第2讲荷载与结构设计方法--设计原则与设计方法

1、结构设计的原则和方法u1 结构的功能要求及极限状态u2 按近似概率极限状态的设计法u3 实用设计表达式u4 结构构件设计的一般内容主要内容1.1 结构的功能要求(书P180 第9.1.1节 ) （1）结构的安全性：在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用；在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍然能保持必要的整体稳定性。 （2）结构的适用性：结构在正常使用时具有良好的工作性能，包括裂缝与挠度的控制等。 （3）结构的耐久性：结构在正常的维护下具有足够的耐久性。（即结构能正常使用到规定的设计使用年限）。它根据环境类别和设计使用年限进行设计。1 结构的功能要求及极限状态结构的适用性结构的耐久性

2、结构的安全性结构的可靠性规定的时间内（如设计使用年限为50年），规定的条件下（正常设计，正常施工，正常使用维护）1 结构的功能要求及极限状态1.2 结构的功能极限状态(书P180 第9.1.1节 )（1）极限状态的一般定义 l 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，此极限状态称为该功能的极限状态；l 能完成预定的功能时，结构该功能处于有效状态；反之，则处于失效状态，有效状态和失效状态的分界，称为极限状态，是结构该功能开始失效的标志。结构的功能要求及极限状态（2） 承载力能力极限状态 Ultimate Limit State 结构或构件达到最大承载能力或者达到不适于

3、继续承载的变形状态（3） 正常使用极限状态 Serviceability Limit State 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承载力能力极限状态承载力能力极限状态结构的安全性结构的安全性正常使用极限状态正常使用极限状态结构的适用性和耐久性结构的适用性和耐久性可靠水平要求高可靠水平要求高可靠水平要求较可靠水平要求较低低结构的功能要求及极限状态1.3 结构的功能函数(书P181 9.1.3)Z=R-SZ=R-S0, 或S R 可靠Z=R-S=0, 或S = R 极限状态Z=R-S R 失效极限状态方程极限状态方程Z=0或或R-S=0RSZ0可靠区结构的功能要求及极限状态

4、结构的功能要求及极限状态3.2 极限状态M是外荷载作用引起的构件截面弯矩（即S） ，Mu是结构的受弯承载力（即R）f是外荷载作用引起的构件挠度（即S） ，f是构件容许出现的挠度值（即R）2.1 结构的可靠度 （P182 9.1.4） 结构的可靠性 reliability安全性、适用性和耐久性的总称 指结构在规定的使用期限内，在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护），完成预定结构功能的能力 结构的可靠度 指结构在规定的使用期限内，在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护），完成预定结构功能的概率。2 按近似概率的极限状态设计法 由于实际结构中的不确定性，因此无论如何设计结构

5、，都会有失效的可能性存在，只是可能性大小不同而已。 为了科学定量的表示结构可靠性的大小，采用概率方法是比较合理的。 失效概率越小，表示结构可靠性越大。因此，可以用失效概率来定量表示结构可靠性的大小。 当失效概率Pf小于某个值时，人们因结构失效的可能性很小而不再担心，即可认为结构设计是可靠的。该失效概率限值称为容许失效概率Pf。失效概率失效概率 probability of failurePf = P (S R)2 按近似概率的极限状态设计法 根据统计，触电的年死亡率为610-6；飞机失事概率0.33 10-6；被闪电击中的概率110-6。 根据设计要求，部分情况下结构在50年内的安全性容许失效

6、概率为Pf=1.110-4，按使用年限为50年考虑，年失效概率为1.110-4/50=2.210-6；2 按近似概率的极限状态设计法2.2 可靠概率、失效概率、可靠指标（P182 9.1.4）结构的可靠概率p：失效概率：pf=1-ps可靠指标：0)()0(dzZfZPPf0)()0(dzZfZPpsZZRSZ22ZRS f(Z)zzpfZ = R - SZM2,故而是由可变荷载效应控制的，设计时以M1为准。niiiiimjjjQQGS2kcLQk11L1Q1kGniiiiimjjjQGS1kcLQ1kG永久荷载效应控制的组合为可变荷载效应控制的组合为例题M1=20+ 12+0.6 3 + 0.

7、7 2 = 35.2kNm 荷载效应的频遇组合荷载效应的标准组合为例题荷载效应的准永久组合M2=20+ 12 0.5 +0 3 + 0.7 2 = 27.4kNm M3=20+ 12 0.4 +0 3 + 0.7 2 = 26.2kNm niiimjjQQGS2kc1k1kniiimjjQGS1kq1kniiimjjQQGS2kqk11f1k例3.已知，一屋面板，在各种荷载作用下的跨中弯矩如下所示：恒载产生的弯矩 MG=20kNm，不上人屋面活荷载产生的弯矩为MQ=12kNm , 积灰荷载产生的弯矩Mw=3kNm, 雪荷载产生的弯矩为Ms=2kNm。设计使用年限为50年。 其中屋面活载的c=0

8、.7 , f=0.5 ,q=0.4 ， 积灰荷载的c=0.9, f=0.9, q=0.8;雪荷载的c=0.7 , q=0.6, q=0.2 ，求在承载能力极限状态下的弯矩设计值内力值。例题M1=1.220+ 1.4 1.0 12+1.4 0.9 3 + 1.4 0.7 2 = 46.54kNm M2=1.3520+ 1.4 （ 1.0 12 0.7 + 0.9 3 + 0.7 2） = 44.5kNm 由于M1M2,故而是由可变荷载效应控制的，设计时以M1为准。永久荷载效应控制的组合为可变荷载效应控制的组合为例题niiiiimjjjQQGS2kcLQk11L1Q1kGniiiiimjjjQGS

9、1kcLQ1kGGB 50009-2012 建筑结构荷载规范P19第5.3.3条指出：不上人的屋面均布活荷载，可不与雪荷载和风荷载同时组合。GB 50009-2012 建筑结构荷载规范 P21第5.4.3条指出：积灰荷载应与雪荷载或不上人的屋面均布活荷载两者中的较大值同时考虑。例题M1=1.220+ 1.0 1.4 12+1.4 1.0 0.9 3 = 44.58kNm M2=1.3520+ 1.4 1.0 （12 0.7 + 0.9 3 ） = 42.54kNm 由于M1M2,故而是由可变荷载效应控制的，设计时以M1为准。永久荷载效应控制的组合为可变荷载效应控制的组合为例题niiiiimjj

10、jQQGS2kcLQk11L1Q1kGniiiiimjjjQGS1kcLQ1kG例4.已知，一屋面板，在各种荷载作用下的跨中弯矩如下所示：恒载产生的弯矩 MG=20kNm，不上人屋面活荷载产生的弯矩为MQ=12kNm , 积灰荷载产生的弯矩Mw=3kNm, 雪荷载产生的弯矩为Ms=2kNm。设计使用年限为100年。 其中屋面活载的c=0.7 , f=0.5 ,q=0.4 ， 积灰荷载的c=0.9, f=0.9, q=0.8;雪荷载的c=0.7 , q=0.6, q=0.2 ，求在承载能力极限状态下的弯矩设计值内力值。例题结构构件设计的一般内容l1、确定计算简图（结构力学，材料力学等）l2、用力学方法进行荷载效