第二讲钢结构.doc

本文由白成银贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 钢筋砼结构设计计算原理 结构设计的极限状态 结构按极限状态设计的基本概念 荷载的标准值 材料强度的标准 实用表达式 （一）结构设计的极限状态 结构的功能要求： 安全性 安全性。 适用性 适用性。 耐久性 耐久性。 结构的功能要求： (1)安全性。(2)适用性。 (3)耐久性。 安全性 结构在正常施工和使用情况下能承受可能出现的各种荷载和变形 。 在偶然事件（如校核洪水位、地震）发生时和发生后，结构应能保持 在偶然事件（如校核洪水位、地震）发生时和发生后， 整体承载力和稳定性。 整体承载力和稳定性。 适用性 结构在正常使用荷载下，具有良好的工作性能。如不发生影响正常使 结构在正常使用荷载下，具有良好的工作性能。 用的过大的变形（挠度、侧移）、振幅，或产生过大的裂缝宽度。 用的过大的变形（挠度、侧移）、振幅，或产生过大的裂缝宽度。 ）、振幅 耐久性 结构的承载力和刚度不应随时间有过大的减小，导致结构在其预定 结构的承载力和刚度不应随时间有过大的减小， 使用期间内降低安全性和适用性，缩短使用寿命。 使用期间内降低安全性和适用性，缩短使用寿命。 （一）结构设计的极限状态 结构设计要保证其可靠性 可靠性。 可靠性 可靠性安全性 适用性 耐久性 安全性、适用性 耐久性的总称。 安全性 适用性和耐久性 结构可靠性越高，建设造价投资越大。 结构可靠性越高，建设造价投资越大。 在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计方法要 解决的问题。 结构的可靠度：是指结构在规定的时间内（ 结构的可靠度：是指结构在规定的时间内（我国规定 50年），在规定的条件下（如正常的设计、施工、使用和维 年），在规定的条件下（如正常的设计、施工、 在规定的条件下 设计 ），完成预定功能要求的概率。 完成预定功能要求的概率 修），完成预定功能要求的概率。 （一）结构设计的极限状态 1）结构极限状态的定义 ） 结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计 结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计 某一特定状态 该功能的极限状态。 规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态 规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。 结构能够满足功能要求且能良好地工作，则结构是“ 结构能够满足功能要求且能良好地工作，则结构是“可 有效” 反之，则结构为“不可靠” 靠”或“有效”的。反之，则结构为“不可靠”或“失 效”。 结构“可靠” 失效” 临界状态称为 极限状态” 称为“ 结构“可靠”与“失效”的临界状态称为“极限状态”。 设计 设 承载能力极限状态 计 2）极限状态的分类 ） 校核 程 正常使用极限状态 序 承载能力极限状态 超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性要求。 超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性要求。 安全性要求 结构或结构的一部分丧失结构稳定； 结构或结构的一部分丧失结构稳定； （如细长受压构件的压曲失稳） 如细长受压构件的压曲失稳） 结构形成机动体系而丧失承载能力； 结构形成机动体系而丧失承载能力； （超静定结构中出现足够多塑性铰) 超静定结构中出现足够多塑性铰) 结构发生滑移、上浮或倾覆等不稳定情况； 结构发生滑移、上浮或倾覆等不稳定情况； 构件的截面因强度不足而发生破坏； 构件的截面因强度不足而发生破坏； （包括疲劳破坏） 包括疲劳破坏） 结构或构件产生过大的塑性变形而不适于继续承载。 结构或构件产生过大的塑性变形而不适于继续承载。 （一）结构设计的极限状态 （一）结构设计的极限状态 （一）结构设计的极限状态 （一）结构设计的极限状态 正常使用极限状态 超过该极限状态，结构就不满足预定的适用性和耐久性要求。 超过该极限状态，结构就不满足预定的适用性和耐久性要求。 适用性 要求 产生过大的变形，影响正常使用和外观； 产生过大的变形，影响正常使用和外观； （不安全感、不能正常使用等） 不安全感、不能正常使用等） 产生过宽的裂缝， 产生过宽的裂缝，对耐久性有影响或者产生人们心理上 不能接受的感觉； 不能接受的感觉； （钢筋锈蚀、不安全感、漏水等） 钢筋锈蚀、不安全感、漏水等） 产生过大的振动影响使用。 产生过大的振动影响使用。 结构设计首先要满足承载能力的要求，以保证结构安全使用； 结构设计首先要满足承载能力的要求，以保证结构安全使用； 承载能力的要求 然后按正常使用极限状态进行校核 以保结构的适用性及耐久性。 极限状态进行校核， 然后按正常使用极限状态进行校核，以保结构的适用性及耐久性。 （二）概率极限状态设计法的基本概念 2.1 作用效应及结构抗力 1.结构的作用：使结构产生内力和变形的所有原因。 结构的作用：使结构产生内力和变形的所有原因。 结构的作用 分类：直接作用、 分类：直接作用、间接作用 2. 作用效应“S” 作用效应“ 是指在各种作用因素的作用下， 是指在各种作用因素的作用下，于结构构件内所产生的 内力和变形( 轴力、弯矩、扭矩、挠度、裂缝等 内力和变形(如轴力、弯矩、扭矩、挠度、裂缝等) 。 3. 结构抗力“R” 结构抗力“ 是指整个结构或构件承受内力和变形的能力(如构件的承 是指整个结构或构件承受内力和变形的能力(如构件的承 载能力、抗裂度和刚度等 载能力、抗裂度和刚度等) 。 2.2 极限状态方程 结构的极限状态是用极限状态函数（或功能函数）来描述的， 结构的极限状态是用极限状态函数（或功能函数）来描述的， 极限状态函数 即：Z=g（R ，S ）= R S 显然： 显然：当Z0时，结构可靠； 时 结构可靠； 当Z0时，结构失效； 时 结构失效； 失效是指结构或结构的一部分不能满 失效 足设计所规定的某一功能要求。 极限状态。 当Z=0时，结构处于极限状态。 时 结构处于极限状态 图2- 1 结构所处的状态 称为极限状态方程 故：Z=g（R ，S ）= R S=0称为极限状态方程 称为 失效概率p 和可靠指标 失效概率 f和可靠指标 1.失效概率 结构能够完成预定功能(R 结构能够完成预定功能 S)的概率即为“可靠概率” ps， 的概率即为 不能完成预定功能( 不能完成预定功能(RS)的概率为“失效概率” pf。 pf +ps1，pf小，ps就大， 就大， ， pf能够反映结构的可靠程度。 能够反映结构的可靠程度。 失效概率，ZR-S0的事件出现 失效概率， 的概率就等于原点以左曲线下面与 横坐标所包围的阴影面积， 横坐标所包围的阴影面积， 图2-2 功能函数Z的概率分布曲线 R、S为随机变量，假定服从正态分布，所以 也是随机变量. 、 为随机变量 假定服从正态分布，所以Z也是随机变量 为随机变量， 也是随机变量. Z的概率分布曲线也服从正态分布。 的概率分布曲线也服从正态分布。 的概率分布曲线也服从正态分布 Z的平均值 Z和标准差 Z为： 的平均值 的平均值 和标准差 f(Z) Z = R ? S Z = R +S 2 2 Pf z 失效概率： 失效概率： 0 z Z=R- S p f = P ( S R ) = P ( Z 0) = f ( z )dz 2.可靠指标 可靠指标 图中阴影部分的面积与z、z的大小有关，增大z ，曲线右 、 的大小有关， 阴影面积将减少， 曲线变高变窄，阴影面积将减少， 移，阴影面积将减少，减小z ，曲线变高变窄，阴影面积将减少， 将曲线对称轴至纵轴的距离 对称轴至纵轴的距离表示成 的倍数， 引入，将曲线对称轴至纵轴的距离表示成z 的倍数， z=z z R ? S = = 2 2 z R +S 可见： 因此， 一样， 可见：大则Pf小，小则Pf大。因此，和Pf一样，可作 为衡量结构可靠性的一个指标。 为衡量结构可靠性的一个指标。 越大，结构可靠性越高，所以称为结构的“可靠指标 可靠指标”。 可靠指标 值 失效 概率 p f 2.7 3.510 -3 3.2 6.910 -4 3.7 1.1 10 -4 4.2 1.310 -5 2.3 结构安全级别 水工砼结构设计时，应根据水工建筑物的级别， 水工砼结构设计时，应根据水工建筑物的级别， 水工建筑物的级别 采用不同的水工建筑物结构安全级别。 采用不同的水工建筑物结构安全级别。不同安 全级别可靠度水平要求不同。 全级别可靠度水平要求不同。 水工建筑物结构安全级别 水工建筑物级别 1 2，3 4，5 水工建筑物安全级别 2.4 目标可靠指标 要使结构和构件在设计基准期内，在规定的条件下， 要使结构和构件在设计基准期内，在规定的条件下，失效 概率低于一个允许的水平（允许失效概率或目标可靠指标） 概率低于一个允许的水平（允许失效概率或目标可靠指标）即 Pf Pf 或 遵循下面几项原则确定： 目标可靠指标 遵循下面几项原则确定 (1) 在原规范“校准”的基础上，考虑安全级别、破坏性质 在原规范“校准”的基础上，考虑安全级别、 和极限状态的不同进行调整。确定合理且统一的目标可靠指标 和极限状态的不同进行调整。 T。 (2)与结构安全级别有关。安全级别要求愈高时目标可靠 与结构安全级别有关。 指标就应愈大。 指标就应愈大。 (3) 与构件破坏性质有关。延性破坏构件的目标可靠指 与构件破坏性质有关。 标可低于脆性破坏构件的目标可靠指标。 低于脆性破坏构件的目标可靠指标 标可低于脆性破坏构件的目标可靠指标。 (4) 与极限状态有关。承载能力极限状态下的目标可 与极限状态有关。 靠指标应高于正常使用极限状态下的目标可靠指标。 靠指标应高于正常使用极限状态下的目标可靠指标。 安全第一，当然承载能力极限状态对应的T就应高些。 结构构件承载能力极限状态的目标可靠指标 安 全 等 级 可靠指标 可靠指标 一级 二级 三级 3.7 3.2 2.7 延性破坏 脆性破坏 4.2 3.7 3.2 （三）荷载的标准值 作用与荷载 直接作用： 直接作用：荷载 间接作用：混凝土收缩、温度变化、 间接作用：混凝土收缩、温度变化、基础差异 沉降、 沉降、地震等 结构在外作用下产生的变化，如内力、变形、 结构在外作用下产生的变化，如内力、变形、 裂缝等称为结构的作用效应或荷载效应。 裂缝等称为结构的作用效应或荷载效应。 荷载分类 结构上的荷载，按其作用时间的长短和性质， 结构上的荷载，按其作用时间的长短和性质，可分 为三类： 为三类： (1)永久荷载G 在结构设计使用年限内， (1)永久荷载G：在结构设计使用年限内，其值不随 永久荷载 时间而变化（其变化与平均值相比可以忽略不计）， 时间而变化（其变化与平均值相比可以忽略不计）， 或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。 或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。 (2)可变荷载Q (2)可变荷载Q：在结构设计基准期内其值随时间而 可变荷载 变化（其变化与平均值不可忽略的荷载）。 变化（其变化与平均值不可忽略的荷载）。 (3)偶然荷载Q 在结构设计基准期内不一定出现， (3)偶然荷载Q：在结构设计基准期内不一定出现， 偶然荷载 但一旦出现其值很大且作用时间很短的荷载。 但一旦出现其值很大且作用时间很短的荷载。 荷载的取值有标准值、准永久值、组合值三种。 荷载的取值有标准值、准永久值、组合值三种。 标准值 三种 1.荷载标准值 k 荷载标准值S 荷载标准值 定义:指结构构件在使用期 定义 指结构构件在使用期 间正常情况下可能出现的 最大荷载值。 最大荷载值。将荷载视为 随机变量， 随机变量，采用数理统计 的方法加以处理而得到的 具有95保证率的最大荷 具有 保证率的最大荷 载值。 载值。 荷载的概率分布曲线图 x = x(1+CV ) Sk由设计基准期内荷载最大 值概率分布的某一分位值来 值概率分布的某一分位值来 某一分位值 确定。 确定。 Sk=s+ass= s(1+ass) 2.荷载准永久值 在按正常使用极限状态计算时， 在按正常使用极限状态计算时，应考虑荷载效应的长期 作用影响， 建筑结构可靠度设计统一标准引入荷载“ 作用影响，建筑结构可靠度设计统一标准引入荷载“准永 久值” 作为它的代表值。 久值” 作为它的代表值。 所谓准永久值（Qq）是指可变荷载在结构设计基准期内 所谓准永久值（ 经常作用的那一部分荷载， 建筑结构可靠度设计统一标准 经常作用的那一部分荷载，建筑结构可靠度设计统一标准 规定取被超越的总时间为设计基准期一半的荷载 设计基准期一半的荷载值 规定取被超越的总时间为设计基准期一半的荷载值。 Qq =Qk (长期组合系数1) 长期组合系数 荷载准永久值实际上是考虑荷载效应的长期组合而对可 变荷载标准值的一种折减。 变荷载标准值的一种折减。 3. 荷载组合值 当结构构件承受两种或两种以上的可变荷载时 当结构构件承受两种或两种以上的可变荷载时，考虑到 可变荷载 各种可变荷载不可能同时以其最大值(标准值 出现，因此， 标准值)出现 各种可变荷载不可能同时以其最大值 标准值 出现，因此，除 了一个主要可变荷载（是指效应最大的一种荷载） 了一个主要可变荷载（是指效应最大的一种荷载）外，其余 可变荷载应在其标准值上乘以小于 的组合系数对可变荷载 小于1.0的组合系数 可变荷载应在其标准值上乘以小于 的组合系数对可变荷载 标准值进行折减 折减， 标准值进行折减， 可变荷载组合值记为： 为组合系数。 可变荷载组合值记为：Qc=cQk，c为组合系数。其值 取为小于等于1.0。 取为小于等于 。 2.4 材料强度的标准值 材料强度标准值是指使用期间正常情况下可能出现的最小值。 材料强度标准值是指使用期间正常情况下可能出现的最小值。 是指使用期间正常情况下可能出现的最小值 也就是强度标准值具有95的保证率。 也就是强度标准值具有 的保证率。 设计时，材料强度尽可能取低些，才能保证结构的可靠性。 设计时，材料强度尽可能取低些，才能保证结构的可靠性。 保证率系数a=1645 保证率系数 材料强度标准值： 材料强度标准值： 图2-4 材料强度标准值的取值 fk=f(1-1.645f) （一）砼强度标准值 1.砼立方体抗压强度标准值 1.砼立方体抗压强度标准值fcuk 砼立方体抗压强度标准值 2.砼轴心抗压强度标准值f 2.砼轴心抗压强度标准值fck 砼轴心抗压强度标准值 3.砼轴心抗拉强度标准值f 3.砼轴心抗拉强度标准值ftk 砼轴心抗拉强度标准值 （二）钢筋强度标准值 受拉热轧钢筋采用国家标准规定的屈服 受拉热轧钢筋采用国家标准规定的屈服 强度（出厂检验的废品限值）作为标准值f 强度（出厂检验的废品限值）作为标准值 yk， 其保证率不小于95% 95%。 其保证率不小于95%。 对于无明显屈服点的钢筋， 对于无明显屈服点的钢筋，采用国标规 极限抗拉强度作为标准值 定的极限抗拉强度作为标准值f 定的极限抗拉强度作为标准值 stk，其保证率 也不小于95% 95%。 也不小于95%。 2.5 结构设计实用设计表达式 1) 规范采用的分项系数 规范 1. 1结构重要性系数 0 结构重要性系数 结构重要性系数 计算荷载效应时，将其值乘以结构重要性系数0。规 计算荷载效应时，将其值乘以结构重要性系数 范确定了不同结构安全级别时的系数0 值 确定了不同结构安全级别时的系数 结构的安全等级的划分 安全等级 级 级 级 破坏后的影响程度 很严重 严重 不严重 建筑物的类型 重要的建筑物 一般的建筑物 次要的建筑物 结构重要性系数的取值 水工建筑级别 1 2、3 4、5 、 安全级别 级 级 级 重要性系数 1.1 1.0 0.9 通过0来调整荷载效应S，从而实现建筑物的重要性不同， 可靠度水准的要求不同。 1.2设计状况系数 设计状况系数 设计状况系数 结构在施工、安装、运行、 结构在施工、安装、运行、检修等不同时期可能出现不同 的结构体系、荷载及环境条件。考虑下列三种设计状况： 的结构体系、荷载及环境条件。考虑下列三种设计状况： （1）持久状况：=1.0 ）持久状况： （2）短暂状况：=0.95 ）短暂状况： （3）偶然状况：=0.85 ）偶然状况： 1.3结构系数d 结构系数 结构系数 在承载力极限状态设计中，考虑到各种变异等因素， 在承载力极限状态设计中，考虑到各种变异等因素，统 一用结构系数来考虑。 一用结构系数来考虑。 结构系数的取值 素砼结构 受拉破坏 2.0 受压破坏 1.3 钢筋砼结构与预 应力钢筋砼结构 1.2 1.4荷载分项系数 G、Q 荷载分项系数 荷载分项系数 仍有可能超过预定的标准值 考虑这一最不利情况， 实际荷载仍有可能超过预定的标准值。考虑这一最不利情况， 在承载能力极限状态设计表达式中还引入一个荷载分项系数。 在承载能力极限状态设计表达式中还引入一个荷载分项系数。 荷载标准值乘以相应的荷载分项系数后即为荷载设计值。 荷载标准值乘以相应的荷载分项系数后即为荷载设计值。 荷载设计值 永久荷载设计值： 永久荷载设计值：G=G Gk 可变荷载设计值： 可变荷载设计值：Q=Q Qk， 其中 分别为永久荷载和可变荷载的荷载分项系数。 其中 G、Q分别为永久荷载和可变荷载的荷载分项系数。 规范（SL/T191-96）规定，一般情况下： 规范 ）规定，一般情况下： 永久荷载： 永久荷载：G=1.0； 可变荷载：Q =1.20。 ； 可变荷载： 。 1.5 材料强度分项系数 c s 材料强度分项系数 材料的实际强度低于其强度标准值，因此，在承载能 因此， 力极限状态计算中材料强度分项系数 力极限状态计算中材料强度分项系数c、s 来考虑这 一不利影响。 一不利影响。 材料强度标准值除以相应的材料强度分项系数后， 材料强度标准值除以相应的材料强度分项系数后，即为 材料强度设计值。 材料强度设计值。 fcfck/c ，fs=fsk/s 材料强度分项系数取值： 材料强度分项系数取值： 混凝土： 混凝土：c1.35。 钢筋： s1.11.2。 。 钢筋： 。 2). 承载能力极限状态设计表达式 1.基本组合 基本组合 基本组合是持久状况或短暂状况下永久荷载与可变荷载的 效应组合。 效应组合。 1 0S R d S = GiCGiG + QjCQjQ ki kj i= 1 j= 1 n m R = R( fc , f y , ak ) 其中： 永久荷载和可变荷载的荷载效应系数， 其中：CGi 、CQj永久荷载和可变荷载的荷载效应系数， 永久荷载和可变荷载的荷载效应系数 Gk、Qk 永久荷载、可变荷载的标准值； 永久荷载、 永久荷载 可变荷载的标准值； 2.偶然组合 偶然组合 偶然组合是偶然状况下永久荷载、 偶然组合是偶然状况下永久荷载、可变荷载与一种偶然荷 载的效应组合。 载的效应组合。 对于偶然组合，承载能力极限状态设计表达式按下列原则 对于偶然组合， 确定： 确定： (1)偶然荷载的分项系数取为 ； 偶然荷载的分项系数取为 偶然荷载的分项系数取