第二章：混凝土结构设计方法课件

1、1,湖南大学 沈蒲生,混凝土结构设计原理 第2章 混凝土结构设计方法,进入,2,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,本章讲述的内容：, 结构设计的目的； 我国结构设计方法的演变过程； 现行设计规范设计方法简介； 结 语。,3,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,一、结构设计的目的,做任何结构设计，其目的都是既要保证结构的安全，又要使得所设计的结构经济。 安全和经济是相互矛盾的。结构设计就是要在安全与经济之间求得合理的平衡。 结构设计方法既是一个理论问题，还与国家的技术经济政策密切相关。,4,混凝土结构设计原理,第 2 章,

2、主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,二、我国结构设计方法的演变过程,1、建国初期：容许应力法 。,式中：K 为安全系数。容许应力法以一个点的安全决定结构构件的安全，而且，当时的安全系数主要根据经验确定。,5,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,2.、五、六十年代：三系数极限状态设计法 。,三系数：工作条件系数； 荷载系数； 材料匀质系数。,3、七十年代：单系数极限状态设计法。,单系数：安全系数。,受弯：K=1.4； 受剪：K=1.55。,6,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,、 八十年代：概率极限状态法 。,概率极限

3、状态法：以可靠度理论为基础，用多个分项系 数表达的设计方法。,多个分项系数：结构构件重要性系数，荷载分项系数，材料分项系数，。,5、21世纪初：概率极限状态法。,与80年代的设计方法相比，设计理论与方法上无大的变化，但可靠度有较大的提高，用钢量增加10%，造价增加5%左右。,7,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,概率极限状态法属近似概率法，将来还要向全概率法发展。保证建筑结构的可靠性，采用基于概率、基于性能的设计方法，这是今后发展的方向。解放60多年来我国结构设计方法的发展过程为：,经验法,半经验法半概率,近似概率法,全概率法,8,混凝土结构设计原理,第

4、2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,了解结构上的作用、作用效应和结构抗力的概念及其随机特性；,了解混凝土结构设计方法的理论基础 可靠度理论；,掌握我国规范的设计方法 概率极限状 态设计法。,本章重点：,三、现行设计规范设计方法简介,9,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,2.1.1 结构上的作用、作用效应及结构抗力,（1）定义：凡是能够使结构产生内力、变形、开裂、 腐蚀的因素，统称为结构上的作用。如荷 载、地震、基础差异沉降、温度变化、混 凝土收缩等。,直接作用：荷载。,（2）分类：,间接作用：温度、收缩、徐变、地基不均匀沉降、 地震等。,1、结

5、构上的作用,10,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,2 、作用效应,定义：作用在结构上产生的效应，如内力、应力、位 移、应变、裂缝等，称为作用效应。,3 、结构抗力,定义：整个结构或结构构件抵抗作用效应的能力，称 为结构抗力。,11,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,2.1.2 结构的预定功能及结构可靠度 1、预定功能 （1）在正常施工和正常使用时能承受各种作用。 （2）在正常使用时不发生过大的变形和过宽的 裂缝。 （3）在正常维护的情况下具有足够的耐久性。 （4）发生火灾时在规定的时间内有足够的承 载力。 （5）在遭

6、遇偶发事件时具有必须的整体稳定 性。 结构的预定功能要求结构在其设计使用年限内具有足够的可靠性，即：安全性、适用性和耐久性。,12,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,2、结构的可靠度 指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：指设计使用年限。 规定的条件：指正常设计、正常施工、正常使用。 预定功能：指安全性、适用性、耐久性。 结构的可靠度是可靠性的概率度量。,13,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,3、 结构的设计使用年限,2.1.3 结构的安全等级,按结构的重要性划分,一级：重要建筑,二

7、级：一般建筑,三级：次要建筑,14,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,2.2.1 荷载 1、荷载分类,永久荷载(恒荷载)：大小、方向、作用点不随时间改变 的荷载为永久荷载，如自重、土压力、预 应力等。,可变荷载(活荷载) ：大小、方向或作用点随时间改变而 变化的荷载为可变荷载，如楼面和屋面活 载、风荷载、雪荷载、吊车荷载等。,偶然荷载：结构使用期间可能不出现，一旦出现，其作 用时间短、效应大的荷载为偶然荷载，如爆炸 力， 撞击等。,15,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,2、荷载代表值,（1）标准值是荷载的基本代表值。

8、是正常使用情况 下可能出现的保证率为95%的偏大值。 是永久荷载的唯一代表值。,保证率：95,16,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,直升飞机坪：,住宅楼面：,屋面：不上人屋面 上人屋面 屋顶花园,民用建筑楼面活荷载的标准值可查荷载规范，如：,其它荷载标准值见荷载规范。荷载规范中的荷载值不包括隔墙重量和二次装修重量。,17,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,永久荷载只有1个代表值：标准值。 可变荷载有4个代表值：标准值、组合值、频遇值、 准永久值。,18,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,

9、下一章,结构承载力取决于截面尺寸大小和材料强度高低。 材料强度分标准值和设计值。,1 、材料强度标准值,注意：荷载标准值高于平均值，材料强度标准值低于 平均值。想一想为什么要这样？,2.2.2 材料强度,保证率：95,19,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,2 、材料强度设计值,式中： 混凝土的材料分项系数，取1.40； 钢筋的材料分项系数，对延性较好的热轧 钢筋取1.10，对500MPa级钢筋取1.15，对 预应力钢筋取1.20。,20,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,定义：整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就

10、不能满足设计指定的某一功能要求，这个特定的状态称之为该功能的极限状态。,承载能力极限状态：超过这一极限状态时结构将发生破坏、倒塌或失稳等现象。,1、 结构极限状态的分类,正常使用极限状态：超过这一极限状态时结构将出现过大的变形，开裂或过宽的裂缝，钢筋严重锈蚀，混凝土腐蚀、风化、剥落等现象。,21,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,2、结构的设计状况 （1）持久设计状况：在结构使用过程中一 定出现，其持续时间很长的状况。 （2）短暂设计状况：在结构使用过程中出 现概率大，持续时间短的状况。 （3）偶然设计状况：在结构使用过程中出 现概率小，持续时间很短的状况

11、。 （4）地震设计状况：在结构使用过程中遭 受地震作用的状况。,22,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,3、结构的功能函数Z,式中，Z为结构的功能函数，R为结构的抗力，S为结构的作用效应。,23,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,式中： 结构抗力的平均值和标准差； 作用效应的平均值和标准差。,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。设，则可靠指标为：,4、 结构的可靠指标,24,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,按承载能力极限状态设计时要求的可靠指标值

12、,按正常使用极限状态设计时要求的可靠指标值,取值低于承载力极限状态。,对应3.2的失效概率为6.910-4，对应3.7的失效概率为1.110 -4。因此，可靠指标是可靠度的另一种表示方法。,25,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,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指定的某一功能要求，这个特定的状态称之为该功能的极限状态。,承载能力极限状态：超过这一极限状态时结构将发生破坏、倒塌或失稳等现象。,结构极限状态的分类:,正常使用极限状态：超过这一极限状态时结构将出现过大的变形，开裂或过宽的裂缝，钢筋严重锈蚀，混凝土腐蚀、风化、剥落等现象。

13、,26,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,计算公式,式中 0 结构重要性系数； 安全等级为一级的构件， 0 1.1； 安全等级为二级的构件， 0 1.0； 安全等级为三级的构件， 0 0.9； Sd 承载能力极限状态下作用组合的效应的 设计值，对持久设计状态和短暂设计状 态应按作用的基本组合计算。,27,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章, 结构构件的抗力设计值。,Rd = R（fc , fs , ak , .）/ RD,式中， RD 是结构构件的抗力模型不定性调整系数：静力设计取1.0，对不确定性较大的结构构件根据具体

14、情况取大于1.0的数值；抗震设计应用承载力抗震调整系数RE代替RD。 fc , fs , ak式分别为混凝土的强度设计值、钢筋的强度设计值和截面尺寸的标准值。,28,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,荷载基本组合的效应设计值计算方法,一般结构构件：选下列计算中较大者。,由可变荷载控制时,由永久荷载控制时,承载力计算采用基本组合，按下面方法计算：,29,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,式中： 恒载分项系数，当其效应对结构不利时， 公式 2-4 中的 ，公式 2-5 中的 ；当其效应对结构有利时，应取1.0； 活载分项系

15、数，一般情况下取1.4，当活 载标准值大于 的工业房屋楼面结 构取1.3； 恒载标准值所产生的内力； 活载标准值所产生的内力，i=1的活荷载 为主导活荷载； 第i个可变荷载的组合系数。 L 楼面和屋面活荷载考虑设计使用年限的调 整系数，当结构设计使用年限为50年时取 1.0。,30,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,偶然荷载组合的效应设计值计算方法,用于承载能力极限状态计算时：,用于偶然事件发生后受损结构的整体稳定性验算时：,式中，SAd为按偶然荷载标准值Ad计算的荷载效应值，1为第1个可变荷载的频遇值系数，f2为第i个可变系数的准永久值系数。,(2-6)

16、,(2-7),31,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,荷载偶然组合的效应设计值Sd可按下列规定采用,用于承载能力极限计算时：,用于偶然事件发生后受损结构整体稳固性验算时：,2-7,式中：SAd 按偶然荷载标准值Ad计算的荷载效应值； f1 第1个可变荷载的频遇值系数； fi 第i个可变荷载的频遇值系数。,注意：实际设计方法中，为了符合我国设计人员以往的设计习惯，使设计方便起见，已将可靠指标转化成用荷载分项系数、材料强度分项系数等多个分项系数表示。因此，结构设计方法的演变为： 可靠性可靠度失效概率可靠指标多个分项系数。,32,混凝土结构设计原理,第 2 章,

17、主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,设计方法,式中： 正常使用极限状态下荷载效应组合值; 达正常使用要求时的变形、裂缝、应力 等的限值。,33,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,荷载组合值计算方法,标准组合：主要用于当一个极限状态被超越时将产生严重的永久性损坏的情况。,频遇组合：主要用于当一个极限状态被超越时将产生局部损坏、较大变形或短暂震动等的情况。,准永久组合：主要用于当长期效应是决定性因素的一些情况。,正常使用阶段计算采用标准组合、频遇组合或准永久组合。按下面方法计算。,34,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,环境分类：,35,混凝土结构设计原理,第 2 章,主 页,目 录,上一章,帮 助,下一章,表3.5.3 结构混凝土材料的耐久性基本要求,耐