《钢筋混凝土结构》课件-第二章 结构设计基本原理

《钢筋混凝土结构》——发现结构之美规范设计施工

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结构设计的基本原则导入钢筋混凝土结构构件的“设计”是指在预定的作用及材料性能条件下，确定构件按功能要求所需要的截面尺寸、配筋和构造要求。思考：什么是结构设计？钢筋混凝土结构2学习目标Lear了解结构设计方法的发展1掌握结构的功能要求及可靠性23 掌握结构设计使用年限的规定

目录页钢筋混凝土结构301结构设计方法的发展PART

ONE钢筋混凝土结构4过渡页结构设计方法的发展从伽利略至今三百余年里，结构设计经历了各种演变，可从以下两个方面进行归纳：从结构设计理论上弹性理论极限状态理论从设计方法上定值设计法概率设计法钢筋混凝土结构5容许应力法破损阶段设计法多系数极限状态设计法基于可靠性理论的概率极限状态法钢筋混凝土结构6结构设计方法的发展ccccfk

ssssfk

钢筋混凝土构件：混凝土应力钢筋应力式中：kc、ks分别为安全系数钢筋混凝土结构7结构设计方法的发展1.容许应力法构件在外界作用下，某截面的最大应力达到或超过材料的容许应力时，构件即失效（破坏），即要满足：K

f◎结构中的一点达到容许应力，即认为失效；◎安全系数完全凭经验确定的。思考：混凝土开裂，结构失效了吗？结构设计方法的发展钢筋混凝土结构81.容许应力法2.破损阶段设计法——20世纪30年代构件在外界作用下，某截面的内力达到某极限内力时，构件即失效（破坏），以受弯构件为例，其计算表达式为：M

Mu k式中：M为截面中内力，

Mμ为截面所能承受的极限弯矩，

k为安全系数。钢筋混凝土结构9结构设计方法的发展◎考虑了材料塑性和强度的充分发挥，极限荷载可以直接由试验验证；◎没有考虑结构功能多样性要求；◎安全系数完全凭经验确定的，且是一个定值。结构设计方法的发展2.破损阶段设计法——20世纪30年代构件在外界作用下，某截面的内力达到某极限内力时，构件即失效（破坏），以受弯构件为例，其计算表达式为：M

Mu k钢筋混凝土结构103.多系数极限状态设计法概念：构件的极限状态，不仅包括承载力的极限状态，而且包括挠度（变形）及裂缝宽度的极限状态，这已经包含了安全性和适用性的一些概念。方法：对于承载能力极限状态，针对荷载、材料的不同变异性，不再采用单一系数，即多系数法。钢筋混凝土结构11结构设计方法的发展《公路桥涵设计规范》（JTJ

021-85）采用了多系数表达的极限状态设计法钢筋混凝土结构12结构设计方法的发展3.多系数极限状态设计法对于承载力极限状态设计，把单一的安全系数改为三个分项系数（荷载系数、材料系数、工作条件系数）。部分系数凭经验确定，部分系数用概率方法确定。半概率、半经验的“三系数”极限状态设计法4.基于可靠性理论的概率极限状态法大量现场实测资料或试验数据为基础统计各种变量的分布规律运用数理统计和可靠度方法确定作用代表值和材料标准值、设计值概率极限状态设计法(可靠度设计法)——《工程结构可靠度设计统一标准》（GB

50153-2008）钢筋混凝土结构13结构设计方法的发展港珠澳大桥全长为49.968公里，主体工程“海中桥隧”长35.578公里，成为世界最长的跨海大桥。为了保证项目可靠性与卓越性能，港珠澳大桥工程采用了大量的新技术、新材料、新工艺。对于其中的路灯、隧道灯、可变情报板，也是反复论证、测试、比较。4.基于可靠性理论的概率极限状态法结构设计方法的发展从哪些方面体现港珠澳大桥的“可靠”钢筋混凝土结构1402结构的功能要求PART

TWO钢筋混凝土结构15过渡页结构功能要求1 安全性结构的功能要求结构不能出现断裂、倒塌等现象。钢筋混凝土结构16结构功能要求1 安全性结构的功能要求按照设计指标，港珠澳大桥可以历经数十次大型级台风，和预期内3-5次地震屹立不倒。钢筋混凝土结构17结构功能要求1 安全性结构的功能要求2 适用性结构变形、裂缝不能超过容许范围。钢筋混凝土结构18结构功能要求1 安全性结构的功能要求2 适用性选用特殊的钢筋混凝土材料，性质稳定，单位承重量大，耐磨损，完全不用担心开裂问题。钢筋混凝土结构19结构功能要求1 安全性结构的功能要求2 适用性3 耐久性钢筋混凝土结构20结构的功能要求结构功能要求1 安全性2 适用性3 耐久性港珠澳大桥的设计使用年限为120年钢筋混凝土结构211 安全性结构的功能要求结构功能要求2 适用性3 耐久性可靠性结构在设计规定的时间内,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（安全性、适用性和耐久性）的能力。即是安全性、适用性和耐久性的总称。钢筋混凝土结构221 安全性结构的功能要求结构功能要求2 适用性3 耐久性可靠性结构可靠度：是结构可靠性的概率度量。思考：规定的时间是什么？钢筋混凝土结构2303设计使用年限与基准期PART

THREE钢筋混凝土结构24过渡页是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。钢筋混凝土结构25公路等级主体结构可更换部件特大桥中桥小桥、涵洞斜拉索、吊索、系杆栏杆、伸缩缝、支座等高速公路、一级公路100100502015二、三级公路1005030四级公路1005030设计使用年限与基准期1.设计使用年限思考：20世纪90年代末的统计表明，我国只有40%的桥梁使用寿命在25年以上。桥梁的实际使用寿命为什么达不到设计使用的要求？设计使用年限与基准期1.设计使用年限是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。钢筋混凝土结构26及时修订、更改桥梁设计规范。对桥梁的耐久性、适用性、安全性提出计算和构造设计的要求。而按早期桥梁设计规范建造好的桥梁，维修时应重新评估桥梁的剩余使用寿命。设计使用年限与基准期钢筋混凝土结构27设计使用年限与基准期及时修订、更改桥梁设计规范。对桥梁的耐久性、适用性、安全性提出计算和构造设计的要求。而按早期桥梁设计规范建造好的桥梁，维修时应重新评估桥梁的剩余使用寿命。钢筋混凝土结构28是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。公路桥梁结构的设计基准期为100年。设计使用年限与基准期是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。钢筋混凝土结构291.设计使用年限2.设计基准期

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结构极限状态设计导入钢筋混凝土结构构件的“设计”是指在预定的作用及材料性能条件下，确定构件按功能要求所需要的截面尺寸、配筋和构造要求。钢筋混凝土结构2导入思考：桥梁所受荷载具体数值如何确定呢？钢筋混凝土结构3学习目标Lear了解作用的分类和作用代表值1掌握结构极限状态的分类23 掌握两种极限状态的不同设计要求

目录页401作用和作用代表值PART

ONE5过渡页作用和作用代表值施加在结构上的荷载，如结构自重、汽车荷载等。引起结构外加变形和约束变形的原因，如混凝土收缩、温度变化等。1.作用的分类使结构产生内力或变形的原因，分直接作用和间接作用两种。直接作用间接作用钢筋混凝土结构6永久作用在结构使用期间，其量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用。如结构自重、土压力、预应力、地基沉降、水浮力等。在结构使用期间，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。如吊车荷载、风荷载、雪荷载、汽车荷载、温度变化等。在结构使用期间不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用。如爆炸力、撞击力、地震等作用和作用代表值1.作用的分类按随时间的变异性可分为三类：可变作用偶然作用钢筋混凝土结构7作用和作用代表值2.作用代表值是指结构或结构构件设计时，针对不同设计目的所采用的各种作用规定值，它包括作用标准值、准永久值和频遇值等。1.作用标准值是指在结构设计基准期内，采用各种作用的基本代表值，其值可根据作用在设计基准期内最大值概率分布的某一分位值确定。回顾思考：什么是设计基准期？钢筋混凝土结构8作用和作用代表值钢筋混凝土结构92.作用代表值作用准永久值是指在结构设计基准期内，可变作用经常（长期观测期内作用任意时点概率分布的0.5（或略高于0.5）分位值）出现的那部分量值。可变作用准永久值=可变作用标准值*准永久值系数。作用频遇值是指在结构设计基准期内，可变作用频繁出现，且量值较大的作用取值。可根据在足够长期观测期内作用任意时点概率分布的0.95分位值确定。可变作用频遇值=可变作用标准值*频遇值系数。02结构的极限状态PART

TWO10过渡页结构的极限状态钢筋混凝土结构111.极限状态的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结构的极限状态。结构的极限状态也是结构处于可靠状态与失效状态的临界状态。2.极限状态的分类正常使用极限状态承载能力极限状态极限状态欧洲混凝土协会国际预应力混凝土协会国际标准化组织我国的可靠度标准、各种规范结构的极限状态钢筋混凝土结构12承载能力极限状态结构构件或连接处因超过材料强度而破坏结构转变成机动体系整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（滑动、倒塌）结构或结构构件丧失稳定（柱的压曲失稳）4钢筋混凝土结构13123结构的极限状态3.承载能力极限状态——对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。

0

Sd

RR

R(

fd

,

ad

)γ0

—结构重要性系数；Sd—作用（荷载）效应的基本组合设计值；R

—构件承载力设计值；fd

—材料强度设计值；ad—几何参数设计值。钢筋混凝土结构14结构的极限状态3.承载能力极限状态——对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。安全等级破坏后果桥梁类型重要性系数一级很严重特大及重要大桥1.1二级严 重大、中桥及重要小桥1.0三级不严重小桥、涵洞0.9

0

Sd

RR

R(

fd

,

ad

)结构的极限状态3.承载能力极限状态——对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。桥梁结构的安全等级钢筋混凝土结构15Nu

0.9

(fcd

A

fs

d

As

)=1668kNγ0Nd ˂

Nu承载力满足要求。35030045003.承载能力极限状态Nd=

1600kN例：轴心受压构件的承载力6 2045458250结构的极限状态钢筋混凝土结构16结构的极限状态3.正常使用极限状态——对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。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它特定状态正常使用极限状态钢筋混凝土结构17结构的极限状态3.正常使用极限状态——对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。S—正常使用极限作用组合的效应（变形、裂缝宽度和应力）设计值

；C—结构构件达到正常使用要求所规定的限值（变形、裂缝、应力）。S≤

C钢筋混凝土结构18结构的极限状态3.正常使用极限状态——对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。《公路桥规》规定，在正常使用极限状态下钢筋混凝土构件的最大裂缝宽度，不得超过规定的裂缝限值。在Ⅰ类（一般环境）、Ⅱ类（冻融环境）环境条件下的钢筋混凝土构件，最大裂缝宽度不应超过0.2mm。钢筋混凝土结构19

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结构极限状态作用效应组合计算钢筋混凝土结构2导入思考：桥梁所受荷载产生的影响如何确定呢？钢筋混凝土结构构件的“设计”是指在预定的作用及材料性能条件下，确定构件按功能要求所需要的截面尺寸、配筋和构造要求。学习目标Lear掌握作用效应组合设计方法1掌握承载能力极限状态效应组合方法23 掌握正常使用极限状态效应组合方法

目录页301

任务导入 PART

ONE4过渡页任务导入钢筋混凝土简支梁桥主梁在结构重力、汽车荷载和人群荷载作用下，分别得到在主梁的跨径处截面的弯矩标准值为：结构重力产生的弯矩MGK=552kN·m

；汽车荷载弯矩MQ1K=459.7kN·m （已计入冲击系数，冲击系数（1+μ）=1.19）；人群荷载弯矩MQ2k=40.6kN·m

。进行极限状态设计时的作用效应组合计算。钢筋混凝土结构502任务分析PART

TWO6过渡页任务分析钢筋混凝土结构7思考：1.什么是作用效应组合？2.极限状态有哪两种？3.作用效应组合设计分为几种情况？4.这个题目要分别计算哪几种呢？任务分析1.作用效应的概念结构上的作用（如荷载、不均匀沉降、温度变形、收缩变形、地震等）引起的效应（如弯矩M、剪力V、轴力N、扭矩T、挠度f、裂缝宽度w等）S=S(Q)PL/4P弯矩图剪力图P/2PP/2P比如：思考：效应组合只是数值相加吗？钢筋混凝土结构8任务分析2.三种设计状况（1）持久状况◎桥梁使用阶段；◎承受自重、车辆荷载等作用持续时间长的状况；◎承载能力和正常使用极限状态设计。钢筋混凝土结构9任务分析钢筋混凝土结构102.三种设计状况（2）短暂状况◎桥梁施工阶段；◎承受临时作用（荷载）的状况；◎承载能力状态计算（应力）；◎必要时才做正常使用极限状态计算。任务分析钢筋混凝土结构112.三种设计状况（2）偶然状况◎地震等偶然作用；◎承受偶然作用（地震）的状况；◎承载能力状态计算；◎不考虑正常使用极限状态。任务分析钢筋混凝土结构123.作用效应组合基本组合——承载能力极限状态设计偶然组合——承载能力极限状态设计作用短期效应组合——正常使用极限状态设计作用长期效应组合——正常使用极限状态设计任务分析3.作用效应组合承载能力极限状态时的效应基本组合γ0

—重要性系数；SUd

—承载能力极限状态下作用效应组合设计值；Sk—作用效应标准值；γ

Gi—第i个永久作用效应的分项系数；Ψc—组合系数。钢筋混凝土结构13任务分析钢筋混凝土结构143.作用效应组合承载能力极限状态时的效应偶然组合偶然组合是指永久作用标准值效应与可变作用某种代表值效应、一种偶然作用标准值效应相组合。偶然作用的分项系数取1.0；与偶然作用同时出现的可变作用，可根据观测资料和工程经验取用适当的代表值。任务分析3.作用效应组合正常使用极限状态时的效应短期组合m nSsd

SGik

1

j

SQjki

1 j

1Ssd—作用短期效应组合设计值；Ψ1j—第j个可变作用效应的频遇值系数；Ψ1jSQjk—第j个可变作用效应的频遇值钢筋混凝土结构15任务分析3.作用效应组合正常使用极限状态时的效应长期组合m nSld

SGik

2

j

SQjki

1 j

1Sld—作用长期效应组合设计值Ψ2j—第j个可变作用效应的准永久值系数Ψ2jSQjk—第j个可变作用效应的准永久值钢筋混凝土结构1603PART

THREE钢筋混凝土结构17过渡页任务实施钢筋混凝土简支梁桥主梁在结构重力、汽车荷载和人群荷载作用下，分别得到在主梁的跨径处截面的弯矩标准值为：结构重力产生的弯矩MGK=552kN·m