混凝结构基本原理教学课件-第二章-混凝土结构基本计算原理.ppt

混凝结构基本原理教学课件-第二章-混凝土结构基本计算原理2.1 2.1 结构的功能要求和极限状态结构的功能要求和极限状态结构的功能要求结构的功能要求 安全性安全性结结构构在在预预定定的的使使用用期期间间内内（一一般般为为50年年），应应能能承承受受在在正正常常施施工工、正正常常使使用用情情况况下下可可能能出出现现的的各各种种荷荷载载、外外加加变变形形（如如超超静静定定结结构构的的支支座座不不均均匀匀沉沉降降）、约约束束变变形形（如如温温度度和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。在在偶偶然然事事件件（如如地地震震、爆爆炸炸）发发生生时时和和发发生生后后，结结构构应应能能保保持持整整体体稳稳定定性性，不不应应发发生生倒倒塌塌或或连连续续破破坏坏而而造造成成生生命命财财产的严重损失。产的严重损失。第二章 混凝土结构基本计算原理 适用性适用性 结结构构在在正正常常使使用用期期间间，具具有有良良好好的的工工作作性性能能。如如不不发发生生影影响响正正常常使使用用的的过过大大的的变变形形（挠挠度度、侧侧移移）、振振动动（频频率率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。振幅），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），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。命。第二章 混凝土结构基本计算原理 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安全性、适用性和耐久性的总称 结结构构在在规规定定的的使使用用期期限限内内（设设计计工工作作寿寿命命=50年年），在在规规定定的的条条件件下下（正正常常设设计计、正正常常施施工工、正正常常使使用用和和维维护护），完完成成预定结构功能的能力。预定结构功能的能力。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。如如何何在在结结构构可可靠靠与与经经济济之之间间取取得得均均衡衡，就就是是设设计计方方法法要要解解决的问题。决的问题。第二章 混凝土结构基本计算原理2.1.2 2.1.2 结构功能的极限状态结构功能的极限状态 结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是是“可靠可靠”的或的或“有效有效”的。反之，则结构为的。反之，则结构为“不不可靠可靠”或或“失效失效”。区分结构区分结构“可靠可靠”与与“失效失效”的临界工作状态称的临界工作状态称为为“极限状态极限状态”第二章 混凝土结构基本计算原理承载力能力极限状态承载力能力极限状态 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）结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）第二章 混凝土结构基本计算原理正常使用极限状态正常使用极限状态 超超过过该该极极限限状状态态，结结构构就就不不能能满满足足预预定定的的适适用用性性和和耐耐久久性性的功能要求。的功能要求。过过大大的的变变形形、侧侧移移（影影响响非非结结构构构构件件、不不安安全全感感、不不能能正常使用（吊车）等）；正常使用（吊车）等）；过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）；过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）；过大的振动（不舒适）；过大的振动（不舒适）；其他正常使用要求。其他正常使用要求。第二章 混凝土结构基本计算原理2.2 2.2 结构上的作用结构上的作用 作用和作用效应作用和作用效应直接作用：直接作用：荷载荷载间接作用：间接作用：混凝土的收缩混凝土的收缩温度变化温度变化基础的差异沉降基础的差异沉降地震等地震等 作作用用在在结结构构上上并并使使结结构构产产生生内内力力（如如弯弯矩矩、剪剪力力、轴轴向向力力、扭矩等）、变形、裂缝等作用称为作用效应或荷载效应。扭矩等）、变形、裂缝等作用称为作用效应或荷载效应。第二章 混凝土结构基本计算原理荷载的分类荷载的分类按作用时间的长短和性质，荷载分为三类：按作用时间的长短和性质，荷载分为三类：1.永永久久荷荷载载在在结结构构设设计计使使用用年年限限内内，其其值值不不随随时时间间而而变变化化，或或其其变变化化与与平平均均值值相相比比可可以以忽忽略略不不计计，或或其其变变化化是是单单调调的的并并能趋于限值的荷载。能趋于限值的荷载。2.可可变变荷荷载载在在结结构构设设计计基基准准期期内内其其值值随随时时间间而而变变化化，其其变变化与平均值不可忽略的荷载。化与平均值不可忽略的荷载。3.偶偶然然荷荷载载在在结结构构设设计计基基准准期期内内不不一一定定出出现现，但但一一旦旦出出现现其值很大且作用时间很短的荷载。其值很大且作用时间很短的荷载。第二章 混凝土结构基本计算原理荷载代表值荷载代表值荷载的标准值荷载的标准值1.定义定义将将荷荷载载视视为为随随机机变变量量，采采用用数数理理统统计计的的方方法法加加以以处处理理而而得得到到的具有一定概率的最大荷载值的具有一定概率的最大荷载值2.确定确定.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；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；.可可变变荷荷载载常常与与时时间间有有关关，在在缺缺少少大大量量统统计计材材料料的的条条件件下下，可近似按随机变量来考虑；可近似按随机变量来考虑；第二章 混凝土结构基本计算原理可可变变荷荷载载组组合合值值：所所谓谓荷荷载载组组合合值值是是将将多多种种可可变变荷荷载载中中的的第第一一个个可可变变荷荷载载（产产生生荷荷载载效效应应为为最最大大的的荷荷载载，取取其其标标准准值值）以以外外的的其其它它可可变变荷荷载载标标准准值值乘乘以以荷荷载载组组合合值值系系数数，它它是是承承载载力力极极限限状状态态设设计计和和正正常常使用极限状态标准组合设计时的荷载代表值。使用极限状态标准组合设计时的荷载代表值。可可变变荷荷载载准准永永久久值值：可可变变荷荷载载准准永永久久值值是是按按正正常常使使用用极极限限状状态态设设计计时时采采用用的的荷荷载载代代表表值值，它它是是在在结结构构预预定定使使用用期期内内经经常常作作用用达达到到和和超超过过的的可可变变荷荷载载值值，它对结构的影响，在性质上类似于永久荷载。它对结构的影响，在性质上类似于永久荷载。第二章 混凝土结构基本计算原理可可变变荷荷载载频频遇遇值值：对对可可变变荷荷载载，在在基基准准期期内内，其其超超越越的的总总时时间间为为规规定定的的比比较较小小比比率率或或超超越越频频数数为为规规定定频率的荷载值为可变荷载频遇值。频率的荷载值为可变荷载频遇值。荷载分项系数及荷载设计值荷载分项系数及荷载设计值第二章 混凝土结构基本计算原理荷载效应组合荷载效应组合1.承载能力极限状态的荷载效应组合承载能力极限状态的荷载效应组合（1）基本组合）基本组合 由可变荷载效应控制的组合由可变荷载效应控制的组合 由永久荷载效应控制的组合由永久荷载效应控制的组合（2）偶然组合）偶然组合2.正常使用极限状态的荷载效应组合正常使用极限状态的荷载效应组合（1）荷载的标准组合）荷载的标准组合（2）荷载的频遇组合）荷载的频遇组合（3）荷载的准永久组合）荷载的准永久组合 第二章 混凝土结构基本计算原理结构的设计使用年限结构的设计使用年限结结构构的的设设计计使使用用年年限限是是指指设设计计规规定定的的结结构构或或结结构构构构件件不不需需要要进行大修即可按达到其预定功能的使用时期。进行大修即可按达到其预定功能的使用时期。设设计计年年限限可可按按建建筑筑结结构构可可靠靠度度设设计计统统一一标标准准确确定定，也也可可经经过过主主管管部部门门的的批批准准按按业业主主的的要要求求确确定定。一一般般建建筑筑结结构构的的设设计使用年限为计使用年限为50年年。注意：注意：区别建筑物的设计使用年限与建筑物的使用寿命。区别建筑物的设计使用年限与建筑物的使用寿命。2.3结构构件的抗力和材料强度结构构件的抗力和材料强度结构构件的抗力结构构件的抗力是指结构构件承受外加荷载的能力。是指结构构件承受外加荷载的能力。结结构构构构件件的的抗抗力力是是材材料料性性能能（强强度度、弹弹性性模模量量等等）、构构件件截截面面积积和和特特征征及及计计算算模模式式的的函函数数。其其中中材材料料性性能能是是决决定定结结构构抗抗力的主要因素。力的主要因素。第二章 混凝土结构基本计算原理表 4.2 混凝土强度设计值（N/mm2）混 凝 土 强 度 等 级强度种类符号C15C20C25C30C35C40轴心抗压强度fc7.29.611.914.316.719.1轴心抗拉强度ft0.911.101.271.431.571.71混 凝 土 强 度 等 级C45C50C55C60C65C70C75C8021.223.125.327.529.731.833.835.91.801.891.962.042.092.142.182.22表 4.3 普通钢筋强度设计值（N/mm2）种 类符号fyyfHPB235(Q235)210210HRB335(20MnSi)300300热轧钢筋HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)360360结构构件材料强度结构构件材料强度第二章 混凝土结构基本计算原理2.4 概率极限状态设计法概率极限状态设计法S R 失效状态失效状态g(R，S)称为结构功能函数称为结构功能函数2.4.1 极限状态方程极限状态方程第二章 混凝土结构基本计算原理结构的极限状态可用下面的极限状态函数表示：结构的极限状态可用下面的极限状态函数表示：Z=R-Sg(R，S)其中：其中：Z=R-S0 时，结构处于可靠状态；时，结构处于可靠状态；Z=R-S=0时，结构处于极限状态；时，结构处于极限状态；Z=R-S R)第二章 混凝土结构基本计算原理结构功能函数结构功能函数 Z=R-SPf=P(S R)=P(Z 0)b b 可靠指标可靠指标第二章 混凝土结构基本计算原理安全等级安全等级破坏后的影响破坏后的影响程度程度建筑物的类型建筑物的类型一级一级很严重很严重重要的建筑物重要的建筑物二级二级严重严重一般的建筑物一般的建筑物三级三级不严重不严重次要的建筑物次要的建筑物实用设计表达式实用设计表达式第二章 混凝土结构基本计算原理作用效应标准值作用效应标准值Sk 作用效应作用效应S的不确定性就主要取决于结构上作用的不确定性就主要取决于结构上作用Q的不确定性的不确定性永久荷载永久荷载G可变荷载可变荷载Q偶然荷载（作用）偶然荷载（作用）不同的荷载，其变异情况不同。根据统计分析可以确定一个不同的荷载，其变异情况不同。根据统计分析可以确定一个具有一定保证率（如具有一定保证率（如95%）的上限荷载分位值，该特征值称）的上限荷载分位值，该特征值称为荷载标准值（符号为荷载标准值（符号Gk，Qik）。）。按荷载标准值确定的荷载效应，称为荷载效应标准值按荷载标准值确定的荷载效应，称为荷载效应标准值Sk 有多个可变荷载同时作用的情况，考虑到它们同时达到标准有多个可变荷载同时作用的情况，考虑到它们同时达到标准值的可能性较小，考虑荷载组合系数值的可能性较小，考虑荷载组合系数y y，第二章 混凝土结构基本计算原理2.5 混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性是指在设计使用年限内，在正混凝土结构的耐久性是指在设计使用年限内，在正混凝土结构的耐久性是指在设计使用年限内，在正混凝土结构的耐久性是指在设计使用年限内，在正常维护条件下，维持其适用性的能力。常维护条件下，维持其适用性的能力。常维护条件下，维持其适用性的能力。常维护条件下，维持其适用性的能力。混凝土的碳化和钢筋侵蚀是影响混凝土结构耐久性混凝土的碳化和钢筋侵蚀是影响混凝土结构耐久性混凝土的碳化和钢筋侵蚀是影响混凝土结构耐久性混凝土的碳化和钢筋侵蚀是影响混凝土结构耐久性的综合原因。的综合原因。的综合原因。的综合原因。除要求对承载力极限状态进行设计外，还包括的挠度和裂缝除要求对承载力极限状态进行设计外，还包括的挠度和裂缝宽度（适用性）的极限状态的设计。宽度（适用性）的极限状态的设计。对于承载力极限状态，针对荷载、材料的不同变异性，不再对于承载力极限状态，针对荷载、材料的不同变异性，不再采用单一的安全系数，而采用的多系数表达，采用单一的安全系数，而采用的多系数表达，第二章 混凝土结构基本计算原理减少混凝土碳化的措施：减少混凝土碳化的措施：合理设计混凝土配合比，合理采用掺合料合理设计混凝土配合比，合理采用掺合料合理设计混凝土配合比，合理采用掺合料合理设计混凝土配合比，合理采用掺合料 提高混凝土的密实性、抗渗性提高混凝土的密实性、抗渗性提高混凝土的密实性、抗渗性提高混凝土的密实性、抗渗性 规定钢筋保护层的最小厚度规定钢筋保护层的最小厚度规定钢筋保护层的最小厚度规定钢筋保护层的最小厚度 采用覆盖面采用覆盖面采用覆盖面采用覆盖面防止钢筋锈蚀的重要措施：防止钢筋锈蚀的重要措施：防止钢筋锈蚀的重要措施：防止钢筋锈蚀的重要措施：1 1、混凝土降低水灰比，保证密实度，具有足够的保护层厚、混凝土降低水灰比，保证密实度，具有足够的保护层厚、混凝土降低水灰比，保证密实度，具有足够的保护层厚、混凝土降低水灰比，保证密实度，具有足够的保护层厚度，严格控制含氯量度，严格控制含氯量度，严格控制含氯量度，严格控制含氯量2 2、采用覆盖层，防止、采用覆盖层，防止、采用覆盖层，防止、采用覆盖层，防止COCO2 2、OO2 2、CLCL-侵入侵入侵入侵入3 3、采用物理方法使钢筋表面氧化膜更完整，更稳定、采用物理方法使钢筋表面氧化膜更完整，更稳定、采用物理方法使钢筋表面氧化膜更完整，更稳定、采用物理方法使钢筋表面氧化膜更完整，更稳定第二章 混凝土结构基本计算原理