混凝土结构基本设计原则PPT课件

.,第三章混凝土结构基本设计原则BasicDesignApproachofRCStructure,.,Questions1Whatworkingstatesshouldbeconsideredforpracticalstructures?2Howtoensurethesafetyandserviceabilityofyourdesign?3Whatfactorsmustbeconsideredtoensurethesafetyandserviceability?,.,工程结构的设计需要保证安全可靠、经济合理.由于实际工程结构中存在多种不确定性，结构设计方法就是研究工程设计中的各种不确定性问题，取得安全可靠与经济合理之间的均衡。,.,容许应力设计方法allowablestress,安全系数K是一个大于1.0的数值。K越大，结构安全度就越高，同时结构材料用量也越多。为取得安全可靠与经济合理的均衡，在综合考虑各种不确定性因素影响后，可选取一个合适的安全系数。,.,材料力学研究的是：单一材料、线弹性、简单结构，实际工程结构远比它复杂。如钢筋混凝土梁的受弯，从安全角度考虑，需要确定其极限受弯承载力；为控制正常使用阶段的裂缝和挠度变形，需要确定带裂缝工作阶段的受力情况。采用容许应力设计方法，无法统一这两方面的要求,.,因此，首先根据工程结构需要满足实际使用的各种要求(结构的功能)对安全可靠度有更具体的科学定义。另一方面，需要尽可能详细了解结构在不同情况下（施工、使用、破坏）可能受到的各种外界影响的大小和变化情况。以及结构尺寸、材料强度等的变异情况，以便科学全面合理的确定结构可靠性。,各种荷载、温度变化、沉降、收缩徐变、地震、侵蚀、冻融等。,.,1.混凝土结构的组成与作用,3.1结构的功能,结构由不同的受力构件组成的承受各种外部作用的骨架。构件结构的组成元素。,柱：要求柱具有一定的抗压能力；墙：主要承受由楼板传来的竖向线荷载或其由上部结构传来的竖向荷载.因此,要求墙体具有一定的抗压能力.基础：主要承受由柱或墙体传来的竖向荷载,并把这些荷载均匀地传给地基.因此,要求基础具有一定的刚度和强度.,楼板：（受弯构件）要求楼板具有一定的抗弯能力；梁：（受弯构件）要求梁具有一定的刚度和强度,以满足抗弯.抗剪和变形的要求.,.,定义：使结构产生内力或变形的原因称为“作用”。,作用分类,直接作用,间接作用,荷载,混凝土收缩、温度变化、基础的差异沉降、地震等引起结构外加变形或约束的原因。,作用效应：结构上的作用使结构产生的内力、变形、裂缝等通称为作用效应或荷载效应S。Action(Load)Effect,2.荷载效应(S)和结构抗力(R),结构抗力：结构承受内力和变形的能力（如构件的承载能力、裂缝和变形限值等）称为结构抗力R。结构上的作用、作用效应、结构抗力均是随机变量取决于材料的强度、截面尺寸及计算模式等。,.,结构上的作用分类(1)按随时间的变异分类：永久作用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。可变作用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。活载、雪载、风载偶然作用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(2)按随空间位置的变异分类固定作用在结构空间位置上具有固定分布的作用。自由作用在结构空间位置上的一定范围内可以任意分布的作用。(3)按结构的反应分类静态作用使结构产生的加速度可忽略不计的作用。动态作用使结构产生的加速度不可忽略的作用。,.,结构的功能要求,1.安全性Safety如（MMu）结构在预定的使用期间内（designlife一般为50年），应能承受在正常施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载、外加变形（如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）等的作用。在偶然事件（如地震、爆炸）发生时和发生后，结构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。,.,2.适用性Serviceability如（ff）结构在正常使用期间，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）、振动（频率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。3.耐久性Durability如（wmaxwmax）结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀），结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低，而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。,.,4.结构的可靠性reliability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。它包括安全性.适用性和耐久性.(1).规定的时间:一个设计基准期:T=50年中国(2).规定的条件:正常设计、正常施工、正常使用和维护(3).预定功能:如:强度、刚度、稳定性、抗裂性、耐久性等。设计基准期：指一个工程结构在正常使用和正常维护条件下，能够满足其可靠度的时间。结构可靠性越高，建设造价投资越大。如何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。,.,显然这种可靠与经济的均衡受到多方面的影响，如国家经济实力、设计工作寿命(designlife)、维护和修复等。规范规定的设计方法，是这种均衡的最低限度，也是国家法律。设计人员可以根据具体工程的重要程度、使用环境和情况，以及业主的要求，提高设计水准，增加结构的可靠度。经济的概念不仅包括第一次建设费用，还应考虑维修，损失及修复的费用，乃至可能对社会和经济所造成的影响,.,结构的安全等级*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。,根据建筑结构破坏后果的严重程度，建筑结构划分为三个安全等级，设计时应根据具体情况，按照下表的规定选用相应的安全等级。,建筑物中各类结构构件使用阶段的安全等级，宜与整个结构的安全等级相同，对其中部分结构构件的安全等级，可根据其重要程度适当调整，但不得低于三级。,.,*按照桥涵破坏可能产生的后果的严重程度，划分为三个安全等级进行设计。,注：特大、大、中桥系按公路桥涵通用设计规范中的单孔跨径确定，对多跨不等跨桥梁，以其中最大跨径为准；重要的大桥和重要的小桥指高速公路和一级公路上、国防公路上及城市附近交通繁忙公路上的桥梁。同座桥梁的各种构件宜取相同的安全等级，必要时部分构件可作适当调整，但调整后的级差不应超过一个等级。,.,桥梁涵洞分类,.,3.2极限状态LimitState,一、极限状态的概念结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠”的或“有效”的。反之，则结构为“不可靠”或“失效”。区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限状态”,.,二.结构极限状态的分类,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，这个特定状态称为该功能的极限状态。,a.承载力能力极限状态UltimateLimitState结构或构件达到最大承载能力或者达到不适于继续承载的变形状态。构件的截面因强度不足而发生破坏（包括疲劳破坏）；结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡(如倾覆、滑移)；结构塑性变形过大而不适于继续使用；结构形成几何可变体系(超静定结构中出现足够多塑性铰)；结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）。,.,b.正常使用极限状态ServiceabilityLimitState结构或构件达到影响正常使用或耐久性能的某项规定限值的状态。过大的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、不能正常使用（吊车）等）；过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）；过大的振动（影响使用、不舒适）；局部损坏。,.,结构极限状态方程,Z0可靠,结构力学的主要内容,本课程的主要内容,Z=R-S=g(R,S),.,结构设计中的不确定性,恒载g与构件尺寸、材料容重等有关活载q（楼面活载、雪荷载）的数值是随时在变化的计算跨度l的不准确,材料强度fy和fc的离散截面尺寸h0和b的施工误差应力-应变关系参数k1和k2,不一定安全（可靠）,.,3.4概率极限状态设计方法,由于结构工程中的不确定性，为取得安全可靠与经济合理的均衡，在设计中需要考虑这些不确定性的影响。结构设计方法就是处理这种安全可靠与经济合理的矛盾。,容许应力设计法,钢筋混凝土结构的受力性能不是弹性的；结构中一点达到容许应力，结构即认为失效；没有考虑结构功能的多样性要求；安全系数是凭经验确定的，缺乏科学依据。,.,破损阶段设计法,整个截面达到极限承载力才认为失效，考虑了材料塑性和强度的充分发挥，极限荷载可以直接由试验验证，构件的总安全度较为明确。但安全系数K仍然凭经验确定，没有考虑结构功能的多样性要求的问题。,.,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。,极限状态设计法,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的某一功能要求，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极限。,失效概率指结构处于失效状态下的概率pf。,结构极限状态函数又称结构功能函数,当,时，结构已达极限状态，称为极限状态方程。,.,结构功能的表达(极限状态方程）,.,重叠区的大小反映了抗力R和荷载效应S之间的概率关系，即结构的失效概率,从结构安全的角度，提高结构构件的抗力R，减小抗力R和荷载效应S的离散程度，可以提高结构的可靠程度，即提高RS，减小R、S可使失效概率降低。,结构处于可靠状态下的概率，称为可靠概率ps，ps=1-pf。,标准差S、R,平均值分别为S、R,.,称为可靠指标，与失效概率pf之间有一一对应的关系。,.,b可靠指标reliabilityindex,b=3.7时，Pf=1.110-4，按设计基准期50年考虑，年失效概率为1.110-4/50=2.210-650年后并不是结构就失效，而是失效概率增加。同时，结构失效也并不表示结构倒塌，结构倒塌也不一定造成人员伤亡。我国对于一般工程结构，当为延性破坏时，其可靠指标取b=3.2，对脆性破坏取b=3.7。对于重要的工程结构，应提高可靠指标。,.,目标可靠指标,结构按承载能力极限状态设计时，要保证其完成预定功能的概率不低于某一允许水平而要求设计所达到的可靠指标，称为目标可靠指标。,.,荷载的标准值,又称恒荷载，在结构设计使用期间，其值不随时间而变化，或其变化与平均值相比可以忽略的荷载，如结构的自重、土压力，固定设备等；,又称活荷载，在结构设计使用期间其值随时间而变化，如楼面堆放荷载、吊车荷载、静水压力、风荷载、雪荷载等；,在结构设计基准期内不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载，如爆炸力、撞击力等；,按随时间的变异性和出现的可能性：,荷载的代表值,.,荷载标准值是荷载的基本代表值。指结构构件在使用期间的正常情况下可能出现的最大荷载值，采用数理统计的方法确定的具有一定概率的最大荷载值称为荷载的标准值Sk。永久荷载标准值Gk，可按结构的设计尺寸ak和结构材料的标准重力密度计算得到。可变荷载标准值，应根据设计基准期内最大荷载概率分布的某一分位值确定。,一.荷载的标准值Sk,.,可变荷载的最大值并非长期作用于结构之上，在考虑荷载长期效应组合时，应对其标准值进行折减。可变荷载在设计基准期内，其超越的总时间约为设计基准一半的荷载值，为可变荷载标准值乘以荷载准永久值系数。,二.荷载准永久值,四.可变荷载的组合值,三.荷载频遇值,指在设计基准期内，其超越时间为较小比率或超越频率为规定频率的荷载值。,结构上多种可变荷载同时到达预计的最大概率是很小的，为了使结构在两种或两种以上可变荷载作用时的情况与仅有一种可变荷载作用时具有大致相同的可靠指标，引入了荷载组合系数，对同时作用的多种荷载进行折减。,.,实用设计表达式,.,实用设计表达式,.,实用设计表达式,.,实用设计表达式,.,结构构件的承载能力极限状态设计应根据荷载效应的基本组合或偶然组合进行，并以内力和承载力的设计值来表达，其设计表达式为：0SR1.结构重要性系数0的确定对安全等级为一级、或设计使用年限为100年及以上的结构构件，01.1。安全等级为二级、或设计使用年限为50年的结构构件，01.0。安全等级为三级、或设计使用年限为5年的结构构件，00.9。,承载能力极限状态设计表达式,.,2.内力组合设计值S的确定考虑永久性荷载和可变荷载共同作用所得的结构内力值称为结构的内力组合值。对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从下列组合值中取最不利值确定：（1）由可变荷载效应控制的组合：,.,对于一般排架、框架结构，基本组合可采用简化规则。1)由可变荷载效应控制的组合：当仅有一个可变荷载时2)由永久荷载效应控制的组合：,.,3.基本组合的荷载分项系数（1）永久荷载的分项系数G：当其效应对结构不利时对由可变荷载效应控制的组合，取G=1.2；对由永久荷载效应控制的组合，取G=1.35。当其效应对结构有利时一般情况下，取G=1.0；对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，取G=0.9,.,（2）可变荷载的分项系数：当可变荷载效应对结构构件的承载能力不利时，在一般情况下应取1.4；当可变荷载效应对结构构件的承载能力有利时，应取为0。对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载，取Q=1.3。永久荷载分项系数与永久荷载标准值的乘积，称为永久荷载设计值；可变荷载分项系数与可变荷载标准值的乘积称为可变荷载设计值。,.,对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，采用荷载的标准组合、频遇组合或准永久组合，并按下列设计表达式进行设计。C结构或构件达到正常使用要求的规定限值。如变形、裂缝、振幅、加速度等的限值。荷载效应的组合（1）荷载效应的标准组合：主要用于当一个极限状态被超越时将产生严重的永久性损害的情况；,正常使用极限状态设计表达式,.,（2）荷载效应的频遇组合：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；（3）荷载效应的准永久组合：主要用在当长期效应是决定性因素时的一些情况。,.,一级裂缝控制：严格要求不出现裂缝的构件按荷载效应标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力。二级裂缝控制：一般要求不出现裂缝的构件按荷载效应标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土拉应力不大于轴心受拉强度标准值；按荷载效应准永久组合计算时，构件受拉边缘混凝土不宜产生拉应力；,裂缝控制验算,.,三级裂缝控制：允许出现裂缝的构件按荷载效应标准组合并考虑长期作用影响计算时，构件最大裂缝宽度不应超过裂缝宽度限值。附表16受弯构件的挠度验算按荷载效应标准组合并考虑长期作用影响计算，其计算值不应超过规定的挠度值。附表15,.,【例】已知由永久荷载产生的弯矩标准值Mgk=11kNm，起控制作用的可变荷载产生的弯矩标准值Mqk=16kNm，安全等级为二级，求弯矩设计值。【解】本例中，0=1.0，G=1.2,Q1=1.4SGk=Mgk=11kNmSQ1k=Mqk=16kNm则弯矩设计值M=0(GSGk+Q1SQ1k）=1.0(1.211+1.416)kNm=35.6kNm弯矩设计值为35.6kNm。,.,【例】某教学楼楼面采用预制板，计算跨度l0=5.70m，板宽0.9m，板自重2.2kN/m2。楼面采用水磨石地面（10mm厚面层，20mm厚水泥砂浆打底），板底20mm厚抹灰。楼面活荷载标准值为2.0kN/m2。试求：板的跨中截面弯矩设计值M;标准组合荷载效应组合的设计值M；频遇组合荷载效应组合的设计值M；准永久组合荷载效应组合的设计值M。【解】(1)荷载标准值永久荷载水磨石地面0.65kN/m220mm板底抹灰170.02=0.34kN/m2板自重2.2kN/m2作用在板上的永久荷载线荷载标准值为gk=(0.65+0.34+2.2)0.9=2.871kN/m,.,可变活荷载标准值qk=2.00.9=1.8kN/m(2)板的跨中截面弯矩设计值永久荷载产生的弯矩标准值Mgk=1/8gkl02=11.66kNm可变荷载产生的弯矩标准值Mqk=1/8qkl02=7.31kNm由可变荷载效应控制的组合G=1.2，Q=1.4M=GMgk+QMqk=24.22kNm由永久荷载效应控制的组合G=1.35，Q=1.4,ci=0.7M=GMgk+QciMqk=22.90kNm由计算知，楼板荷载效应组合值由可变荷载效应控制。故板跨中截面的弯矩设计值为24.22kNm。,.,(3)标准组合荷载效应组合的设计值MM=Mgk+Mqk=11.66+7.31=18.97kNm(4)频遇组合荷载效应组合的设计值Mf1=0.6M=Mgk+f1Mqk=16.05kNm(5)准永久组合荷载效应组合的设计值Mq1=0.5M=Mgk+q1Mqk15.32kNm,.,课堂作业,一办公楼楼面简支梁的计算跨度为10m，由永久荷载标准值产生的梁上线荷载gk=10kN/m，由楼面均布活荷载标准值产生的梁上线荷载qk=8kN/m，由此计算的该梁的跨中弯矩为多少？一档案库的楼面悬臂梁，其悬挑计算跨度为5米，该梁上由永久荷载标准值产生的线荷载gk=30.0kN/m，由楼面活荷载标准值产生的线荷载qk=2.0kN/m，由此算得的该梁梁端弯矩设计值为多少？,.,公路桥涵作用效应组合,1作用的分类作用按随时间变化可分为如下几类：（1）永久作用、在设计基准期内量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计的作用。（2）可变作用、在设计基准期内量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。按其对桥涵结构的影响程度，又分为基本可变作用和其他可变作用。（3）偶然作用、在设计基准期内不一定出现，但一旦出现，其值很大且持续时间很短的作用。,.,2作用效应组合总的原则：凡存在永久作用任一项，均应参加组合，凡可能出现的汽车荷载项，除个别情况外也应参与组合；对汽车荷载以外的其它可变作用是否参与组合，应根据同时作用的可能性来确定。承载能力极限状态设计时，根据可能出现的作用，应采用以下两种作用效应组合，即基本组合和偶然组合。,（1）基本组合：永久作用设计值效应与可变作用设计值效应相组合，其效应组合表达式为：,或,公路桥涵作用效应组合,.,或,Sud承载能力极限状态下作用基本组合的效应组合设计值；0结构重要性系数，对于公路桥梁，安全等级为一级、二级、三级时，分别取1.1、1.0、0.9；Gi第i个永久作用的分项系数；Qj除汽车荷载、风荷载外的其他第j个其他可变荷载的分项系数，取Qj=1.4，但风荷载外的分项系数取Qj=1.1。SGik，SGid第i个永久荷载标准值和设计值的效应；SQ1k，SQ1d汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）的标准值和设计值;,公路桥涵作用效应组合,.,或,SQik，SQid除汽车荷载（含汽车冲击力、离心力）外的其他第j个可变作用效应的标准值和设计值；c除汽车荷载（含汽车冲击力、离心力）外其他可变荷载效应的组合系数，当永久作用与汽车荷载和人群荷载(或其他一种可变作用)组合时，人群荷载(或其他一种可变作用)的组合系数取c=0.80；除汽车荷载（含汽车冲击力、离心力）外尚有其他两种可变荷载参与组合时，其组合系数取c=0.70；尚有三种可变荷载参与组合时，其组合系数取c=0.60；尚有四种可变荷载参与组合时，其组合系数取c=0.50；,公路桥涵作用效应组合,.,永久作用标准值效应与可变作用某种代表值效应、一种偶然作用标准值效应相组合。偶然作用的分项系数取1.0；与偶然作用同时出现的可变作用，可根据观测资料和工程经验取用适当的代表值。地震作用标准值及其表达式按现行公路工程抗震设计规范规定采用。,（2）偶然组合,公路桥涵作用效应组合,.,正常使用极限状态设计时，根据不同的设计要求，应采用以下两种效应组合，即短期效应组合和长期效应组合。,（1）作用短期效应组