《结构设计原理》课件-项目1：1.1 结构设计概述

结构的功能要求与可靠性><目录01结构的功能要求02可靠性与可靠度03结构的设计使用年限和设计基准期结构的功能要求01一、结构的功能要求结构的功能要求安全性在正常施工和正常使用情况下，结构能够承受可能出现的各种作用；在偶然事件发生时和发生后，还能够保持整体稳定性。适用性在正常使用情况下，结构具有良好的工作性能，结构或构件不发生过大的变形和振动。耐久性在正常使用及维护情况下，结构能够满足设计的预定功能。一、结构的功能要求一、结构的功能要求可靠性与可靠度02二、可靠性与可靠度可靠性

——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。可靠性是安全性、实用性、耐久性的总称。可靠度

——结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。规定的时间：设计使用年限；规定的条件：正常设计、正常施工、正常使用和正常维护预定功能：安全性、适用性、耐久性。结构的设计使用年限和设计基准期03三、结构的设计使用年限和设计基准期设计使用年限——是结构或构件在正常维护条件下，不需要大修即可按其设计规定目的使用的年限。设计基准期——是确定可变作用的出现频率和设计时的取值而规定的标准时段。注意：结构的使用年限超过设计基准期时，表明它的失效概率可能会增大，不能保证其目标可靠指标，但不等于结构丧失所有功能要求甚至报废。三、结构的设计使用年限和设计基准期建筑结构的设计使用年限类别结构类型结构的设计使用年限（年）１临时性结构5２易于替换的结构构件25３普通房屋和构筑物50４纪念性建筑和特别重要建筑100建筑结构的设计基准期为50年。三、结构的设计使用年限和设计基准期公路桥涵的设计使用年限桥涵结构的设计基准期为100年。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、系杆等栏杆、伸缩缝、支座等高速公路、一级公路100100502015二级公路、三级公路1005030四级公路1005030小结1.结构的功能要求安全性、适用性、耐久性。2.可靠性的概念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。3.可靠度的概念结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。4.设计使用年限结构或构件在正常维护条件下，不需要大修即可按其设计规定目的使用的年限。思考题如何区分结构的设计使用年限和设计基准期？结构的功能函数01相关概念02功能函数01相关概念一、相关概念作用：使结构产生内力、变形、应力和应变的所有原因，可以分为2类：间接作用

直接作用

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作用一、相关概念约束变形结构材料发生收缩或膨胀等变形。如结构在支座或节点的约束下间接产生的变形。强迫结构产生变形。如基础的不均匀沉降，地震等。外加变形一、相关概念一、相关概念作用效应S：结构对所受作用的反应，如内力、变形等；结构抗力R：结构构件承受内力和变形的能力，如构件的承载能力、刚度等。PL/4P

弯矩图

剪力图P/2PP/2P02功能函数二、功能函数在可靠度分析中，把对结构的功能实现有影响的所有因素作为基本变量

(X1,X2,…,Xn)，由基本变量组成的描述结构功能的函数称为结构的功能函数。在上述基本变量中，凡是对结构功能的实现不利的因素称为作用效应S，凡是对结构功能的实现有利的因素称为抗力R，则功能函数可以写成：二、功能函数Z=R-S>0可靠状态

Z=R-S<0失效状态Z=R-S=0极限状态结论结构所处状态作用效应S抗力RR1R2R=S（极限状态）

Z1Z2S<R（可靠）

S>R（失效）

1.相关概念作用作用效应结构抗力2.功能函数S<R，结构处于可靠状态S>R，结构处于失效状态S=R，结构处于极限状态要求结构满足功能要求，则结构应处于什么状态？结构的功能函数应满足什么要求？结构的极限状态><目录01相关概念02极限状态的分类03承载能力极限状态04正常使用极限状态相关概念01一、相关概念工作状态：结构在使用期间的工作情况。可靠状态：结构能够满足各项功能要求而良好工作的状态。失效状态：结构不能够满足各项或某项功能要求而不能良好工作的状态。极限状态：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。极限状态的分类02二、极限状态的分类极限状态欧洲混凝土协会承载能力极限状态正常使用极限状态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、各种规范承载能力极限状态03三、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的状态。三、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的状态。超过承载能力极限状态整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（滑动、倒塌）1结构构件或连接处因超过材料强度而破坏，或因过度的变形而不能继续承载。2结构转变成机动体系3结构或结构构件的疲劳破坏6结构因局部破坏而发生连续倒塌5结构或结构构件丧失稳定（柱的压曲失稳）4地基丧失承载力而破坏7正常使用极限状态04四、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的状态。四、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的状态。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它特定状态超过正常使用极限状态小结1.结构极限状态的相关概念工作状态、可靠状态、

失效状态、极限状态。2.极限状态的分类承载能力极限状态、正常使用极限状态。思考题给定一个状态，能否判定出是超过了承载能力极限状态还是正常使用极限状态？结构的失效概率和可靠指标01失效概率与可靠概率02可靠指标03目标可靠指标01失效概率与可靠概率一、失效概率与可靠概率失效——指结构或结构的一部分不能满足设计所规定某一功能要求，即达到或超过了承载能力极限状态或正常使用极限状态中的某一限值。失效概率——作用效应S和结构抗力R都是随机变量或随机过程，因此要绝对地保证R总是大于S是不可能的。可能出现R小于S的情况，这种可能性的大小用概率来表示就是失效概率Pf。即结构不能满足其功能要求的概率。

一、失效概率与可靠概率失效概率Pf：Z<0的概率，即图中阴影部分的面积。可靠概率Pr：出现结构满足其功能要求的概率，即图中非阴影部分的面积。两者互补fz(Z)pf

z

zzZ02可靠指标二、可靠指标设结构抗力R和作用效应S都服从正态分布，则结构功能函数Z=R-S也必然服从正态分布，将Z的正态分布转换为标准正态分布，则可以推导出：

二、可靠指标

可靠指标用来描述结构可靠度的原因β1.01.642.003.003.714.004.5084.1300%94.9500%97.7300%

99.8650%99.9896%99.9968%99.9997%15.8700%

5.0500%

2.2700%

0.1350%

0.0104%

0.0032%

0.0003%

可靠指标与可靠度及失效概率关系

可靠指标是可靠度的度量，与其有一一对应的数量关系。

03目标可靠指标三、目标可靠指标目标可靠指标——用作公路桥梁结构和建筑结构设计依据的可靠指标。它主要是采用“校准法”并结合工程经验和经济优化原则加以确定的。

校准法——就是通过对原有规范可靠度的反演计算和综合分析，确定以后设计时所采用的结构构件的可靠指标。三、目标可靠指标v

延性破坏三级二级一级

脆性破坏

安全等级破坏类型4.74.23.75.24.74.2公路桥梁目标可靠指标《公路工程结构可靠度设计统一标准》（JTG2120—2020）三、目标可靠指标公路桥涵结构设计安全等级城市桥梁结构设计安全等级1.失效概率与可靠概率失效概率可靠概率3.目标可靠指标2.可靠指标在结构设计中，如何利用目标可靠指标进行结构设计？结构的设计状况><教学01持久设计状况02短暂设计状况目标04

地震设计状况03

偶然设计状况持久设计状况01一、持久设计状况持久状况，是对应于桥涵使用过程正常情况下的设计状况。这个阶段持续的时间很长，要对桥涵结构所有预定功能进行设计，且必须进行结构承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计计算。

持久状况——是指在结构使用过程中一定出现且持续期很长的设计状况，其持续期一般与设计使用年限为同一数量级。短暂设计状况02二、短暂设计状况

短暂状况是对应于桥涵施工状态或桥涵工程维修加固状态的设计状况。结构短暂状况持续时间相对于使用阶段是短暂的，结构体系及结构所承受的荷载与使用阶段也不同，设计时要根据具体情况而定。短暂状况要进行桥涵结构的承载能力极限状态的设计计算，可以根据需要进行正常使用极限状态的设计计算。

短暂状况——是指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，其持续期很短的设计状况。偶然设计状况03三、偶然设计状况偶然状况是对应于使用过程中遭受撞击（例如受到车、船舶的撞击，落石或坠物冲击等），火灾，爆炸等异常情况的设计状况，对于偶然设计状况，一般只进行桥涵结构的承载能力极限状态设计计算。这种状况出现的概率极小，且持续的时间极短，结构在极短时间内承受的作用以及结构可靠度水平等在设计中都需特殊考虑。

偶然状况——是指在结构使用过程中出现概率极小且持续时间极短的异常情况时的设计状况。地震设计状况04四、地震设计状况

在抗震设防地区必须考虑地震状况，也只需进行承载能力极限状态的设计计算。

地震状况——考虑桥涵遭受地震时的设计状况。公路桥涵设计状况与极限状态设计计算

小结结构的设计状况：持久、短暂、偶然、地震状况四种。思考题结构设计的四种状况如何运用？作用组合><目录01承载能力极限状态计算时作用组合——基本组合02承载能力极限状态计算时作用组合——偶然组合03正常使用极限状态计算时作用组合——频遇组合04正常使用极限状态计算时作用组合——准永久组合承载能力极限状态计算时作用组合基本组合01一、承载能力极限状态计算时作用组合——基本组合

一、承载能力极限状态计算时作用组合——基本组合

承载能力极限状态计算时作用组合偶然组合02二、承载能力极限状态计算时作用组合——偶然组合

二、承载能力极限状态计算时作用组合——偶然组合

正常使用极限状