第二章-工程结构的设计标准和设计方法(4课时).ppt

第二章工程结构的设计标准和方法,本章主要内容,设计基准期和设计使用年限结构的功能要求、作用和抗力结构可靠度理论和极限状态设计法；结构设计方法及设计内容,教学目的和要求,（1）掌握结构的功能、极限状态、作用效应、结构抗力、可靠度等基本概念；（2）掌握作用（荷载）、结构抗力的取值；（3）掌握荷载分项系数、可变荷载组合系数、结构重要性系数、混凝土和钢材的材料分项系数的取值；（4）掌握承载能力和正常使用极限状态的实用设计表达式。,教学重点与难点：,（1）重点：结构的功能要求、极限状态，混凝土结构设计方法，结构上的作用、作用效应和结构的抗力，极限状态实用设计表达式。（2）难点：极限状态方程，结构的可靠度、失效概率、可靠度指标和目标可靠度指标。,设计基准期结构设计时以及对与时间有关的材料性能取值时所采用的时间参数。我国的设计基准期为50年。设计使用年限设计规定的一个时期。该规定时期内，房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用和维护下不需要进行大修就能按其预定目的使用。设计使用年限分类表,2.1设计基准期和设计使用年限,2.2结构的功能要求、作用和抗力,（一）结构的功能要求,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。适用性结构在正常使用时具有良好的工作性能。例如，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等。,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。例如，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或裂缝过宽而锈蚀等。,混凝土结构的耐久性应根据环境类别和设计使用年限进行设计。,结构上的作用,按时间的变异分布：永久作用、可变作用、偶然作用,按随空间位置的变异分类：固定作用、自由作用,按结构的反应分类：静态作用、动态作用,（二）作用和抗力,作用的随机性质,作用可能出现，也可能不出现；数值可能较大，也可能较小；方向可能变化，也可能不变等等。,结构由于各种原因，引起内力和变形称为作用效应，用S表示。由直接作用产生的效应，通常称为荷载效应。,内力：轴力、弯矩、剪力、扭矩；,变形：挠度、转角、裂缝。,作用效应取决于作用的方式及结构或构件的几何尺寸及支承条件。,简支梁在跨中一集中荷载作用下跨中弯矩,例：,简支梁在均布荷载作用下跨中弯矩,S=cQ,c荷载效应系数,Q荷载,第二章设计标准和方法,结构抗力是指结构或构件承受作用效应的能力。如构件的承载力、刚度、抗裂度等，用R表示。,结构抗力的影响因素：,材料性能的不确定性,材料几何参数的不确定性,计算模式的不确定性,结构的抗力具有随机性。,2.3结构可靠理论和极限状态设计法,一、结构的可靠性和可靠度,结构的可靠性,结构的可靠度,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。即可靠性的概率度量。,结构的安全性、适用性和耐久性的总称,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。,结构的可靠度是结构可靠性的概率度量，即对结构可靠性的定量描述。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。,一、结构的可靠性和可靠度,二、结构可靠度理论,随机变量的分析和处理,平均值,标准差,变异系数,正态分布曲线方程,正态分布曲线的特征,结构或构件能否完成预定功能与结构的荷载效应S与结构的抗力R有关。,第二章设计标准和方法,结构的功能函数,Z0，,即RS结构可靠,Z=0，,即R=S结构处于极限状态。,即RS结构失效,Z1.0)求得。,结构构件的抗力应根据截面的受力状态不同用相应的计算模型确定。,fs钢材强度设计值。,fsk是由数理统计且具有95%保证率的材料强度。,正常使用极限状态设计表达式,变形及裂缝宽度的验算,1、变形验算(挠度）,式中f受弯构件按荷载短期效应组合并考虑长期效应组合影响计算的最大挠度。,flim规范允许挠度,fflim,2、裂缝验算,规范按使用阶段对结构构件裂缝的不同要求，将裂缝控制等级分为三级：,一级：严格要求不裂，使用阶段不允许出现拉应力。,二级：一般要求不裂，使用阶段允许出现拉应力，但应作限制。,三级：允许开裂，应验算裂缝宽度,wmaxwlim,第二章设计标准和方法,3、荷载的标准组合S：,4、荷载的准永久组合S：,式中，qi第i个可变荷载的准永久值系数,第二章设计标准和方法,例：一简支梁，跨度为6米，作用于上的均布荷载，恒载标准值gk=3kN/m，分项系数G=1.2，活荷载标准值qk=6kN/m，分布系数Q=1.4，分别计算梁跨中截面弯矩的基本效应组合、短期效应组合和长期效应组合(活荷载准永久系数qi=0.4),解：基本效应组合(内力组合设计值),荷载短期效应组合：,荷载长期效应组合：,第二章设计标准和方法,荷载的代表值及材料强度取值,荷载的标准值,荷载的准永久值,荷载的频遇值,可变荷载的组合值,材料强度的标准值,材料强度的设计值,2.4结构设计内容,（1）永久荷载标准值永久荷载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。对于自重变异性较大的材料，在设计中应根据其对结构有利或不利的情况，分别取其自重的下限值或上限值。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200500mm的钢筋混凝土矩形截面梁的自重标准值为0.20.525=2.5kN/m。,一、荷载的代表值,（2）可变荷载标准值民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频偶值和永久值系数按表采用。（3）可变荷载准永久值定义：在设计基准期内经常达到或超过的那部份荷载值（总的持续时间不低于25年），称为可变荷载准永久值。可变荷载准永久值可表示为qk，其中k为可变荷载标准值，q为可变荷载准永久值系数。q值见表。,一、荷载的代表值,（4）可变荷载组合值定义：两种或两种以上可变荷载同时作用于结构上时，除主导荷载（产生最大效应的荷载）仍可以其标准值为代表值外，其他伴随荷载均应以小于标准值的荷载值为代表值，此即可变荷载组合值。可变荷载组合值可表示为ck。其中c为可变荷载组合值系数，其值按表查取。,一、荷载的代表值,（5）可变荷载频遇值定