结构设计原理课件 单元二 结构按极限状态法设计的原则

单元二

结构按极限状态法设计的原则结构设计原理从武汉长江大桥60年‘零大修’看极限状态设计中的国家使命从武汉长江大桥60年‘零大修’看极限状态设计中的国家使命2022年10月，武汉长江大桥迎来建成通车65周年。•1957年设计时，我国尚无现代概率极限状态法，但老一辈工程师用“极限思想”把“承载能力极限”“正常使用极限”“耐久性极限”融进每一根钢梁、每一方混凝土。•国家责任：大桥是“一五”时期156项重点工程之一，毛泽东题词“万里长江第一桥”，把国家尊严压在了1670米钢梁上。•科学精神：设计组28人，平均年龄27岁，做了36次1:5节点极限破坏试验，用数据说话。•

工匠品格：钢梁拼装误差≤2mm，工地口号“差1mm就是给大桥留一条裂缝”。•四个自信：65年零大修证明社会主义制度集中力量办大事的优势，也是中国工程标准走向世界的底气。主体结构从未进行大修，至今每天通行列车300余列、汽车10余万辆。

最早的钢筋混凝土结构设计理论，是采用以弹性理论为基础的容许应力计算法。20世纪30年代，提出了考虑钢筋混凝土塑性性能的破坏阶段计算方法。20世纪50年代又提出了半经验、半概率的“三系数”极限状态计算法。我国原《桥规》（JTJ022-85、JTJ023-85）中所采用的计算方法即是采用这种半经验、半概率的“三系数”极限状态设计法。现行的《桥规》(JTG3362-2018)则是以概率理论为基础的极限状态设计方法。单元二结构按极限状态法设计的原则01§2-1作用（荷载）与作用（荷载）组合02§2-2极限状态法设计的基本概念03§2-3我国公路桥涵设计规范规定的结构设计计算方法目录单元二结构按极限状态法设计的原则单元二结构按极限状态法设计的原则§2-1作用（荷载）与作用（荷载）组合§2-1作用（荷载）与作用（荷载）组合①能说出作用的概念和类型；②能区分各作用代表值；③能叙述作用效应的定义；④会选择不同的作用组合。学习目标：说明：是重点；既是重点，也是难点。✱✱✱✱✱✱✱§2-1作用（荷载）与作用（荷载）组合一、作用及作用分类1、作用：一般指施加在结构上的集中力或分布力（直接作用，也称为荷载）和引起结构外加变形或约束变形的原因（间接作用）。2、作用分类：

按作用时间的长短和性质，可分为永久作用、可变作用、偶然作用和地震作用。§2-1作用（荷载）与作用（荷载）组合一、作用及作用分类（1）永久作用：在设计基准期内始终存在且其量值变化与平均值相比可忽略不计的作用，或其变化是单调的并趋于某个限值的作用。（2）可变作用：在结构基准期内，其量值随时间而变化，且其变化值与平均值比较不可忽略的作用。（3）偶然作用：在结构基准期内，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。（4）地震作用：地运动引起的结构动态作用。试一试：请举例说明永久作用、可变作用、偶然作用。§2-1作用（荷载）与作用（荷载）组合二、作用代表值、作用效应及作用效应设计值

（一）作用代表值极限状态设计所采用的作用值，可以是作用的标准值或可变作用的伴随值。

1.作用标准值

作用的标准值是结构设计的主要参数，是作用的基本代表值。其量值应取结构设计规定期限内可能出现的最不利值，一般按作用在设计基准期内最大值概率分布的某一分位值确定。

2.可变作用频遇值是指结构上较频繁出现的且量值较大的作用取值，但它比可变作用的标准值小，实际上由标准值乘以小于1的频遇值系数得到。§2-1作用（荷载）与作用（荷载）组合二、作用代表值、作用效应及作用效应设计值

4、可变作用准永久值是指在结构上经常出现的作用取值，但它比可变作用的频遇值又要小一些，实际上是由标准值乘以小于1的准永久值系数。

3、可变作用的组合值是指在主导可变作用（汽车荷载）出现时段内其他可变作用的最大量值，但它比可变作用的标准值小，实际上由标准值乘以小于1的组合值系数。§2-1作用（荷载）与作用（荷载）组合二、作用代表值、作用效应及作用效应设计值

（二）作用效应：由作用引起的结构或结构构件的反应。

（三）作用组合（荷载组合）在不同作用的同时影响下，为验证某一极限状态的结构可靠度而采用的一组作用设计值。§2-1作用（荷载）与作用（荷载）组合二、作用代表值、作用效应及作用效应设计值（三）作用组合（荷载组合）

在进行结构计算时，应根据结构物的特性考虑作用同时出现的可能性，按照《桥规》（JTGD60-2015）的规定，选择下列相应的作用组合：1.基本组合永久作用设计值与可变作用设计值的组合。持久设计状况和短暂设计状况均应采用此类组合。2.偶然组合承载能力极限状态设计时，永久作用标准值与可变作用某种代表值、一种偶然作用设计值的组合。§2-1作用（荷载）与作用（荷载）组合

3.作用地震组合

该组合的效应设计值应按现行《公路工程抗震规范》（JTGB02-2013）的有关规定计算，此类组合适用于地震设计状况。

4.频遇组合

正常使用极限状态设计时，永久作用标准值与主导可变作用频遇值、伴随可变作用准永久值的组合。

5.准永久组合

正常使用极限状态设计时，永久作用标准值与可变作用准永久值的组合。二、作用代表值、作用效应及作用效应设计值（三）作用组合（荷载组合）单元二结构按极限状态法设计的原则§2-2极限状态法设计的基本概念§2-2极限状态法设计的基本概念1、能说出结构设计的目的。2、能叙述结构的可靠性和可靠度的概念。3、能描述极限状态的定义分类。4、能说清楚四种设计状况。学习目标：说明：是重点；既是重点，也是难点。✱✱✱✱✱✱✱✱✱§2-2极限状态法设计的基本概念一、结构的可靠性概念（一）结构的功能、可靠性、可靠度1.结构设计的目的：要使所设计的结构，在规定的时间内能符合安全可靠、经济合理、适用耐久的要求。（1）结构的安全性：是指在规定的期限内，在正常施工和正常使用情况下，结构能承受可能出现的各种作用；在偶然事件（地震、撞击等）发生时及发生后，结构发生局部损坏，但不致出现整体破坏和连续倒塌，仍能保持必需的整体稳定性。（2）结构的适用性：是指在正常使用情况下，结构具有良好的工作性能，不发生过大的变形或振动。（3）结构的耐久性：是指结构在正常维护情况下，材料性能虽然随时问变化，但结构仍能满足设计的预定功能要求。建立安全意识和严谨认真的工作态度。§2-2极限状态法设计的基本概念一、结构的可靠性概念（一）结构的功能、可靠性、可靠度2.结构的可靠性和可靠度（1）结构的可靠性：是结构安全性、适用性和耐久性的统称。即：结构在规定的时间内、在规定的条件下，完成预定功能的能力。（2）结构的可靠度：是指度量结构可靠性的数量指标。即：结构在规定的时间内、规定的条件下，完成预定功能的概率。§2-2极限状态法设计的基本概念一、结构的可靠性概念（二）设计基准期定义：在进行结构可靠性分析时，考虑持久状况下各项基本变量与时间关系所取用的基准时间数。《桥规》(JTG3362-2018)规定：公路桥涵结构的设计基准期为100年。说明：设计基准期只是结构可靠度（计算结构的失效概率）的参考时间坐标，表示在这个时间域内结构的失效概率是有效的，它不能简单地等同于结构的实际使用寿命。当结构使用年限超过设计基准期后，表明结构的失效概率将会比设计时的预期值大，但并不等于结构丧失功能或报废。一般来说，设计基准期长的，其相应的可靠度高；设计基准期短的，其可靠度相对较低。

建立岗位责任意识。§2-2极限状态法设计的基本概念二、极限状态的基本概念（一）极限状态的定义和分类1、定义：当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态而不能满足设计规定的某一功能要求时，则此特定状态称为该功能的极限状态。2、分类：承载能力极限状态和正常使用极限状态两类。§2-2极限状态法设计的基本概念四种设计状况及其相应的极限状态设计：(1)持久状况：是指结构的使用阶段，这个阶段的时间很长，一般取与设计基准期相同的时间。该状况桥涵应进行承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。(2)短暂状况：桥涵施工过程中承受临时性作用（或荷载）的状况。该状况桥涵仅作承载能力极限状态设计，必要时才作正常使用极限状态设计。(3)偶然状况：桥涵使用过程中偶然出现的如船舶的撞击状况。该状况桥涵仅作承载能力极限状态设计。⑷地震设计状况：该状况桥涵仅作承载能力极限状态设计。二、极限状态的基本概念§2-2极限状态法设计的基本概念（二）承载能力极限状态承载能力极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形或变位。当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态：(1)结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（例如倾覆、滑移等）；(2)结构构件或其连接，因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），或因过度的塑性变形而不能继续承载；(3)结构转变为机动体系；(4)结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）。二、极限状态的基本概念§2-2极限状态法设计的基本概念二、极限状态的基本概念（三）正常使用极限状态正常使用极限状态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。当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态：(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损坏（如现出过大的裂缝）；(3)影响正常使用的振动；(4)影响正常使用的其他特定状态。单元二结构按极限状态法设计的原则§2-3我国公路桥涵设计规范规定的计算原则§2-3我国公路桥涵设计规范规定的结构设计计算方法1、能描述承载能力极限状态计算原则和公式含义。2、能叙述常使用极限状态计算原则、公式含义。3、能描述混凝土结构的耐久性设计。学习目标：说明：是重点；既是重点，也是难点。✱✱✱✱✱✱✱✱§2-3我国公路桥涵设计规范规定的结构设计计算方法一、持久状况承载能力极限状态计算原则设计的原则是作用组合效应的设计值必须小于或等于结构承载力设计值。1、作用组合效应的设计值：施加于结构上的几种作用标准值的组合引起的效应设计值，就称为作用组合效应的设计值。2、承载力设计值用材料强度设计值计算的结构或构件极限承载能力就称为承载力设计值。§2-3我国公路桥涵设计规范规定的结构设计计算方法一、持久状况承载能力极限状态计算原则3、承载能力极限状态设计表达式：-桥梁结构重要性系数，按公路桥涵的设计安全等级选用：一级、二级、三级分别取1.1、1.0、0.9。-作用组合效应的设计值（其中汽车荷载应计入冲击作用），按《桥规》（JTGD60-2015）的规定，对持久状况应按作用基本组合计算。-构件承载力设计值；-构件承载力函数；-材料强度设计值；-几何参数设计值，

，为结构或构件几何参数标准值，即设计文件规定值；为结构或构件的几何参数附加值，即指实际结构或构件的几何参数与标准值之间存在偏差而采用的调整值。

§2-3我国公路桥涵设计规范规定的结构设计计算方法一、持久状况承载能力极限状态计算原则4、作用分项系数—第i个永久作用分项系数，按书中表2-2的规定采用；—第i个永久作用的标准值；—汽车荷载（含汽车冲击力、离心力）的分项系数,采用车道荷载计算时取

，采用车辆荷载计算时，其分项系数取

。当某个可变作用在组合中其效应值超过汽车荷载效应时，则该作用取代汽车荷载,其分项系数取

；对专为承受某作用而设置的结构或装置，设计时该作用的分项系数取

；计算人行道板和人行道栏杆的局部荷载，其分项系数也取

；

§2-3我国公路桥涵设计规范规定的结构设计计算方法一、持久状况承载能力极限状态计算原则4、作用分项系数

—汽车荷载（含汽车冲击力、离心力）的标准值。

—在作用组合中除汽车荷载（含汽车冲击力、离心力）外的其他第j个可变作用的组合值。—在作用组合中除汽车荷载（含汽车冲击力、离心力）外的其他可变作用的组合值系数。取=

0.75。

—第j个可变作用的结构设计使用年限荷载调整系数。公路桥涵结构的设计使用年限按现行《公路工程技术标准》（JTGB01-2014)取值时，此值为1.0；否则，应按专题研究确定。二、正常使用极限状态计算原则§2-3我国公路桥涵设计规范规定的结构设计计算方法

采用作用（荷载）频遇组合、准永久组合或频遇组合并考虑准永久组合的影响，对构件的抗裂、裂缝宽度和挠度进行验算，并使各项计算值不超过各相应的规定限值。即有：

二、正常使用极限状态计算原则§2-3我国公路桥涵设计规范规定的结构设计计算方法抗裂验算：裂缝宽度验算挠度验算

以上分别为应力、裂缝宽度、挠度的限值。三、混凝土结构的耐久性设计§2-3我国公路桥涵设计规范规定的结构设计计算方法（一）混凝土结构的耐久性定义：所谓混凝土结构的耐久性，是指结构对气候变化、化学侵蚀、物理作用或任何其他破坏过程的抵抗能力。三、混凝土结构的耐久性设计§2-3我国公路桥涵设计规范规定的结构设计计算方法

混凝土结构的耐久性问题表现为：混凝土损伤（裂缝、破碎、酥裂、磨损、溶蚀等）；钢筋的锈蚀、脆化、疲劳、应力腐蚀；以及钢筋与混凝土之间黏结锚固作用的削弱等三个方面。从短期效果而言，这些问题影响结构的外观和使用功能；从长远看，则为降低结构安全度，成为发生事故的隐患，影响结构的使用寿命。（一）混凝土结构的耐久性三、混凝土结构的耐久性设计§2-3我国公路桥涵设计规范规定的结构设计计算方法（二）影响混凝土结构耐久性的因素

1、影响混凝土耐久性的因素（1）混凝土冻融破坏：渗入混凝土中的水在低温下结冰膨胀，从内部破坏混凝土的微观结构。经多次冻融循环后，损伤积累将使混凝土剥落酥裂，强度降低。（2）碱集料反应：混凝土中的水泥在水化过程中释放出的碱金属，与含碱性集料中的碱活性成分发生化学反应，生成碱活性物质。这种物质吸水后产生体积膨胀，造成混凝土开裂。碱集料反应引起的混凝土开裂一般在混凝土表面形成网状裂缝，并在裂缝处渗出白色凝胶物质。三、混凝土结构的耐久性设计§2-3我国公路桥涵设计规范规定的结构设计计算方法（3）化学侵蚀：水渗入混凝土内部，当其中溶入有害化学物质时，即对混凝土的耐久性造成影响。（4）混凝土的碳化：混凝土呈碱性，大气中存在的酸性介质及水通过各种孔道、裂隙而渗入混凝土可以中和其碱性，从而形成混凝土的“碳化”。（二）影响混凝土结构耐久性的因素三、混凝土结构的耐久性设计§2-3我国公路桥涵设计规范规定的结构设计计算方法(5)钢筋的腐蚀及其对结构耐久性的影响钢筋腐蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性和使用寿命的重要因素。混凝土中钢筋腐蚀的首要条件是混凝土的碳化和脱钝，只有将覆盖钢筋表面的碱性钝化膜破坏，加之有水分和氧的侵入，才有可能引起钢筋的腐蚀。钢筋腐蚀一般可分为电化学腐蚀、化学腐蚀和应力腐蚀等三种形式。（二）影响混凝土结构耐久性的因素三、混凝土结构的耐久性设计§2-3我国公路桥涵设计规范规定的结构设计计算方法（二）影响混凝土结构耐久性的因素

2、几点说明预应力钢筋存在应力腐蚀、氢脆等不利于耐久性的弱点，且直径一般较细，对腐蚀比较敏感，破坏后果严重。因此，对预应力钢筋、连接器、锚夹具、锚头等容易遭受腐蚀的部分采取有效的保护措施。提高混凝土的抗渗、抗冻性能有利于混凝土结构在恶劣环境下的耐久性。三、混凝土结构的耐久性设计§2-3我国公路桥涵设计规范规定的结构设计计算方法1、混凝土桥梁结构的耐久性取决于混凝土材料的自身特性和结构的使用环境、使用年限，与结构设计、施工及养护管理密切相关。综合国内外研究成果和工程经验，公路桥涵混凝土结构及构件应采取下列耐久性技术措施：⑴钢筋的混凝土保护层厚度应满足表2-3的要求。⑵预应力混凝土结构中的预应力体系根据具体情况采用相应的多重防护措施。（三）混凝土结构耐久性设计基本原则三、混凝土结构的耐久性设计§2-3我国公路桥涵设计规范规定的结构设计计算方法（三）混凝土结构耐久性设计基本原则⑶有抗渗要求的混凝土结构，混凝土的抗渗等级符合有关标准的要求。⑷严寒和寒冷地区的潮湿环境中，