第一章钢筋混凝土结构的基本原理

1、第一章第一章 钢筋混凝土结构的基本原理钢筋混凝土结构的基本原理一、结构上的荷载一、结构上的荷载（一）结构上的作用（一）结构上的作用 结构上的作用 指作用于结构上的荷载及引起结构外加变形和约束变形的原因。分为直接作用和间接作用。 1直接作用直接作用 以力的形式直接施加于结构上，如自重等。 2间接作用间接作用 以变形形式施加于结构上，如地震振动、地基不均匀沉降、混凝土的收缩、徐变、温度变化等，用（Q）表示。（二）荷载的分类（二）荷载的分类建筑结构荷载规范（GB500092001）（以下简称为荷载规范）将结构上的荷载按作用时间的长短和性质分为下列三类： 1永久荷载永久荷载 在结构使用期间，其值不随时

2、间变化，或者其变化与平均值相比可忽略不计的荷载，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。如结构自重、土压力、预应力等，永久荷载也称为恒载。 永久荷载不随时间变化，长期作用在结构上，在结构上的作用位置也不变。 2可变荷载可变荷载 在结构使用期间，其值随时间变化，且其变化值与平均值相比不可忽略的荷载。如楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、风荷载、雪荷载及工业厂房中的吊车荷载等，可变荷载也称为活载。 可变荷载的大小随时间而变，作用位置可变，且像风荷载、吊车荷载等能引起结构振动，使结构产生加速度。 3偶然荷载偶然荷载 在结构使用期间不一定出现，而一旦出现，其量值很大且持续时间较短的荷载。如爆炸力、撞击力等。

3、 （三）荷载代表值（三）荷载代表值 对永久荷载应采用标准值作为代表值。 对可变荷载应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值。 对偶然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表值。 1.荷载标准值 所谓荷载标准值，是指结构在设计基准期(50年)内，正常情况下可能出现的最大荷载值，它是结构设计时采用的荷载基本代表值。而其它的代表值都可由标准值乘以相应的系数后得出，通常要求荷载标准值应具有95%的保证率。 即：大于标准值的荷载出现的可能性只有5% ，而小于标准值的荷载出现的可能性有95% 。 2.可变荷载组合值 当结构同时承受两种或两种以上的可变荷载时，考虑到荷载同时达到最大值的可能性

4、较小，因此除主导荷载（产生最大荷载效应的荷载）仍以其标准值为代表值外， 对其他伴随荷载，可以将它们的标准值乘以一个小于或等于1的荷载组合系数（ c）作为代表值，称为可变荷载组合值，即 3.可变荷载频遇值 在设计基准期内，其超越的总时间为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值。它相当于在结构上时而或多次出现的较大荷载，但总是小于荷载的标准值。 其值等于可变荷载标准值乘以可变荷载频遇值系数（f）： 4.可变荷载准永久值 在设计基准期内，其超越的总时间约为设计基准值一半（可以理解为总持续时间不低于25年）的荷载值，也就是经常作用于结构上的可变荷载。其值等于可变荷载标准值乘以可变荷载准永久值系数(

5、q)： （四）荷载组合四）荷载组合 荷载组合即永久荷载与可变荷载的共同作用，有时同时作用几种可变荷载，建筑结构设计应根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，按承载力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载（效应）组合，并应取各自的最不利的效应组合进行设计。 对于承载能力极限状态，应按荷载效应的基本组合；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。 对于需要进行地震作用计算的建筑结构设计时，除上述荷载（效应）组合外，尚应考虑地震作用效应与其它荷载效应的基本组合用于承载力极限状态计算以及标准组合用于侧移的计算，具体按建筑抗震设计规范（GB500112001

6、）规定执行。 二、荷载效应与结构抗力二、荷载效应与结构抗力 1.荷载效应 荷载效应也称作用效应，各种作用使结构产生的内力（如弯矩M、轴力N、剪力V、扭矩T等）和变形（如挠度 f、裂缝宽度 w、转角等）称之为作用效应，用“S”表示。可以认为作用和作用效应之间呈线性关系。即： 2.结构抗力结构抗力 结构或构件承受作用效应的能力（如受弯承载力Mu、受剪承载力Vu、容许挠度f、容许裂缝宽度w等），用“R ”表示。构件制作完成后，结构的抗力是一定的，而作用效应可能是变化的，结构抗力的大小取决于材料的力学性能、构件的几何参数及计算模式的精确性。 第一章第一章 钢筋混凝土结构的基本原理钢筋混凝土结构的基本原

7、理 一、结构使用年限功能要求一、结构使用年限功能要求 （一）结构的使用年限（一）结构的使用年限 设计规定的一个期限，在这期限内，结构或构件只需进行正常的维护即可达到预期目的的使用。 即可按达到其预定功能的使用时期。 设计年限可按建筑结构可靠度设计统一标准确定，见表1-3所示；也可经过主管部门的批准按业主的要求确定。 一般房屋结构为50年； 桥梁结构和水工结构超过50年，可根据业主要求确定； 结构使用时间超过规定的年限后，可靠性降低，但不一定不能用。 注意：注意：区别建筑物的设计使用年限与建筑物的使用寿命。 （二）结构的功能要求（二）结构的功能要求 1.安全性 正常使用和施工时能承受各种可能出现

8、的作用。在设计规定的偶然时间发生时及发生后，结构仍能保持必须的整体稳定性。 2.适用性 在正常使用时具有良好的工作性能。不发生影响使用的变形和裂缝。 3.耐久性 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。 （三）结构的安全等级（三）结构的安全等级 根据建筑物的重要性的不同、一旦发生破坏对人民生命财产的危害程度以及对社会的影响的不同，建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068-2001）将建筑结构分为三级。 二、结构的极限状态二、结构的极

9、限状态 （一）极限状态（一）极限状态 所谓结构的极限状态就是结构或构件满足结构安全性、适用性、耐久性三项功能中某一功能要求的临界状态。超过这一界限，结构或其构件就不能满足设计规定的该功能要求，而进入失效状态。极限状态是区分结构工作状态的可靠或失效的标志。结构能够满足功能要求而良好地工作，称结构是“可靠”的或“有效”的。反之，则结构为“不可靠”或“失效”。极限状态可分为两类：承载能力极限状态和正常使用极限状态。 1.承载力极限状态 承载能力极限状态是指对应于结构或结构构件达到最大的承载能力或不适于继续承载的变形。 结构或构件丧失承载能力或不能继续承载的状态：结构或构件达到最大承载力（包括疲劳）结

10、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） 2.正常使用极限状态 正常使用极限状态是指对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定的限值。 结构或构件不能正常工作或超过耐久性某项规定限值：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（不舒适）；其它正常使用要求。 按正常使用极限状态设计时，应验算结构构件的变形、抗裂度或裂缝宽度、地基变形、房屋侧移等。超过正常使用极限状态，会使

11、结构或构件不能正常工作，使结构的耐久性受影响。 （二）极限状态方程（二）极限状态方程结构可靠度通常受到荷载、材料强度、截面几何参数等因素的影响，而这些因素一般都具有随机性，称为“随机变量”Xi(i=1，2，n)。 结构和构件按极限状态进行设计，因此，针对所需要的各种结构功能(如安全性、适用性和耐久性) ，通常可以建立包括各有关随机变量在内的关系式： Z=g（X1，X2，Xn）=0 影响结构功能的因素划分为两大类，作用效应S和结构抗力R,所以有： Z=g（ R, S ）=R-S Z称为结构的功能函数，当Z=g（ R, S ）=R-S=0则成为极限状态，故称之为极限状态方程。Z=RS0 时，结构处

12、于可靠状态；Z=RS0时，结构达到极限状态；Z=RS0时，结构处于失效（破坏）状态。 当结构按极限状态设计时，应符合下列要求： Zg（S，R）=RS0 （三）极限状态设计表达式（三）极限状态设计表达式 1承载能力极限状态设计表达式承载能力极限状态设计表达式 对于承载能力极限状态，结构构件应按荷载效应的基本组合或偶然组合，采用下列极限状态设计表达式：0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100年及以上的结构构件，不应小于1.1；对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件，不应小于1.0；对安全等级为三级或设计使用年限为5年及以下的结构构件，不应小于0.9；S承载力极限状态

13、荷载效应组合设计值；R结构构件的承载力设计值；详见荷载规范基本组合由可变荷载效应控制的组合：由永久荷载效应控制的组合：G永久荷载的分项系数，当永久荷载效应对结构不利时，G =1.35；当其对结构有利时, G =1.0（一般情况）；（抗倾覆、滑移、漂浮G =0.9）； Qi第i个可变荷载分项系数，其中Qi为可变荷载S QiK的分项系数。一般情况下取Qi =1.4 （当荷载4KN/m2, Qi =1.3）；SGK按永久荷载标准值计算的荷载效应值；SQiK按可变荷载标准值计算的荷载效应值，其中SQiK为诸可变荷载效应中起控制作用者；ci可变荷载的组合值系数，其值不大于1，由表1-2查取或按荷载规范规

14、定使用；n 参与组合的可变荷载数. 对于一般排架、框架结构，基本组合可采用简化规则，并应按下列组合值中取最不利值确定 ：由可变荷载效应控制的组合 ：由永久荷载效应控制的组合： 2.按正常使用极限状态设计的方法按正常使用极限状态设计的方法 对于正常使用极限状态，应根据不同的设计目的，分别按荷载效应的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计，使变形、裂缝等荷载效应的设计值符合下列的要求： SdCC 设计对变形、裂缝等规定的相应限值；Sd变形、裂缝等荷载效应组合的设计值。 f1 可变荷载Q1的频遇值系数，SQ1K起控制作用的频遇荷载标准效应值。该组合目前尚未规定具体应用场合。qi 可变荷载Qi的准永久

15、值系数c 、f 、q取值请查荷载规范表1-2 3. 标准值与设计值之间的关系标准值与设计值之间的关系（1）材料强度：设计值=（标准值）/分项系数；（2）荷载：设计值=（标准值）分项系数。例题例题1-1 受均布荷载作用的住宅楼面简支梁，计算跨度l0=5m。荷载标准值：永久荷载（包括梁自重） gK=8kN/m,楼面活荷载qK1=12kN/m,梁中作用一集中荷载qK2=10kN结构安全等级为一级，求：按承载能力极限状态计算简支梁中截面最大弯矩设计值M。解：解：（一）计算标准荷载效应1.均布恒载gk产生的跨中弯矩MgKMgK=1/8852=25(kNM)2.均布活载qk产生的跨中弯矩MqKMqK= 1/81252=37.5(kNM)3.集中可变荷载qK产生的跨中弯矩MqKMqK=1/4105=12.5(kNM)（二）荷载效应组合（基本荷载组合）1.可变荷载控制 G=1.2 q= Q=1.4 M=S= G MgKq MqK Q c2 MqKM=1.225+1.437.51.40.712.5=94.75(kNM)如用简化公式计算M=1.225+0.9（