混凝土结构及砌体结构-第三章混凝土结构的设计原则

1、第第3 3章章 混凝土结构的设计原则混凝土结构的设计原则3.1 结构设计的基本要求结构设计的基本要求3.2 概率极限状态设计方法概率极限状态设计方法3.3 概率极限状态设计法的使用设计表达式概率极限状态设计法的使用设计表达式第3章 混凝土结构的设计原则第3章 混凝土结构的设计原则3.1 3.1 结构设计的要求结构设计的要求3.1.1 3.1.1 结构的功能要求结构的功能要求安全性安全性 如（如（MMu） 结构在预定的使用期间内（结构在预定的使用期间内（一般为一般为50年年），应能承受在），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、外加变形正常施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载、

2、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（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。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。产的严重损失。适用性适用性 如（如（f f ） 结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。如不发生影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、振响正常使用的

3、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。幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。耐久性耐久性 如（如（wmax wmax） 结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。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（即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀混凝土碳化、钢筋锈蚀），），结构的结构的承载力和刚度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。定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。第3章 混凝土结构的

4、设计原则结构的可靠性结构的可靠性 可靠性可靠性安全性、适用性和耐久性的总称安全性、适用性和耐久性的总称就是指结构在规定的使用期限内（设计工作寿命就是指结构在规定的使用期限内（设计工作寿命=50年），年），在规定的条件下（在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护正常设计、正常施工、正常使用和维护），），完成预定结构功能的能力；建筑类别不同使用年限不同，具完成预定结构功能的能力；建筑类别不同使用年限不同，具体值如表体值如表3.1所示。所示。结构可靠性越高，建设造价投资越大。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如何在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计方，就是

5、设计方法要解决的问题。法要解决的问题。第3章 混凝土结构的设计原则显然这种可靠与经济的均衡受到多方面的影响，如国家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、维护和修复等。经济实力、设计工作寿命、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。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，增加结构的可况，以及业主的要求，提高设计水准，增加结构的可靠度。靠度。经济的概念不仅包括第一次建设费用，还应考经济的概念

6、不仅包括第一次建设费用，还应考虑维修，损失及修复的费用虑维修，损失及修复的费用第3章 混凝土结构的设计原则3.1.2 3.1.2 结构的极限状态结构的极限状态结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠可靠”的或的或“有效有效”的。反之，则结构为的。反之，则结构为“不可靠不可靠”或或“失效失效”。区分结构区分结构“可靠可靠”与与“失效失效”的临界工作状态称为的临界工作状态称为“极限极限状态状态”第3章 混凝土结构的设计原则承载力能力极限状态承载力能力极限状态 超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求超过该极限状态，结构就不能满足预定的

7、安全性功能要求 结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移）；结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移）； 结构构件或连接因材料强度破坏，或者过度的塑性变形而不适结构构件或连接因材料强度破坏，或者过度的塑性变形而不适于继续承受荷载；于继续承受荷载； 结构形成结构形成几何可变体系几何可变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰）（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）结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）第3章 混凝土结构的设计原则正常使用极限状态正常使用极限状态 超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久性超过该极限状态，结构就

8、不能满足预定的适用性和耐久性的功能要求。的功能要求。 影响正常使用或外观的变形、侧移（影响非结构构件、影响正常使用或外观的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、不能正常使用（吊车）等）；不安全感、不能正常使用（吊车）等）； 影响正常使用或耐久性能的局部损坏（钢筋锈蚀、不安影响正常使用或耐久性能的局部损坏（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）；全感、漏水等）； 影响正常使用的振动（不舒适）；影响正常使用的振动（不舒适）；影响正常使用的其他特定状态。影响正常使用的其他特定状态。第3章 混凝土结构的设计原则 结构的设计使用年限结构的设计使用年限 结构的设计使用年限是指设计规定的结构或结构构件不结构的设计使用

9、年限是指设计规定的结构或结构构件不需要进行大修即可按达到其预定功能的使用时期。需要进行大修即可按达到其预定功能的使用时期。 设计年限可按设计年限可按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确定，确定，也可经过主管部门的批准按业主的要求确定。一般建筑结构也可经过主管部门的批准按业主的要求确定。一般建筑结构的设计使用年限为的设计使用年限为50年。年。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。区别建筑物的设计使用年限与建筑物的使用寿命。第3章 混凝土结构的设计原则3.1.3 3.1.3 作用效应作用效应S和结构抗力和结构抗力R1.作用的概念与类型作用的概念与类型 使结构或构

10、件产生内力（应力）、变形（位移、应变）使结构或构件产生内力（应力）、变形（位移、应变）和裂缝的各种原因的总称。和裂缝的各种原因的总称。 直接作用直接作用：荷载：荷载 间接作用间接作用：混凝土的收缩、温度变化、基础的差异沉降、：混凝土的收缩、温度变化、基础的差异沉降、地震等地震等 作用在结构上并使结构产生内力（如弯矩、剪力、轴向力、作用在结构上并使结构产生内力（如弯矩、剪力、轴向力、扭矩等）、变形、裂缝等作用称为作用效应或荷载效应。扭矩等）、变形、裂缝等作用称为作用效应或荷载效应。第3章 混凝土结构的设计原则2.2 结构的作用、作用效应和结构抗力荷载的分类荷载的分类按作用按作用时间时间的长短和性

11、质，荷载分为三类：的长短和性质，荷载分为三类：1.永久荷载永久荷载在结构设计使用年限内，其值不随时间而变化，在结构设计使用年限内，其值不随时间而变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计，或其变化是单调的并或其变化与平均值相比可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。能趋于限值的荷载。2.可变荷载可变荷载在结构设计基准期内其值随时间而变化，其变在结构设计基准期内其值随时间而变化，其变化与平均值不可忽略的荷载。化与平均值不可忽略的荷载。3.偶然荷载偶然荷载在结构设计基准期内不一定出现，但一旦出现在结构设计基准期内不一定出现，但一旦出现其值很大且作用时间很短的荷载。其值很大且作用时间很短的荷载

12、。按作用空间位置的变异分为：固定荷载、可动荷载。按作用空间位置的变异分为：固定荷载、可动荷载。按作用结构的反应分为：静态荷载、动态荷载。按作用结构的反应分为：静态荷载、动态荷载。第3章 混凝土结构的设计原则 结构由于各种原因，引起内力和变形称为作用效应。内力：轴力、弯矩、剪力、扭矩；变形：挠度、转角、裂缝。2.作用效应作用效应第3章 混凝土结构的设计原则CQSCGSor 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lPM41 例： 简支梁在均布荷载作用下跨中弯矩S = cQc 荷载效应系数Q 荷载 作用效应具有随机性qlM281281ll41c

13、第3章 混凝土结构的设计原则 结构抗力是指结构或构件承受作用效应的能力。 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。4. 结构抗力结构抗力第3章 混凝土结构的设计原则2.2 结构的作用、作用效应和结构抗力结构的极限状态可用下面的极限状态函数表示：结构的极限状态可用下面的极限状态函数表示：Z=R-S对应的：对应的：Z=R-S0 时，时，结构处于可靠状态；结构处于可靠状态；Z=R-S=0时，时，结构达到极限状态；结构达到极限状态；Z=R-S R)第3章 混凝土结构的设计原则Sk f (S)，f (R)S，RRkS及及R概率分布曲线概率分布

14、曲线第3章 混凝土结构的设计原则 结构的效应S及结构的抗力R均符合正态分布，因此结构的功能函数也符合正态分布。如图：图中ZR) =P(Z 0)ZZfP值2.73.23.74.2失效概率 Pf3.510-36.910-41.110-41.310-5 可靠指标可靠指标第3章 混凝土结构的设计原则在确定结构的可靠指标 时，应该使结构的失效概率降低到人们可以接受的程度，做到既安全可靠又经济合理。统一标准规定 ： 的取值与构件的破坏类型及结构的重要性有关。 3.2.2 目标可靠指标及安全等级第3章 混凝土结构的设计原则1.1.荷载的代表值和设计值荷载的代表值和设计值荷载的标准值荷载的标准值1.定义定义将

15、荷载视为随机变量，采用数理统计的方法加以处理而得到将荷载视为随机变量，采用数理统计的方法加以处理而得到的具有一定概率（的具有一定概率（95%）的最大荷载值）的最大荷载值2.分类分类a.永久荷载的代表值永久荷载的代表值 ；b.可变荷载的代表值可变荷载的代表值 ；c.偶然荷载的代表值偶然荷载的代表值 ；第3章 混凝土结构的设计原则3.3 3.3 概率极限状态设计方法概率极限状态设计方法3.3.1 3.3.1 荷载的代表值和设计值荷载的代表值和设计值可变荷载的代表值可变荷载的代表值可变荷载组合值可变荷载组合值 当几种荷载进行组合时，需作适当调整，其中最大荷载当几种荷载进行组合时，需作适当调整，其中最

16、大荷载取标准值，其他伴随的荷载采用小于取标准值，其他伴随的荷载采用小于1.0的组合值系数乘以相的组合值系数乘以相应的标准值来表达其荷载代表值，这种经调整后的伴随可变应的标准值来表达其荷载代表值，这种经调整后的伴随可变荷载，称为可变荷载的组合值。荷载，称为可变荷载的组合值。可变荷载频遇值可变荷载频遇值 结构上时而出现的较大荷载的代表值之一，是该可变荷结构上时而出现的较大荷载的代表值之一，是该可变荷载标准值和荷载的频遇值系数的乘积。载标准值和荷载的频遇值系数的乘积。可变荷载的准永久值可变荷载的准永久值 结构上经常作用的可变荷载的代表值之一，是该可变荷结构上经常作用的可变荷载的代表值之一，是该可变荷

17、载标准值和荷载的准永久值系数的乘积。载标准值和荷载的准永久值系数的乘积。第3章 混凝土结构的设计原则3.3.2 材料强度的标准值材料强度的标准值在材料强度实测值的总体中，强度标准值应具有不小于在材料强度实测值的总体中，强度标准值应具有不小于95的的保证率。保证率。材料强度标准值除以材料的分项系数得到材料强度的设计值。材料强度标准值除以材料的分项系数得到材料强度的设计值。第3章 混凝土结构的设计原则d.荷载的设计值荷载的设计值 将永久荷载值和可变荷载只组合成一个可以用于设计的荷将永久荷载值和可变荷载只组合成一个可以用于设计的荷载值载值niQiciQiSSS2kGkG0 S R式中 S 内力组合设计值0 结构构件的重要性系数， 对一、二、三级分别取1.1, 1.0, 0.9 R 结构构件的承载力设计值R = R( ) = R(fc , fs , k , )3.3.3 计算表达式第3章 混凝土结构的设计