混凝土结构设计方法讲义.ppt

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1、3 混凝土结构设计方法3 混凝土结构设计方法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3.2 可靠度分析的基本概念可靠度分析的基本概念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 混凝土结构设计方法3.1 极限状态设计方法的基本概念极限状态设计方法的基本概念3.1.1 3.1.1 结构的功能要求结构的功能要求1、结构的功能要求、结构的功能要求安全性安全性 结构在预定的使用期间内（一般为结构在预定的使用期间内（一般为50年），应能承受在正年），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

2、的支座不均匀沉降）、约束变形（如温度和（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。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。产的严重损失。3 混凝土结构设计方法适用性适用性 结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。如不发生影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、振响正常使用的过大的变形（挠度、侧移

3、）、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。幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。耐久性耐久性 结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。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。定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。3 混凝土结构设计方法2 2、设计使用年限和设计基准期、设计使用年限和设

4、计基准期（1）设计使用年限）设计使用年限是指设计规定的结构或结构构件不需进行是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期，即结构在规定的条件下大修即可按其预定目的使用的时期，即结构在规定的条件下所应达到的使用年限。所应达到的使用年限。设计使用年限设计使用年限的概念不同于的概念不同于实际寿命实际寿命、耐久年限耐久年限或或设计基设计基准期准期。建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准规定了各类建筑结构规定了各类建筑结构的设计使用年限。的设计使用年限。类别类别设计使用年限（年）设计使用年限（年）示例示例15临时性结构临时性结构225易于替换的结构构件易于替换的结构构

5、件350普通房屋和构筑物普通房屋和构筑物4100纪念性建筑和特别重要的建筑物纪念性建筑和特别重要的建筑物 设计使用年限分类设计使用年限分类（2）设计基准期）设计基准期指为确定可变作用及与时间有关的材料性能指为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数。等取值而选用的时间参数。统一标准统一标准规定设计基准期为规定设计基准期为50年。年。3 混凝土结构设计方法结构的可靠性结构的可靠性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（设计工作寿命规定的使用期限内（设计工作寿命=50年），在规定的条件年），在规定的条件下（下

6、（正常设计、正常施工、正常使用和维护正常设计、正常施工、正常使用和维护），完成预定结），完成预定结构功能的能力。构功能的能力。结构可靠性越高，建设造价投资越大。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如何在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计方法要，就是设计方法要解决的问题。解决的问题。3 混凝土结构设计方法3.1.2 3.1.2 结构的极限状态结构的极限状态 1、承载力能力极限状态（安全性）、承载力能力极限状态（安全性）（1）结构构件或连接因超过材料的强度而破坏，或因过度变）结构构件或连接因超过材料的强度而破坏，或因过度变形而不适于继续承载；形而不适于继续承载；（2

7、）结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡；）结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡；（3）结构变为机动体系；）结构变为机动体系；（4）结构或构件丧失稳定；）结构或构件丧失稳定；（5）结构因局部破坏而发生连续倒塌；）结构因局部破坏而发生连续倒塌；（6）地基丧失承载力而破坏；）地基丧失承载力而破坏；（7）结构或构件的疲劳破坏。）结构或构件的疲劳破坏。3 混凝土结构设计方法2 2、正常使用极限状态（、正常使用极限状态（适用性和耐久性）适用性和耐久性）（1）影响正常使用或外观的变形；）影响正常使用或外观的变形；（2）影响正常使用或耐久功能的局部损坏；）影响正常使用或耐久功能的局部损坏；（3）影响正常使用的

8、振动；）影响正常使用的振动；（4）影响正常使用的其他特定状态。）影响正常使用的其他特定状态。通常对结构构件先按通常对结构构件先按承载能力极限状态承载能力极限状态进行承载能力进行承载能力计算计算，然后根据使用要求按，然后根据使用要求按正常使用极限状态正常使用极限状态进行变形、进行变形、裂缝宽度或抗裂等裂缝宽度或抗裂等验算验算。3 混凝土结构设计方法3.1.3 结构上的作用结构上的作用、作用效应作用效应和结构的抗力和结构的抗力 1、结构上的作用结构上的作用是指施加在结构上的集中力或分布力，以及引起结构外加是指施加在结构上的集中力或分布力，以及引起结构外加变形或约束变形的原因（地震、基础差异沉降、温

9、度变化、混凝土收缩等）。变形或约束变形的原因（地震、基础差异沉降、温度变化、混凝土收缩等）。（1）按时间的变化按时间的变化可分为三类：可分为三类：永久作用永久作用可变作用可变作用偶然作用偶然作用 结构上的作用可按下列性质分类：结构上的作用可按下列性质分类：在设计基准期内其量值随时间变在设计基准期内其量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。忽略的作用。如结构自重、土压力、如结构自重、土压力、预应力、地基沉降、焊预应力、地基沉降、焊接等。接等。在设计基准期内不一定出现，而在设计基准期内不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间一旦出现其量值很大且持续时间很短

10、的作用。很短的作用。在设计基准期内其量值不随时间在设计基准期内其量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用。以忽略不计的作用。如楼面活荷载、吊车荷如楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、载、风荷载、雪荷载、温度变化等。温度变化等。如爆炸力、撞击力、罕如爆炸力、撞击力、罕遇的地震等。遇的地震等。3 混凝土结构设计方法 （2）按随空间位置的变异按随空间位置的变异可分为二类：可分为二类：固定作用固定作用自由作用自由作用在结构上具有固定分布的作在结构上具有固定分布的作用。其特点是在结构上出现用。其特点是在结构上出现的空间位置固定不变，但其的空间位置固定不变，但

11、其量值可能具有随机性。量值可能具有随机性。在结构上一定范围内可以任在结构上一定范围内可以任意分布的作用。意分布的作用。如房屋建筑楼面上位置如房屋建筑楼面上位置固定的设备荷载、屋盖固定的设备荷载、屋盖上的水箱等。上的水箱等。如楼面的人员荷载、吊如楼面的人员荷载、吊车荷载等。车荷载等。3 混凝土结构设计方法静态作用静态作用动态作用动态作用 （3）按结构的反应特点按结构的反应特点可分为二类：可分为二类：使结构产生的加速度可以忽略不计的使结构产生的加速度可以忽略不计的作用。作用。使结构产生的加速度不可忽略不计的使结构产生的加速度不可忽略不计的作用。在结构分析时一般均应考虑其作用。在结构分析时一般均应考

12、虑其动力效应。动力效应。如结构自重、住宅或办如结构自重、住宅或办公楼的楼面活荷载公楼的楼面活荷载如吊车荷载、地震作用、如吊车荷载、地震作用、大型动力设备的作用、大型动力设备的作用、高耸结构上的风荷载等。高耸结构上的风荷载等。有界作用有界作用无界作用无界作用 （4）按有无限值按有无限值可分为二类：可分为二类：具有不能被超越的且可确切或近似掌具有不能被超越的且可确切或近似掌握其界限值的作用。握其界限值的作用。没有明显界限值的作用。没有明显界限值的作用。如水坝的最高水位压力如水坝的最高水位压力如爆炸、撞击如爆炸、撞击3 混凝土结构设计方法 2 2、作用效应作用效应S S上述各种作用作用在结构或结构构

13、件上，由此在结构内产生的内力和变形上述各种作用作用在结构或结构构件上，由此在结构内产生的内力和变形（如轴力、剪力、弯矩以及挠度、转角和裂缝等）称为（如轴力、剪力、弯矩以及挠度、转角和裂缝等）称为作用效应作用效应。3 3、结构抗力、结构抗力R(resistanceR(resistance)结构抗力结构抗力是指整个结构或结构构件承受作用效应（即内力和变形）的是指整个结构或结构构件承受作用效应（即内力和变形）的能力。能力。3 混凝土结构设计方法3.2 可靠度分析的基本概念可靠度分析的基本概念3.2.1 3.2.1 结构设计问题的不确定性结构设计问题的不确定性3 混凝土结构设计方法3 3、影响结构抗力

14、的不确定因素：、影响结构抗力的不确定因素：2 2、影响荷载效应的不确定因素：、影响荷载效应的不确定因素：（1）荷载本身的变异性；）荷载本身的变异性；（2）内力计算假定与实际受力情况之间的差异；）内力计算假定与实际受力情况之间的差异；（1）结构构件材料性能的变异性；）结构构件材料性能的变异性；（2）结构构件几何参数的变异性；）结构构件几何参数的变异性；（3）结构构件抗力计算模式的不确定性；）结构构件抗力计算模式的不确定性；3 混凝土结构设计方法3.2.2 3.2.2 数理统计的基本概念数理统计的基本概念1 1、随机变量及其统计特征值、随机变量及其统计特征值 （1 1）算术平均值）算术平均值（2

15、2）标准差）标准差（3 3）变异系数）变异系数 2 2、正态分布、正态分布 3 3、保证率、保证率3 混凝土结构设计方法1 1、结构的失效概率、结构的失效概率(probability of failure)(probability of failure)fp 由于作用效应由于作用效应 和结构抗力和结构抗力 都是随机变量或随机过程，因此要绝对都是随机变量或随机过程，因此要绝对地保证地保证 总是大于总是大于 是不可能的。是不可能的。RSSR 由图可见，在多数情况下，由图可见，在多数情况下，大于大于 。但是，由于。但是，由于 和和 的离散性，在的离散性，在它们概率密度曲线的重叠区（阴影段内）仍有可能

16、出现它们概率密度曲线的重叠区（阴影段内）仍有可能出现 小于小于 的情况，这的情况，这种可能性的大小用概率来表示就是失效概率种可能性的大小用概率来表示就是失效概率 。RRRSSSfp 和和 的概率密度曲线的概率密度曲线RS3.2.3 3.2.3 结构的失效概率和可靠指标结构的失效概率和可靠指标 3 混凝土结构设计方法 当结构功能函数中仅有两个独立的随机变量当结构功能函数中仅有两个独立的随机变量 和和 ，且都服从正态分，且都服从正态分布时，功能函数布时，功能函数 的概率密度曲线如图所示。的概率密度曲线如图所示。ZRS 功能函数的概率密度曲线功能函数的概率密度曲线 结构的失效概率可直接通过结构的失效概率可直接通过 的概率（图中阴影面积）来表达，即的概率（图中阴影面积）来表达，即0f(0)()ZZpP Zf Z dZ0Z 3 混凝土结构设计方法 令令22RSZZRS则则f()ZZp2 2、结构构件的可靠指标、结构构件的可靠指标(reliability index)(reliability index)由上式可见，由上式可见，与与 具有数值上的对应关系，也具有与具有数值上的对应关系，也具有与 相