《设计方法》PPT课件

,第2章混凝土结构基本设计方法DesignMehodsofConcreteructure,本章重点,了解混凝土结构设计方法的理论基础可靠度理论；,掌握我国规范的设计方法概率极限状态设计法;,掌握荷载和材料强度取值方法;,2.1结构可靠度,2.2荷载和材料强度,2.5公路桥涵工程结构设计方法,2.3极限状态设计法,2.4极限状态设计表达式,2.1结构可靠度,2.1.1结构上的作用、作用效应及结构抗力,1.结构上的作用及作用效应,作用定义：凡能使结构产生内力、应力、位移、应变、裂缝的因素，都称为结构上的作用。,直接作用：荷载（恒荷载、活荷载、风荷载、土压力等；,分类：,间接作用：温度、收缩、徐变、地基不均匀沉降、地震等。,作用按时间的变异分类,永久作用（恒荷载）：大小、方向、作用点不随时间改变的荷载为永久荷载，如自重、土压力、预应力等；,可变作用（活荷载）：大小、方向或作用点随时间改变而变化的荷载为可变荷载，如楼面和屋面活载、风荷载、雪荷载、吊车荷载、车辆荷载等；,偶然作用：结构使用期间可能不出现，一旦出现，其作用时间短、效应大的荷载为偶然荷载，如地震、爆炸力，撞击等。,作用效应,定义：作用在结构上产生的反应，如内力、应力、位移、应变、裂缝等，称为作用效应。,作用及作用效应均为随机变量或随机过程,结构抗力,定义：结构抵抗作用效应的能力，称为结构抗力。,结构抗力的不定性：结构构件材料性能f的不定性结构构件几何参数a的不定性结构构件计算模式p的不定性,设计基准期设计基准期：工程结构设计时，为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数（T=50年）,结构上的作用、作用效应及结构抗力均为随机过程,2.1.2结构的预定功能及结构可靠度,预定功能：结构的安全性、适用性和耐久性。,结构的功能要求结构在规定的设计使用年限内应满足下列功能要求：1、在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用2、在正常使用时具有良好的工作性能3、在正常维护下具有足够的耐久性4、在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必要的整体稳定性1项、4项结构安全性的要求2项结构适用性的要求3项结构耐久性的要求,结构可靠性：结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。结构可靠度：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。,设计使用年限(designworkinglife)-设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预期目的使用的时期-即房屋结构在正常设计、正常施工、正常使用和正常维护下所应达到的使用年限，如达不到这个年限则意味着在设计、施工、使用与维修的某一环节上出现了非正常情况，应查找原因。,GB500682001规定：结构设计使用年限分类,规定条件：结构的正常设计、正常施工、正常使用的条件。,结构可靠度是以正常设计、正常施工、正常使用为条件的，不考虑人为过失的影响。人为过失应通过其他措施予以避免。,2.1.3结构的安全等级,工程结构安全等级是根据结构破坏造成的后果，即危害人的生命、造成经济损失、产生社会影响的严重程度划分。建筑结构可靠度设计统一标准将建筑结构安全等级划分为三级。,高耸结构的安全等级,1）对于特殊的高耸结构，其安全等级可根据具体情况另行确定；2）结构构件的安全等级宜采用与整个结构相应的安全等级，对部分构件可按具体情况调整其安全等级。,2.2荷载和材料强度,2.2.1荷载标准值确定,荷载标准值：设计基准期内最大荷载概率分布的某一分位值。荷载标准值荷载的基本代表值，其他代表值可在其基础上换算得到。,永久荷载标准值：一般相当于永久荷载概率分布的0.5分位值，即正态分布的平均值。可按设计尺寸和材料重度标准值计算。,对自重变异性较大的材料和构件（如屋面保温材料、防水材料、找平层以及钢筋混凝土薄板等），其标准值应根据对结构的有利或不利状态，分别取其自重的下限值或上限值.,可变荷载标准值：办公楼楼面活荷载的标准值：,各可变荷载标准值查荷载规范。,荷载规范中的荷载值不包括隔墙重量和二次装修重量。,一般情况：风、雪荷载均按年一遇。,荷载代表值,1.标准值由设计基准期内最大荷载概率分布的某一分位值确定的荷载值，是永久荷载的唯一代表值。,2.2.2材料强度标准值,1.材料强度的变异性及统计特性,钢筋、混凝土强度的概率分布：符合正态分布。,2.材料强度标准值,保证率：95,混凝土：，,钢筋：,统一表达式：,（1）钢筋的强度标准值(CharacteristicorUnfactoredStrength)按冶金钢材质量控制标准，钢筋的强度标准值是取其出厂时的废品限值，其数值相当于fy,m-2s，具有97.73%的保证率，满足建筑结构设计统一标准材料强度标准值保证率95%的要求。,1.1钢筋,1.1钢筋,2.2混凝土,（2）混凝土强度的标准值CharacteristicStrength,规范规定材料强度的标准值fk应具有不小于95%的保证率,立方体强度标准值即为混凝土强度等级fcu。,2.2混凝土,建筑工程混凝土强度标准值见附表1-1桥涵工程混凝土强度标准值见附表10-1,规范在确定混凝土轴心抗压强度和轴心抗拉强度标准值时，假定它们的变异系数与立方体强度的变异系数相同，利用与立方体强度平均值的换算关系，便可按上式计算得到。详见1-4，1-6式。Question:Canyoufeelsafeenoughtousecharacteristicstrength?,2.2混凝土,2.3.1结构的极限状态LimitStateofStructure,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要求，此特定状态称为该功能的极限状态。,概率极限状态设计方法,2.3极限状态设计法,结构的极限状态：承载能力、正常使用极限状态,1.承载能力极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载力或不适于继续承载的变形。,当结构或构件出现下列状态之一时，应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；2）结构构件或连接因超过材料强度而破坏，或因过度变形而不适于继续承载；3）结构转变为机动体系；4）结构或结构构件丧失稳定；5）地基丧失承载能力而破坏。,1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡；,2）结构构件或连接因超过材料强度而破坏，或因过度变形而不适于继续承载；,3）结构转变为机动体系；,3）结构转变为机动体系而破坏,4）结构或结构构件丧失稳定；,5）地基丧失承载能力而破坏。,加拿大Transcona谷仓，建于1913年。高31m，宽23m。地基破坏后，西侧下陷8.8m，东侧抬高1.5m，倾斜27o。后用388个50T千斤顶纠正，但位置较原先下降4m。,2.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的某项规定限值。有下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态：1）影响正常使用的外观或变形；2）影响正常使用或耐久性的局部损坏；3）影响正常使用的振动；4）影响正常使用的其他特定状态。可以理解为结构或构件达到使用功能上允许的某个限值状态。,嘉裕关结构梁腐蚀破坏,青海化工厂桥面护栏,2.3.2结构的设计状况设计状况代表一定时段的一组物理条件，设计应做到结构在该时段内不超越有关的极限状况。1）持久状况：在结构使用过程中一定出现，其持续时间很长的状况。持续期一般与设计使用年限为同一数量级；2）短暂状况：在结构施工和使用过程中出现概率很大，而与设计使用年限相比，持续期很短的状况。如施工和维修。3）偶然状况：在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的状况，如火灾、爆炸、撞击等。,对于不同的设计状况，可采用不同的结构体系、可靠度标准和基本变量的设计值进行可靠度验算。1）对于三种设计状况均应进行承载力极限状态设计；2）对持久状况，尚应进行正常使用极限状态设计；3）对短暂状况，可根据需要进行正常使用极限状态设计；4）对偶然状况允许局部破坏，但其余部分在一段时间内具有不发生连续倒塌的可靠度。,2.3.3结构的功能函数和极限状态方程,结构的功能函数R表示结构抗力，S表示荷载效应：Z=R-S或Z=g（X1,X2,Xn)，其中Xi为基本变量由于R、S均为随机变量，故结构功能函数Z也是随机变量。,结构功能的三种状态：Z=R-S0,结构处于可靠状态Z=R-S=0,结构处于极限状态Z=R-S0,结构处于失效状态,极限状态设计应满足下式要求：Z=g（X1,X2,Xn)0,2.3.结构可靠度的计算,1.结构的失效概率Pf,Z=R-S或Z=g（X1,X2,Xn),由于复杂。引入可靠指标来度量结构的可靠度。,引入标准正态变量：,得出可靠指标与失效概率的关系为：,2.结构的可靠指标,（1）可靠指标,与Pf的对应关系,（2）设计可靠指标（目标可靠指标）,设计可靠指标是设计规范规定的作为设计依据的可靠指标，它代表了设计所预期达到的结构可靠度。,确定一般需要考虑以下四个因素：公众心理=2.5-4.0对工程结构，在设计基准期内，pf510-3结构较安全pf510-4结构安全pf510-5结构很安全结构重要性-结构的安全等级（一级、二级、三级）结构破坏性质-脆性结构的应高于延性结构的延性破坏-结构构件在破坏前有明显的变形或其他预兆脆性破坏-结构构件在破坏前无明显的变形或其他预兆社会经济承受力,校准法通过结构可靠度分析理论对传统设计方法所具有的可靠度进行分析，确定目标可靠度。我国、加拿大、美国、欧洲等一些国家也采用此法。,1）承载能力极限状态的可靠指标,2）正常使用极限状态下的可靠指标根据结构效应的可逆程度选取01.5。可逆程度较高的结构构件取较低值；可逆程度较低的结构构件取较高值。不可逆极限状态：产生超越状态的作用被移掉后，仍将永久保持超越状态的一种极限状态；可逆极限状态：产生超越状态的作用被移掉后，将不再保持超越状态的一种极限状态。,直接概率设计法：,主要应用：1）根据规定的可靠度，校准分项系数模式中的分项系数；2）在特定情况下，直接设计某些重要的工程；3）对不同设计条件下的结构可靠度进行一致性对比。,计算方法：一次二阶矩法有“中心点法”及“验算点法”。,2.4.1承载力极限状态设计表达式,2.4极限状态设计表达式,1.基本表达式,2.荷载效应组合的设计值（1）由可变荷载效应控制的组合,（2）由永久荷载控制的组合,简化式,对于一般排架、框架结构，由可变荷载效应控制的组合式可采用的简化式；由永久荷载控制的组合仍采用上式。,3.荷载分项系数，荷载设计值（1）荷载分项系数：,G永久荷载分项系数,Q，Qi第1个和第i个可变荷载分项系数,（）荷载设计值,ci第i个可变荷载组合值系数，对风荷载取0.6，对其他可变荷载一般取0.7，个别取0.90.95。,（）组合值系数,简化表达式中的组合值系数，一般取0.9，只有一个可变荷载时取1.0。,承载能力极限状态荷载效应组合应注意的3点问题：1.关于由永久荷载控制的组合：当考虑由永久荷载控制的组合，参与组合的荷载仅限于与永久荷载作用方向相同的可变荷载。2.关于起控制作用的可变荷载效应SQ1k：SQ1k不一定大于其他的SQik。3.基本组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况。,建筑工程中：,桥梁工程中：,.材料分项系数，材料强度设计值,式中：混凝土的材料分项系数；建筑工程取1.4,公路桥涵工程取1.45；钢筋的材料分项系数；建筑工程对热轧钢筋取1.1，对钢丝、钢绞线、热处理钢筋取1.2；公路桥涵工程对热轧钢筋取1.2，对钢绞线、热处理钢筋取1.25。,2.4.2正常使用极限状态设计表达式,（1）标准组合：,SdCSd变形、裂缝等荷载效应的设计值；C设计对变形、裂缝等规定的相应限值。,主要用于当一个极限状态被超越时，结构构件将产生永久性损害的情况。,（2）频遇组合：,（3）准永久组合：,主要用于当一个极限状态被超越时将产生局部损害、较大变形或短暂振动等情况。,主要用于当长期效应是决定因素时的一些情况,正常使用极限状态验算规定,2.5公路桥涵工程结构设计方法一、基本规定,表2-6桥涵结构的设计安全等级,表2-7桥梁结构的目标可靠指标,结构安全等级,破坏类型,桥涵工程结构结构设计状况（1）持久状况：桥涵建成以后承受自重、车辆荷载等持续时间很长的状况。需进行承载力与正常使用极限状态设计；（2）短暂状况：桥涵施工过程中承受临时性荷载的状况。需进行承载力极限状态设计，必要时进行正常使用极限状态设计；（3）偶然状况：在桥涵使用过程中会偶然出现的状况。如罕遇地震，在该状况下只进行承载力极限状态设计。,二、极限状态设计表达式,1.承载能力极限状态,基本组合,桥梁结构的重要性系数，按公路桥涵的设计安全等级，一级、二级、三级分别为1.1、1.0、0.9；桥梁的抗震设计不考虑结构的重要性系数；作用（或荷载）效应（其中汽车荷载应计如冲击系数）的组合设计值，当进行预应力混凝土连续梁等超静定结构的承载能力极限状态计算时，公式中的作用（或荷载）效应项应改为，其中为预应力（扣除全部预应力损失）引起的次效应；为预应力分项系数，当预应力效应对结构有利时，取；对结构不利时，取；,基本组合,偶然组合，按下列原则确定：,（1）偶然作用取标准值作用，其分项系数取1.0；,（2）与偶然作用同时出现的可变作用，根据观测资料和工程经验取适当的代表值；,（3）设计表达式及各系数的取值，可按公路工程有关规范的规定采用。,2.正常使用极限状态,（1）荷载短期效应组合,（2）荷载长期效应组合：,1i第i个可变作用的频遇值系数。,2i第i个可变作用的准永久值系数。,【例2-1】某厂房采用1.5m6m的大型屋面板，卷材防水屋面，永久荷载标准值为2.7KN/m2,屋面活荷载为0.7KN/m2，屋面积灰荷载0.5KN/m2，雪荷载为0.4KN/m2，已知纵肋的