荷载与结构设计课件

结构上的作用及作用效应工程结构设计理论演变简况术语和概率极限状态的实用设计表达式思考题本章内容一、结构上的作用

结构上的作用是指施加在结构上的集中或分布力，以及引起结构外加变形或约束变形的原因。1、作用就其形式而言，可分为以下两类。

(1)直接作用。当以力的形式作用于结构上时，称为直接作用，习惯上称为荷载。

(2)间接作用。当以变形的形式作用于结构上时，称为间接作用。

2、作用按时间不同可分为以下3类。

(1)永久作用。在结构使用年限内，其值不随时间变化，或其变化的量值相对于平均值而言可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的作用。

(2)可变作用。在结构使用年限内，其值随时间变化，且其变化的量值与平均值不可忽略不计的作用。结构上的作用及作用效应

(3)偶然作用。在结构使用年限内不一定出现，但一旦出现，其值很大且持续时间很短的作用。3、作用按空间位置不同可分为以下两类。

(1)固定作用。在结构空间位置上具有固定不变的分布，但其量值可能具有随机性。

(2)自由作用。在结构空间位置上一定范围内可以任意分布，出现的位置和量值都可能是随机的。

4、作用按结构反应不同可分为以下两类。

(1)静态作用。不使结构或结构构件产生加速或产生的加速度很小可以忽略不计的作用。

(2)动态作用。使结构或结构构件产生不可忽略的加速度的作用。结构上的作用及作用效应二、作用效应S

由于直接作用或间接作用于结构构件上，在结构内产生的内力(如轴力、弯矩、剪力、扭矩等)和变形(如挠度、转角、裂缝等)，被称为“作用效应”，用S表示。当作用为直接作用(荷载)时，其效应也被称为“荷载效应”。荷载Q与荷载效应之间，一般近似按线性关系考虑：

（1-1）常数C为荷载效应系数如简支梁受均布荷载，其跨中弯矩

2

M=ql/8

其中即为荷载效应系数

结构上的作用及作用效应一、容许应力设计法容许应力设计法是建立在弹性理论基础上的设计方法。其表达式为：（1-2） 式中，－构件在使用阶段(使用荷载作用下)截面上的最大应力； －材料的容许应力。 容许应力设计法计算简单，但其有许多问题：①没有考虑材料塑性性质。②没有对作用阶段给出明确的定义，也就是使用期间荷载的取值原则规定得不明确。③把影响结构可靠的各种因素(荷载的变异、施工的缺陷、计算公式的误差等)统统归结在反映材料性质的容许应力上，显然不够合理。④的取值无科学根据，纯属经验的，历史上曾多次提高过材料的容许应力值。⑤按容许应力法设计的构件是否安全可靠，无法用实验来验证。

工程结构设计理论演变简况我国的工程结构设计方法经历了容许应力设计法、破损阶段设计法、多系数极限状态设计法和概率极限状态设计法4个阶段。工程结构设计理论演变简况二、破损阶段设计法1、针对容许应力设计法存在的缺陷，之后出现了假定材料均已达到塑性状态，依据截面所能抵抗的破损内力建立的计算公式。其设计表达式为： （1-3） 式中，——构件最终破坏时的承载能力；——安全系数，用来考虑影响结构安全的所有因素。优点为：①它可以反映材料的塑性性质，结束了长期以来假定混凝土为弹性体的局面。②采用一个安全系数，使构件有了总的安全度的概念。③它以承载能力值(如)为依据，其计算值是否正确可由实验检验。工程结构设计理论演变简况破损阶段理论仍存在一些重大缺点：①破损阶段计算，构件的承载力是得以保证，但却无法了解构件在正常使用时能否满足正常使用要求。②安全系数K的取值仍须经验确定，并无严格的科学依据。③采用笼统的单一安全系数，无法就不同荷载、不同材料结构件安全的影响加以区别对待，不能正确地度量结构的安全度。④荷载的取值仍然也是经验值；⑤表达式中采用的材料强度是平均值，它不能正确反映材料强度的变异程度，显然也是不够合理的。

工程结构设计理论演变简况三、多系数极限状态设计法

由于破损阶段理论仍有许多缺点，进一步发展的极限状态理论便应运而生。极限状态的主要概念是明确结构或构件进入某种状态后就丧失其原有功能，这种状态被称为极限状态。当时曾提出了3种极限状态：承载力极限状态、挠度极限状态、裂缝开展宽度极限状态。其表达式分别为：

M≤M

u

(1-4)maxlimf≤f(1-5)maxlimW≤W

(1-6)这样，它就克服了破损阶段理论无法了解构件在正常使用时能否满足正常使用要求的缺陷。四、概率极限状态设计法概率极限状态设计法是以概率理论为基础，将作用效应和影响结构抗力的主要因素作为随机变量，根据统计分析确定可靠概率来度量结构可靠性的结构设计方法。国际上把处理可靠度的精确程度分为3个水准。(1)水准I——半概率方法。对荷载效应和结构抗力的基本变量部分地进行数理统计分析，并与工程经验结合引入某些经验系数，所以尚不能定量地估计结构的可靠性。(2)水准II——近似概率法。该法对结构可靠性赋予概率定义，以结构的失效概率或可靠指标来度量结构可靠性，并建立了结构可靠度与结构极限状态方程之间的数学关系，在计算可靠指标时考虑了基本变量的概率分布型，工程结构设计理论演变简况

工程结构设计理论演变简况

并采用了线性化的近似手段，在设计截面时一般采用分项系数的实用设计表达式。目前我国的《工程结构可靠度设计统一标准》(GB50153—1992)、《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068—2001)都采用了这种近似概率法，在此基础上颁布了各种结构设计的规范。(3)水准III——全概率法。这是完全基于概率论的结构整体优化设计方法，要求对整个结构采用精确的概率分析，求得结构最优失效概率作为可靠度的直接度量，由于这种方法无论在基础数据的统计方面还是在可靠度计算方面都不成熟，目前尚处于研究探索阶段。术语和概率极限状态的实用设计表达式一、术语（据GB50009-2001)

术语和概率极限状态的实用设计表达式

二、概率以极限宝状态农的实咳用设德计表塘达式（按弟GB埋50寺00阶9-巩20筝01钟)Ⅰ、哪承载劫能力屈极限奏状态舰设计父表达内式：结构病构件怠的承座载力计计算早，应州采用抗如下挖承载侮力极锈限状易态设泡计表嚼达式除：r0S≤R式中客：r0——结构至重要树系数骨；S——双承载叶能力鹿极限惯状态估的荷袋载（貌基本沈组合捕或偶绍然组浇合）饥效应罚组胶合泡设计勇值；R——誓结构鸣构件朗抗力罚的设棚计值凉，应鞋按各主有关翅建筑仰结构深设计细规范箩的规汁定确逆定。术语致和概高率极平限状拣态的妈实用孔设计晃表达胶式承载仍能力蔑极限贱状态偏的荷酱载效告应组重合的昼设计晋值S搂的确矩定：1.钻基弊本组认合对于辞基本唤组合良，荷大载效寄应组疮合的余设计泡值S应从纹下列暗组合核值中园取最英不利茶值确肆定。(1虏)棒由可阶变荷副载效泰应控序制的腐组合宫：(3祝)式中匠：术语邻和概率许极限柱状态逗的实赞用设她计表炊达式(2逐)接由永肠久荷万载效罚应控筐制的缺组合稀：(4屯)注：杨①基慈本组肥合中川的设您计值洒仅适腊用于尊荷载殊与荷谦载效链应为堪线性坏的情僻况。框②冲当对尖SQ亭1K响无法鼻明显知判断欠时，乔轮次恨以各斤可变跟荷载批效应室为S钟Q1栗K，招选其钱中最毛不利那的泽荷载直效应翠组合拐。2、苍对于速一般匆排架果、框定架结搜构，嗽基本组组合丝式可采怜用简讨化规坦则，消并应悬按下梁列组碎合值宫中取拦最不偿利的牙值确荣定。(1诞)联由可秃变荷桶载效潜应控正制的哈组合肺：(5册)(2预)艺由永泄久荷疤载效齿应控嚷制的用组合常仍按没式(更4)牛采用时。术语愤和概率动极限乔状态谦的实坟用设崭计表躬达式术语杆和概霉率极液限状浙态的很实用秆设计舌表达河式3、区基本监组合附的荷宴载分衡项系宏数，徐应按荡下列童规定闭采用属：暑（1乔）永章久荷来载的吴分项胶系数醒：荣1)解当其撞效应款对结搭构不筹利时鼠对由跑可变口荷载笔效应市控制厉的组慨合，萄应取角1.秧2；虹对由插永久登荷载淹效应斤控制拳的组歼合，标应取胶1.捆35寺；泉2)沟当其验效应团对结停构有作利时房诚的组锐合，恶应取们1.住0。（2曾）刃可变父荷载首的分黎项系慕数：功一般拼情况姑下取备1.身4；箱对标蜓准值沸大于塔4k缠N／悲m2的工想业房娱屋楼缎面结默构的煤活荷仓载取液1.蜡3。（3什）洋对结凉构的描倾覆懒、滑疯移或拦漂浮谷验算船，荷花载的脆分项貌系数缺应按迟有关固的结翠构设巡寿计详规范柜的规努定采归用。4、榴对于青偶然蛙组合守，荷炒载效幼应组犁合的重设计搞值宜颜按下锋列规须定确葵定：票偶然哭荷载池的代煌表值赵不乘屡分项惰系数箱；与新偶然愚荷载盯同时况出现狂的其职他荷范载可辣根据沫观测戴资料焰和工懂程经矮验采特用适圈当的谱代表闻值。柏各种店情况忽下荷渗载效被应的科设计兵值公诉式，桃可由互有关镰规范扒另行番规定芝。Ⅱ、疯正常司使用泉极限值状态幕设计堪表达悄式1、赏对于抄正常链使用域极限罩状态尽，结箭构构泉件应矿根据胀不同际的设里计要挨求，挺分别骨采用篇荷载理效应峡的标塑准组巧合、鹊频遇敬组合安和准鄙永久唱组合挤，并引用按锐下列旁设计章表达泳式进垂行设亿计：(6冶)式中拦，S——永正常蓝使用唯极限群状态拖的荷要载效步应组治合值尚；C——肃结构海或结客构构堂件达指到正棚常使以用要宾求的暖规定膜限值喘，例杜如变牧形、清裂缝蛇、振闯幅、厉加速猴度、重应力躺等的肿限值所，应任按各悟有关监建筑仁结构概设计执规范茫的规吹定采春用。2、对于苗荷载灿效应虏标准饭组合碧的设禁计值涛S应鼓按下想式采供用(7桃)注：米组合湿中的全设计爷值仅较适用错于荷辨载与拦荷载聋效应懒为线单性的直情况培。术语孔和概查率极筑限状恶态的舱实用票