结构基本设计原则.ppt

第二章结构基本设计原则,主要内容：,1.了解结构上的作用、作用效应和结构抗力的概念及其随即特性；2.了解混凝土结构设计方法的理论基础可靠度理论；3.掌握我国规范的设计方法概率极限状态设计法。,2.1结构上的作用与结构抗力,2.1.1结构上的作用1.定义：施加在结构上的集中力或分布力，或引起结构外加变形或约束变形的原因，它分为直接作用和间接作用。,2.分类：,间接作用,直接作用,如结构自重、汽车荷载等。,引起结构外加变形和约束变形的原因。,作用,2.1.2作用效应结构对所受作用的反应，如：内力、应力、位移、应变、裂缝等，称为作用效应。,2.1.3结构抗力定义：结构抵抗作用效应的能力，称为结构抗力。它是结构材料性能和几何参数等的函数。,2.2.1作用（荷载）的分类按作用时间的长短和性质，荷载分为三类：1.永久作用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。2.可变作用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.偶然作用在结构设计基准期内不一定出现，一旦出现，其作用时间短、效应大的荷载。,2.2作用（荷载）,2.2.2作用（荷载）的代表值1.标准值是作用的基本代表值，是正常使用情况下可能出现的保证率为95%的偏大值。是永久作用的唯一代表值，可变作用的基本代表值。2.组合值当有两个或两个以上可变作用同时出现时的代表值。组合值=标准值,3.频遇值可变作用中可能出现的较大值，但小于标准值。计算裂缝、变形时用。频遇值标准值频遇系数14.准永久值可变作用中较稳定的那一部分值。计算裂缝、变形时用。准永久值标准值准永久值系数2,21准永久值频遇值,公路桥涵设计时，对不同的作用应采用不同的代表值,（1）永久作用：采用标准值为代表值。,采用频遇值（短期效应组合设计时）,采用准永久值（长期效应组合设计时）,正常使用极限状态,承载能力极限状态：,采用标准值作为代表值,（按弹性阶段计算结构强度),（2）可变作用：,2.3材料强度指标的取值原则,结构承载力取决于截面尺寸大小和材料强度高低，材料强度分为标准值和设计值。,1、混凝土轴心抗压强度标准值与设计值,式中：混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值；对普通混凝土取0.76；对高强混凝土则大于0.76；混凝土结构设计规范对C50及以下取0.76；对C80取0.82，中间按线性规律变化混凝土脆性折减系数。对C40取1.0；对C80取0.87，其间按线性插入。,2、混凝土轴心抗拉强度标准值与设计值,式中：为混凝土立方体强度的变异系数，取值如下表。,3、钢筋的强度标准值和强度设计值（1）标准值对有明显流幅的热轧钢筋，钢筋的抗拉强度标准值采用国家标准中规定的屈服强度标准值对于无明显流幅的钢筋，如钢丝，钢绞线、热处理钢筋，根据国家标准中规定的极限抗拉强度值确定，取（为国家标准中规定的极限抗拉强度）作为设计取用的条件屈服强度（指相应于残余应变为0.2%时的钢筋应力）。,（2）分项系数HPB235、HRB335、HRB400的材料分项系数取1.10；对钢绞线、钢丝和热处理钢筋的材料分项系数取1.20。（3）设计值将钢筋的强度标准值除以相应的材料分项系数1.2或1.25，则得到钢筋抗拉强度的设计值。,2.4.1结构可靠性与可靠度功能,结构的功能安全性结构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。如（MMu）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。,2.4极限状态,适用性如（ff）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。耐久性如（wmaxwmax）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。,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，在规定的条件下，完成预定结构功能的能力。可靠度可靠性的数量描述。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。,规定时间（设计基准期）设计基准期进行结构可靠性分析时，考虑持久设计状况下各项变量与时间关系所采用的基准时间参数。,概念的释义,一般桥梁结构的设计基准期为100年建筑结构的设计基准期为50年,规定条件：正常施工、设计、使用，不考虑人为过失,结构的设计基准期与结构使用寿命有什么异同？,？,结构的设计基准期与使用寿命,设计基准期考虑持久设计状况下各项基本变量与时间关系所采用的基准时间参数。使用寿命为结构或构件在正常维护条件下，不需要大修即可按其设计规定的目的正常使用的时间。结构的使用年限超过设计基准期时，表明它的失效概率可能会增大，不能保证其目标可靠指标，但不等于结构丧失所有要求功能甚至报废，通常使用寿命大于设计基准期。,2.4.2结构可靠度与极限状态,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”1、极限状态：当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态而不能满足设计规定的某一功能要求时，则此特定状态称为该结构的极限状态。,正常使用极限状态,承载能力极限状态,极限状态,2、极限状态的分类,欧洲混凝土协会,国际预应力混凝土协会,国际标准化组织,我国的可靠度标准、各种规范,承载能力极限状态对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形或变位的状态。超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求。,承载能力极限状态,结构构件或连接处因超过材料强度而破坏,结构转变成机动体系,整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（滑动、倒塌）,结构或结构构件丧失稳定（柱的压曲失稳）,正常使用极限状态对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。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。,影响正常使用或外观的变形,影响正常使用或耐久性能的局部损坏,影响正常使用的振动,影响正常使用的其它特定状态,正常使用极限状态,2.4.3极限状态方程,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,),结构力学的主要内容,本课程的主要内容,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-SR2(失效),S1R1（可靠）,2.5我国公路桥涵设计规范(JTGD62-2004)的计算原则,2.5.1三种设计状况：1、持久状况：桥涵建成后承受自重、车辆荷载等作用持续时间很长的状况。该状况是指桥梁的使用阶段。进行承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计。2、短暂状况：桥涵施工过程中承受临时性作用（或荷载）的状况，该状况对应的是桥梁的施工阶段，一般只进行承载能力极限状态设计，必要时才做正常使用极限状态的设计。3、偶然状况：在桥涵使用过程中偶然出现的状况。（可能遇到地震等作用的状况。只进行承载能力极限状态设计，不必考虑正常使用极限状态的设计。,2.5.2公路桥涵结构的安全等级,根据桥涵结构破坏所产生的后果的严重程度，可分为：一级、二级、三级。,2.5我国公路桥涵设计规范(JTGD62-2004)的计算原则,1、设计原则：作用效应最不利组合(基本组合)设计值必须小于或等于结构抗力的设计值。,2.5.3承载能力极限状态状态计算表达式,2、基本表达式:,2.5.4持久状况正常使用极限状态计算表达式,2、极限状态设计表达式:,1、设计原则:是以结构弹性理论或弹塑性理论为基础,采用作用的短期效应组合、长期效应组合或短期效应组合并考虑长期效应组合的影响，对构件的抗裂、裂缝宽度和挠度进行验算，并使各项计算值不超过公路桥规规定的各项限值。,2.5.5持久、短暂状况应力设计表达式,1、设计原则:(1)对钢筋混凝土和预应力混凝土受力构件按短暂状况设计时计算其在制作、运输及安装等施工阶段由自重、施工荷载产生的应力，并不超过限值。（2）按持久状况设计预应力混凝土受弯构件，应计算其使用阶段的应力，并不超过限值。,2、极限状态设计表达式,式中：S：作用(或荷载)标准值(其中汽车荷载应考虑冲击系数)产生的效应(应力);当有组合时不考虑荷载组合系数。C2：结构的功能限值（应力）,三、作用效应组合,1、承载能力极限状态设计时作用效应组合：,2、正常使用极限状态设计时作用组合:,（1）作用短期效应组合：永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相组合，其表达式为:,作用短期效应组合设计值；第j个可变作用效应的频遇值系数。汽车荷载（不计冲击力）0.7，人群荷载1.0，风荷载0.75，温度梯度作用0.8，其他作用1.0；第j个可变作用效应的频遇值。,2、正常使用极限状态设计时作用组合:,（2）作用长期效应组合：永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应相组合，其表达式为:,作用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。汽车荷载（不计冲击力）0.4，人群荷载0.4，风荷载0.75，温度梯度作用0.8，其他作用1.