混凝土结构设计的基本原则

2022/12/3第三章

混凝土结构基本设计原则2022/12/3本章重点理解结构上的作用、作用效应和结构抗力的概念及其随机特性；

了解混凝土结构设计方法的理论基础——可靠度理论；

掌握我国规范的设计方法——概率极限状态设计法。2022/12/31.混凝土结构定义与分类结构：由不同受力构件组成的承受各种外部作用的骨架

按空间位置和力的传递关系分为：水平承重结构、竖向承重结构、地下承重结构一、结构的功能要求2022/12/32.结构上的作用、作用效应和结构抗力作用直接作用间接作用：指施加在结构上的荷载，如恒荷载、风荷载等：指引起结构外加变形和约束变形的其它作用，如地基沉降、温度变化、混凝土收缩等。作用的分类结构的反应特点分静态作用：使结构产生的加速度可以忽略不计的作用，如自重动态作用：使结构产生的加速度不可忽略的作用，如地震、吊车荷载等一、结构的功能要求2022/12/3一、结构的功能要求按时间变异性分永久作用：在设计基准期内量值基本不变，如自重、土压力等可变作用：在设计基准期内量值随时间变化且其变化与平均值相比不可忽略，如楼面活荷载、吊车荷载等偶然作用：在设计基准期内不一定出现，而一旦出现，其量值很大且持续时间很短的作用，如地震、爆炸、冲击等按空间位置的变异性分固定作用：在结构上具有固定的分布，如自重、固定设备荷载等可动作用：在结构上一定范围内可任意分布的作用，如人群荷载2022/12/3

作用效应和结构抗力指作用引起的结构或构件的内力、变形和裂缝等指结构或构件承受作用效应的能力，如承载力、刚度和抗裂度等一、结构的功能要求2022/12/33.结构设计中的不确定性

a.恒载g与构件尺寸、材料容重等有关b.活载q的数值是随时在变化的c.计算跨度l的不准确a.材料强度fy和fc的离散b.截面尺寸h0和b的施工误差不一定安全（可靠）!g+q虽设计保证一、结构的功能要求随机变量

2022/12/3一、结构的功能要求2022/12/3一、结构的功能要求结构设计的目的：在一定的经济条件下，使结构在预定的使用期限内能满足设计所预期的各种功能要求，包括安全性、适用性和耐久性。3.结构的功能要求◆安全性Safety

结构在正常设计、施工、使用情况下能承受可能出现的各种直接作用和间接作用，如施加的荷载、外加变形、约束变形;在偶然事件（如地震、校核洪水位等）发生时和发生后，结构仍能保持必需的承载力和稳定性，不致发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。◆适用性Serviceability

结构在正常使用荷载作用下具有良好的工作性。如不产生影响使用的过大变形或振幅，不发生足以让使用者感到不安的过宽的裂缝等。◆耐久性Durability

结构在正常使用、维护条件下应有足够的耐久性。完好使用到设计规定的年限。如，混凝土不发生严重风化、腐蚀、脱落，钢筋不发生锈蚀等。可靠性2022/12/3一、结构的功能要求4.结构的可靠性与安全等级

可靠性：结构或构件在规定的时间内，规定的条件下完成预定功能的能力。设计使用年限设计使用年限是设计规定的结构或构件不需进行大修就能按预期目的使用、完成预定功能的时期，即结构在规定的条件下所应达到的使用年限。设计基准期为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数。2022/11/26可靠性性：指结构构在规规定的的时间间内，，在规规定的的条件件下，，完成成预定定功能能的能能力。。可靠度度：结构在在规定定的时时间内内，在在规定定的条条件下下，完完成预预定功功能的的概率率。规定的条件正常设计、施工、使用和维护条件下安全性、适用性、耐久性预定功能一、结结构构的功功能要要求2022/11/26一、结结构构的功功能要要求可靠性性与经经济性性相协协调安全等级破坏后果建筑物类型一级很严重重要建筑二级严重一般建筑三级不严重次要建筑根据破破坏后后果的的严重重性，，将建建筑物物划分分为三三个安全等等级。2022/11/26二、结结构构的极极限状状态1.极限状状态定定义与与分类类承载能能力极极限状状态：：结构或或构件件达到到最大大承载载能力力或不不适于于承载载的过过大变变形。。若整个个结构构或结结构的的一部部分超超过某某一特特定状状态就就不能能满足足设计计规定定的某某一功功能要要求，，此状状态即即为该该功能能的极极限状状态。。承载载能能力力极极限限状状态态和正常常使使用用极极限限状状态态。（1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）。（2）结构构件或连接发生材料强度破坏，或因过度变形而不适于继续承载。（3）结构转变为机动体系。（4）结构或构件丧失稳定（如压屈等）。（5）地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）。正常常使使用用极极限限状状态态：：结构构或或构构件件达达到到正正常常使使用用或或耐耐久久性性能能的的某某项项规规定定的的限限值值。。（1）影响正常使用或外观的变形。（2）影响正常使用或耐久性能的局部破坏（包括裂缝）。（3）影响正常使用的振动。（4）影响正常使用的其他特定状态。2022/11/26结构构的的极极限限状状态态(limitstate)临界状态正常使用极限状态适用性、耐久性承载能力极限状态安全全性性二、、结结构构的的极极限限状状态态2022/11/262、结结构构的的功功能能函函数数和和极极限限状状态态方方程程结构构构构件件的的工工作作状状态态可可用用包包括括各各有有关关变变量量在在内内的的结结构构功功能能函函数数来来表表达达。。———极限限状状态态方方程程

当功能函数中仅包括作用效应和结构抗力两个基本变量时，可得———功能能函函数数

当时，结构处于可靠状态

当时，

当时，结构处于失效状态结构处于极限状态二、、结结构构的的极极限限状状态态方方程程和和可可靠靠度度2022/11/26三、、概概率率极极限限状状态态设设计计法法1.结构构可可靠靠度度和和失失效效概概率率作用用效效应应和和结结构构抗抗力力均均为为随机机的的，结结构构满满足足或或不不满满足足其其功功能能要要求求的的事事件件也也是是随随机机的的。。结构构在在规规定定的的时时间间内内、、规规定定条条件件下下，，完完成成预预定定功功能能的的概概率率称为为可靠靠概概率率（Ps），，亦亦称称为为结结构构可靠靠度度，是结结构构可可靠靠性性的的概概率率度度量量；出出现现不不满满足足功功能能要要求求的的概概率率称称为为失效效概概率率（Pf）。。2022/11/26---均值值：：表示示随随机机变变量量取值值的的集集中中位位置置---标准准差差：：表示示随随机机变变量量的的离离散散程程度度---变异异系系数数：：反映映相相对对离离散散程程度概率率知知识识三、、概概率率极极限限状状态态设设计计法法2022/11/26由于于作作用用效效应应S和结结构构抗抗力力R都是是随随机机变变量量，，要要绝绝对对保保证证R总是是大大于于S是不不可可能能的的。三、、概概率率极极限限状状态态设设计计法法2022/11/26

当结构功能函数中仅有两个独立的随机变量和，且都服从正态分布时，功能函数的概率密度曲线如图所示。

功能函数的概率密度曲线

结构的失效概率可直接通过的概率（图中阴影面积）来表达，即三、、概概率率极极限限状状态态设设计计法法2022/11/26

f(Z)bszmzpfZ=R-S2.结构构的的可可靠靠指指标标假设设R、S相互互独独立立，，均均服服从从正正态态分分布布，，则则R、S的统统计计规规律律不不充充分分，，Pf不易易计计算算，，用用可可靠靠指指标标代代替替均值值越越大大，，β越大大，，结结构构越越可可靠靠；；标标准准差差越越小小，，β越大大，，结结构构越越可可靠靠三、、概概率率极极限限状状态态设设计计法法2022/11/26设计规范范所规定定的、作作为设计计结构或或结构构构件时所所应达到到的可靠靠指标，，称为设计可靠靠指标，又称为为目标可靠靠指标。3、目标可靠指标结构构件承载能力极限状态的目标可靠指标按正常使使用极限限状态设设计时的的可靠指指标远低于按承载能能力极限限状态设设计时的的可靠指指标。三、概概率极限限状态设设计法2022/11/26将极限状状态方程程转化为为以基本变变量（荷荷载和材材料强度度）代表表值和相相应的分分项系数数来表示示的设计计表达式式即可满足足目标可可靠指标标。四、极限限状态设设计表达达式过于繁琐琐实用设计计表达式式2022/11/26以基本变变量的代表值和分项项系数表表达的概概率极限限状态设设计表达达式荷载标准准值可由由设计基基准期最最大荷载载概率分分布的某某一分位位值确定定。荷载的标标准值－－－荷荷载基本本代表值值荷载是随随机变量量，任何何一种荷荷载都具具有程度度不同的的变异性性。永久荷载载标准值值：按结构设设计规定定的尺寸寸和材料料容重确确定。Gk可变荷载载标准值值各类可变荷载标准值及各种材料容重可由《荷载规范》查取。Qk楼面：≥2KN/m2屋面：不上人0.5KN/m2上人2.0KN/m2屋顶花园园3.0KN/m2四、极限限状态设设计表达达式1.荷载代表表值：标准值、、设计值值、准永永久值和和组合值值等2022/11/26四、极限限状态设设计表达达式荷载设计计值与荷荷载分项项系数在承载能力力极限状状态设计中，，为充分分考虑荷荷载的离离散性及及计算内内力时进进行简化化所带来来的不利利影响，，需对荷荷载标准准值乘以一个大于于1.0的系数，，称为荷载分项项系数。设计时，，查得荷荷载标准准值，并并乘以荷荷载分项项系数作作为设计计的荷载载取值（（荷载的设设计值），进行行内力计计算和截截面设计计。荷载设计计值＝荷荷载标准准值×荷载分项项系数2022/11/26在正常使用用极限状状态计算中，，要考虑虑荷载长期效应应的影响。。可变荷载载时有时无无，时大大时小，，但若达达到或超超过某一值的可变荷荷载出现现次数较较多、持持续时间间较长，，以致其其累计的的总持续续时间与与整个设设计基准准期的比比值已达达到一定定值（一一般取为为0.5），则该该值便称称为荷载载准永久久值。荷载的准准永久值值四、极限限状态设设计表达达式

可变荷载的准永久值记为，为准永久值系数，小于等于1.0。荷载的组组合值

可变荷载的组合值记为，是当结构承受两种或两种以上可变荷载时，设计采用的一种可变荷载代表值，为荷载组合系数。2022/11/26强度标准值四、极限状态态设计表达式式2.材料强度的取取值：标准值和设设计值材料强度标准准值应根据符符合规定质量量的材料强度度的概率分布布的某一分位位值确定。一一般取具有95％保证率的材材料强度值。。－－－材料强强度基本代表表值2022/11/26为充分考虑材材料的离散性性和施工中不不可避免的偏偏差所带来的的不利影响，，将强度标准准值除以一个大于1.0的系数，这个个系数称为材料分项系数数，得到的强度度即为强度设计值。四、极限状态态设计表达式式强度设计值2022/11/26偶然状况短暂状况建筑结构设计计时，应根据据结构在施工工和使用中的的环境条件和和影响，区分分下列三种设设计状况：持久状况在结构使用过过程中一定出出现，持续时时间较长的状状况在结构施工和和使用过程中中出现概率较较大，而与设设计使用年限限相比持续时时间很短的状状况在结构使用过过程中出现概概率很小，且且持续期很短短的状况均应进行承载载能力极限状状态设计；对对持久状况，，尚应进行正正常使用极限限状态设计；；对短暂状况况，可根据需需要进行正常常使用极限状状态设计——————3.结构的设计状状况四、极限状态态设计表达式式2022/11/26计算荷载效应应S时，取足够大大的荷载值，，多种荷载同同时作用时考考虑荷载的合合理组合；在计算结构的的抗力R时，取足够低低的强度指标标；对安全等级不不同的建筑结结构，采用一一个重要性系数进行调整。四、极限状态态设计表达式式4.承载能力极限限状态设计表表达式2022/11/26四、极限状态态设计表达式式γ0——结构构件的重重要性系数。。安全等级为为一级，不小小于1.1，二级，不小小于1，三级，不小小于0.9。S——承载能力极限限状态的荷载载效应（内力力）组合的设设计值。R——结构构件的承承载力设计值值。fs、fc——钢筋、混凝土土的强度设计计值。ak——几何参数的标标准值。2022/11/26γG——永久荷载分项项系数，当荷荷载对承载力力不利时对由由可变荷载效效应控制的组组合取1.2，对由永久荷荷载控制的组组合取1.35；有利时，不不应大于1.0。γQ1、γQi——第一个和第i个可变荷载分分项系数，当当荷载对承载载力不利时取取1.4；有利时，取取0。SQik——第i个可变荷载标准准值的效应。SQ1k——在基本组合中中其控制作用用的一个可变变荷载标准值值的效应。SQik——第i个可变荷载的组合系数，不应大于1.0；对于式（2）一般取0.9，若只有一个可变荷载取1.0。四、极限状态态设计表达式式荷载效应组合合基本组合SGk——永久荷载标准准值的效应。由可变荷载控控制的组合由永久荷载控制的组合2022/11/26四、极限状态态设计表达式式偶然作用的代代表值不乘分分项系数；与与偶然作用同同时出现的可可变荷载，应应根据观测资资料和工程经经验采用适当当的代表值。。具体的设计计表达式及各各种系数应符合专门规规范的规定。例如，当考考虑地震作用用时，应按《建筑抗震设计计规范》GB50011确定。偶然组合荷载效应组合合2022/11/26C——结构构件达到到正常使用要要求所规定的的限值。达到或超过正正常使用极限限状态的危害害较承载力不不足小，可降降低要求：对对于荷载与材材料强度均采采用标准值（不需乘荷载载分项系数或或除材料分项项系数），也也不再考虑结结构的重要性性系数。四、极限状态态设计表达式式5.正常使用极限限状态设计表表达式验算构件的变形、抗裂度度或裂缝宽度度。Sd——正常使用极限限状态的荷载载效应（变形形、裂缝和应应力等）组合合值。2022/11/26标准组合频遇组合：准永久组合－－－短期荷荷载效应组合合－－－长期荷荷载效应组合合可变荷载的准准永久值系数数可变荷载的频频遇值系数四、极限状态态设计表达式式荷载效应组合合2022/11/26正常使用极限限状态验算规定:抗裂裂验验算算时时，，应应按按荷荷载载效效应应标标准准组组合合和和准准永永久久组组合合进进行行计计算算，，其其计计算算值值不不应应超超过过规规范范规规定定的的相相应应限限