混凝土结构设计方法PPT

1、第3章 结构设计方法3.1结构的功能要求和极限状态3.2结构上的作用、作用效应和结构抗力3.3极限状态方程 3.4结构近似概率极限状态设计法 3.5实用设计表达式 3.6混凝土结构耐久性设计规定 1.结构的功能要求 结构的功能要求 安全性 适用性 耐久性 标准规定结构在规定的设计使用年限内应满足下列功能要求： 在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用 在正常使用时具有良好的工作性能 在正常维护下具有足够的耐久性能 在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必要的整体稳定性 什么是结构的可靠性？ 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），完成预定功能

2、的能力，称为结构的可靠性 2.结构的极限状态 什么是结构的极限状态 结构能够满足功能要求而且良好的工作，则称结构“可靠”或“有效”，反之则称结构“不可靠”或“失效”。区分结构可靠与失效的界限状态称为极限状态 标准将结构极限状态分成两类： 承载力极限状态 正常使用极限状态 承载力极限状态 是指对应结构或结构构件达到最大承载力或不适于继续承载的变形的状态，是结构安全性的基本保证 下列状态之一，应认为超过了承载力极限状态： 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡 结构构件或其连接因超过材料强度而破 坏（包括疲劳破坏），或因过度变形而不适于继续承载 结构转变为机动体系 结构或结构构件丧失稳定 地基丧失

3、承载能力而破坏 正常使用极限状态 是指对应结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值 下列状态之一时，应认为超过正常使用极限状态： 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 影响正常使用的振动 影响正常使用的其他特定状态 3.结构的设计状况 结构的设计状况 持久状况：在结构使用过程中一定出现，其持续期很长的状况。持续期一般与设计使用年限为同一数量级 短暂状况：在结构施工和使用过程中出现概率较大，而与设计使用年限相比，持续期很短的状况 偶然状况：在结构使用过程中出现概率较小，且持续期很短的状况 1.结构上的作用 什么是结构上的作用？ 结构上的作用是结构 产生内力和变形的

4、所有原因 永久作用：在设计基准期内其量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略的作用 可变作用：在设计基准期内其量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用 偶然作用：在设计基准期内不一定出现，而一旦出现其值很大且持续时间很短的作用作用按随时间的变异分类： 作用按随空间位置的变异分类： 固定作用：在结构上具有固定分布的作用 自由作用：在结构上一定范围内可以任意分布的作用 作用按结构的反应特点分类： 静态作用：使结构产生的加速度可以忽略不计的作用 动态作用：使结构产生的加速度不可忽略不计的作用 荷载代表值永久荷载应采用标准值作为代表值 可变荷载应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或

5、准永久值作为代表值 偶然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表值 荷载标准值是荷载的基本代表值 荷载标准值 荷载标准值是指其在结构的使用其间可能出现的最大荷载值，该值统一由设计基准期最大荷载概率分布的某个分位值来确 荷载组合值 荷载组合值是结构承受两种或两以上可变荷载时，承载力极限状态按基本组合设计和正常使用极限状态按标准组合设计采用的可变荷载代表值 荷载频遇值 荷载频遇值是设计基准期内荷载达到和超过该值的总持续时间与设计基准期的比值小于0.1的荷载代表值 荷载准永久值 荷载准永久值根据在设计基准期内荷载达到和超过该值的总持续时间与设计基准期的比值为0.5确定 2.作用效应和 结构抗力 什么是作

6、用效应？ 结构或结构构件在各种作用因素的作用下，将产生内力和变形称为作用效应，用S表示 什么是结构抗力？ 结构抗力是指结构或结构构件承受内力和变形能力，用R表示 1.设计基准期和设计使用年限 设计基准期 设计基准期是为确定可变作用及与时间有关的材料性能取值而选定的时间参数 设计使用年限 设计使用年限是设计规定的一个期限，是计算结构可靠度的依据 注意：结构设计使用年限不等同于其使用寿命 2.极限状态方程 当Z0时，结构处于可靠状态 当Z0时，结构达到极限状态 当Z0时，结构处于失效状态 ZRSg（R,S）结构功能函数极限状态方程ZR-S g（R,S）0一般表达式 Zg（X1,X2,Xn） 1.结

7、构可靠度和 失效概率 结构的可靠性 是指结构或结构构件在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定结构功能的能力 结构可靠度 是结构可靠性的概率度量SR 的概率称为可靠概率,记为PsSR 的概率称为失效概率，记为Pf Ps+Pf=1 of(Z)Z 失效概率pf 与可靠指标的关系 结构或结构构件失效的概率 功能函数Z的平均值Z 功能函数Z的标准差Z of(R)f(S)f(S) S和R概率密度曲线结构可靠指标 2.目标可靠指标和 安全等级 什么是目标可靠指标？ 为了使结构设计既安全可靠又经济合理，选择的在不同情况下可接受的可靠指标 按承载力极限状态设计时应满足 或用失效概率表示 建筑结构的安全等级 标

8、准根据结构破坏可能产生的后果的严重性，将建筑物划分为三个安全等级 1.分项系数 分项系数 因为（31） 用加拿大学者NCLind提出的分离方法，将（31）等式右边根号项线性化，即 (32)分离系数 a 当S和R均为正态分布，且满足 13RS3时，如果取a 0.750.06 ，其误差能满足工程结构要求。将（32）式代入（31）式得：因为(33)(34)将（34）式代入（33）得：将（35）式移项整理后得设计表达式 (35)(36)R和S标准值与平均值有下列关系 （37）将（37）式代入（36）式，并用代替，则可得 ：式中(38) 2.承载力极限状态 设计表达式 承载力极限状态设计表达式 式中结构

9、构件的重要性系数 g0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 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 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 抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数 荷载效应组合的设计值 S按承载力极限状态设计时: 应考虑作用效应的基本组合 必要时尚应考虑作用效应的偶然组合 荷载规范规定S基本组合应从下列组合值中取最不利值确定： 1.由可变荷载效应控制的组合 对于一般排架、框架结构，可采用下列简化的组合 2.由永久荷载效应控制的组合 一般情况下可取y 0.90 当只有一个可变荷载时,取y 1.0 3.

10、正常使用极限状 态设计表达式 正常使用极限状态设计表达式 S k 荷载效应组合值 式中C 结构构件满足正常使用要求所规定的限值 荷载效应组合值 S k 1.荷载效应的标准组合 2.荷载效应的准永久组合 4.按极限状态设计 时材料强度指标 材料强度指标的取值原则 按承载力极限状态设计时，材料强度指标取设计值 按正常使用极限状态设计时，材料强度指标取标准值 规范规定材料强度的标准值应不小于95%保证率的强度值 ，即：材料强度的设计值 钢筋抗拉强度标准值 有明显屈服点的热轧钢筋是以钢材出厂的废品限值作为钢筋强度的标准值,其值保证率约为97.73%，即相当于平均值减去二倍的标准差没有明显屈服点的钢筋取

11、0.85b作为钢筋强度的标准值 混凝土强度等级 根据150mm的立方体标准试件，按照标准养护和试验方法测得的具有具有 95%保证率的抗压强度即（39）规范规定 钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15 当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20 当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C30 当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40 混凝土的轴心抗压强度标准值 规范假定混凝土的轴心抗压强度与相应混凝土强度等级的立方体强度具有相同的变异系数 将（39）代入得混凝土的轴心抗拉强度标准值 规范假定混凝土的

12、轴心抗拉强度与相应混凝土强度等级的立方体强度具有相同的变异系数 将（39）式代入上式可得 1.耐久性设计 要求结构耐久性设计要求 混凝土结构应能在预期的自然和人为环境的化学和物理作用下，满足在规定的设计工作寿命期内不出现无法接受的承载力减小、使用功能降低和不能接受的外观破损等 耐久性定义结构或构件在预定设计工作寿命期内，在正常维护条件下，不需要进行大修即可满足正常使用和安全功能要求 影响混凝土结构耐久性的因素 混凝土碳化 混凝土的碱集料反应 混凝土的冻融 钢筋锈蚀 混凝土裂缝 构件表面机械磨损和风化等 2.工程实例Deterioration of Reinforced Concrete Bri

13、dge due to Poor DurabilityHighway Bridge in Service New York State, US 贵州某铝厂 一柱开裂 嘉裕关结构梁腐蚀破坏 张掖碱泉村 张掖墙面 张掖高架桥墩青海化工厂桥柱 青海化工厂桥面护栏团结湖桥柱 沈阳山海关高速公路路椽石 沈阳山海关高速公路冬季撤盐 沈阳山海关掺入硅灰、减水剂、超细粉煤灰的路缘3.耐久性设计 方法结构耐久性设计方法 规范主要考虑混凝土结构的工作环境和设计使用年限这两个因素进行耐久性设计，即对构件混凝土最小保护层厚度、混凝土材料和裂缝控制等提出具体要求 4.结构工作环境 类别 结构工作环境类别 规范将混凝土结构

14、的工作环境分为五类 5.混凝土的 要求 混凝土的要求 混凝土质量对结构耐久性的影响主要取决于混凝土的密实性、氯离子和碱的含量等规范规定：用于一类、二类和三类环境中，设计使用年限为50年的结构混凝土应符合表35的要求。 表35 注：1 氯离子含量系指其占水泥用量的百分率 2 预应力构件混凝土中的最大氯离子含量为0.06%，最小水泥用量为300m3；最低混凝土强度等级应按表中规定提高两个等级； 3 素混凝土构件的最小水泥用量不应少于表中数值减25m3； 4 当混凝土中加入活性掺合料或能提高耐久性的外加剂时，可适当降低最小水泥用量； 5 当有可靠工程经验时，处于一类和二类环境中的最低混凝土强度等级可

15、降低一个等级；6 当使用非碱性骨料时，对混凝土中碱含量可不作限制。 对于一类环境中，设计使用年限为100年的结构混凝土应符合下列规定： 1 钢筋混凝土结构的最低混凝土强度等级为C30；预应力混凝土结构的最低混凝土强度等级为C40；2 混凝土中的最大氯离子含量为0.06%；3 宜使用非碱性活性骨料；当使用碱性活性骨料时，混凝土中的最大碱含量为 3.0m3；4 在使用过程中，应定期维护 对于二类和三类环境中，设计使用年限为100年的结构混凝土应采取下列有效措施： 1 限制混凝土的水灰比；2 适当提高混凝土的强度等级 3 提高混凝土的抗冻和抗渗能力； 4 构件表面涂防护层使构件不直接承受环境作用。

16、6.最小保护层 厚度 混凝土最小保护层厚度 规范对所处一、二、三类环境中，设计使用年限为50年的混凝土结构，规定了最小混凝土保护层厚度（见附表13 ） 对所处一类环境中，设计使用年限为100年的混凝土结构，混凝土保护层厚度应按附表13 的规定增加40% 当采取有效的表面防护措施时，混凝土保护层厚度可适当减少 附表 13 注： 1 纵向受力筋的混凝土保护层应符合附表的规定，且不应小于钢筋的公称直径； 2 基础中纵向受力筋的混凝土保护层厚度不应小于40mm；当无垫层时不应小于70mm；3 处于一类环境且由工厂生产的预制构件，当混凝土强度等级不低于C20时，其保护层可按附表中规定减少5 mm，但预应力钢筋的保护层厚度不应小于15 mm；处于二类环境且由工厂生产的预制构件，当表面采取有效保护措施时，保护层厚度可按附表中一类环境数值取用； 4 预制钢筋混凝土受弯构件钢筋端头的保护层厚度不应小于10 mm