《混凝土结构设计原理》资料PPT课件.ppt

第二章混凝土结构基本设计原则 第二章混凝土结构基本设计原则 工程结构需要安全适用 经济合理 这只有技术先进才能实现 实际工程结构中存在多种不确定性 工程结构的基本设计原则就是研究各种不确定性问题 实现可靠性与经济性的最佳平衡 1 结构设计方法容许应力设计法破损阶段设计法极限状态设计法以概率论为基础的极限状态设计法 2 容许应力设计法 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 没有考虑结构功能的多样性要求 安全系数是凭经验确定的 缺乏科学依据 3 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 4 极限状态设计法 除要求对承载力极限状态进行设计外 还包括了挠度和裂缝宽度 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 5 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 6 一 作用的概念 使结构产生内力或变形的原因 分直接作用和间接作用两种 直接作用 是指施加在结构上的集中力或分布力 即荷载 间接作用 是指引起结构外加变形或约束变形的原因 混凝土收缩 温度变化 基础差异沉降 地震等 第二章混凝土结构基本设计原则 2 1极限状态和设计状况2 1 1结构上的作用 作用在结构上并使结构产生内力 如弯矩 剪力 轴向力 扭矩等 变形 裂缝等作用称为作用效应或荷载效应 荷载和荷载效应之间通常按某种关系相联系 7 第二章混凝土结构基本设计原则 8 第二章混凝土结构基本设计原则 三 荷载标准值是荷载的基本代表值 为设计基准期内最大荷载概率分布的某个分位值 1 永久荷载标准值 按设计尺寸与材料重力密度的乘积计算 一般相当于设计基准期内最大荷载概率分布的0 5分位值 2 可变荷载标准值 为设计基准期内最大荷载概率分布的某个分位值 对于建筑结构 查荷载规范GB50009 对于道桥结构 查公路桥涵设计通用规范JTGD60 9 3 1结构的功能 2 1 2结构的功能 包括安全性 适应性和耐久性 一 结构的安全等级 第二章混凝土结构基本设计原则 根据结构破坏后果的影响程度分为三级 建筑结构的安全等级 10 3 1结构的功能 第二章混凝土结构基本设计原则 桥梁结构的安全等级 11 第二章混凝土结构基本设计原则 1 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进行大修即可按其预定目的使用的时期 2 结构的设计使用年限不同于实际寿命和设计基准期 二 结构的设计使用年限和设计基准期 建筑结构设计使用年限分类 12 3 设计基准期 指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 建筑结构的设计基准期为50年 桥梁结构的设计基准期为100年 第二章混凝土结构基本设计原则 13 3 1结构的功能 三 结构的功能 包括安全性 适应性和耐久性 1 安全性结构在设计规定的使用年限内 能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用 在设计规定的偶然事件发生时及发生后 仍能保持必需的整体稳定性 第二章混凝土结构基本设计原则 设计使用年限 一般为50年 各种作用 指荷载 外加变形和约束变形 如温度和收缩变形受到约束时 偶然事件 如地震 爆炸 火灾 撞击等 整体稳定性 指建筑结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌 14 3 1结构的功能 结构在设计规定的使用年限内 在正常使用时具有良好的工作性能 良好的工作性能 指不发生影响正常使用的过大的变形 振动 或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度等 第二章混凝土结构基本设计原则 2 适用性 3 耐久性结构在设计规定的使用年限内 在正常维护下具有足够的耐久性能 耐久性能 指在各种因素 混凝土碳化 钢筋锈蚀等 的影响下 结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低 而降低使用寿命 15 3 2极限状态 第二章混凝土结构基本设计原则 16 1 概念 承载能力极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载力或不适于继续承载的变形 安全性 3 2极限状态 第二章混凝土结构基本设计原则 1 承载能力极限状态UltimateLimitState 2 标志 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡 如倾覆 滑移 结构构件或连接因超过材料强度而破坏 包括疲劳破坏 或因过度变形而不适于继续承载 结构转变为机动体系 超静定结构中出现足够多塑性铰 结构或结构构件丧失稳定 如细长受压构件的压曲失稳 地基丧失承载能力而破坏 17 3 2极限状态 2 标志 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 包括裂缝 钢筋锈蚀 漏水等 影响正常使用的振动 影响正常使用的其他特定状态 第二章混凝土结构基本设计原则 2 正常使用极限状态ServiceabilityLimitState 1 概念 正常使用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 对应于结构的适应性和耐久性 18 第二章混凝土结构基本设计原则 2 1 4极限状态方程 19 3 4结构设计方法 第二章混凝土结构基本设计原则 二 极限状态方程 Z 0即R S 0 20 第二章混凝土结构基本设计原则 2 1 5工程结构的设计状况 一 持久状况 在结构使用过程中一定出现 且持续期与使用期为同一数量级的状况 应进行承载能力 正常使用极限状态的设计 二 短暂状况 在结构施工和使用过程中出现概率较大 而持续期较短的状况 一般只进行承载能力极限状态计算 必要时才做正常使用极限状态计算 三 偶然状况 在结构使用过程中出现概率很小 且持续期很短的状况 只进行承载能力极限状态计算 不必考虑正常使用极限状态计算 21 3 1结构的功能 一 可靠性结构在设计规定的使用年限内 在规定的条件下 正常设计 正常施工 正常使用和维护 完成预定功能 安全性 适用性和耐久性 的能力 即是安全性 适用性和耐久性的总称 第二章混凝土结构基本设计原则 2 2 1结构的可靠度 2 2按近似概率的极限状态设计法 22 2019 12 27 23 一 R和S的概率密度曲线 正态分布 可见 在多数情况下 R S 但在重叠区 阴影段内 仍有可能出现RS是不可能的 2 2 2可靠指标与失效概率 第二章混凝土结构基本设计原则 24 二 Z的概率密度曲线 失效概率 可靠指标 第二章混凝土结构基本设计原则 失效概率 可见 Pf越小 越大 25 3 4结构设计方法 第二章混凝土结构基本设计原则 三 容许失效概率 四 失效概率pf与可靠指标 的关系 当Pf小于某个值时 人们不再担心 该失效概率称为容许失效概率 Pf 26 第二章混凝土结构基本设计原则 五 建筑结构的目标可靠指标 六 桥梁结构的目标可靠指标 27 第二章混凝土结构基本设计原则 2 3 2承载能力极限状态设计表达式 一 结构重要性系数 0 28 3 4结构设计方法 第二章混凝土结构基本设计原则 基本组合 由可变荷载效应控制 基本组合 由永久荷载效应控制 三 建规 承载能力极限状态的荷载效应组合设计值S 29 3 4结构设计方法 第二章混凝土结构基本设计原则 基本组合 四 桥规 承载能力极限状态的荷载效应组合设计值Sud 30 2 3 3正常使用极限状态设计表达式 3 4结构设计方法 第二章混凝土结构基本设计原则 一 建规正常使用极限状态设计表达式 S C 2 S 正常使用极限状态的荷载效应组合值 1 C 正常使用极限状态所规定的变形 裂缝宽度和应力等的限值 标准组合 31 3 4结构设计方法 第二章混凝土结构基本设计原则 分别为频遇值系数和准永久系数 具体查JTGD60第4 1 7 32 3 4结构设计方法 第二章混凝土结构基本设计原则 33 第二章混凝土结构基本设计原则 1 材料强度标准值根据材料强度概率分布的某个分位值确定 混凝土的分位值取0 05 即95 的保证率 钢筋的分位值取0 0227 即97 73 的保证率 2 材料强度设计值等于材料强度标准值除以材料分项系数 34 第二章混凝土结构基本设计原则 3 混凝土强度标准值 35 第二章混凝土结构基本设计原则 4 混凝土强度设计值 36 第二章混凝土结构基本设计原则 建规 桥规 5 钢筋强度标准值 设计值 37 3 4结构设计方法 第二章混凝土结构基本设计原则 1 荷载标准值 前面已讲 二 荷载 荷载也有实测值 标准值和设计值 2 荷载设计值 1 概念 等于荷载代表值与荷载分项系数的乘积 2 荷载分项系数取值 38 2 频遇值 结构上时而出现的较大作用值 但小于标准值 频遇值 频遇值系数 标准值 t T 0 1 1 组合值 当有两个或两个以上可变荷载同时作用时的代表值 组合值 组合值系数 标准值 第二章混凝土结构基本设计原则 39 第二章混凝土结构基本设计原则 建规 G Qi Ci的取值 桥规见JTGD62第4 1 6条 40 混凝土结构的耐久性设计 一 混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性是指结构对气候变化 化学腐蚀 物理作用或任何其他破坏过程的抵抗能力 由于混凝土的缺陷 如裂隙 孔道 气泡 空穴等 环境中的水及侵蚀性介质就可能渗入混凝土内部 产生碳化 冻融 锈蚀作用而影响结构的受力性能 并且结构在使用年限内还会受到各种机械物理 磨损 撞击等 及冲刷 溶蚀 生物侵蚀的作用 混凝土结构的耐久性问题表现为 混凝土损伤 裂缝 破碎 酥裂 磨损 溶蚀等 钢筋的锈蚀 脆化 疲劳 应力腐蚀 以及钢筋与混凝土之间黏结锚固作用的削弱等三个方面 从短期效果而言 这些问题影响结构的外观和使用功能 从长远看 则为降低结构安全度 成为发生事故的陷患 影响结构的使用寿命 41 二 影响混凝土结构耐久性的因素1 影响混凝土耐久性的因素 1 混凝土的碳化 2 化学侵蚀 3 碱集料反应 4 冻融破坏 5 温度变化的影响2 钢筋的腐蚀及其对结构耐久性的影响 42 小结 本章的主要内容1 结构的功能 安全性 适用性和耐久性