第章结构设计原理设计方法ppt课件.ppt

一 结构的功能要求 1 三项基本功能要求 结构应能承受在正常施工和正常使用期间可能出现的各种荷载 外加变形 约束变形等的作用 结构在正常使用条件下具有良好的工作性能 适用性结构在正常使用和正常维护条件下 在规定的时间内 具有足够的耐久性 耐久性 承载能力 稳定性 适用性 耐久性 用可靠度度量 可靠性 结构在规定的时间 设计基准期 内 在规定的条件 结构设计时所确定的正常设计 正常施工和正常使用条件 下 完成预定功能的能力 可靠度 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 可靠性 2 结构的可靠性 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 可靠性概念的释义 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 设计基准期和设计使用年限 是为确定荷载代表值及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数 我国取用的设计基准期为50年 必须说明 当结构的使用年限达到或超过设计基准期后 并不意味结构立即报废 而只意味结构的可靠度将逐步降低 是设计规定的一个期限 是指按规定指标设计的建筑结构或构件 在正常施工 正常使用和维护下 不需进行大修即可达到其预定功能要求的使用年限 二 结构的极限状态 1 定义 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 结构的极限状态也是结构处于可靠状态与失效状态的临界状态 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 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 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 三 结构可靠度的基本原理 1 功能函数 可靠度分析中 结构的极限状态一般用功能函数描绘 当有n个随机变量 X1 X2 Xn 影响结构的可靠度时 结构的功能函数可表示为 0结构可靠 0极限状态 0结构失效 若功能函数中仅包括结构抗力R和作用 或荷载 综合效应S两个基本变量 则功能函数为 结构所处状态 作用效应S 抗力R R1 R2 R S 极限状态 Z1 Z2 S2 R2 失效 S1 R1 可靠 2 结构抗力和作用 结构抗力 结构构件承受内力和变形的能力 如强度 刚度 抗裂度等 它是结构材料性能和几何参数等的函数 作用 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 两类作用 间接作用 直接作用 施加在结构上的荷载 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 何为作用效应 作用效应 结构对所受作用的反应 结构或者构件的内力 变形等 3 失效与失效概率 失效 指结构或结构的一部分不能满足设计所规定某一功能要求 即达到或超过了承载能力极限状态或正常使用极限状态中的某一限值 失效概率 作用效应S和结构抗力R都是随机变量或随机过程 因此要绝对地保证R总是大于S是不可能的 可能出现R小于S的情况 这种可能性的大小用概率来表示就是失效概率 失效概率Pf 如下图所示出现R S的概率 即图中阴影部分的面积 可靠概率Pr 出现结构满足功能要求事件的概率 即R S的概率 图中非阴影部分面积 两者互补 4 可靠指标 基本概念 设结构抗力R和作用效应S都服从正态分布 则结构功能函数Z R S也必服从正态分布 在下图所示的坐标系中 失效概率为 为Z的平均值 为Z的标准差 Z 0 Z 0 现将Z的正态分布N 转化为标准正态分布N 0 1 引入标准化变量t 0 1 有 为什么常用可靠指标 来描述结构可靠度 引入符号 令 得 无量纲系数 称为可靠指标 可靠指标用来描述结构可靠度的原因 可靠指标与可靠度及失效概率关系 如右图所示 标准差为常量时 增加 概率密度曲线由于的增加而向右移动 即 将变小 变为 结构可靠度增大 可靠指标是可靠度的度量 与其有一一对应的数量关系 5 目标可靠指标 目标可靠指标 建筑结构可靠度设计统一标准 考虑各种荷载效应组合情况 选择若干有代表性的构件进行了大量的计算分析 规定对于一般工民建作为设计依据的可靠指标 安全等级 一级 破坏后果很严重的重要建筑物 二级 破坏后果严重的一般工民建筑 三级 破坏后果不严重的次要建筑物 公路桥梁目标可靠指标 建筑结构目标可靠指标 公路工程结构可靠度设计统一标准 GB T50283 1999 建筑结构可靠度设计统一标准 GB50068 2001 二 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 公路桥涵结构的安全等级 二 建筑结构安全等级 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 三 承载能力极限状态状态设计表达式 以塑性理论为基础 2 基本表达式 四 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规范规定的各项限值 材料强度的取值 材料强度设计值 材料强度标准值 材料分项系数 考虑由于材料强度的变异以及几何参数和设计模式的不定性可能使结构抗力进一步降低的不利影响 根据标准试件用标准试验方法测得的具有95 以上保证率的强度值 材料分项系数根据结构可靠度分析 并考虑材料质量的分布规律和一定的保证率确定 由规范或附录直接查用 荷载设计值及荷载分项系数 荷载设计值 荷载分项系数 荷载标准值 由于荷载是随机变量 考虑其有超过荷载标准值的可能性 设计时将荷载标准值乘以一个大于1的调整系数 它比荷载的标准值具有更大的可靠度 承载能力极限状态实用设计表达式 0S R 结构重要性系数 结构构件抗力设计值R R fc fs k 荷载效应组合设计值 一般排架 框架结构 可采用简化公式 由永久荷载效应控制的组合 由可变荷载效应控制的组合 1 2 2实用设计表达式 2 荷载效应基本组合设计值S对于基本组合 荷载效应组合的设计值S应从由可变荷载效应控制的组合和由永久荷载效应控制的组合中取最不利值确定 1 由可变荷载效应控制的组合 结构构件的重要性系数 对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件 不应小于1 1 对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件 不应小于1 0 对安全等级为三级或设计使用年限为5年及以下的结构构件 不应小于0 9 在抗震设计中 不考虑结构构件的重要性系数 G 永久荷载分项系数 按下表1 2 3采用 SGk 永久荷载标准值Gk计算的荷载效应值 Qi 第i个可变荷载的分项系数 按下表1 2 3采用 SQik 按可变荷载标准值Qi计算的荷载效应值 ci 可变荷载Qi的组合值系数 民用建筑楼面均布活荷载 屋面均布活荷载的组合值系数 返回 当考虑以竖向的永久荷载效应控制的组合时 参与组合的可变荷载仅限于竖向荷载 2 由永久荷载效应控制的组合 1 2 4 应用 1 2 3 式 1 2 4 时应注意以下问题 3 一般排架 框架结构的简化表达式对一般排架 框架结构 可不区分第一可变荷载和第i个可变荷载 并采用相同的组合值系数 其荷载效应组合设计值取由可变荷载效应控制和由永久荷载效应控制的组合值中的最不利值 由可变荷载效应控制的组合按下式计算 由永久荷载效应控制的组合仍按式 1 2 4 采用 1 2 6 2 按正常使用极限状态设计的实用表达式 1 实用表达式对于正常使用极限状态 应根据不同的设计要求 采用荷载效应的标准组合 频遇组合或准永久组合 按下列设计表达式进行设计 S C 1 2 7 式中S 变形 裂缝等荷载效应的设计值 C 结构构件达到正常使用要求所规定的限值 如变形 裂缝宽度等 混凝土结构的正常使用极限状态主要是验算构件的变形 抗裂度或裂缝宽度 使其不超过相应的规定限值 钢结构通过构件的变形 刚度 验算保证 砌体结构一般情况下不做验算 由相应的构造措施保证 2 荷载效应组合设计值1 对于标准组合 其