第3章结构设计原理、设计方法

1、第3章结构设计原理、设计方法 一、结构的功能要求一、结构的功能要求 1、三项基本功能要求：、三项基本功能要求： l 结构应能承受在正常施工和正常使用期间可能出现的各结构应能承受在正常施工和正常使用期间可能出现的各 种荷载、外加变形、约束变形等的作用种荷载、外加变形、约束变形等的作用 l 结构在正常使用条件下具有良好的工作性能结构在正常使用条件下具有良好的工作性能适用性适用性 l 结构在正常使用和正常维护条件下，在规定的时间内，结构在正常使用和正常维护条件下，在规定的时间内， 具有足够的耐久性具有足够的耐久性耐久性耐久性 第3章结构设计原理、设计方法 承载能力承载能力 稳稳 定定 性性 适适 用

2、用 性性 耐耐 久久 性性 用可靠度度量用可靠度度量 可靠性可靠性结构在规定的时间（设计基准期）内，在规结构在规定的时间（设计基准期）内，在规 定的条件（结构设计时所确定的定的条件（结构设计时所确定的正常设计正常设计、正常施工正常施工和和正常正常 使用条件使用条件）下，完成预定功能的能力。）下，完成预定功能的能力。 可靠度可靠度结构在规定的时间内，在规定的条件下，完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。成预定功能的概率。 可靠性可靠性 2、结构的可靠性、结构的可靠性 第3章结构设计原理、设计方法 规定时间（设计基准期）规定时间（设计基准期） 设计基准期设计基准期 进行结构可

3、靠性分析时，考虑持久设计状进行结构可靠性分析时，考虑持久设计状 况下各项变量与时间关系所采用的基准时间参数。况下各项变量与时间关系所采用的基准时间参数。 可靠性概念的释义可靠性概念的释义 一般桥梁结构的设计基准期为一般桥梁结构的设计基准期为100年年 建筑结构的设计基准期为建筑结构的设计基准期为50年年 规定条件：正常施工、设计、使用，不考虑人为过失规定条件：正常施工、设计、使用，不考虑人为过失 结构的设计基准期与结构使用寿命有什么异同？结构的设计基准期与结构使用寿命有什么异同？ 设计基准期和设计使用年限设计基准期和设计使用年限 是为确定荷载代表是为确定荷载代表 值及与时间有关的值及与时间有关

4、的 材料性能等取值而材料性能等取值而 选用的时间参数选用的时间参数 （我国取用的设计（我国取用的设计 基准期为基准期为5050年）。年）。 必须说明：当结构必须说明：当结构 的使用年限达到或的使用年限达到或 超过设计基准期后，超过设计基准期后， 并不意味结构立即并不意味结构立即 报废，而只意味结报废，而只意味结 构的可靠度将逐步构的可靠度将逐步 降低。降低。 类别类别设计使用年限（年）设计使用年限（年）示示 例例 1 11 15 5临时性建筑临时性建筑 2 22525易于替换的结构构件易于替换的结构构件 3 35050普通房屋和构筑物普通房屋和构筑物 4 4 100100及以上及以上纪念性建筑

5、和特别重纪念性建筑和特别重 要的建筑结构要的建筑结构 是设计规定的一个期限，是指按规定指标是设计规定的一个期限，是指按规定指标 设计的建筑结构或构件，在正常施工、正设计的建筑结构或构件，在正常施工、正 常使用和维护下，不需进行大修即可达到常使用和维护下，不需进行大修即可达到 其预定功能要求的使用年限。其预定功能要求的使用年限。 第3章结构设计原理、设计方法 二、结构的极限状态二、结构的极限状态 1定义：定义： 当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态而不能满当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态而不能满 足设计规定的某一功能要求时，则此特定状态称为该结构的足设计规定的某一功能要求时，则此特定

6、状态称为该结构的 极限状态。极限状态。 结构的极限状态也是结构处于可靠状态与失效状态的临结构的极限状态也是结构处于可靠状态与失效状态的临 界状态。界状态。 第3章结构设计原理、设计方法 正常使用正常使用 极限状态极限状态 承载能力承载能力 极限状态极限状态 极限状态极限状态 2 2、极限状态的分类、极限状态的分类 欧洲混凝土协会欧洲混凝土协会 国际预应力混凝土协会国际预应力混凝土协会 国际标准化组织国际标准化组织 我国的可靠度标准、各种规范我国的可靠度标准、各种规范 第3章结构设计原理、设计方法 承载能力极限状态承载能力极限状态 对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续对应于结构或构件达到

7、最大承载能力或不适于继续 承载的变形。承载的变形。 承载能力承载能力 极限状态极限状态 结构构件或连接处因结构构件或连接处因 超过材料强度而破坏超过材料强度而破坏 结构转变结构转变 成机动体系成机动体系 整个结构或结构的一部整个结构或结构的一部 分作为刚体失去平衡分作为刚体失去平衡 （滑动、倒塌）（滑动、倒塌） 结构或结构构件丧结构或结构构件丧 失稳定（柱的压曲失稳定（柱的压曲 失稳）失稳） 4 3 2 1 第3章结构设计原理、设计方法 正常使用极限状态正常使用极限状态 对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规 定限值。定限值。 影响正常使用

8、或外观的变形影响正常使用或外观的变形 影响正常使用或耐久性能的局部损坏影响正常使用或耐久性能的局部损坏 影响正常使用的振动影响正常使用的振动 影响正常使用的其它特定状态影响正常使用的其它特定状态 第3章结构设计原理、设计方法 三、结构可靠度的基本原理三、结构可靠度的基本原理 1 1、功能函数、功能函数 可靠度分析中，结构的极限状态一般用功能函数描绘。可靠度分析中，结构的极限状态一般用功能函数描绘。 当有当有n个随机变量个随机变量(X1,X2,.Xn)影响结构的可靠度时，结构影响结构的可靠度时，结构 的功能函数可表示为的功能函数可表示为 0 结构可靠结构可靠 =0 极限状态极限状态 R2( (失

9、效失效) ) S1R1（可靠）（可靠） 第3章结构设计原理、设计方法 2 2、结构抗力和作用、结构抗力和作用 l结构抗力结构抗力结构构件承受内力和变形的能力，如强结构构件承受内力和变形的能力，如强 度、刚度、抗裂度等。它是结构材料性能和几何参数等度、刚度、抗裂度等。它是结构材料性能和几何参数等 的函数。的函数。 l作作 用用施加在结构上的集中力或分布力，或引施加在结构上的集中力或分布力，或引 起结构外加变形或约束变形的原因，它分为直接作用和起结构外加变形或约束变形的原因，它分为直接作用和 间接作用。间接作用。 第3章结构设计原理、设计方法 两类作用两类作用 间接作用间接作用直接作用直接作用 施

10、加在结构上的荷载，如施加在结构上的荷载，如 结构自重、汽车荷载等。结构自重、汽车荷载等。 引起结构外加变形引起结构外加变形 和约束变形的原因和约束变形的原因 作作 用用 第3章结构设计原理、设计方法 约束变形约束变形 结构材料发生收结构材料发生收 缩或膨胀等变化缩或膨胀等变化 ，结构在支座或，结构在支座或 节点的约束下间节点的约束下间 接产生的变形。接产生的变形。 强迫结构产强迫结构产 生变形。基生变形。基 础的不均匀础的不均匀 沉降，地震沉降，地震 等。等。 外加变形外加变形 何为作用效应？何为作用效应？ 第3章结构设计原理、设计方法 作用效应作用效应 结构对所受作用的反应：结构或者构件的内

11、力、变形等结构对所受作用的反应：结构或者构件的内力、变形等。 PL/4 P 弯矩图弯矩图 剪力图剪力图 P/2 P P/2 P 第3章结构设计原理、设计方法 3、失效与失效概率：、失效与失效概率： 失效失效指结构或结构的一部分不能满足设计所规定某一指结构或结构的一部分不能满足设计所规定某一 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 极限状态中的某一限值。极限状态中的某一限值。 失效概率失效概率作用效应作用效应S和结构抗力和结构抗力R都是随机变量或随都是随机变量或随 机过程，因此要绝对地保证机过程，因此要绝对地保证R总是大于总是大于S是

12、不可能的。可是不可能的。可 能出现能出现R小于小于S的情况，这种可能性的大小用概率来表示的情况，这种可能性的大小用概率来表示 就是失效概率。就是失效概率。 第3章结构设计原理、设计方法 (0) f PP ZRS (0) r PP ZRS l 失效概率失效概率Pf 如下图所示出现如下图所示出现RS的概率，的概率， 图中非阴影部分面积。图中非阴影部分面积。 1 fr pp 两者互补两者互补 )(zf Z z m Z f P Z 0 Z 0Z 0 第3章结构设计原理、设计方法 现将现将Z的正态分布的正态分布N( ， )转化为标准正态分布转化为标准正态分布 N(0,1)， 引入标准化变量引入标准化变量

13、t( =0, =1)，有，有 )(b f P 为什么常用可靠指标为什么常用可靠指标来描述结构可靠度？来描述结构可靠度？ 2 1 exp1 22 Z Z m ZZ f Zz mmt Pdt s ss b b )(tfT ) 1 , 0(N z z mz t s s 0 zz ms s/ f P Z m Z s t m t s 引入符号引入符号，令，令 z z m b s 得得 无量纲系数无量纲系数称为可靠指标称为可靠指标 第3章结构设计原理、设计方法 可靠指标用来描述结构可靠度的原因可靠指标用来描述结构可靠度的原因 1.01.642.003.003.714.004.50 84.1300%94.9

14、500%97.7300%99.8650%99.9896%99.9968%99.9997% 15.8700%5.0500%2.2700%0.1350%0.0104%0.0032%0.0003% f P b 可靠指标与可靠度及失效概率关系可靠指标与可靠度及失效概率关系 如右图所示，标准差如右图所示，标准差 为常量时，为常量时， 增加，概率密度曲线由于增加，概率密度曲线由于 的增加而向右移动，即，的增加而向右移动，即， 将将 变小，变为变小，变为 ，结构可靠度增大。，结构可靠度增大。 f P z s z m f P f P f P Zz mbs ( z mb增 大 后 的 值 ） )(zfz r P

15、 可靠指标是可靠度的度量，与其有一一对应的数量关系；可靠指标是可靠度的度量，与其有一一对应的数量关系； 第3章结构设计原理、设计方法 5、目标可靠指标、目标可靠指标 目标可靠指标目标可靠指标建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准考虑考虑 各种荷载效应组合情况，选择若干有代表性的构件进行了各种荷载效应组合情况，选择若干有代表性的构件进行了 大量的计算分析，规定对于一般工民建作为设计依据的可大量的计算分析，规定对于一般工民建作为设计依据的可 靠指标。靠指标。 安全等级安全等级一级：破坏后果很严重的重要建筑物；二级：一级：破坏后果很严重的重要建筑物；二级： 破坏后果严重的一般工民建筑；

16、三级：破坏后果不严重的破坏后果严重的一般工民建筑；三级：破坏后果不严重的 次要建筑物。次要建筑物。 第3章结构设计原理、设计方法 延性破坏延性破坏 三三 级级二二 级级一一 级级 脆性破坏脆性破坏 安全等级安全等级 破坏类型破坏类型 4.74.23.7 5.24.74.2 延性破坏延性破坏 三三 级级二二 级级一一 级级 脆性破坏脆性破坏 安全等级安全等级 破坏类型破坏类型 3.73.22.7 4.23.73.2 公路桥梁目标可靠指标 建筑结构目标可靠指标 公路工程结构可靠度设计统一标准公路工程结构可靠度设计统一标准（GB/T50283-1999） 建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计

17、统一标准（GB50068-2001） 第3章结构设计原理、设计方法 二、公路桥涵结构的安全等级二、公路桥涵结构的安全等级 根据桥涵结构破坏所产生的后果的严重程度，根据桥涵结构破坏所产生的后果的严重程度， 可分为：一级、二级、三级。可分为：一级、二级、三级。 公路桥涵结构的安全等级 安全等级安全等级 破坏后果破坏后果桥涵类型桥涵类型 结构重要性系结构重要性系 数数0 一级一级很严重很严重特大桥、重要大桥特大桥、重要大桥1.1 二级二级严重严重 大桥、中桥、重要大桥、中桥、重要 小桥小桥 1.0 三级三级不严重不严重小桥、涵洞小桥、涵洞0.9 第3章结构设计原理、设计方法 二、建筑结构安全等级二、

18、建筑结构安全等级 安全等级安全等级 一级一级二级二级三级三级 延性破坏延性破坏3.73.22.7 脆性破坏脆性破坏4.23.73.2 第3章结构设计原理、设计方法 1、设计原则：作用效应最不利组合、设计原则：作用效应最不利组合(基本组合基本组合)设计值必须小设计值必须小 于或等于结构抗力的设计值。于或等于结构抗力的设计值。 即设计文件规定值。即设计文件规定值。标准值标准值 何参数何参数可靠数据时，可采用几可靠数据时，可采用几几何参数设计值，当无几何参数设计值，当无 材料强度设计值；材料强度设计值； 级、三级分别取级、三级分别取设计安全等级一级、二设计安全等级一级、二 ，对应于，对应于结构设计安

19、全等级采用结构设计安全等级采用结构的重要性系数，按结构的重要性系数，按 式中：式中： , ),( 9 . 0 , 0 . 1 , 1 . 1 0 k d d dd a a f afRR 。 三、承载能力极限状态状态设计表达式三、承载能力极限状态状态设计表达式 （以塑性理论为基础）：（以塑性理论为基础）： RSd 0 2、基本表达式、基本表达式: 第3章结构设计原理、设计方法 四、持久状况正常使用极限状态计算表达式四、持久状况正常使用极限状态计算表达式 1 cs 2、极限状态设计表达式、极限状态设计表达式: 。可参考规范相应取值可参考规范相应取值 抗裂的应力限值抗裂的应力限值变形、裂缝宽度、截面

20、变形、裂缝宽度、截面: :例如例如 要求所规定的限值要求所规定的限值结构构件达到正常使用结构构件达到正常使用 用效应组合设计值用效应组合设计值; ;正常使用极限状态的作正常使用极限状态的作 式中：式中： ）（ 1 c s 1 1、设计原则、设计原则: :是以结构弹性理论或弹塑性理论为基础是以结构弹性理论或弹塑性理论为基础, ,采用作采用作 用的短期效应组合、长期效应组合或短期效应组合并考虑长期用的短期效应组合、长期效应组合或短期效应组合并考虑长期 效应组合的影响，对构件的抗裂、裂缝宽度和挠度进行验算，效应组合的影响，对构件的抗裂、裂缝宽度和挠度进行验算， 并使各项计算值不超过规范规定的各项限值

21、。并使各项计算值不超过规范规定的各项限值。 材料强度的取值材料强度的取值 材料强度设计值材料强度标准值材料强度设计值材料强度标准值/ /材料分项系数材料分项系数 考虑由于材料考虑由于材料 强度的变异以强度的变异以 及几何参数和及几何参数和 设计模式的不设计模式的不 定性可能使结定性可能使结 构抗力进一步构抗力进一步 降低的不利影降低的不利影 响。响。 根据标准试根据标准试 件用标准试件用标准试 验方法测得验方法测得 的具有的具有9595 以上保证率以上保证率 的强度值，的强度值， 材料分项系材料分项系 数根据结构数根据结构 可靠度分析，可靠度分析， 并考虑材料并考虑材料 质量的分布质量的分布

22、规律和一定规律和一定 的保证率确的保证率确 定定。 由规范或附录直接查用由规范或附录直接查用 荷载设计值及荷载分项系数荷载设计值及荷载分项系数 荷载设计值荷载分项系数荷载设计值荷载分项系数荷载标准值荷载标准值 由于荷载是随由于荷载是随 机变量，考虑其有机变量，考虑其有 超过荷载标准值的超过荷载标准值的 可能性，设计时将可能性，设计时将 荷载标准值乘以一荷载标准值乘以一 个大于个大于1 1的调整系的调整系 数数 。它比荷载的。它比荷载的 标准值具有更大的标准值具有更大的 可靠度。可靠度。 荷载类别荷载类别荷载特征荷载特征 荷载分项荷载分项 系数系数 永久荷载永久荷载 当其效应对结构不利时当其效应

23、对结构不利时 对由可变荷载效应控制的组合对由可变荷载效应控制的组合 对由永久荷载效应控制的组合对由永久荷载效应控制的组合 1.21.2 1.351.35 当其效应对结构有利时当其效应对结构有利时 一般情况下一般情况下 对结构的倾覆、滑移或漂浮验算对结构的倾覆、滑移或漂浮验算 1.01.0 0.90.9 可变荷载可变荷载 一般情况下一般情况下 对标准值对标准值4kN4kNm m2 2的工业房屋楼的工业房屋楼 面活荷载面活荷载 1.41.4 1.31.3 第3章结构设计原理、设计方法 承载能力极限状态实用设计表达式承载能力极限状态实用设计表达式 0S R 结构重要性系数结构重要性系数 结构构件抗力

24、结构构件抗力设计值设计值RR（fc，fs，k） 荷载效应荷载效应组合组合 设计值设计值 一般排架、框架结构，可采用简化公式：一般排架、框架结构，可采用简化公式： 安全等级为三级（或安全等级为三级（或年年 ）0. 安全等级为一级（或安全等级为一级（或100年及以上年及以上 ）01.1 安全等级为二级（或安全等级为二级（或年年 ）01. 由永久荷载效应控制的组合：由永久荷载效应控制的组合： 由可变荷载效应控制的组合：由可变荷载效应控制的组合： 第3章结构设计原理、设计方法 1.2.2 1.2.2 实用设计表达式实用设计表达式 （2 2）荷载效应基本组合设计值）荷载效应基本组合设计值 S S 对于基

25、本组合，荷载效应组合的设计值对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从由可变荷应从由可变荷 载效应控制的组合和由永久荷载效应控制的组合中取最不利载效应控制的组合和由永久荷载效应控制的组合中取最不利 值确定。值确定。 1）由可变荷载效应控制的组合）由可变荷载效应控制的组合 第3章结构设计原理、设计方法 ：结构构件的重要性系数，对安全等级为一级或设计使：结构构件的重要性系数，对安全等级为一级或设计使 用年限为用年限为100100年及以上的结构构件，不应小于年及以上的结构构件，不应小于1.11.1；对安全等级；对安全等级 为二级或设计使用年限为为二级或设计使用年限为5050年的结构构件，不应小于年的结

26、构构件，不应小于1.01.0；对安；对安 全等级为三级或设计使用年限为全等级为三级或设计使用年限为5 5年及以下的结构构件，不应小年及以下的结构构件，不应小 于于0.90.9；在抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数。；在抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数。 0 )( k 2 k11k0iQci n i iQQQGG SSSS 第3章结构设计原理、设计方法 G ：永久荷载分项系数，按下表：永久荷载分项系数，按下表1.2.3采用；采用； SGk ：永久荷载标准值：永久荷载标准值Gk 计算的荷载效应值；计算的荷载效应值； Qi ：第：第i个可变荷载的分项系数；按下表个可变荷载的分项系数；按下表

27、1.2.3采用；采用； SQik ：按可变荷载标准值：按可变荷载标准值Qi计算的荷载效应值计算的荷载效应值; ci ：可变荷载：可变荷载Qi的组合值系数，民用建筑楼面均布活的组合值系数，民用建筑楼面均布活 荷载、屋面均布活荷载的组合值系数；荷载、屋面均布活荷载的组合值系数； )( k 2 k11k0iQci n i iQQQGG SSSS 表1.2.3 荷载分项系数的取值 荷载特性荷载分项系数 永久荷载 永久荷载效应 对结构不利 由可变荷载效 应控制的组合 1.2 由永久荷载效 应控制的组合 1.35 永久荷载效应对结构有利1.0 倾覆、滑移或飘浮验算0.9 可变荷载 一般情况1.4 对标准值

28、大于4kN/m2的工 业房屋楼面结构的活荷载取 1.3 返回 第3章结构设计原理、设计方法 当考虑以竖向的永久荷载效应控制的组合时，参与组当考虑以竖向的永久荷载效应控制的组合时，参与组 合的可变荷载仅限于竖向荷载。合的可变荷载仅限于竖向荷载。 )( 1 0Qikci n i QiGkG SSS 2 2）由永久荷载效应控制的组合）由永久荷载效应控制的组合 (1.2.4) 应用（应用（1.2.31.2.3）、式（）、式（1.2.41.2.4）时应注意以下问题：）时应注意以下问题： 第3章结构设计原理、设计方法 3 3）一般排架、框架结构的简化表达式）一般排架、框架结构的简化表达式 对一般排架、框架结构，