混凝土结构设计的原则和方法.pptx

2024/8/25 周日混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理第10章主主页页目目录录上一章上一章帮帮助助下一章下一章第第10章章混凝土结构设计的原则和方法混凝土结构设计的原则和方法2024/8/25 周日混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理第10章主主页页目目录录上一章上一章帮帮助助下一章下一章本章重点本章重点了解结构上的作用、作用效应和结构抗力了解结构上的作用、作用效应和结构抗力的概念；的概念；理解荷载标准值的含义，荷载分项系数的理解荷载标准值的含义，荷载分项系数的含义；含义；了解了解混凝土结构设计方法的理论基础混凝土结构设计方法的理论基础可靠度理论；可靠度理论；熟练掌握实用设计表达式。熟练掌握实用设计表达式。10.1 极限状态极限状态10.1.1结构上的作用结构上的作用作用：使结构产生内力或变形的原因称为作用。作用：使结构产生内力或变形的原因称为作用。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、温度变化、基础的差混凝土的收缩、温度变化、基础的差异沉降、地震等引起结构外加变形或异沉降、地震等引起结构外加变形或约束变形的原因。约束变形的原因。2024/8/25 周日10.1 极限状态极限状态10.1.1结构上的作用结构上的作用作用效应：作用效应：结构上的作用使结构产生的内力结构上的作用使结构产生的内力变形、裂缝等统称为作用效应或变形、裂缝等统称为作用效应或荷载效应。荷载效应。荷载和荷载效应之间通常按某种关系相联系。荷载和荷载效应之间通常按某种关系相联系。1荷载的分类荷载的分类 (1)永久荷载永久荷载在结构设计使用期间，其值不在结构设计使用期间，其值不随时间而变化，或其变化与平均值相比可以忽随时间而变化，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略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。载。(2)可变荷载可变荷载 在结构设计使用期内其值随时在结构设计使用期内其值随时间而变化，其变化与平均值相比不可忽略的荷间而变化，其变化与平均值相比不可忽略的荷载。载。(3)偶然荷载偶然荷载 在结构设计使用期内不一定出在结构设计使用期内不一定出现，但一旦出现，其值很大且持续时间很短的现，但一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载。荷载。2荷载的标准值荷载的标准值荷载标准值是荷载的基本代表值。荷载标准值是荷载的基本代表值。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理而得到的具有一定概率的处理而得到的具有一定概率的最大荷载值最大荷载值。2)如何确定如何确定a.结结构构的的自自重重可可根根据据结结构构的的设设计计尺尺寸寸和和材材料料的的重重力力密度确定；密度确定；b.采用的基本上是经验值。采用的基本上是经验值。10.1.2结构的功能要求结构的功能要求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1.结构的安全等级结构的安全等级2.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是指设计规定的结构或结构构件不需要不需要进行进行大修大修即可按其预定的目的使用的时期。即可按其预定的目的使用的时期。类类别别结构类型结构类型结构的设计使用结构的设计使用年限（年）年限（年）临时性结构临时性结构5易于替换的结构构件易于替换的结构构件25普通房屋和构筑物普通房屋和构筑物50纪念性建筑和特别重要建筑纪念性建筑和特别重要建筑1002024/8/25 周日3.建筑结构的功能建筑结构的功能 安全性安全性 建筑结构应能承受正常施工和正常使用时可建筑结构应能承受正常施工和正常使用时可能出现的各种荷载和变形，在偶然事件发生时及能出现的各种荷载和变形，在偶然事件发生时及发生后保持必需的整体稳定性，不致发生倒塌。发生后保持必需的整体稳定性，不致发生倒塌。如（如（MMu）；）；整体稳定性整体稳定性2024/8/25 周日2024/8/25 周日3、建筑结构的功能、建筑结构的功能 适用性适用性 结构在正常使用结构在正常使用过程中应具过程中应具有良好的有良好的工作性能。工作性能。例如：不产生过大的变形或振例如：不产生过大的变形或振幅，不发生过宽的裂缝。幅，不发生过宽的裂缝。如如ff；2024/8/25 周日3、建筑结构的功能、建筑结构的功能 耐久性耐久性结构在结构在正常使用正常使用和和正常维护正常维护条件下，应具有足够条件下，应具有足够的耐久性，的耐久性，完好使用完好使用到设计使用年限。到设计使用年限。例如：混凝土不发生严重的风化、腐蚀、脱落，钢例如：混凝土不发生严重的风化、腐蚀、脱落，钢筋不锈蚀等。筋不锈蚀等。2024/8/25 周日10.1.3结构功能的极限状态结构功能的极限状态极限状态：极限状态：整个结构或结构的一部分超过某一特定状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能要求，这个态就不能满足设计指定的某一功能要求，这个 特定状态称为特定状态称为该功能的极限状态该功能的极限状态。结构能够完成预定的各项功能时，则称结结构能够完成预定的各项功能时，则称结构是构是“可靠可靠”的或的或“有效有效”的。反之，则结构的。反之，则结构为为“不可靠不可靠”或或“失效失效”。2024/8/25 周日10.1.3结构功能的极限状态结构功能的极限状态“有效状态有效状态”与与“失效状态失效状态”的的分界分界称为称为“极限状态极限状态”。1.承载力能力极限状态：承载力能力极限状态：结构或构件达到最大的承载能力或者达结构或构件达到最大的承载能力或者达到不适于继续承载的变形状态。到不适于继续承载的变形状态。结构或构件由于材料强度不够而破坏；结构产生过大的塑性变形而不适于继续承载；结构或构件丧失稳定；结构转变为机动体系时（超静定结构中出现足够多塑性铰）；整体结构或其中一部分作为刚体失去平衡。2.正常使用极限状态正常使用极限状态 结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项规结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项规定限值的状态。定限值的状态。过大的变形、侧移；过大的变形、侧移；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）；局部损坏。局部损坏。10.1.4 极限状态方程极限状态方程S荷载效应荷载效应结构上的各种作用产生的效应总和结构上的各种作用产生的效应总和（如弯矩（如弯矩M、轴力轴力N、剪力、剪力V、扭矩、扭矩T、挠度、挠度f、裂缝宽度、裂缝宽度w 等）等）R结构抗力结构抗力结构抵抗作用效应的能力结构抵抗作用效应的能力(如受弯承载力如受弯承载力Mu、受、受剪承载力剪承载力Vu、容许挠度、容许挠度f、容许裂缝宽度、容许裂缝宽度w)S=S(Q)-力学的主要内容力学的主要内容R=R(fc,fy,A,h0,As,)-本课程的主要内容本课程的主要内容Z=R-S(极限状态方程极限状态方程)对应的：对应的：Z=R-S0时，时，结构处于可靠状态；结构处于可靠状态；Z=R-S=0时，结构达到极限状态；时，结构达到极限状态；Z=R-S0时，时，结构处于失效状态。结构处于失效状态。极限状态方程可推广为：极限状态方程可推广为：10.2 按近似概率的极限状态设计法按近似概率的极限状态设计法10.2.1结构的可靠度结构的可靠度鉴于结构抗力和荷载效应的随机性，安全可靠鉴于结构抗力和荷载效应的随机性，安全可靠应该属于概率的范畴，应当用结构完成其预定应该属于概率的范畴，应当用结构完成其预定功能的可能性（概率）的大小来衡量，而不是功能的可能性（概率）的大小来衡量，而不是一个定值来衡量。一个定值来衡量。可靠性：可靠性：结构在规定的时间内，在规定的条件结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力称为结构的下，完成预定功能的能力称为结构的可靠性。可靠性。可靠度：可靠度：结构在规定的时间内，在规定的条件结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的下，完成预定功能的概率概率称为结构的称为结构的可靠度。可靠度。可靠度是可靠性的概率度量。可靠度是可靠性的概率度量。概概念念以概率理论为基础的极限状态设计法以概率理论为基础的极限状态设计法由于实际结构中的不确定性，因此无论如何由于实际结构中的不确定性，因此无论如何设计结构，都会有失效的可能性存在，只是可设计结构，都会有失效的可能性存在，只是可能性大小不同而已。能性大小不同而已。为了科学定量的表示结构为了科学定量的表示结构可靠性可靠性的大小，采用的大小，采用概率方法概率方法是比较合理的。是比较合理的。10.2.2 可靠指标与失效概率可靠指标与失效概率失效概率越小，表示结构可靠性越大。因此，可以用失失效概率越小，表示结构可靠性越大。因此，可以用失效概率来定量表示结构可靠性的大小。效概率来定量表示结构可靠性的大小。设：设：Pf失效概率失效概率Ps可靠概率可靠概率Pf=1.0Ps(Z 0)设：设：S构件的荷载效应；构件的荷载效应；R结构的抗力结构的抗力Z=RSR-S概率密度分布曲线概率密度分布曲线Sk f(S)，f(R)S，RRkSk f(S)，f(R)S，RRkSk f(S)，f(R)S，RRkSk f(S)，f(R)S，RRk设计验算点设计验算点S*=R*usuRuR-uS承载能力极限状态函数承载能力极限状态函数Z=R S Pf=P(Z0)2024/8/25 周日结构构件承载能力极限状态的目标可靠指标结构构件承载能力极限状态的目标可靠指标破坏类型破坏类型安安全全等等级级一级一级二级二级三级三级延性破坏延性破坏3.73.22.7脆性破坏脆性破坏4.23.73.22024/8/25 周日混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理第10章按承载能力极限状态设计时按承载能力极限状态设计时破坏类型破坏类型安全等级安全等级一级一级二级二级三级三级延性破坏延性破坏3.73.22.7脆性破坏脆性破坏4.23.73.210.3 实用设计表达式实用设计表达式 原因：概率极限状态设计法计算繁复，某些统计数据也不齐全。对于一般常见的工程结构，直接采用可靠指标进行设计并无必要。由于设计人员以往已习惯于采用安全系数这种形式来进行计算，因此，建筑结构设计统一标准提出了一种便于实际使用的设计表达式，即实用设计表达式。实用设计表达式中采用了以荷载和材料强度的标实用设计表达式中采用了以荷载和材料强度的标准值以及相应的准值以及相应的“分项系数分项系数”来表示的方式。来表示的方式。10.3.1分项系数分项系数10.3.2承载能力极限状态设计表达式承载能力极限状态设计表达式作用效应设计值，作用效应设计值，g gS作用效应分项系数作用效应分项系数结构抗力设计值，结构抗力设计值，g gR结构抗力分项系数结构抗力分项系数2024/8/25 周日10.3.2承载能力极限状态设计表达式承载能力极限状态设计表达式考虑到结构安全等级的差异，其目标可靠指标考虑到结构安全等级的差异，其目标可靠指标应作相应提高或降低，故引入结构重要性系数应作相应提高或降低，故引入结构重要性系数g g0，由此可得：由此可得：极限状态实用设计表达式的一般形式极限状态实用设计表达式的一般形式可变荷载分项系数Q永久荷载分项系数G组合值系数C荷载永久荷载SG可变荷载SQ对结构影响有大有小一般不会同时发生2024/8/25 周日极限状态实用设计表达式的一般形式极限状态实用设计表达式的一般形式一一.承载能力极限状态承载能力极限状态1.荷载效应的基本组合荷载效应的基本组合10.3.3正常使用极限状态实用设计表达式正常使用极限状态实用设计表达式正常使用极限状态正常使用极限状态，可靠度要求可适当降低，不需乘分项，可靠度要求可适当降低，不需乘分项系数，也不考虑结构重要性系数系数，也不考虑结构重要性系数0 0 按正常使用极限状态设计，主要是验算按正常使用极限状态设计，主要是验算构件的变形和抗裂度或裂缝宽度。在此情况构件的变形和抗裂度或裂缝宽度。在此情况下，可变荷载作用时间的长短对于变形和下，可变荷载作用时间的长短对于变形和 裂缝的大小显然是有影响的。裂缝的大小显然是有影响的。准永久值系数与频遇值系数准永久值系数与频遇值系数 可变荷载的最大值并非长期作用于结构之上，可变荷载的最大值并非长期作用于结构之上，对于可变荷载长期作用部分，要对其标准值进对于可变荷载长期作用部分，要对其标准值进行折减。行折减。建筑结构设计统一标准建筑结构设计统一标准采用采用准永久值系数准永久值系数与与频遇值系数频遇值系数来考虑这种折减。来考虑这种折减。2024/8/25 周日准永久值系数与频遇值系数准永久值系数与频遇值系数准永久值系数：准永久值系数：根据在设计基准期内荷载达根据在设计基准期内荷载达到和超过该值的总持续时间到和超过该值的总持续时间与设计基准期总持续时间的与设计基准期总持续时间的比值而确定。比值而确定。频遇值系数：频遇值系数：根据可变荷载超越的总时间根据可变荷载超越的总时间或超越次数确定的。或超越次数确定的。荷载短期效应组合和长期效应组合荷载短期效应组合和长期效应组合可变荷载的可变荷载的四种代表值四种代表值：标准值、组合值、准永：标准值、组合值、准永久值、频遇值。久值、频遇值。标准值标准值称为称为基本代表值基本代表值，其他代表值可由基本代，其他代表值可由基本代表值乘以相应的系数而得。表值乘以相应的系数而得。2024/8/25 周日荷载短期效应组合和长期效应组合荷载短期效应组合和长期效应组合根据实际设计工作中的需要，须区分根据实际设计工作中的需要，须区分荷载短荷载短期作用期作用和和荷载长期作用荷载长期作用下构件的变形大小和裂下构件的变形大小和裂缝宽度的计算。缝宽度的计算。因此，根据不同的设计目的，分别因此，根据不同的设计目的，分别考虑荷载考虑荷载短期效应组合和长期效应组合。短期效应组合和长期效应组合。按荷载短期效应组合时，荷载效应的表达式：按荷载短期效应组合时，荷载效应的表达式：荷载长期效应组合时，荷载效应的表达式：荷载长期效应组合时，荷载效应的表达式：标准组合频遇组合准永久组合例例某厂房采用1.5m6m的大型屋面板，卷材防水保温屋面，永久荷载标准值为2.7kN/m2，屋面活荷载为0.7kN/m2,屋 面积灰荷载为0.5kN/m2,雪荷载为0.4kN/m2，已知板的计算跨 度 l0=5.87m。求：按承载能力极限状态设计时的板跨中弯矩设计值。解：解：1.荷载标准值：荷载标准值：(1)永久荷载为 SGk=2.71.5=4.05kN/m (2)可变荷载为 屋面活荷载 SQ1k=0.71.5=1.05kN/m 积灰荷载 SQ2k=0.51.5=0.75kN/m 雪荷载 SQ3k=0.41.5=0.6kN/m2.荷载效应组合：荷载效应组合：根据现行建筑结构荷载规范4.3.1条，屋面活荷载不应与雪荷载同时考虑故取其较大者，即不考虑雪荷载;根据建筑结构荷载规范3.2.5条，取G1=1.2、G2=1.35,Q=1.4,根据建筑结构荷载规范表（4.3.1）得屋面均布荷载的组合值系数c=0.7,据表4.4.1-1得屋面积灰荷载的组合值系数c=0.9。3.求弯矩设计值求弯矩设计值若由可变荷载控制:M=1.21/8SGkl2+1.41/8SQ1kl2+1.40.91/8SQ2kl2=5.872/8(1.24.05+1.41.05+1.40.90.75)=31.334kN.m2024/8/25 周日由永久荷载效应控制的组合：M=1.351/8SGkl2+1.40.71/8SQ1kl2+1.40.91/8SQ2kl2 =5.872/8(1.354.05+1.40.71.05+1.40.90.75)=32.05kN.m31.334kN.m可见应采用由永久荷载效应控制的组合。2024/8/25 周日统一标准统一标准给出的简化设计表达式给出的简化设计表达式 实际工程中要判别多个可变荷载中哪一个影响最大常较为费时，为此建筑结构可靠度设计统一标准规定：对于一般常遇的排架结构和框架结构，可变荷载的影响大小可不予区分，并采用相同的组合值系数，承载能力极限状态设计表达式可简化为：f（x）xuu-u+u-2u+2u-3u+310.3.4按极限状态设计时材料强度和荷载的取值按极限状态设计时材料强度和荷载的取值1、钢筋抗拉强度标准值、钢筋抗拉强度标准值 钢筋抗拉强度标准值用fyk表示。混凝土结构设计规范中取国家冶金局标准规定的废品限值作为钢筋强度的标准值。fyk=ufyk-2fyk2、混凝土立方体抗压强度标准值、混凝土立方体抗压强度标准值 混凝土立方体抗压强度标准值用fcuk表示，常用的保证率不小于95的材料强度标准值为：fcuk=ufcu-1.645f（x）xuu-u+u-2u+2u-3u+33.分项系数和设计值分项系数和设计值（）材料强度的分项系数 混凝土结构设计规范规定：钢筋强度的分项系数s根据钢筋种类的不同，取值范围1.11.2，混凝土强度的分项系数c取为1.4。（）荷载的分项系数永久荷载的分项系数，根据其效应对结构有利或不利分别取1.2或1.35和1.0,可变荷载的分项系数一般取1.4等。分项系数确定后即可确定材料强度和荷载设计值。按近似概率论的极限状态设计法极限状态按近似概率的极限状态设计法实用设计表达式按极限状态设计时材料强度和荷载取值结构上的作用结构的功能要求极限状态极限状态方程（Z=R-S）结构的可靠度失效概率分项系数正常使用极限状态设计表达式承载能力极限状态设计表达式直接作用间接作用结构的安全等级使用年限建筑结构的功能承载能力极限状态正常使用极限状态本章小结本章小结