变量）,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.1 结构的功能,由以上概念表明，当结构构件任意截面均处于S R时，结构是 安全可靠的。但由于S、R都是随机变量，因而结构是否安全可靠 的事件也是随机事件，所以需要用概率论来分析结构是否安全可 靠的问题。 也就是说，绝对处于S R状态下的建筑，即绝对安全的建筑是 不存在的，关于建筑安全可靠性更为科学的说法应是，该建筑处于 S R状态下的概率是多大，或该建筑安全可靠的概率有多大。,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.1 结构的功能, 安全性 Safety 如（MMu） 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。,二、结构的功能要求,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.1 结构的功能, 适用性 Serviceability 如（f f 、wmax wmax ） 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。 耐久性 Durability 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。,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.1 结构的功能, 结构的可靠性 reliability 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。,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.1 结构的功能,三、结构设计总原则 结构设计的总原则： S R且既可靠又经济 如前所述，当S R时，说明结构是安全可靠的，而R与S之间的大小关系反映了结构可靠性水平的高低：R大过S越多，则结构的可靠度水平越高，而造价会上升；而R大过S不太多时，虽然降低了造价，但可靠性或安全储备却降低。因此成功的结构设计应合理确定R、S之间的大小关系，即可靠性与经济性二者兼顾考虑。,如何在结构可靠与经济之间取得均衡，或者研究R比S究竟大多 少合适的问题，就是结构设计原则所研究的问题。,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.2 结构的极限状态,3.2 结构的极限状态 Limit State of structure,一、极限状态的概念 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” 结构在即将不能满足某项功能要求时的特定状态，称为该功能的极限状态。,第三章 混凝土结构基本设计原则,承载力能力极限状态 Ultimate Limit State 这类极限状态对应于结构或结构构件达到了最大承载力，或者产生了不适于继续承载的过大变形,从而丧失了安全性功能的一种特定状态。 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）,3.2 结构的极限状态,二、极限状态的分类：,加拿大魁北桥Quebee Bridge,该桥位于加拿大Quebee City ，建于1917年。桥型钢桁架（steel truss bridge),跨度549m ,已超过了英国的福斯桥，在该类型桥梁中主跨居世界第一。该桥从1897年设计和施工差不多用了20多年的时间，在建造过程中于1907.8.29、1916.9.11分别出现了两次倒塌事故，1917.3建成通车。,跨度549m,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.2 结构的极限状态,正常使用极限状态 Serviceability Limit State 这类极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值，从而丧失了适用性和耐久性功能的一种特定状态。 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 混凝土结构基本设计原则,3.3 结构设计方法,3.3 结构设计方法,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。,容许应力设计法,容许应力法研究的是：单一材料、线弹性、简单结构。而钢 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；,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3 结构设计方法,破损阶段设计法,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。,没有考虑结构功能的多样性（安全性、适用性和耐久性）要求； 安全系数是凭经验确定的，缺乏科学依据。,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3 结构设计方法,极限状态设计法,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。,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3 结构设计方法,以概率理论为基础的极限状态设计法,结构的极限状态方程,Z0，结构处于可靠或有效状态； Z=0，结构处于极限状态； Z0，结构处于不可靠或失效状态。,而z=g(R,S)=R-S=0称为结构极限状态方程。,设z=g(R,S)=R-S ，则：,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。,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3 结构设计方法,如果我们取结构将坏未坏的极限状态作为研究对象，列出该方 程的话，即可求得决定R大小的钢筋用量。 但这样做只能保证结构处于极限状态，为使结构具有一定的安全可靠度，则必须人为地缩小材料强度（从而减小R），放大S，为了让变小的R能和变大的S相等，则需更多的材料和更高的材料强度，这样的设计结果才会具有更高的可靠性。 到底将S放大多少，将R缩小多少，取决于结构的可靠度。,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3 结构设计方法,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3 结构设计方法,b 可靠指标 reliability index,结构的可靠度指标和目标可靠度指标,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3 结构设计方法,目标可靠度指标为结构设计时预先给定的可靠指标，用于房屋设计的依据。根据结构的安全等级和破坏类型确定。,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3 结构设计方法,对结构的可靠度指标和目标可靠度指标的几点认识： 根据统计，触电的年死亡率为610-6 b =3.7时，Pf=1.110-4，按设计基准期50年考虑，年失效概率为1.110-4/50=2.210-6 50年后并不是结构就失效，而是失效概率增加。同时，结构失效也并不表示结构倒塌，结构倒塌也不一定造成人员伤亡。 我国对于一般工程结构，当为延性破坏时，其可靠指标取b =3.2，对脆性破坏取b =3.7。 对于重要的工程结构，应提高可靠指标。,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3 结构设计方法,实用设计表达式,将直接应用于设计比较繁琐，实用方法是把反算出各种系数，分别与S、R相乘，即人为地扩大S，缩小R，从而使 具有一定可靠度，称为多系数法。,承载能力极限状态设计表达式,对由可变荷载效应控制的组合：,式中：Gk -永久荷载标准值（符号G表示永久荷载）； Q1k-最大的一个可变荷载的标准值（符号Q表示可变荷载）； Qik-其余可变荷载的标准值；,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3 结构设计方法, 不同的荷载，其变异情况不同。根据统计分析可以确定一个具 有一定保证率（如95%）的上限荷载分位值，该特征值称为荷 载标准值（符号Gk，Qik）。,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3 结构设计方法,G、Q1、Qi-永久荷载、可变荷载的分项系数； G Gk 、Q1 Q1k 、Qi Qik -分别为永久荷载、第一可变荷载、 其他可变荷载的设计值； CG、CQ1、Cqi-分别为永久荷载、第一可变荷载、其他可变荷 载的荷载效应系数； ci-可变荷载的组合值系数 (有多个可变荷载同时作用的情况， 考虑到它们同时达到标准值的可能性较小所做的一种折减）； 0-结构构件的重要性系数，与安全等级相对应。 一级：0=1.1； 二级：0=1.0； 三级：0=0.9,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3 结构设计方法,对由永久荷载效应控制的组合：,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3 结构设计方法,综合以上两个式：,或,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3 结构设计方法,其中：,Rk为结构抗力标准值,Sk为作用效应标准值,S为作用效应设计值，gS作用效应分项系数,R为结构抗力设计值，gR结构抗力分项系数,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3 结构设计方法,结构抗力标准值, 材料强度具有变异性。根据统计分析可以确定一个具有一定保 证率（如95%）的下限材料强度分位值，该特征值称为材料强度 标准值（符号fck，fsk）。,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3 结构设计方法,按正常使用极限状态设计，主要是验算构件的变形和抗裂度或裂缝宽度，其可靠度要求可适当降低，所有分项系数取1.0。,正常使用极限状态设计表达式,在正常使用状态下，可变荷载作用时间的长短对于变形和裂缝的大小有明显的影响。可变荷载的最大值并非长期作用于结构上，所以应按其在设计基准期内作用时间的长短和可变荷载超越总时间或超越次数，对其标准值进行折减。,采用一个小于1的准永久值系数和频遇值系数来考虑这种折减。,SC，其中C为结构或结构构件达到正常使用要求的规定限值，例如变形、裂缝和应力等的限值，应按各有关建筑结构设计规范的规定采用。,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3 结构设计方法,根据实际设计的需要，常须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的计算。,这样，可变荷载就有四种代表值：标准值、组合值、准永久值和频遇值。,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3 结构设计方法,荷载的标准组合,主要用于当一个极限状态被超越时将产生严重永久性损害的情况：,荷载的频遇组合,主要用于当一个极限状态被超越时将产生局部破坏、较大变形或短暂振动的情况：,其中f1 为可变荷载的频遇值系数。,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3 结构设计方法,荷载的准永久组合,主要用在当长期效应是决定性因素的情况：,其中qi为可变荷载的准永久值系数。,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3 结构设计方法,材料强度设计值,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3 结构设计方法,作业1 ： 已知某受弯构件在各种荷载引起的弯矩标准值、组合值系数c、准永久值系数q如下表所示：,若安全等级为二级，求按承载能力极限状态设计时的荷载效应M，正常使用极限状态下的荷载标准组合Ms和荷载准永久组合M l。,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3 结构设计方法,作业2 ： 一简支梁，跨度l=4m，受永久线均布荷载标准值qGK=8kN/m，受可变线均布荷载标准值qQK=6kN/m，跨中受可变集中荷载，其标准值Pk=10kN，无风荷载参加组合。该梁是重要的建筑构件，安全等级为一级。求该梁跨中截面的设计弯矩值。,混凝土结构理论、规范存在问题及修订建议,一、存在问题 1、安全储备不高且耐久性不足，难以满足可持续发展的需要。 2、对结构方案和内力分析重视不够，结构整体性的研究亟待加强。 3、缺乏有效的对在役结构正常使用、管理的标准规范。 4、发展系统科学的修复加固结构理论及设计方法。 5、结构材料强度偏低，约束混凝土、组合结构的研究及应用滞后。 6、各规范的协调趋同进展缓慢，统一的土木工程混凝土结构规范有待形成。,混凝土结构理论、规范存在问题及修订建议：,混凝土结构理论、规范存在问题及修订建议,7、规范体制和专利管理往往影响技术创新及工程应用。 8、许多设计急功近利水平不高，质量存疑。 9、人才培养及科研选题脱离实际且原创性不足，学术民主的氛围有待加强。,混凝土结构理论、规范存在问题及修订建议：,混凝土结构理论、规范存在问题及修订建议,二、修订建议 1、增加结构方案的内容，强调概念设计及结构整体性的重要。 2、增加有关结构基于性能设计的内容，强调个性化设计。 3、适当调整安全储备，降低使用状态的要求。 4、丰富完善混凝土结构耐久性设计的内容。 5、从结构整体可靠性的角度提出既有结构再设计的原则。 6、扩展结构分析的内容，加强内力计算方法的可操作性。 7、钢筋按强度及延性分级并界定用途。,混凝土结构理论、规范存在问题及修订建议：,混凝土结构理论、规范存在问题及修订建议,二、修订建议 8、推广高强高性能钢筋，限制低强低性能钢筋。 9、增加混凝土结构塑性设计的内容。 10、复杂结构的有限元分析以及试验辅助设计的应用。 11、应用多轴强度准则开发约束混凝土的潜力。 12、组合构件的开发和应用。 13、完善疲劳设计方法，补充钢筋疲劳应力幅限值。 14、纳入轻骨料混凝土构件设计的有关内容。 15、预应力混凝土构件设计方法的补充完善。,混凝土结构理论、规范存在问题