第三章-混凝土结构设计方法-.ppt

3 混凝土结构设计方法13 混凝土结构设计方法3.1 结构可靠度及结构设计方法3.2 荷载与材料强度的取值3.3 概率极限状态设计方法3.4 结构极限状态设计表达式23 混凝土结构设计方法3.1.1 结构上的作用、作用效应和结构的抗力 1、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）。分类：（1）按时间的变化可分为三类：永久作用可变作用偶然作用直接作用和间接作用如结构自重、土压力、预应力、地基沉降、焊接等。如楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、温度变化等。如爆炸力、撞击力、罕遇的地震等。3.1 结构可靠度及结构设计方法33 混凝土结构设计方法 2、作用效应S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）称为作用效应。3、结构抗力R(resistance)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）的能力。3.1.2 结构的预定功能及结构可靠度1、结构的功能要求（1 1）安全性（2 2）适用性（3 3）耐久性43 混凝土结构设计方法2 2、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。可靠性在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定结构功能的概率。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。53 混凝土结构设计方法3、设计使用年限和设计基准期（1）设计使用年限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所应达到的使用年限。设计使用年限分类（2）设计基准期指为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值选用时间参数。统一标准规定设计基准期为50年。类别类别设计设计使用年限（年）使用年限（年）示例示例15临时临时性性结结构构0.9225易于替易于替换换的的结结构构件构构件-350普通房屋和构筑物普通房屋和构筑物1.04100纪纪念性建筑和特念性建筑和特别别重重要的建筑物要的建筑物1.163 混凝土结构设计方法3.1.3 结构的安全等级 安全等级破坏后的影响程度建筑物的类型一级很严重重要的建筑物二级严重一般的建筑物三级不严重次要的建筑物3.1.4 混凝土结构构件设计计算方法 返回73 混凝土结构设计方法3.2 荷载与材料强度的取值3.2.1 荷载标准值的确定1、标准值 永久荷载的标准值可按结构设计尺寸和标准容积密度计算。可变荷载的标准值可查荷载规范。如：一混凝土简支梁截面尺寸为300150，跨度为2.5m，混凝土的重度为25kN/m3,则此梁的自重简化为均布荷载：g=0.30.1525=1.125kN/m 如：教室q=2.5kN/m2（原2.0）教学楼的卫生间q=2.5kN/m2（原2.0）楼梯多层住宅q=2.0kN/m2 其他 q=3.5kN/m283 混凝土结构设计方法 3.2.5 基本组合的荷载分项系数，应按下列规定采用：1 永久荷载的分项系数：1)当其效应对结构不利时对由可变荷载效应控制的组合，应取1.2；对由永久荷载效应控制的组合，应取1.35；2)当其效应对结构有利时一般情况下应取1.0；对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。2 可变荷载的分项系数：一般情况下应取1.4；对标准值大于4kN/m2 的工业房屋楼面结构的活荷载应取1.3。注:对于某些特殊情况，可按建筑结构有关设计规范的规定确定。2、荷载设计值：荷载分项系数与荷载标准值的乘积。荷载分项系数荷载分项系数 ：调整荷载标准值使结构可靠度趋于相同。：调整荷载标准值使结构可靠度趋于相同。93 混凝土结构设计方法 组合值系数 ：考虑各可变荷载最大值在同一时刻出现的概率很小，若设计中仍采用各荷载效应设计值叠加，则可能造成结构可靠度不一致，因而必须对可变荷载设计值再乘以调整系数，即荷载组合值系数。3、可变荷载的组合值：可变荷载设计值乘以荷载组合值系数。4、可变荷载的准永久值：可变荷载标准值乘以荷载准永久值系数。准永久值系数 ：考虑荷载长期效应而对可变荷载标准值的折减。5、荷载效应组合 （1）基本组合可变荷载效应控制组合永久荷载效应控制组合荷载效应组合的设计值应从下列组合中取最不利值确定：103 混凝土结构设计方法（2）标准组合：（3）准永久组合：荷载效应组合的设计值应按下式采用：荷载效应组合的设计值应按下式采用：113 混凝土结构设计方法答案继续某承受集中荷载和均布荷载的简支梁计算跨度，作用与跨中的，均布永久荷载标准值，均布可变荷载标准值，可变荷载的组合系数 0.7，集中荷载永久荷载标准值准永久值系数0.4，试求跨中弯矩设计值的基本组合，标准组合和准永久组合。某承受集中荷载和均布荷载的简支梁计算跨度，作用与跨中的，均布永久荷载标准值，均布可变荷载标准值，可变荷载的组合系数 0.7，集中荷载永久荷载标准值准永久值系数0.4，试求跨中弯矩设计值的基本组合，标准组合和准永久组合。作业123 混凝土结构设计方法解：（1）基本组合：，由可变荷载效应控制。备注：（2）标准组合（3）准永久组合返回133 混凝土结构设计方法3.2.2 材料强度标准值和设计值1、标准值：具有不小于95%的保证率2、设计值：标准值除以分项系数 材料分项系数：考虑材料的离散性和施工中不可避免的偏差带来的不利影响。混凝土：钢筋：400MPa级以下热轧钢筋 500MPa级以下热轧钢筋 预应力筋143 混凝土结构设计方法3、影响结构抗力的不确定因素：2、影响荷载效应的不确定因素：（1）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；（1）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；（3）结构构件抗力计算模式的不确定性；153 混凝土结构设计方法3.2.3 数理统计的基本概念1、随机变量及其统计特征值（1）算术平均值（2）标准差（3）变异系数 2、正态分布 3、保证率返回163 混凝土结构设计方法3.3.1 结构的极限状态极限状态：极限状态：结构的极限状态分为两类：结构的极限状态分为两类：1、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，或因过度变形而不适于继续承载；（2）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；（4）结构或构件丧失稳定；（5）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；（7）结构或构件的疲劳破坏。3.3 概率极限状态设计方法173 混凝土结构设计方法2、正常使用极限状态（适用性和耐久性）（1）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；（3）影响正常使用的振动；（4）影响正常使用的其他特定状态。通常对结构构件先按承载能力极限状态进行承载能力计算，然后根据使用要求按正常使用极限状态进行变形、裂缝宽度或抗裂等验算。183 混凝土结构设计方法3.3.2 结构设计状态1、持久设计状态：结构使用2、短暂设计状态：施工和维修3、偶然设计状态：火灾、爆炸、撞击4、地震设计状态：地震承载能力极限状态设计，且应正常使用极限状态设计承载能力极限状态设计，根据需要可正常使用极限状态设计承载能力极限状态设计，根据需要可正常使用极限状态设计承载能力极限状态设计，可不正常使用极限状态设计193 混凝土结构设计方法作用效应作用效应S S和结构抗力和结构抗力R R的关系：的关系：Z=R-S=g(RZ=R-S=g(R，S)S)当当Z Z0 0时，结构处于可靠状态时，结构处于可靠状态;当当Z Z0 0时，结构处于失效状态时，结构处于失效状态;当当Z Z0 0时，结构处于极限状态时，结构处于极限状态.3.3.3 结构的功能函数和极限状态方程203 混凝土结构设计方法1、结构的失效概率(probability of failure)由于作用效应 和结构抗力 都是随机变量或随机过程，因此要绝对地保证 总是大于 是不可能的。由图可见，在多数情况下，大于 。但是，由于 和 的离散性，在它们概率密度曲线的重叠区（阴影段内）仍有可能出现 小于 的情况，这种可能性的大小用概率来表示就是失效概率 。和 的概率密度曲线3.3.4 结构的可靠度计算 213 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 和 ，且都服从正态分布时，功能函数 的概率密度曲线如图所示。功能函数的概率密度曲线 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223 混凝土结构设计方法 令则2 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 相对应的物理相对应的物理意义。意义。越大，越大，就越小，即结构越可靠，故就越小，即结构越可靠，故 称为称为可靠指标可靠指标。233 混凝土结构设计方法破坏破坏类类型型安安 全全 等等 级级一一 级级二二 级级三三 级级延性破坏延性破坏3.73.22.7脆性破坏脆性破坏4.23.73.2统一标准给出了结构构件承载能力极限状态的可靠指标。3、设计可靠指标 (reliability index for design)设计规范所规定的、作为设计结构或结构构件时所应达到的可靠指标，称为设计可靠指标，它是根据设计所要求达到的结构可靠度而取定的，所以又称为目标可靠指标。返回243 混凝土结构设计方法3.4.1 承载能力极限状态设计表达式 对持久设计状况、暂短设计状况和地震设计状况，当用内力的形式表达时，结构构件应采用下列承载能力极限状态设计表达式：结构重要性系数；结构构件的承载力设计值；结构构件的承载力函数；混凝土、钢筋的强度设计值；几何参数的标准值；荷载效应组合的设计值。结构构件的抗力模型不定性系数；3.4 结构极限状态设计表达式253 混凝土结构设计方法（1）结构重要性系数）结构重要性系数安安 全全 等等 级级一一 级级二二 级级三三 级级1.11.00.9（2）结构构件的抗力模型不定性系数地震设计状态：地震设计状态：一般构件：1.0重要结构构件或不确定性较大的结构构件：1.0抗震设计：263 混凝土结构设计方法3.4.2 正常使用极限状态设计表达式 对于正常使用极限状态，结构构件应应分别按荷载的准永久组合、标准组合、准永久组合并考虑长期作用的影响或标准组合并考虑长期作用的影响，采用下列极限状态设计表达式进行验算：正常使用极限状态的荷载效应组合值。结构构件达到正常使用要求所规定的变形、裂缝宽度、应力等的限值；混凝土结构构件正常使用极限状态的验算应包括下列内容：（1）对需要控制变形的构件，应进行变形验算；（2）对使用上限制出现裂缝的构件，应进行混凝土拉应力验算；（3）对允许出现裂缝的构件，应进行受力裂缝宽度验算；（4）对有舒适度要求的楼盖结构，应进行竖向自振频率验算。273 混凝土结构设计方法3.4.3 钢筋混凝土受弯构件的最大挠度应按荷载的准永久组合，预应力混凝土受弯构件的最大挠度应按荷载的标准组合，并均考虑荷载长期作用的影响进行计算，3.4.4 结构构件正截面的受力裂缝控制等级分为三级。在直接作用下，结构构件的裂缝控制等级划分及要求应符合下列规定：一级严格要求不出现裂缝的构件，按荷载标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力。二级一般要求不出现裂缝的构件，按荷载标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土拉应力不应大于混凝土抗拉强度的标准值。三级允许出现裂缝的构件：对钢筋混凝土构件，按荷载准永久组合并考虑长期作用影响计算时，构件的最大裂缝宽度不应超过本规范表3.4.5规定的最大裂缝宽度限值。对预应力混凝土构件，按荷载标准组合并考虑长期作用的影响计算时，构件的最大裂缝宽度不应超过本规范第3.4.5条规定的最大裂缝宽度限值；对二a类环境的预应力混凝土构件，尚应按荷载准永久组合计算，构件受拉边缘混凝土的拉应力不应大于混凝土的抗拉强度标准值。28