结构设计原理 极限状态设计原则.ppt

1 教学目的和要求 1 掌握结构的功能 极限状态 作用效应 结构抗力 可靠度等基本概念 2 掌握作用 荷载 结构抗力的取值 3 掌握荷载分项系数 可变荷载组合系数 结构重要性系数 混凝土和钢材的材料分项系数的取值 4 掌握承载能力和正常使用极限状态的实用设计表达式 2 教学内容 1 结构可靠度理论和极限状态设计法 2 结构设计内容 3 教学重点与难点 1 重点 结构的功能要求 极限状态 混凝土结构设计方法 结构上的作用 作用效应和结构的抗力 极限状态实用设计表达式 2 难点 极限状态方程 结构的可靠度 失效概率 可靠度指标和目标可靠度指标 大纲及要求 2 1 1建筑结构的功能要求1 Safety安全性 建筑结构在其设计使用年限内应能够承受可能出现的各种作用 荷载 外加变形 约束变形等的作用 2 Serviceability适用性 建筑结构在其设计使用年限内应能满足预定的使用要求 有良好的工作性能 其变形 裂缝或振动等性能均不超过规定的限度等 3 Durability耐久性 建筑结构在其设计使用年限内应有足够的耐久性 例如不发生由于混凝土保护层碳化导致钢筋的锈蚀 保护层太薄 裂缝不得过宽而引起钢筋锈蚀等 CHAPTER2结构按极限状态法设计计算的原则 2 1IntroductiontotheLimitStateDesign 概率极限状态设计法的基本概念 4 Integralstability 整体稳定性 在地震等偶然事件发生时 结构应能保持必要的整体稳定性 Theaboverequirementsaregenerallyreferredtoas reliabilityofstructure 结构的安全性 适用性 耐久性和整体稳定性统称为结构的可靠性 可靠度是可靠性的数量描述 是指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 设计基准期 结构设计时以及对与时间有关的材料性能取值时所采用的时间参数 我国公路桥梁结构设计基准期为100年 2 1 2LimitStateofStructure 结构的极限状态 结构能满足各项功能要求而良好的工作 称为结构处于 reliablestate 可靠状态 反之则称结构处于 failurestate 失效状态 分界状态称为 limitstate 极限状态 当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态不能满足某项功能要求时 则称该特定状态为该功能的极限状态 1 Limitstateofloadcarryingcapacity Ultimatelimitstate 承载能力极限状态 极限状态 指结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形 1 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡 如雨篷压重不足而倾覆 烟囱抗风不足而倾倒 挡土墙抗滑不足在土压力作用下而整体滑移等 2 结构构件或其连接因超过材料强度而破坏 包括疲劳破坏 如轴心受压构件中混凝土达到了轴心抗压强度 构件的钢筋因锚固长度不足而被拔出等 或因变形过大而不适于继续承受荷载 3 结构转变为机动体系 如构件发生三铰共线而形成机动体系 丧失承载能力 4 结构或构件丧失稳定 如细长柱到达临界荷载后压屈失稳而破坏 2 Serviceabilitylimitstate 正常使用极限状态 指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 1 影响正常使用或外观的变形 如吊车梁变形过大导致吊车不能正常行驶 梁挠度过大影响外观等 2 影响正常使用或耐久性能的局部损坏 如水池池壁开裂漏水不能正常使用 如裂缝过宽导致钢筋锈蚀等 3 影响正常使用的振动 如由于机器振动而导致结构的振幅超过按正常使用要求所规定的限位等 4 影响正常使用的其它特定状态 如相对沉降量过大等 3 破坏 安全极限状态 即条件极限状态 2 1 3结构的失效概率与可靠指标 1 Action 作用 施加在结构上的集中力或分布力 直接作用 directaction 也称为荷载load 和引起结构外加变形或约束变形的原因 间接作用 temperaturechange unevensettlementoffoundatio shrinkageofmaterial etc 2 ActionEffect 作用效应 S 由于直接作用或间接作用作用于结构构件上 在结构内产生的内力 internalforces 和变形 如 axialforce bendingmoment shearingforce deformation deflection crack 3 StructuralResistance 结构抗力 结构或结构构件承受内力和变形的能力 如构件的承载能力 刚度等 结构上的作用 作用效应 结构抗力均是随机变量 R R f a 作用效应和结构抗力的不确定性 When structurereliable 结构可靠 When structurefailure 结构失效 When limitstate 极限状态 4 结构功能函数 Whereiscalledthelimitstatefunctionorperformancefunction 结构功能函数 Equationiscalledthelimitstateequation 结构的极限状态方程 Tobereliable astructurehastobedesignedsatisfying 理论上 没有绝对可靠的结构 结构设计的目的就是使结构失效的概率足够小 5 SomeFundamentalConceptofStatistics 数理统计基本概念 1 Probability 概率 P 1certainevent P 0impossibleevent 2 ArithmeticMean 算术平均值 3 4 Thearithmeticmeanhasthepropertythatthealgebraicsumofthedeviations ofeachnumberfromthearithmeticmean is0 thus 3 5 3 StandardDeviationandCoefficientofVariation 标准差和离散系数 变异系数 1 StandardDeviation 标准差 Standarddeviationindicatesthedegreeofconsistencyofthedata 标准差是衡量随机变量离散程度的特征值 2 CoefficientofVariation 离散系数 变异系数 Inordertocomparethedegreeofconsistencyofdifferentgroupsofdata acoefficientofvariation 离散系数 变异系数 isintroducedwhichisdefinedas isdimensionlessandisusuallyexpressedasapercentage 无量纲参数 通常用百分数来表示 4 NormalDistribution 正态分布 正态分布曲线方程 正态分布曲线的特征 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Z 0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mZ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 见表2 2 目标可靠指标 2 2我国路桥规范的计算原则 但是由于统计资料不够完善 设计过程很繁琐 目前采用的是近似概率极限状态设计法 理论上 如果知道作用效应S和结构抗力R的分布函数和有关的统计特征值 就可以根据目标可靠指标来进行设计 2 2 1三种设计状况持久状况 短暂状况 偶然状况 2 2 2承载能力极限状态计算表达式 2 2 3持久状况正常使用极限状态计算表达式 公路桥涵结构的设计计算 除了进行上述计算外 还按照公路桥梁的结构受力特点和设计习惯 要求构件按短暂状况设计来计算由自重 施工荷载产生的应力 并不应超过限值 对于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 并不应超过限值 采用的极限状态设计表达式为 2 3材料强度的取值 公路桥规 对材料强度的取值采用了标准值和设计值 1 材料强度的标准值是设计时采用的材料强度的基本代表值 2 材料强度的设计值 3 混凝土强度标准值和强度设计值 4 钢筋强度标准值和强度设计值 2 4作用 作用的代表值和作用效应组合 1 公路桥涵结构上的作用分类 按时间的变异分布 永久作用 可变作用 偶然作用 2 作用的代表值 1 作用的标准值 作用的标准值是结构或构件设计时 采用的各种作用的基本代表值其值的确定 可根据作用在设计基准期内最大概率分布的某一分值确定 资料不充分时 依据工程经验 分析后确定 永久作用 用标准值作为代表值 可变作用 承载能力极限状态设计及按弹性阶段计算结构应力时采用标准值作为代表值 2 可变作用频遇值 指结构上较频繁出现的且量值较大的作用取值 正常使用极限状态短期效应组合设计时 用频遇值作为可变作用的代表值 可变作用频遇值 3 可变作用准永久值 指设计基准期内