Reinforced Concrete(第2章).ppt

1、2020/9/19,2.1 结构设计的要求 2.2 结构的作用、作用效应和结构抗力 2.3 结构按概率极限状态设计 2.4 按承载能力极限状态计算 2.5 按正常使用极限状态计算 2.6 混凝土结构的耐久性,第2章 混凝土结构设计方法,2020/9/19,学习要求与学习重点,学习要求： 掌握结构的功能、极限状态、作用效应、结构抗力、可靠度等基本概念； 掌握作用（荷载）、结构抗力的取值，学会查用表格； 掌握荷载分项系数、可变荷载组合系数、结构重要性系数、混凝土和钢材的材料分项系数的取值； 掌握承载能力和正常使用极限状态的实用设计表达式。 学习重点： 结构的功能要求、极限状态，混凝土结构设计方法，

2、结构上的作用、作用效应和结构的抗力，极限状态实用设计表达式,2020/9/19,2.1.1 结构的功能要求 安全性 如（MMu） 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生命财产的严重损失。,2.1 结构设计的要求,2020/9/19, 适用性 如（f f ） 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

3、、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。 耐久性 如（wmax wmax） 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。,2020/9/19, 结构的可靠性 可靠性安全性、适用性和耐久性的总称 就是指结构在规定的使用期限内（设计工作寿命=50年），在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护），完成预定结构功能的能力。 结构可靠性越高，建设造价投资越大。 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。,202

4、0/9/19, 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，损失及修复的费用,2020/9/19,2.1.2 结构的极限状态 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”。 区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限状态” 根据功能要求结构的极限状态分为两类： 承载能力极限状态 正

5、常使用极限状态,2020/9/19,承载能力极限状态 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） 结构塑性变形过大而不适于继续使用 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）,2020/9/19,正常使用极限状态 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。,20

6、20/9/19,2.1.3结构的设计使用年限 结构的设计使用年限是指设计规定的结构或结构构件不需要进行大修即可按达到其预定功能的使用时期。 设计年限可按建筑结构可靠度设计统一标准确定，也可经过主管部门的批准按业主的要求确定。一般建筑结构的设计使用年限为50年。 设计使用年限类别 注意：区别建筑物的设计使用年限与建筑物的使用寿命。,2020/9/19,2.2 结构的作用、作用效应和结构抗力 2.2.1 结构的作用和作用效应 1 作用的概念与类型 建筑结构在施工期间和使用期间要承受各种作用。所谓作用是使结构或构件产生内力（应力）、变形（位移、应变）和裂缝的各种原因的总称。 作用分为两类： （1）当

7、以力的形式作用于结构上时，称为直接作用，也叫结构的荷载。分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载，如结构自重、楼面上的人群及物品重量、风压力、雪压力、土压力等。 （2）当以变形形式作用于结构上时，称为间接作用，习惯上称为结构的外加变形或约束变形。如地震、基础不均匀沉降、混凝土收缩、徐变、温度变形和焊接变形等。,2020/9/19,荷载的分类 按作用时间的长短和性质，荷载分为三类： 1.永久荷载在结构设计使用年限内，其值不随时间而变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。 2.可变荷载在结构设计基准期内其值随时间而变化，其变化与平均值不可忽略的荷载。 3.偶然荷载在结构

8、设计基准期内不一定出现，但一旦出现其值很大且作用时间很短的荷载。,2020/9/19,2 荷载的代表值,荷载的标准值 1）定义 将荷载视为随机变量，采用数理统计的方法加以处理而得到的具有一定概率的最大荷载值。 2）确定 a.结构的自重可根据结构的设计尺寸和材料的重力密度确定； b.可变荷载常与时间有关，在缺少大量统计材料的条件下，可近似按随机变量来考虑；,2020/9/19,可变荷载组合值 1）定义 指几种可变荷载进行组合时，其值不一定都同时达到最大，因此，需作适当调整。 2）调整方法 除其中最大荷载仍取其标准值外，其他伴随的可变荷载均采用小于1.0的组合系数乘以相应的标准值来表达其荷载代表值

9、。,2020/9/19,可变荷载频遇值 1）定义 指结构上时而出现的较大荷载。 2）确定 以荷载的频遇值系数与相应的可变荷载标准值的乘积来确定的。,2020/9/19,可变荷载的准永久值 1）定义 指在结构上经常作用的可变荷载。 2）确定 变荷载准永久值是以荷载的准永久值系数与相应的可变荷载标准值的乘积来确定的。,2020/9/19,作用效应 结构构件在各种作用因素的作用下引起的内力、变形和裂缝等统称为作用效应。 荷载效应 当“作用”为“荷载”时，则称为荷载效应。 荷载与荷载效应 S=CQ,3 作用效应,2020/9/19,荷载分项系数 是考虑荷载超过标准值的可能性，以及对不同变异性的荷载可能

10、造成结构计算时可靠度严重不一致的调整系数。 荷载设计值 荷载的标准值与荷载分项系数的乘积称为荷载的设计值，亦称为设计荷载。 永久荷载的分项系数 A 当其效应对结构不利时 对由可变荷载效应控制的组合，取1.2 对由永久荷载效应控制的组合，取1.35,4 荷载分项系数及荷载设计值,2020/9/19,B 当其效应对结构有利时 一般情况下取1.0； 对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，取0.9。 可变荷载分项系数 对标准值大于4kN/m2的工业楼面结构的活荷载，取1.3。 荷载设计值 荷载的标准值与荷载分项系数的乘积称为荷载的设计值，亦称为设计荷载，其数值大体相当于结构在非正常使用情况下荷载的最大值，它比

11、荷载的标准值具有更大的可靠度。,2020/9/19,结构抗力 指结构或构件承受内力和变形的能力，以R表示。 结构的工作状态 结构构件的工作状态可以用作用效应S和结构抗力R的关系式来描述，S=R。 强度极限平衡方程式 N=Nu Nu=fcAc+fyAs Z=R-S=G(R,S),2.2.2 结构抗力,1 结构抗力及结构的工作状态,2020/9/19,结构所处的三种不同工作状态： Z=R-S0 时，结构处于可靠状态； Z=R-S=0时，结构达到极限状态； Z=R-S0时，结构处于失效（破坏）状态。,2 材料强度标准值,取值原则 在材料强度实测值的总体中，强度标准值应具有不小于95%的保证率。,3

12、材料强度设计值,材料强度的标准值fk除以材料的分项系数m就得到材料强度的设计值f，即 f=fk/m。,2020/9/19,2.3 结构按概率极限状态设计,定义 也称近似概率法，是从概率的观点来研究结构的可靠性。 可靠度 结构的可靠度就是在规定的时间内，在规定的条件下完成预定功能（安全性、耐久性、适用性）的可能性大小。 可靠概率 结构能够完成预定的功能（RS）的概率。 失效概率 不能完成预定功能（RS)的概率为“失效概率”。 可靠概率和失效概率二者是互补的,2.3.1 可靠度、失效概率及可靠指标,2020/9/19,S及R概率分布曲线,实用设计表达式,2020/9/19,实用设计表达式,2020

13、/9/19,实用设计表达式,2020/9/19,实用设计表达式,2020/9/19,结构抗力、荷载效应平均值、标准差的关系,2.3 结构按概率极限状态设计,2020/9/19,和Pf的关系图,例2-1,2020/9/19,2.3.2 目标可靠指标及安全等级,对于具有延性破坏特征的一般建筑物的结构构件，允许失效概率可取得略高一些，目标可靠指标可取得略小一些。 对于具有脆性破坏特征的构件，目标可靠指标则相应取得略大一些。 根据建筑结构破坏后果的严重程度，将建筑结构划分为三个安全等级，相应承载能力极限状态的目标可靠指标与其对应。,2020/9/19,在承载力极限状态设计时，根据建筑结构破坏后果的严重

14、程度，将建筑结构划分为三个安全等级。,2.4 按承载能力极限状态计算,2.4.1 建筑结构的安全等级,2.4.2 计算表达式,极限状态设计表达式：,承载力函数：, 材料强度 fck 和 fsk 是根据统计后按一定保证率取其下限分位值，反映的材料强度的变异性。 材料强度系数c 和s 仍按经验确定，但对于不同荷载的变异大小，可取不同的荷载系数。,2020/9/19,2.4.3 荷载效应组合, 定义 荷载效应组合是指在所有可能同时出现的诸荷载组合下，确定结构或构件内产生的总效应。 取最不利值确定法 1）由可变荷载控制时：,2）由永久荷载控制时：,2020/9/19,简化规则取最不利值确定法 1）由可

15、变荷载控制时：,2）由永久荷载控制时：,例2-2,2020/9/19,设计表达式：,2.5 按正常使用极限状态计算,标准组合，荷载效应组合值S计算式：,频遇组合，荷载效应组合值S计算式：,2020/9/19,准永久组合，荷载效应组合值S计算式：,例2-3,2020/9/19,材料的耐久性是指它暴露在使用环境下，抵抗各种物理和化学作用的能力。,2.6 混凝土结构的耐久性,2.6.1 耐久性的概念,材料质量 水灰比的大小是影响混凝土质量的主要因素 钢筋锈蚀 钢筋混凝土结构中钢筋的锈蚀，是由于保护钢筋的混凝土碳化和氯离子引起的锈蚀作用而产生的。 （1）混凝土的碳化 影响混凝土碳化速度的主要因素： 材

16、料自身的影响；施工质量的影响；外部环境的影响 （2）氯离子引起的锈蚀,2.6.2 影响材料耐久性的因素,2020/9/19, 碱-集料反应 碱-集料反应是指混凝土中含有的碱与其活性集料之间发生化学反应，引起混凝土的膨胀、开裂、表面渗出白色浆液，造成结构的破坏。 混凝土中的碱是从水泥和外加剂中得来的。水泥中的碱主要由原料粘土和燃料煤有钾钠含量而引入的。 混凝土的抗渗及抗冻性 混凝土的抗渗性：是指混凝土在潮湿环境下抵抗干湿交替作用的能力。混凝土内集料和水泥浆体中的毛细孔隙很小，其渗透性极微，起主要作用的是由于混凝土拌合料的离析泌水，在集料和水泥浆体界面富集的水分蒸发，容易产生贯通的微裂缝而形成较大

17、的渗透性，并随着水含量的增加而增大，对混凝土的耐久性有较大的影响。,2020/9/19,除冰盐对混凝土的破坏 冬季在混凝土路面上撒盐以降低其冻结温度，消除冰雪对交通的危害 防止除盐对混凝土破坏的主要措施： （1）水泥应采用硅酸盐水泥及普通硅酸盐水泥； （2）掺加引气剂，含量宜适当增大； （3）提高混凝土强度等级，增加混凝土保护层厚度，防止钢筋锈蚀。,提高混凝土抗渗性的措施有： A 改善混凝土的配合比，粗、细集料表面应保持清洁，严格控制含泥量，尽量减少水灰比； B 在混凝土拌合料中掺加掺合剂，以增加密实度； C 掺加适量引气剂，使其产生细小气泡，以减小毛细管道的贯通性； D 掺加某些外加剂，如防

18、水剂、减水剂、膨胀剂、憎水剂等； E 加强养护，避免施工时产生干湿交替的作用。,2020/9/19,2.6.3 对混凝土耐久性要求的规定,1 使用环境分类：混凝土结构的耐久性应根据表2-6的环境类别和设计使用年限进行设计。 2 设计使用年限为50年的结构混凝土耐久性，当处于一类、二类和三类环境中时，应符合表2-7的规定。 3 设计使用年限为100年的结构混凝土耐久性应符合下列规定： （1）当处于一类环境中时： A 钢筋混凝土结构的最低混凝土强度等级为C30；预应力混凝土结构最低强度等级为C40； B 混凝土中的最大氯离子含量为0.06%； C 宜使用非碱活性集料；当使用碱活性集料时，混凝土中的最大碱含量为3.0Kg/m3； D 在使用过程中应定期维护。,2020/9/19,第2章 按近似概率理论的极限状态设计法,2.6 混凝土结构的耐久性,（2）当处于二类、三类环境中时，应采取专门有效措施。 4 处在较特殊环境中结构混凝土的耐久性： （1）对有抗渗或抗冻要求的结构混凝土的抗渗性和抗冻性