建筑结构第二章钢筋混凝土结构设计原理PPT课件.ppt

1 建筑结构 颜静平 三峡电力职业学院 建筑工程系 2 第二章钢筋混凝土结构设计原理 知识目标 1 理解结构的功能及其极限状态的含义2 理解结构上的作用和结构的抗力的概念 3 掌握荷载取值的概念 能确定永久荷载 可变荷载的代表值 4 掌握水工混凝土结构极限状态设计表达式能力目标 1 能根据承载力极限状态设计表达式和正常使用极限状态设计表达式确定受弯构件跨中弯矩设计值 3 第一节结构的功能和极限状态 一 结构的功能 保证结构正常使用的条件 1 安全性 结构在正常施工和正常使用的条件下 能承受可能出现的各种作用 在设计规定的偶然事件 如强烈地震 爆炸 车辆撞击等 发生时和发生后 仍能保持必需的整体稳定性 即结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌 4 2 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 不会出现影响正常使用的过大变形或振动 不会产生使使用者感到不安的裂缝宽度 其变形 裂缝或振动等性能均不超过规定的限度等 5 3 耐久性 结构在正常维护条件下具有足够的耐久性能 即在正常维护条件下结构能够正常使用到规定的设计使用年限 结构材料不致出现影响功能的损坏 钢筋混凝土构件的钢筋不致因保护层过薄 裂缝不得过宽而引起钢筋锈蚀和混凝土严重风化等 6 二 结构的极限状态 结构的极限状态 是指整个结构或结构的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 安全性 适用性 耐久性 要求 此特定状态称为该功能的极限状态 建筑结构可靠度设计统一标准 将结构的极限状态分为两类 承载能力极限状态及正常使用极限状态 7 1 承载能力极限状态 主要考虑结构安全性的功能 承载能力极限状态 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 承载能力极限状态当结构或结构构件出现下列状态之一时 即认为超过了承载能力极限状态 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 8 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 9 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 10 2 正常使用极限状态 对应于适用性或耐久性的功能 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 当结构或结构构件出现下列状态之一时 即认为超过了正常使用极限状态 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 11 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由于振动影响运行人员 设备及仪表的准确性等 4 影响正常使用的其它特定状态 如相对沉降量过大等 12 对使用上需控制变形值的结构构件 应进行变形验算对于使用上要求不允许开裂或控制裂缝开展宽度的结构构件 应进行抗裂或裂缝宽度验算 结构设计 通常先按承载能力极限状态设计结构构件 然后按正常使用极限状态进行验算 13 第二节结构上的作用和结构的抗力 一 结构上的作用的作用效应1 结构上的作用 施加在结构上的集中力或分布力 直接作用 也称为荷载 和引起结构外加变形或约束变形的原因 间接作用 直接作用 施加在结构上的集中力和分布力 结构自重 风荷载 水压力 土压力等 间接作用 引起结构约束变形 外加变形的原因 混凝土收缩 环境温度变化以及由于基础不均匀沉降 等原因使结构产生的变形 14 2 作用效应 各种集中或分布荷载 作用效应 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和变形 如轴力 弯矩 剪力 扭矩 挠度 转角和裂缝等 的总称 用S表示 结构上的作用效应 是作用引起的力和变形反应荷载效应 由直接和间接作用作用产生的效应结构上的作用 无论是直接作用还是间接作用都是随时间或位置变化而变化的 因计算简图 计算方法和尺寸等也与实际结构的差异 15 3 荷载的按随时间的变异和出现的可能分类 1 永久荷载 在设计基准期内其量值不随时间变化 或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用 结构自重 土压力 固定设备等 2 可变荷载 在设计基准期内其量值随时间变化 且其变化与平均值相比不可忽略的作用 楼层活荷载 浪压力 风荷载 灰荷载等 3 偶然荷载 在设计基准期内出现或不一定出现 而一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用 地震 爆炸力 冲击力等 16 二 荷载取值 1 荷载标准值 是指结构构件在其使用期间 正常情况下可能出现的最大荷载值 结构自重标准值 可按结构设计尺寸与其材料重度计算确定 结构自重标准值 主要是结构自重及粉刷 装修 固定设备的重量 一般可按结构构件的设计尺寸和材料或结构构件单位体积 或面积 的自重标准值确定 例 取钢筋混凝土单位体积自重标准值为25kN m3 则截面尺寸为200 500mm的钢筋混凝土矩形截面梁的自重标准值为0 2 0 5 25 2 5kN m 17 水工建筑物的荷载标准值可根据 水工建筑物荷载设计规范 确定 大体积混凝土的材料重度 应根据选定的混凝土配合比通过试验确定 对于有些荷载因统计资料不足不能完全用概率的方法确定 而是根据已有工程的经验 经过分析确定一个公称值作标准值 18 2 荷载准永久值 可变荷在设计基准期内经常作用的那一部分荷载 它对结构的影响在性质上似于永久荷载 3 荷载组合值 是当结构承受两种或两种以上可变荷载 一般不考虑可变荷载组合时的折减 因此 荷载效应设计表达式中就没有采用可变荷载组合值 就是对参与组合的全部可变荷载都不乘以组合系数而直接采用标准值 组合系数 1 19 三 结构上的抗力与材料强度标准值 1 结构抗力 结构或构件抵抗作用效应的能力 如抗弯 抗剪 抗压 抗拉 抗扭承载力以及抗变形 抗裂缝的能力 用R表示 结构抗力是结构内部固有的 其大小主要取决于材料性能 构件几何参数 配筋种类及计算模式的精确性等 由于材料不匀质 生产工艺等导致材料性能的变异性 在进行结构设计时 采用材料的标准值作为材料性能的基本代表值 20 结构的几何参数较多 教材P26 结构构件在制作过程中存在尺寸偏差和安装误差等原因 导致结构构件实际几何尺寸与设计规定的几何尺寸存在差异 对结构抗力进行分析计算时 采用了近似的基本假设和计算公式不精确 导致按公式计算得到的抗力值与实际结构构件的抗力有差异 因此 结构抗力也是随机变量 21 2 材料强度标准值 材料强度标准值 是具有不小于95 的保证率的材料强度值称为材料强度标准值1 钢材的强度标准值 规范 将热轧钢筋的强度标准值取为冶金部门颁布的屈服强度废品限值 其保证率为97 73 表1 2 2 混凝土的强度标准值 取保证率为95 的强度值为混凝土强度标准值 表1 6 22 第三节结构可靠度 结构的安全性 适用性和耐久性是结构可靠的标志 总称为结构的可靠性 结构的可靠度 是指结构在规定的时间内 即设计使用年限 在规定的条件下 结构正常的设计 施工 使用和维修条件 完成预定功能 如承载力 刚度 稳定性 抗裂性 耐久性和动力性能等 的概率 可靠度是对结构可靠性的定量描述 结构可靠度的评价指标的可靠概率 失效概率 可靠指标 23 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 规定时间指设计使用年限规定条件 指正常设计 正常施工 正常使用和正常维护 不包括错误设计 错误施工和违反原来规定的使用情况 24 注意1 结构可靠度与结构使用年限长短有关 统一标准 以结构的设计使用年限为计算结构可靠度的时间基准 注意2 结构的设计使用年限虽与结构使用寿命有联系 但不等同 当结构的使用年限超过设计使用年限后 并不意味着结构就要报废 但其可靠度将逐渐降低 25 一 结构的可靠概率和失效概率 1 可靠概率Ps结构有可靠度涉及互结构的作用效应和结构抗力 荷载效应S和结构抗力R都是随机变量 假定S和R相互独立 且都服从正态分布 取Z R SZ称为结构的功能函数 功能函数Z也是随机变量 并且服从正态分布 功能函数有下列三种结果 当 0即R S时 结构处于可靠状态 当 0即R S时 结构处于失效状态 当 0即R S时 结构处于极限状态 26 举列 挑担子与结构功能函数有一农夫能肩挑300斤 当给他300斤的担子时 效应刚好等于抗力 当给他100斤的担子时 效应小于抗力 当给他400斤的担子时 效应大于抗力 27 2 失效概率 失效概率 结构不能完成预定功能 即Z 0或R S的概率 用Pf表示 Ps Pf 1结构的失效概率Pf与可靠概率Ps都可以度量结构的可靠性 工程界习惯用结构的失效概率Pf 失效概率Pf愈小 结构的可靠性愈高 绝对可靠的结构是不存在的 只要结构的失效概率很小 小到人们可以接受的程度 就可以认为该结构是可靠的 28 二 结构的可靠指标和目标可靠指标 1 可靠指标 用可靠指标替代失效概率来度量结构的可靠性 失效概率不便表达和数值极小 可靠指标 为结构功能函数Z的平均值与标准差 z的比值 2 10 29 2 目标可靠指标 允许可靠指标 结构设计应把失效概率控制在某一个能够接受的限值以下 这个限值为目标可靠指标 T 即 T目标可靠指标与结构的安全级别有关 安全级别要求越高 目标可靠指标越大 水工混凝土结构设计时 应根据水工建筑物级别 采用不同的水工建筑物安全级别 表2 2水工建筑物结构安全级别 30 目标可靠指标的确定 1 目标可靠指标与构件破坏性质有关 构件的破坏分延性破坏和脆性破坏 延性破坏 脆性破坏 脆性破坏的目标可靠指标高于延性破坏构件的目标右靠指标 31 2 目标可靠指标与极限状态有关 承载力极限状态关系到结构整体或局部破坏 会导致重大的经济损失 正常使用极限状态只影响结构的适用性和耐久性承载力极限状态的目标在靠指标高于正常使用极限状态下的目标指标 持久状况结构承载力极限状态目标可靠指标 T 32 3 分项系数法由于计算 可靠指标需要大量的统计资料 计算较复杂 目前国际上多采用分项系数法 规范 采用分项系数的设计表达式 只要按规范规定的各分项系数进行计算 结构构件的可靠指标 就可以满足不小于目标可靠指标 T的要求 33 第四节水工混凝土结构极限状态设计表达式 一 水工混凝土结构设计规范 采用的分项系数 设计表达式中采用的五个分项系数 1 结构重要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 34 2 设计状况系数结构在施工 安装 运行 检修等不同的时期可能出现不同的荷载 结构体系和环境条件 设计时考虑以下三种设计状况 在设计表达式中用设计状况系数来反映 规范 对不同设计状况给出不同设计状况系数 1 持久状况 1 0 进行承载力极限状态设计和正常使用极限状态设计2 短暂状况 0 95 进行承载力极限状态设计 根据需要进行正常使用极限状态设计3 偶然状况 0 85 进行承载力极限状态设计 不进行正常使用极限状态设计 35 3 荷载分项系数结构使用期间 实际荷载仍有可能超过预定的荷载标准值 为了考虑这一不利情况 规范 在承载力极限状态设计表达式中引入荷载分项系数 设计值与标准值的关系永久荷载设计值G 永久荷载标准值 永久荷载分项系数可变荷载设计值Q 可变荷载标准值 可变荷载分项系数荷载分项系数见表2 4 36 4 混凝土和钢筋的强度分项系数由于材料的离散性和不可避免的施工偏差等因素造成材料实际强度可能低于其强度标准值值 规范在承载力极限状态设计中引入混凝土和钢筋的分项系数 混凝土强度设计值 混凝土强度标准值 混凝土材料分项系数钢筋强度设计值 钢筋强度标准值 钢筋材料的分项系数 37 规范 规定混凝土强度分项系数取1 35热轧 钢筋强度分项系数取1 15热轧 级钢筋取1 10规范直接给出钢筋和混凝土的强度设计值见表1 3和表1 7 材料强度设计代值中已隐含了材料分项系数 以后各章承载力计算公式不再出现材料分项系数 38 5 结构系数结构承载力极限状态计算 对于荷载效应计算模式的不定性 结构构件几何尺寸的不定性 结构构件抗力计算模式的不定及末考虑到的其它各种变异因素统一由结构系数来考虑 表2 5所示 39 二 承载能力极限状态设计表达式 承载力极限状态设计考虑荷载效应的基本组合和偶然组合1 基本组合 是按承载力极限状态设计时 持久状况或短暂状况下 永久荷载与可变荷载效应的组合 对于基本组合承载力极限状态设计表达式为 2 12 式中符号的含义见教材P30 恒载作用产生的效应 可变荷载产生的效应 结构抗力 40 按永久荷载标准值计算的荷载效应值 可变荷载效应中的最大值 按可变荷载标准值计算的荷载效应值 永久荷载分项系数 第1个可变荷载的分项系数 第i个可变荷载的分项系数 41 当可变荷载不只一个时 由于它们同时都达到各自的设计值的可能不大 因而要考虑活荷的组合 对于N上活荷载产生荷载效应的计算是这样的 把最大荷载效应的那个活荷载作为