混凝土结构设计原理第2章：混凝土结构的设计方法

1、第 2 章 混凝土结构设计方法,本章重点,结构上的作用、作用效应和结构抗力的概念及其随机特性；,混凝土结构设计方法的理论基础可靠 度理论；,我国规范的设计方法概率极限状态设 计法。,2.1.1 结构上的作用,定义：凡能使结构产生内力、应力、位移、应变、 裂缝的因素，都称之为结构上的作用。,直接作用：荷载；,分类：,间接作用：温度、收缩、徐变、地基不均匀沉降、 地震等。,2.1.2 作用效应,定义：作用作用在结构构件上，由此对结构产生内力、应力、位移、应变、裂缝，称之为作用效应。,2.1.3 结构抗力,定义：结构抵抗作用效应的能力。,1.结构保证其设计可靠度指标的时间期限成为设计基准期，即在基准

2、期内，结构的可靠度指标完全满足设计要求。,设计基准期,2.设计基准期是测算最大荷载重现期的基本期限。,3.我国对于多数建筑物的设计基准期均为50年，桥梁结构设计基准期为100年。,4.设计基准期与设计使用年限是两个不同的概念，两者均不是结构的使用寿命。,结构的可靠性,安全性、适用性、耐久性, 安全性 Safety, 结构在预定的使用期间内（一般为50年），应能承受在正常施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载、外加变形（如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）等的作用。, 在偶然事件（如地震、爆炸）发生时和发生后，结构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而造成

3、生命财产的严重损失。, 适用性 Serviceability, 结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。如不发生影响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振动（频率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。, 耐久性 Durability, 结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀），结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低，而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。,结构的可靠度,可靠性安全性、适用性和耐久性的总称。,结构的可靠性就是指结构在规定的时间内（设计基准期，一般为50年），在规定的条件下（正常设计、正常

4、施工、正常使用和维护） ，完成预定功能（安全性、适用性、耐久性）的能力。,结构的可靠度就是指结构在规定的时间内（设计基准期，一般为50年），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、耐久性）的概率。,结构可靠性越高，建设造价投资越大。,结构的使用年限,概念：设计使用年限是设计规定的一个时期。在这一规定时期内，房屋建筑正常设计、正常施工、正常使用和维护下不需要进行大修就能按其预定的目的使用。,设计使用年限分类,结构的重要性分级表,3.4.2 结构的安全等级,2.2.1 永久荷载(恒荷载),定义：大小、方向、作用点不随时间改变的荷载，如 自重、土压力、预

5、应力等；,2.2.2 可变荷载(活荷载),定义：大小、方向、作用点随时间改变的荷载，如楼 面和屋面活载、风荷载、雪荷载、吊车荷载、 车辆荷载等；,2.2.3 偶然荷载,定义：结构使用期间可能不出现，一旦出现，其作用时 间短、效应大的荷载，如爆炸力，撞击等。,2.3.1 永久荷载,标准值 结构使用期间可能出现的最大值。,标准值 结构使用期间可能出现的最大值，也是 可变荷载的基本代表值 。,2.3.2 可变荷载,组合值 当有两个或两个以上可变荷载同时作用 时的代表值 。,频遇值常遇值,计算裂缝变形时用。,准永久值可变荷载中，较稳定的那一部分值，计算裂缝变形时用。,2.3.3 偶然荷载：按使用特点定

6、。,（t为设计基准期内荷载达到和超过该值的总持续时间，T为设计基准期。）,标准值查荷载规范,荷载规范中的荷载值不包括隔墙重和二次装修重。,当计算主要承重结构时,式中： z 高度Z处的风振系数; s 体型系数;,z 风压高度变化系数，按地面粗糙程度分为A、B、C、D四类， A类:海岸、湖区； B类:农村、市郊； C类:一般城市市区； D类:有密集高层建筑市区 ;,基本风压值,w0 50年一遇的基本风压（ ）。,基本雪压值,式中： r 屋面积雪分布系数; s0 50年一遇的基本雪压（）。,材料强度标准值和设计值,材料强度标准值,钢材强度的概率分布,钢筋和混凝土材料的强度都服从正态分布,材料强度标准

7、值和设计值,混凝土强度的概率分布,强度标准值可统一表示为：,材料强度的平均值,材料强度的变异系数,与取材料强度标准值的概率有关的系数,混凝土强度标准值取,（95%保证率）,钢筋强度标准值取,(高于95%保证率),材料强度标准值和设计值,材料强度标准值和设计值,材料强度设计值,建筑工程中：,式中： 混凝土的材料分项系数；建筑工程取1.4； 钢筋的材料分项系数；建筑工程对热轧钢筋取1.1，对500MPa级钢筋取1.15，对预应力筋，取1.2，对钢丝、钢绞线取1.2。,极限状态设计法,极限状态及分类,结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠”的或“有效”的。反之，则结构为“不可靠”或“失效

8、”。, 区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限状态”,极限状态设计法,定义：整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。,承载力能力极限状态 Ultimate Limit State 超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求 结构或构件达到最大承载力（包括疲劳） 结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移） 结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰） 结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳） 结构因局部破坏而发生连续倒塌 地基丧失承载力而破坏,极限状态设计法,正常使用极限状态 Servic

9、eability Limit State 超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久性的功能要求。 过大的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、不能正常使用（吊车）等）； 过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）； 过大的振动（不舒适）； 其他正常使用要求。,极限状态设计法,耐久性极限状态 Durability Limit State 超过该极限状态，结构就不能满足预定的久性的功能要求。 影响承载能力和正常使用的材料性能劣化； 影响耐久性能的裂缝、变形、缺口、外观、材料削弱等； 影响耐久性能的其他特定状态。,极限状态设计法,结构的设计状况,持久设计状况,短暂设计状况,偶然设计状况,地震设

10、计状况,承载能力极限状态,正常使用极限状态,耐久性极限状态,结构功能函数：,结构的功能函数,结构或构件能否完成预定功能与结构的作用效应S和结构的抗力R有关。,结构安全可靠。（可靠概率多大？）,结构处于极限状态。,结构失效。（失效概率多大？）,结构的失效概率,结构的作用效应S及结构的抗力R都具有随机性，均符合正态分布。,结构的功能函数Z也符合正态分布。,图中阴影部分（Z0）的面积即为失效概率,失效概率：,失效概率与 和 有关。,显然，增大 ，阴影部分面积减小， 减小，可靠度加大。,结构的可靠度指标,现行设计方法以概率理论为基础，用可靠指标度量，采用多个分项系数表达。，则可靠指标为,结构抗力的平均

11、值和标准值,作用效应的平均值和标准值,式中：, 按承载力极限状态设计时, 按耐久性极限状态设计时,根据其可逆程度可取01.5,设计可靠指标（目标可靠度）, 按正常使用极限状态设计时,根据其可逆程度可取1.02.0,结构的可靠度理论, 如何在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计方法要解决的问题。 显然这种可靠与经济的均衡受到多方面的影响，如国家经济实力、设计工作寿命、维护和修复等。 规范规定的设计方法，是这种均衡的最低限度，也是国家法律。 设计人员可以根据具体工程的重要程度、使用环境和情况，以及业主的要求，提高设计水准，增加结构的可靠度。 经济的概念不仅包括第一次建设费用，还应考虑维修，损失及修

12、复的费用。,极限状态设计法,承载力极限状态设计表达式,对持久设计状况、短暂设计状况和地震设计状况，当采用内力的形式表达时，结构构件应采用下列承载力极限状态设计表达式：,安全等级为一级 安全等级为二级 安全等级为三级,结构重要性系数。,对地震设计状况下，取1.0,内力：如M,V,T,N,结构抗力,极限状态设计法,S荷载组合的效应设计值。对持久状况和短暂状况按基本组合确定。,荷载的基本组合：,（1）按下式中最不利确定,（2）当作用与作用效应按线性关系考虑时，按下式最不利值计算,极限状态设计法,建筑结构的作用分项系数,建筑结构的作用分项系数,极限状态设计法,可变荷载考虑设计使用年限的调整系数,楼面和屋面活荷载考虑设计使用年限的调整系数,注：对设计使用年限为25年的结构构件，应按各种材料结构设计标准的规定采用。,对雪荷载和风荷载，应取重现期为设计使用年限，或按有关规范的规定采用。,楼面和屋面活荷载考虑设计使用年限的调整系数按下表采用。,荷载的偶然组合：,（1）按下式中最不利确定,（2）当作用与作用效应按线性关系考虑时，按下式最不利值计算,极限状态设计法,SAd偶然作用设计值的效应。,Ad偶然作用的设计值。,屋面均布活荷载标准值,组