混凝土结构设计方法近似概率的极限状态设计法.ppt

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1、基本要求基本要求：1.1.了解结构上的作用、作用效应、结构抗力；了解结构上的作用、作用效应、结构抗力；2.2.掌握结构的功能要求、结构功能的极限状态；掌握结构的功能要求、结构功能的极限状态；3.3.了解概率极限状态设计方法，理解可靠度、可靠指标了解概率极限状态设计方法，理解可靠度、可靠指标的概念；的概念；4.掌握概率极限状态设计实用表达式；掌握荷载各种代掌握概率极限状态设计实用表达式；掌握荷载各种代表值和强度值的取法，并能够根据不同设计要求进行相应表值和强度值的取法，并能够根据不同设计要求进行相应的荷载组合。的荷载组合。难点：难点：极限状态方程、实用设计表达式极限状态方程、实用设计表达式3.1

2、3.1极限状态设计法的基本概念极限状态设计法的基本概念*结构设计方法的发展结构设计方法的发展（1 1）经验承载力法经验承载力法：根据实践得到尺寸规定：根据实践得到尺寸规定（2 2）容许应力法容许应力法：随材力、弹力、试验科学的发展产生：随材力、弹力、试验科学的发展产生 =f/k=f/k特点：影响结构安全的不利因素用大于特点：影响结构安全的不利因素用大于1 1的安全系数反映，的安全系数反映，简单、实用。简单、实用。缺点：缺点：钢筋混凝土结构的受力性能不是弹性的；钢筋混凝土结构的受力性能不是弹性的；结构中一点达到容许应力，结构即认为失效；结构中一点达到容许应力，结构即认为失效；没有考虑结构功能的多

3、样性要求；没有考虑结构功能的多样性要求；安全系数是凭经验确定的，缺乏科学依据。安全系数是凭经验确定的，缺乏科学依据。（3 3）破损阶段法破损阶段法K.SK.S R RR-R-考虑塑性性能截面极限承载力考虑塑性性能截面极限承载力S-S-最大荷载产生的内力最大荷载产生的内力K-K-安全系数安全系数特点：采用单一安全系数，形式简单、直观，考虑材料特点：采用单一安全系数，形式简单、直观，考虑材料塑性性质。塑性性质。缺点：仍缺乏明确可靠度概念，没有考虑正常使用条件。缺点：仍缺乏明确可靠度概念，没有考虑正常使用条件。极限状态设计法极限状态设计法)()(0，hbAkfkfMqkMssskcckuikqi水准

4、水准II-II-近似概率法近似概率法：建立结构可靠度与结构极限状态：建立结构可靠度与结构极限状态方程之间数学关系，截面设计时采用实用的分项系数设方程之间数学关系，截面设计时采用实用的分项系数设计计 材料强度材料强度 f fck ck 和和 f fsk sk 是根据统计后按一定保证率取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。其下限分位值，反映的材料强度的变异性。荷载值荷载值 q qik ik 也尽可能根据各种荷载的统计资料，按也尽可能根据各种荷载的统计资料，按一定保证率取其上限分位值。一定保证率取其上限分位值。荷载系数荷载系数 k kqi qi，材料强度系数，材料强度系数

5、 k kc c 和和 k ks s 仍按经验确仍按经验确定，但对于不同荷载的变异大小，可取不同的荷载系数。定，但对于不同荷载的变异大小，可取不同的荷载系数。)()(0，hbAkfkfMqkMssskcckuikqi3.1.13.1.1结构上的作用结构上的作用1.1.概念：使结构或构件产生效应（内力、应力、位移等）概念：使结构或构件产生效应（内力、应力、位移等）的因素，即施加在结构上的集中或分布荷载以及引起结构的因素，即施加在结构上的集中或分布荷载以及引起结构外加变形或约束变形的原因。外加变形或约束变形的原因。直接作用：集中或分布荷载；直接作用：集中或分布荷载；间接作用：地震、地基沉降、混凝土收

6、缩、温度变化、焊间接作用：地震、地基沉降、混凝土收缩、温度变化、焊接等因素。接等因素。2.2.作用的分类：作用的分类：（1 1）按时间的变异分类按时间的变异分类a.a.永久作用：在设计基准期内，其值不随时间变化或其变永久作用：在设计基准期内，其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、预加应力、基础沉降、焊接等。力、预加应力、基础沉降、焊接等。b.b.可变作用：在设计基准期内，其值随时间变化且其变化可变作用：在设计基准期内，其值随时间变化且其变化与平均值相比不可忽略的作用。如安装荷载、楼面上人群与平均值相比不可忽

7、略的作用。如安装荷载、楼面上人群及家具等产生的活载、风荷载、雪荷载、吊车荷载、温度及家具等产生的活载、风荷载、雪荷载、吊车荷载、温度变化等。变化等。c.c.偶然作用：偶然作用：在结构设计基准期内不一定出现，但一旦出在结构设计基准期内不一定出现，但一旦出现其值很大且持续时间很短的作用。如地震、爆炸、撞击现其值很大且持续时间很短的作用。如地震、爆炸、撞击等。等。（2 2）按空间位置的变异分类按空间位置的变异分类a.a.固定作用：结构上具有固定分布的作用。如固定设备荷固定作用：结构上具有固定分布的作用。如固定设备荷载、结构构件的自重等。载、结构构件的自重等。b.b.可动作用：在结构上一定范围内可以任

8、意分布的作用。可动作用：在结构上一定范围内可以任意分布的作用。如人群荷载、吊车荷载等。如人群荷载、吊车荷载等。（3 3）按结构的反应分类按结构的反应分类a.a.静态作用：对结构或构件不产生加速度或其加速度很小静态作用：对结构或构件不产生加速度或其加速度很小可以忽略不计的作用。如自重、楼面活荷载、雪载等。可以忽略不计的作用。如自重、楼面活荷载、雪载等。b.b.动态作用：对结构或构件产生不可忽略的加速度的作用动态作用：对结构或构件产生不可忽略的加速度的作用。如吊车荷载、地震、设备振动、风载等。如吊车荷载、地震、设备振动、风载等。3.3.作用效应：结构上的作用使结构产生的内力（如弯矩、作用效应：结构

9、上的作用使结构产生的内力（如弯矩、剪力、轴力、扭矩等）、变形（如挠度、侧移、转角等）剪力、轴力、扭矩等）、变形（如挠度、侧移、转角等）、裂缝等的统称。、裂缝等的统称。4.4.结构抗力：结构构件的截面形式、尺寸以及材料等级确结构抗力：结构构件的截面形式、尺寸以及材料等级确定后，各截面将具有一定的抵抗作用效应的能力。定后，各截面将具有一定的抵抗作用效应的能力。3.1.33.1.3结构的功能要求结构的功能要求1.1.结构的安全等级结构的安全等级（1 1）确定原则：根据破坏后果的严重性；）确定原则：根据破坏后果的严重性；（2 2）等级标准：三级等级标准：三级 设计年限可按设计年限可按工程结构可靠性设计

10、统一标准工程结构可靠性设计统一标准确定，确定，也可经过主管部门的批准按业主的要求确定。也可经过主管部门的批准按业主的要求确定。注意：设计使用年限与使用寿命的区别注意：设计使用年限与使用寿命的区别3.结构的结构的功能要求功能要求 工程结构设计的基本目的：在一定的经济条件下，结工程结构设计的基本目的：在一定的经济条件下，结构在预定的使用期限内满足设计所预期的各项功能。构在预定的使用期限内满足设计所预期的各项功能。（1）安全性：安全性：3.1.3结构功能的极限状态结构功能的极限状态1.概念：概念：整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就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

11、能要求（安全、适用、耐不能满足设计指定的某一功能要求（安全、适用、耐久），此特定状态称为该功能的极限状态。久），此特定状态称为该功能的极限状态。2.2.极限状态的物理意义：未达到极限状态则处于有效极限状态的物理意义：未达到极限状态则处于有效状态；超过极限状态则处于失效状态。状态；超过极限状态则处于失效状态。3.3.分类分类：（1 1）承载能力极限状态：结构或构件达到最大承载能）承载能力极限状态：结构或构件达到最大承载能力、出现疲劳破坏、发生不适于继续承载的变形或因结力、出现疲劳破坏、发生不适于继续承载的变形或因结构局部破坏而引发的连续倒塌。构局部破坏而引发的连续倒塌。a.a.整个结构或结构的一

12、部分作为刚体失去平衡；整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡；b.b.结构构件或连接因材料强度被超过而破坏（包括疲结构构件或连接因材料强度被超过而破坏（包括疲劳劳之间的运算规则应按概率理论进行。之间的运算规则应按概率理论进行。（2 2）极限状态函数的物理意义：）极限状态函数的物理意义：Z=R-S0Z=R-S0，结构处于可靠状态；，结构处于可靠状态；Z=R-S=0Z=R-S=0，结构处于极限状态；，结构处于极限状态；Z=R-S0Z=R-S0，结构处于失效状态；，结构处于失效状态；2.2.极限状态方程：极限状态方程：),(21nxxxgZ式中，式中，g g()是函数记号，在这里称为功能函数。是函数

13、记号，在这里称为功能函数。g g()由所研究的结构功能而定，可以是承载能力，也由所研究的结构功能而定，可以是承载能力，也可以是变形或裂缝宽度等。可以是变形或裂缝宽度等。x x1 1,x,x2 2,x xn n为影响该结构功能的各种荷载效应以及材为影响该结构功能的各种荷载效应以及材料强度、构件的几何尺寸等。料强度、构件的几何尺寸等。0ZfdZfp0ZsdZfp1ppsf f(Z)zzPfZ=R-S由图看出，阴影部分由图看出，阴影部分的面积与的面积与 Z Z和和Z Z的大小的大小有关，增大均值有关，增大均值 Z Z，曲，曲线右移阴影部分面积减线右移阴影部分面积减小；减小小；减小Z Z ，曲线变，曲

14、线变得高而窄，阴影面积也得高而窄，阴影面积也将减少。将减少。P Pf f 减小，可靠减小，可靠度加大。度加大。2 2）计算公式：计算公式：如果将曲线对称轴至纵轴的距离表示为如果将曲线对称轴至纵轴的距离表示为Z Z的倍数，取的倍数，取则ZZ22SRZZSR 越大，越大，P Pf f 越小越小 ，结构越可靠。所以，结构越可靠。所以 和失效概率一和失效概率一样可作为衡量结构可靠度的一个指标，称样可作为衡量结构可靠度的一个指标，称 为可靠度为可靠度指标，且指标，且 与与P Pf f一一对应。一一对应。3 3）可靠指标与失效概率的数量关系：表）可靠指标与失效概率的数量关系：表3-23-2；4 4）关于目

15、标可靠指标）关于目标可靠指标a.a.目标可靠指标：结构设计必须达到的指标，在确定结构目标可靠指标：结构设计必须达到的指标，在确定结构的可靠指标的可靠指标 时，应该使结构的失效概率降低到人们可以时，应该使结构的失效概率降低到人们可以接受的程度，做到既安全可靠又经济合理。接受的程度，做到既安全可靠又经济合理。可靠指标可靠指标 与失效概率与失效概率P Pf f的对应关系的对应关系b.b.目标可靠指标的确定：目标可靠指标的确定：工程结构可靠性设计统一标准工程结构可靠性设计统一标准根据结构的安全等级和根据结构的安全等级和破坏类型，在对有代表性的构件进行可靠度分析的基础上破坏类型，在对有代表性的构件进行可

16、靠度分析的基础上，规定了按承载能力极限状态设计时的目标可靠指标，规定了按承载能力极限状态设计时的目标可靠指标 值值，见，见下表：下表：3.3 3.3 极限状态设计的实用表达式极限状态设计的实用表达式3.3.1 3.3.1 分项系数分项系数 对于一般常见的工程结构，直接采用可靠指标进行设对于一般常见的工程结构，直接采用可靠指标进行设计工作量大，有时会遇到统计资料不足而无法进行的困难。计工作量大，有时会遇到统计资料不足而无法进行的困难。考虑到多年来的设计习惯和使用上的简便，工程结构设考虑到多年来的设计习惯和使用上的简便，工程结构设计统一标准提出了便于实际使用的设计表达式，称为实计统一标准提出了便于实际使用的设计表达式，称为实用表达式。用表达式。实用表达式将影响结构安全的因素视为随机变量，应实用表达式将影响结构安全的因素视为随机变量，应用数理统计的概率方法进行分析，采用以荷载和材料强度用数理统计的概率方法进行分析，采用以荷载和材料强度的标准值以及相应的的标准值以及相应的“分项系数分项系数”来表示的方式。来表示的方式。分项系数按照目标可靠度指标分项系数按照目标可靠度指标，并考虑工程经验，并考虑