溷凝土结构设计的基本原则.ppt

2019/11/23,CH3DesignMethodofConcreteStructures,2019/11/23,本章重点Emphasis,理解结构上的作用、作用效应和结构抗力的概念及其随机特性；,了解混凝土结构设计方法的理论基础可靠度理论；,掌握我国规范的设计方法概率极限状态设计法。,2019/11/23,1.混凝土结构定义与分类ConceptandClassificationofStructure,结构Structure：由不同受力构件组成的承受各种外部作用的骨架,按空间位置和力的传递关系分为：水平承重结构Horizontalbearingstructure竖向承重结构Verticalbearingstructure地下承重结构Undergroundbearingstructure,一、结构的预定功能及可靠性,2019/11/23,2.结构上的作用、作用效应和结构抗力Action,actioneffectandresistance,作用Action,直接作用Directaction,间接作用Indirectaction,:指施加在结构上的荷载，如恒荷载、风荷载等,:指引起结构外加变形和约束变形的其它作用如地基沉降、温度变化、混凝土收缩等。,作用的分类,结构的反应特点分,静态作用Staticaction:使结构产生的加速度可以忽略不计的作用，如自重楼面人群、家具荷载，雪荷载等,动态作用Dynamicaction:使结构产生的加速度不可忽略的作用，如地震、吊车荷载、设备振动、高层风荷载等,一、结构的预定功能及可靠性,2019/11/23,一、结构的预定功能及可靠性,按时间变异性分,永久作用Permanentaction:在结构使用期间，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计，如自重、土压力、预压应力等,可变作用Variableaction：在结构使用期间,其值随时间变化且其变化与平均值相比不可忽略，如楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等,偶然作用Accidentalaction:在结构使用期间不一定出现，而一旦出现，其量值很大且持续时间很短的作用，如地震、爆炸、冲击等,按空间位置的变异性分,固定作用Fixedaction：在结构上具有固定的分布，如自重、固定设备荷载等,可动作用Movableaction:在结构上一定范围内可任意分布的作用，如人群荷载、吊车荷载,2019/11/23,作用效应和结构抗力Actioneffectandstructuralresistance,一、结构的预定功能及可靠性,2019/11/23,3.结构设计中的不确定性,a.恒载g与构件尺寸、材料容重等有关b.活载q的数值是随时在变化的c.计算跨度l的不准确,a.材料强度fy和fc的离散b.截面尺寸h0和b的施工误差,不一定安全（可靠）!,虽设计保证,一、结构的预定功能及可靠性,随机变量,2019/11/23,一、结构的预定功能及可靠性,2019/11/23,一、结构的预定功能及可靠性,结构设计的目的：在一定的经济条件下，使结构在预定的使用期限内能满足设计所预期的各种功能要求，包括安全性、适用性和耐久性。Safety,Serviceability,Durability,4.结构的功能要求FunctionalRequirementsofStructure,安全性Safety结构在正常设计、施工、使用情况下能承受可能出现的各种直接作用和间接作用，如施加的荷载、外加变形、约束变形;在偶然事件（如地震、校核洪水位等）发生时和发生后，结构仍能保持必需的承载力和稳定性，不致发生结构的连续倒塌而造成生命财产的严重损失；发生火灾时，在规定的时间内可保持足够承载力。,适用性Serviceability结构在正常使用荷载作用下具有良好的工作性。如不产生影响使用的过大变形或振幅，不发生足以让使用者感到不安的过宽的裂缝等。,耐久性Durability结构在正常使用、维护条件下应有足够的耐久性。完好使用到设计规定的年限。如，混凝土不发生严重风化、腐蚀、脱落，钢筋不发生锈蚀等。,2019/11/23,一、结构的预定功能及可靠性,5.结构的可靠性与安全等级Reliabilityofstructureandsafetygrade,可靠性Reliability：结构或构件在规定的时间内，规定的条件下完成预定功能的能力。,设计使用年限DesignWorkingLife:是设计规定的结构或构件不需进行大修就能按预期目的使用、完成预定功能的时期，即结构在规定的条件下所应达到的使用年限。设计使用年限并不等同于结构实际寿命和耐久年限。,设计基准期designreferenceperiod:为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数。,2019/11/23,可靠性Reliability：指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。,可靠度DegreeofReliability：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。,一、结构的预定功能及可靠性,2019/11/23,一、结构的预定功能及可靠性,可靠性与经济性相协调,根据破坏后果的严重性，将建筑物划分为三个安全等级SafetyGrade,2019/11/23,二、结构的极限状态,1.极限状态定义与分类ConceptandClassificationofLimitState,承载能力极限状态：结构或构件达到最大承载能力或不适于承载的过大变形。,若整个结构或结构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，此状态即为该功能的极限状态。承载能力极限状态LimitStateofcarryingcapacity正常使用极限状态LimitStateofserviceability,正常使用极限状态：结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定的限值。,（6）结构因局部破坏而发生连续倒塌,2019/11/23,结构的极限状态(limitstate),二、结构的极限状态,LimitState,LimitStateofcarryingcapacity,LimitStateofserviceability,Durability,Serviceability,Safety,2019/11/23,偶然状况Accidentalsituation,短暂状况Short-timesituation,建筑结构设计时，应根据结构在施工和使用中的环境条件和影响，区分下列三种设计状况：,持久状况Long-timesituation,在结构使用过程中一定出现，持续时间较长的状况,在结构施工和使用过程中出现概率较大，而与设计使用年限相比持续时间很短的状况,在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的状况,均应进行承载能力极限状态设计；对持久状况，尚应进行正常使用极限状态设计；对短暂状况，可根据需要进行正常使用极限状态设计；对偶然状况，可不进行正常使用极限状态设计,2.结构的设计状况DesignStateofStructure,四、极限状态设计表达式,2019/11/23,3、结构的功能函数和极限状态方程PerformanceFunctionandLimitStateEquation,结构构件的工作状态可用包括各有关变量在内的结构功能函数来表达。,极限状态方程limitstateequation,当功能函数中仅包括作用效应和结构抗力两个基本变量时，可得,功能函数performancefunction,二、结构的极限状态方程和可靠度,2019/11/23,三、概率极限状态设计法,1.结构可靠度和失效概率DegreeofReliabilityandFailureProbability,作用效应和结构抗力均为随机的，结构满足或不满足其功能要求的事件也是随机的。,2019/11/23,-均值：表示随机变量取值的集中位置,-标准差：表示随机变量的离散程度,-变异系数：反映相对离散程度,概率知识,三、概率极限状态设计法,2019/11/23,由于作用效应S和结构抗力R都是随机变量，要绝对保证R总是大于S是不可能的。,三、概率极限状态设计法,2019/11/23,当结构功能函数中仅有两个独立的随机变量和，且都服从正态分布(Normaldistribution)时，功能函数的概率密度曲线如图所示。,probabilitydensitydistributioncurve,结构的失效概率可直接通过的概率（图中阴影面积）来表达，即,三、概率极限状态设计法,2019/11/23,2.结构的可靠指标ReliabilityIndex,假设R、S相互独立，均服从正态分布，则,R、S的统计规律不充分，Pf不易计算，用可靠指标代替,均值越大，越大，结构越可靠；标准差越小，越大，结构越可靠,三、概率极限状态设计法,2019/11/23,设计规范所规定的、作为设计结构或结构构件时所应达到的可靠指标，称为设计可靠指标，又称为目标可靠指标。,3、目标可靠指标,按正常使用极限状态设计时的可靠指标（取01.5）远低于按承载能力极限状态设计时的可靠指标。,三、概率极限状态设计法,ObjectReliabilityIndex,2019/11/23,将极限状态方程转化为以基本变量（荷载和材料强度）代表值和相应的分项系数来表示的设计表达式即可满足目标可靠指标。,四、极限状态设计表达式,过于繁琐,实用设计表达式,Representativevalue,Partialfactors,+,2019/11/23,以基本变量的代表值和分项系数表达的概率极限状态设计表达式,荷载标准值可由设计基准期最大荷载概率分布的某一分位值确定。,荷载标准值Characteristicvalueofload荷载基本代表值,荷载是随机变量，任何一种荷载都具有程度不同的变异性。,永久荷载标准值standardpermanentloadvalue:按结构设计规定的尺寸和材料容重确定。,Gk,可变荷载标准值standardvariableloadvalue,Qk,楼面：2KN/m2屋面：不上人0.5KN/m2上人2.0KN/m2屋顶花园3.0KN/m2,四、极限状态设计表达式,1.荷载代表值：标准值、设计值、准永久值和组合值等RepresentativevalueofLoads:Characteristicvalue,Designvalue,Quasi-permanentvalues,Combinationvalue,2019/11/23,四、极限状态设计表达式,荷载设计值(Designvalue)与荷载分项系数(partialcoefficient),在承载能力极限状态(Limitstateofcarryingcapacity)设计中，为充分考虑荷载的离散性及计算内力时进行简化所带来的不利影响，需对荷载标准值乘以一个大于1.0的系数，称为荷载分项系数(partialcoefficientofloads)。,设计时，查得荷载标准值(Characteristicvalueofloads)，并乘以荷载分项系数(partialcoefficientofloads)作为设计的荷载取值（荷载的设计值Designvalueofloads），进行内力计算和截面设计。,荷载设计值荷载标准值荷载分项系数,2019/11/23,在正常使用极限状态(Limitstateofserviceability)计算中，要考虑荷载长期效应(long-termeffect)的影响。可变荷载(variableloads)时有时无，时大时小，但若达到或超过某一值的可变荷载出现次数较多、持续时间较长，以致其累计的总持续时间与整个设计基准期的比值已达到一定值（一般取为0.5），则该值便称为荷载准永久值(Quasi-permanentvaluesofloads)。,荷载的准永久值(Quasi-permanentvaluesofloads),四、极限状态设计表达式,可变荷载的准永久值记为，为准永久值系数，小于等于1.0。,荷载的频遇值(Frequentvalueofloads),可变荷载的频遇值：在设计基准期内，超越时间为较小比率或超越频率为规定频率的荷载值，即为结构上较频繁出现且量值较大的荷载值，记为，为频遇值系数。,2019/11/23,四、极限状态设计表达式,可变荷载的标准值可能出现的最大值,可变荷载的频遇值时而达到的最大值,可变荷载的准永久值经常达到的最大值,荷载的组合值(Combinationvalueofvariableloads),可变荷载的组合值记为，是当结构承受两种或两种以上可变荷载时，设计采用的一种可变荷载代表值，为荷载组合系数。,2019/11/23,强度标准值,四、极限状态设计表达式,2.材料强度的取值,：标准值和设计值StandardStrengthandDesignStrength,材料强度标准值应根据符合规定质量的材料强度的概率分布的某一分位值确定。一般取具有95保证率的材料强度值。,材料强度基本代表值,2019/11/23,为充分考虑材料的离散性和施工中不可避免的偏差所带来的不利影响，将强度标准值除以一个大于1.0的系数，这个系数称为材料分项系数，得到的强度即为强度设计值。,四、极限状态设计表达式,强度设计值DesignStrength,2019/11/23,计算荷载效应S时，取足够大的荷载值，多种荷载同时作用时考虑荷载的合理组合；,在计算结构的抗力R时，取足够低的强度指标；,对安全等级不同的建筑结构，采用一个重要性系数(CofficientofStructuralimportance)进行调整。,四、极限状态设计表达式,3.承载能力极限状态设计表达式ApplicableExpressionofUltimateState,2019/11/23,四、极限状态设计表达式,0结构构件的重要性系数。安全等级为一级，不小于1.1，二级，不小于1，三级，不小于0.9。,S承载能力极限状态的荷载效应（内力）组合的设计值。,R结构构件的承载力设计值。,fs、fc钢筋、混凝土的强度设计值。,ak几何参数的标准值。,结构构件的抗力模型不定性系数：静力取1.0，不确定较大时取大于1.0,2019/11/23,G永久荷载分项系数，当荷载对承载力不利时对由可变荷载效应控制的组合取1.2，对由永久荷载控制的组合取1.35；有利时，不应大于1.0。,Q1、Qi第一个和第i个可变荷载分项系数，当荷载对承载力不利时取1.4；有利时，取0。,SQik第i个可变荷载标准值的效应。,SQ1k在基本组合中其控制作用的一个可变荷载标准值的效应。,SQik第i个可变荷载的组合系数，不应大于1.0；可从荷载规范中查出。,四、极限状态设计表达式,荷载效应组合Combinationofloadeffect,基本组合Fundamentalcombination,SGk永久荷载标准值的效应。,由可变荷载控制的组合,SP预应力作用有关代表值效应。,P预应力作用的分项系数，对结构有利，取1.0，不利取1.2。,L关于结构设计使用年限的荷载调整系数，按表3.1取用。,2019/11/23,四、极限状态设计表达式,荷载效应组合Combinationofloadeffect,荷载效应组合的设计值S：偶然作用的代表值不乘分项系数；与偶然作用同时出现的可变荷载，应根据观测资料和工程经验采用适当的代表值。结构构件重要性系数0不小于1.0。,偶然作用,抗力R：混凝土、钢筋强度设计值改用强度标准值，当进行结构防连续倒塌验算时，混凝土强度取强度标准值fck，钢筋强度取极限强度标准值fstk；几何参数标准值宜考虑偶然作用下结构倒塌对结构几何参数影响。,2019/11/23,C结构构件达到正常使用要求所规定的限值。,达到或超过正常使用极限状态的危害较承载力不足小，可降低要求：对于荷载与材料强度均采用标准值（不需乘荷载分项系数或除材料分项系数），也不再考虑结构的重要性系数。,四、极限状态设计表达式,4.正常使用极限状态设计表达式ApplicableExpressionofLimitstateofServiceability,验算构件的变形、抗裂度或裂缝宽度。,S正常使用极限状态的荷载效应（变形、裂缝和应力等）组合值。,2019/11/23,标准组合CharacteristicCombination,频遇组合FrequentCombination,准永久组合Quasi-permanentCombination,短期荷载效应组合（不可逆正常使用极限状态）,长期荷载效应组合,可变荷载准永久值系数,可变荷载的频遇值系数,四、极限状态设计表达式,荷载效应组合,（可逆正常使用极限状态）,2019/11/23,正常使用极限状态验算规定:,抗裂验算时，应按荷载效应标准组合进行计算，其计算值