第2章-钢筋混凝土结构设计计算原理采用PPT课件.ppt

第二章钢筋砼结构设计计算原理 1 钢筋混凝土结构设计理论的发展结构的功能要求 荷载效应与结构抗力概率极限状态设计的概念值荷载代表值 材料强度标准值实用表达式 2 1 许可应力法 假定和原理 弹性材料 截面应力不大于许可应力 公式 不足 混凝土非弹性 K安全系数凭经验而定 三个阶段 1 许可应力法2 破坏阶段法3 极限状态法 2 1钢筋混凝土结构设计理论的发展 3 2 破坏阶段法 原理 荷载形成的总内力不大于结构的极限内力 公式 不足 没能考虑适用与否 K安全系数凭经验而定3 极限状态设计法 三个阶段 1 许可应力法2 破坏阶段法3 极限状态法 2 1钢筋混凝土结构设计理论的发展 4 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用的过大的变形 挠度 侧移 振幅 或产生过大的裂缝宽度 耐久性 结构的承载力和刚度不应随时间有过大的减小 导致结构在其预定使用期间内降低安全性和适用性 缩短使用寿命 1 结构的功能要求 1 安全性 2 适用性 3 耐久性 2 2结构的功能要求 荷载效应与结构抗力 5 结构设计要保证其可靠性 可靠性 安全性 适用性和耐久性的总称 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 我国规定50年 在规定的条件下 如正常的设计 施工 使用和维修 完成预定功能要求的概率 2 2结构的功能要求 荷载效应与结构抗力 6 2 2结构的功能要求 荷载效应与结构抗力 2 作用 荷载 与荷载效应直接作用 荷载间接作用 混凝土收缩 温度变化 基础差异沉降 地震等 统称作用 为方便就叫荷载吧 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 7 2 1荷载分类按其作用时间的长短和性质 可分为三类 1 永久荷载G g 在结构设计使用年限内 其值不随时间而变化 其变化量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 2 可变荷载Q q 在结构设计基准期内其值随时间而变化 其变化量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 但一旦出现其值很大且作用时间很短的荷载 2 2结构的功能要求 荷载效应与结构抗力 8 按其作用位置的变化 可分为二类 1 固定荷载 2 移动荷载按结构的反映分为 1 静态荷载 2 动态荷载 2 2结构的功能要求 荷载效应与结构抗力 9 2 2荷载效应荷载作用下 结构产生的内力 变形统称为荷载效应 用S表示 诸如 轴力 剪力 弯矩等挠度 裂缝 位移等3 结构抗力结构抵抗荷载效应的能力 用R表示 显然要求R S结构可靠 2 2结构的功能要求 荷载效应与结构抗力 10 1结构极限状态的定义与分类 1 1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规定的某一功能要求 此特定状态称为该功能的极限状态 1 2分类 极限状态的分类 设计程序 结构能够满足功能要求且能良好地工作 则结构是 可靠 或 有效 的 反之 则结构为 不可靠 或 失效 结构 可靠 与 失效 的临界状态称为 极限状态 2 3概率极限状态设计的概念 11 超过该极限状态 结构就不能满足预定的安全性要求 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 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 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 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 1 2 1承载能力极限状态 12 2 3概率极限状态设计的概念 13 2 3概率极限状态设计的概念 14 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 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 1 2 2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 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 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 钢筋锈蚀 不安全感 漏水等 产生过大的振动影响使用 15 2极限状态方程式 失效概率和可靠概率 作用效应 荷载效应 S 是指在各种作用因素的作用下 结构构件内所产生的内力和变形 如轴力 弯矩 扭矩 挠度 裂缝等 结构抗力 R 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 结构的作用 使结构产生内力和变形的所有原因 分类 直接作用 间接作用 2 3概率极限状态设计的概念 16 2 1极限状态方程 结构的状态是用极限状态函数 或功能函数 来描述的 即 Z g R S R S 当Z 0时 结构处于极限状态 显然 当Z 0时 结构可靠 当Z 0时 结构失效 故 Z g R S R S 0称为极限状态方程 图2 1结构所处的状态 失效是指结构或结构的一部分不能满足设计所规定的某一功能要求 2 3概率极限状态设计的概念 17 2 2失效概率pf和可靠指标 不能完成预定功能 R S 的概率为 失效概率 pf 结构能够完成预定功能 R S 的概率即为 可靠概率 ps pf ps 1 pf小 ps就大 pf能够反映结构的可靠程度 失效概率 Z R S 0的事件出现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 图2 2功能函数Z的概率分布曲线 2 2 1失效概率 2 3概率极限状态设计的概念 18 R S为随机变量 假定服从正态分布 所以Z也是随机变量 Z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 失效概率 2 3概率极限状态设计的概念 19 失效概率的物理意义 2 3概率极限状态设计的概念 荷载效应在S ds之间概率 抗力小于荷载效应S的概率 以上二情况同时出现的概率 对于每一个抗力小于荷载效应的概率 掌握 失效概率的物理意义 不严谨 对于每一个抗力的可能值 荷载效应大于抗力的概率 20 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 越大 结构可靠性越高 所以 称为结构的 可靠指标 2 2 2可靠指标 图中阴影部分的面积与 z z的大小有关 增大 z 曲线右移 阴影面积将减少 减小 z 曲线变高变窄 阴影面积将减少 引入 将曲线对称轴至纵轴的距离表示成 z的倍数 z z 2 3概率极限状态设计的概念 21 水工砼结构设计时 应根据水工建筑物的级别 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 水工建筑物结构安全级别 2 3结构安全级别 2 3概率极限状态设计的概念 22 2 4目标可靠指标 Pf Pf 或 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 即 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 T 2 与结构安全级别有关 安全级别要求愈高时目标可靠指标就应愈大 2 3概率极限状态设计的概念 23 3 与构件破坏性质有关 延性破坏构件的目标可靠指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 2 3概率极限状态设计的概念 与pf的关系见表2 1 24 2 4荷载的标准值和材料强度标准值 1 1荷载标准值对于永久荷载而言 指其平均值 50 保证率 对于可变荷载而言 通常指具有95 保证率的荷载值 95 情况下的荷载比此值大 1 荷载取值有标准值 组合值 频遇值等 25 对于可变荷载 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 将荷载视为随机变量 采用数理统计的方法加以处理而得到的具有95 保证率的最大荷载值 如图 某可变荷载平均值 s某可变荷载标准差 s保证率系数 s变异系数 s Sk由设计基准期内荷载最大值概率分布的某一分位值来确定 Sk s as s s 1 as s 2 4荷载的标准值和材料强度标准值 26 1 2 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 考虑到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 外 其余可变荷载应在其标准值上乘以小于1 0的组合系数对可变荷载标准值进行折减 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 水工结构设计中习惯取 c 1 0 2 4荷载的标准值和材料强度标准值 27 是指可变荷载在结构设计基准期内经常存在的那一部分荷载 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值 Qq fQk 频遇值系数 f 1 f 0 5 0 9 水工建筑物荷载设计规范 DL T5077 1997 没给出频遇值系数 f 暂不考虑 f 1 3荷载频遇值 2 4荷载的标准值和材料强度标准值 28 所谓准永久值 Qq 是指可变荷载在结构设计基准期内基本一直存在的那一部分荷载 Qq qQk 长期组合系数 q 1 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 水工建筑物荷载设计规范 DL T5077 1997 没给出频遇值系数 q 暂不考虑 q 1 4荷载准永久值 2 4荷载的标准值和材料强度标准值 29 1 在 水工建筑物荷载设计规范 DL T5077 1997 中 没有给出频遇值系数 f 准永久值系数 q 2 水工混凝土结构设计规范中 正常适用极限状态验算时 只验算荷载效应标准组合 永久荷载和可变荷载标准值的荷载效应组合 无其他荷载组合 故 荷载频遇值荷载准永久值等在此不存在 注意 2 4荷载的标准值和材料强度标准值 30 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 也就是强度标准值具有95 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 图2 4材料强度标准值的取值 保证率系数 1 645 fk f 1 f f 1 1 645 f 材料强度标准值 2 材料强度标准值 2 4荷载的标准值和材料强度标准值 31 2 1砼强度标准值 1 砼立方体抗压强度标准值fcuk 2 砼轴心抗压强度标准值fck 3 砼轴心抗拉强度标准值ftk 2 4荷载的标准值和材料强度标准值 32 2 2钢筋强度标准值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fyk 其保证率不小于95 对于无明显屈服点的钢筋 采用国标规定的极限抗拉强度作为标准值fstk 其保证率也不小于95 2 4荷载的标准值和材料强度标准值 33 DL T5057 2009 水工混凝土设计规范 DL规范在的基础上设置5个分项系数 进行线性化处理即可 教材介绍两个规范 DL T5057 2009 水工混凝土设计规范 SL191 2008 水工混凝土设计规范 1 1分项系数1 1 1结构重要性系数 0 2 5混凝土结构设计实用设计表达式 S R 34 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 计算荷载效应时 将其值乘以结构重要性系数 0 规范 确定了不同结构安全级别时的系数 0值 1 1 1结构重要性系数 0 2 5混凝土结构设计实用设计表达式 结构重要性系数的取值 结构的安全等级的划分 35 1 1 2设计状况系数 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 1 持久状况 1 0 2 短暂状况 0 95 3 偶然状况 0 85 1 1 3结构系数 d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 结构系数的取值 2 5混凝土结构设计实用设计表达式 36 1 1 4荷载分项系数 G Q 按 水工建筑物荷载设计规范 取值 不小于表2 4的值 如下 永久荷载 G 1 05 可变荷载 Q 1 20 可控制的可变荷载 Q 1 10 荷载标准值乘以相应的荷载分项系数后即为荷载设计值 永久荷载设计值 G GGk1可变荷载设计值 Q QQk 其中 G Q分别为永久荷载和可变荷载的荷载分项系数 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 2 5混凝土结构设计实用设计表达式 37 1 1 5材料强度分项系数 c s 材料的实际强度低于其强度标准值 因此 在承载能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 材料强度分项系数取值 混凝土 c 1 35 钢筋 s 1 1 1 2 按附录取其设计值即可 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 fc fck c fs fsk s 2 5混凝土结构设计实用设计表达式 38 1 2承载能力极限状态设计表达式 1 2 1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 其中 CGi CQj 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 结构抗力R由试验确定 不同受力构件确定方法不同 2 5混凝土结构设计实用设计表达式 39 1 2 2偶然组合 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 对于偶然组合 承载能力极限状态设计表达式按下列原则确定 1 偶然荷载的分项系数取为1 0 2 参与组合的某些可变荷载 可根据各类建筑物设计规范的规定作适当折减 2 5混凝土结构设计实用设计表达式 40 持久状况或短暂状况下 包括短期作用在内的全部可变荷载的效应与永久荷载的效应的组合 验算表达式为 0Ss Gk Qk fk ak c 其中 c 结构验算的功能限值 裂缝宽度或挠度 1 3正常使用极限状态设计表达式 2 5混凝土结构设计实用设计表达式 41 对持久设计状况 进行正常使用极限状态验算 对短暂状况 可根据情况 决定是否进行正常使用极限状态验算 偶然状况可不进行进行正常使用极限状态验算 即持久状况下 可变荷载中长期作用的那部分荷载 即荷载准永久值 的效应与永久荷载的效应的组合 验算表达式为 0Sl Gk Qk fk ak c2 其中 c2 结构验算的功