钢筋混凝土结构设计计算原理.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,2.2.1,结构的功能,安全性,Safety,结构在,正常施工、正常使用时,能承受可能出现的施加在结构上的各种,作用（荷载）,，在偶然事件（如地震、校核洪水位等）发生时，结构仍能,保持必要的整体稳定性,，即要求结构仅产生局部损坏而不致发生整体倒塌或连续破坏。,适用性,Serviceability,结构在正常使用时具有,良好的工作性能,。如不产生影响使用的,过大变形或振幅,，不发生过宽的裂缝等。,2.2,结构的功能要求、荷载效应与结构抗力,耐久性,Durability,结构在,正常使用和维护条件,下，在,预定的设计使用年限,内，材料性能的劣化（,如混凝土的风化、腐蚀、脱落、渗水，钢筋的锈蚀等,）,不导致结构正常使用的失效,。,结构的可靠性,reliability,可靠性,安全性、适用性和耐久性的总称,指结构在规定的使用期限内，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。,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。,定义：使结构产生内力或变形的原因称为,“,作用,”,。直接施加在结构上的力和引起结构外加变形、约束变形的其他原因的总称。,作用分类,直接作用,间接作用,荷载,混凝土收缩、温度变化、基础的差异沉降地震等引起结构外加变形或约束的原因。,荷载引起的结构或构件的反应，例如内力、变形和裂缝等通称为作用效应或荷载效应,S,。,Action(Load)Effect,2.2.2,作用（荷载）与荷载效应,S,荷载的分类：,随时间的变异分类,a.,永久（恒）荷载,permanent(dead)load,，符号：,G,、,g,b.,可变（活）荷载,variable(live)load,，符号：,Q,、,q,c.,偶然荷载,accidental load,符号：,A,（,地震，爆炸，校核洪水位）,随空间位置的变异分类,a.,固定荷载,b.,移动荷载,随结构的反应特点分类,a.,静态荷载,static load,b.,动态荷载,dynamic load,荷载和荷载效应的统计特性,荷载,：随机变量（随机过程）,荷载效应,：与荷载大小、分布特征、结构尺寸、结构支承约束条件，计算模式有关，也是随机变量（随机过程）,2.2.3,结构抗力,R,结构抗力是结构或结构构件承受荷载效应,S,（,内力和变形等）的能力，如构件截面的承载力、构件的刚度、截面的抗裂度等。,Structural Resistance,结构抗力的影响因素：构件几何尺寸、配筋数量、材料性能、计算模式。,以上均为随机变量,。,2.3,概率极限状态设计的概念,2.3.1,极限状态的定义与分类,Limit State,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,规定的某一功能,要求，这个特定状态称为,该功能的极限状态,。,能完成预定的各项功能时，结构处于,有效状态,；反之，则处于,失效状态,，,有效状态和失效状态的分界,，称为,极限状态,，是结构开始失效的标志。,a.,承载力能力极限状态,Bearing Capacity,Limit State,结构或构件达到,最大承载能力,或者达到,不适于继续承载的变形,。,构件的截面因材料强度不足而发生破坏（包括疲劳破坏）,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,结构形成机动体系丧失承载能力,结构或结构的一部分丧失稳定,分类,b.,正常使用极限状态,Serviceability Limit State,结构或构件达到,影响正常使用或耐久性能,允许的,某项规定限值,的极限状态,。,过大的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、不能正常使用（吊车）等）；,过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）；,过大的振动（影响使用、不舒适）；,承载力能力极限状态,结构的安全性,正常使用极限状态,结构的适用性和耐久性,可靠水平高,可靠水平低,结构设计程序,2.3.2,极限状态方程式、失效概率和可靠指标,1.,极限状态方程式,结构极限状态函数,又称结构功能函数,当,时，结构已达极限状态，称为,极限状态方程,。,Z,=,R,-,S,若仅以,荷载效应,S,，,结构构件抗力,R,作为两个基本,随机变量,，功能函数表示为,结构功能的表达,(,极限状态方程）,Z=R-S,0,或,S,R,可靠,Z,=R-S=0,或,S,=,R,极限状态,Z=R-S,R,失效,极限状态方程,Z=0,或,R-S=0,R,S,Z,0,可靠区,不一定安全（可靠）,!,虽然设计保证,a.,恒载,g,与构件尺寸、材料容重等有关,b.,活载,q,的数值是随时在变化的,c.,计算跨度,l,的不准确,a.,材料强度,f,y,和,f,c,的离散,b.,截面尺寸,h,0,和,b,的施工误差,g+q,2.,失效概率,probability of failure,失效,指,结构或结构的一部分,不能满足,设计所规定的,某一功能要求,，即,达到或超过了,承载能力极限状态,或,正常使用极限状态,中的某一极限。,失效概率,指,结构结构处于失效状态下的概率,p,f,。,f,(Z),bs,z,m,z,p,f,Z,=,R,-,S,Z0,失效概率：,可靠概率：,安全的概念是相对的，所谓,“,安全,”,只是失效概率相对较小而已，失效概率不可能为零，故不存在绝对安全的结构。,应该通过设计把失效概率控制在某一个可以接受的限制以下就可以。,p,S,，,R,S,R,S,R,m,R,-,m,S,重叠区的大小反映了抗力,R,和荷载效应,S,之间的概率关系，即结构的失效概率,f,(Z),Z,=,bs,Z,m,z,p,f,Z,=,R,-,S,p,S,=,1,-p,f,失效概率,P,f,来度量结构的可靠性具有明确的意义，但计算繁琐，可以利用可靠度指标,代替失效概率来度量结构的可靠性。,可靠指标,定义：,称为可靠指标，与失效概率,p,f,之间有一一对应的关系。,3.,可靠指标,reliability index,从结构安全的角度，,提高,结构构件的,抗力,R,，,减小,抗力,R,和荷载效应,S,的,离散程度,，可以,提高,结构的,可靠程度,，即,提高,R,S,，,减小,R,、,S,可使,失效概率降低,。,b,值,2.7,3.2,3.7,4.2,失效概率,p,f,3.5,10,-,3,6.9,10,-4,1.1,10,-,4,1.3,10,-,5,p,f,与,的对应关系,4.,目标可靠指标与结构安全级别,reliability index,结构按极限状态设计时，要保证其完成预定功能的概率不低于某一允许水平而要求设计所达到的可靠指标，称为,目标可靠指标,T,。,结构构件承载力极限状态的目标可靠指标,T,建筑结构的安全级别,破坏后果,建筑物类型,承载能力极限状态的目标可靠指标,延性破坏,脆性破坏,I,很严重,重要建筑,3.7,4.2,II,严重,一般建筑,3.2,3.7,III,不严重,次要建筑,2.7,3.2,结构或构件设计时，采用的各种荷载的基本代表值。按设计使用年限内荷载最大值的概率分布的某一分位值确定。,2.4.1,荷载的代表值,2.4,荷载代表值和材料强度,1.,荷载标准值,Characteristic Value of a load,（永久、可变）荷载标准值,（基本代表值）,可变荷载的组合值、频遇值和准永久值,f,(S),S,S,k,S,v,1-,v,a,s,s,s,荷载标准值的保证率系,数。,；,荷载的变异系数，,荷载的统计标准差；,荷载的统计平均值；,-,-,-,s,s,s,s,s,s,s,a,m,s,d,d,s,m,2.,荷载组合值,Combination Value of a load,3.,荷载频遇值,Frequent Value of a load,水工结构设计中不考虑荷载组合值的问题。,在设计基准期内，可变荷载中经常存在着的那一部分荷载。,4.,荷载准永久值,Quasi-permeanent Value of a load,在设计基准期内，可变荷载中基本上一直存在着的那一部分荷载。,荷载基本组合,Fundamental combination,承载能力极限状态设计时，永久荷载效应与可变荷载效应的组合。,荷载标准组合,Characteristic combination,正常使用极限状态演算时，永久荷载效应与可变荷载均取为标准值的荷载效应组合。,荷载偶然组合,Accidental combination,承载能力极限状态设计时，永久荷载效应、可变荷载效应与一种偶然荷载效应的组合。,荷载频遇组合,荷载准永久组合,荷载组合的概念,2.4.2,材料强度的标准值,f,f,f,5,f,k,1.645,s,f,1.,混凝土强度等级,混凝土立方体抗压强度标准值,f,cuk,例如：平均值,变异系数 则,立方体抗压强度标准值为,2.,混凝土轴心抗压强度标准值,f,ck,试验结果,实际构件,轴心抗压强度标准值,f,ck,假定,3.,混凝土轴心抗拉强度标准值,f,tk,4.,钢筋强度标准值,热轧钢筋抗拉强度标准值用,f,yk,表示。,规范,取国家冶金局标准规定的钢筋出厂检验的,废品限制,作为钢筋强度的标准值，其,保证率不小于,95%,。,预应力钢绞线、钢丝和热处理钢筋的强度标准值根据,极限抗拉强度,f,stk,确定。,承载能力极限状态设计时，应采用下列设计表达式,承载力安全系数。,荷载效应组合设计值,结构构件的截面承载力设计值，由材料的强度设计值及截面尺寸等因素计算得出。,g+q,2.3.2,荷载基本组合,Fundamental combination,按承载能力极限状态设计时，使用或施工阶段的永久荷载效应与可变荷载效应的组合。,当永久荷载对结构起不利作用时：,当永久荷载对结构起有利作用时：,自重、设备等永久荷载标准值产生的荷载效应；,土压力、淤沙压力及围岩压力等永久荷载标准值产生的荷载效应；,一般可变荷载标准值产生的荷载效应；,可控制其不超出规定限值的可变荷载标准值产生的荷载效应。,2.3.3,偶然组合,Accidental combination,偶然荷载标准值产生的荷载效应。,表,4.2.4,混凝土结构构件的承载力安全系数,K,水工建筑物级别,1,2,、,3,4,、,5,荷载效应组合,基本,组合,偶然,组合,基本,组合,偶然,组合,基本,组合,偶然,组合,钢筋混凝土、预应力混凝土,1.35,1.15,1.20,1.00,1.15,1.00,素混凝土,按受压承载力计算的受压构件、局部承压,1.45,1.25,1.30,1.10,1.25,1.05,按受拉承载力计算的受压、受弯构件,2.20,1.90,2.00,1.70,1.90,1.60,注,1,：水工建筑物的级别应根据,水利水电工程等级划分及洪水标准,（,SL 252,-,2000,）确定；,注,2,：结构在使用、施工、检修期的承载力计算，安全系数,K,应按表中基本组合取值；对地震及校核洪水位的承,载力计算，安全系数,K,应按表中偶然组合取值；,注,3,：当荷载效应组合由永久荷载控制时，表列安全系数,K,应增加,0.05,；,注,4,：当结构的受力情况较为复杂、施工特别困难、荷载不能准确计算、缺乏成熟的设计方法或结构有特殊要求时，承载力安全系数,K,宜适当提高。,正常使用极限状态验算时，永久荷载与可变荷载均采用标准值的荷载效应组合。,2.3.4,荷载标准组合,Characteristic combination,正常使用极限状态的荷载效应标准组合值函数；,结构构件达到正常使用要求所规定的变形、裂缝宽度或应力等的限值；,永久荷载、可变荷载标准值；,材料强度标准值；,结构构件几何参数的标准值。,作业题,Chapter2-1,某钢筋混凝土简支梁，结构安全级别为,级，梁的跨长为,4.0m,，承受的永久荷载标准值为：均布荷载,g,k,=4.5kN,/m,（含自重），集中荷载,P,k,=15kN,，持久状况下可变荷载标准值为,q,k,=,1.5kN,/m,，求跨中弯距设计值。,l,0,=4.0m,P,k,=15kN,q,k,=1.5kN,/m,g,k,=4.5kN,/m,前,3,章测试题,一、试指出钢筋混凝土结构的缺点并给出拟补这些缺点所采取的措施。,二、通过画图说明软钢冷拉时效的概念。,三、解释混凝土强度等级的概念。,四、某方形钢筋混凝土短柱浇筑后发现混凝土强度不足，根据约束混凝土的原理如何加固该柱。,五、若混凝土受压应力应变关系为,试求（,1,）混凝土的弹性模量；（,2,）变形模量；,（,3,）弹性系数；（,4,）当,七、有没有绝对可靠的结构？为什么？,六、结构可靠性的含义是什么？它包含哪些功能要求？,八、什么是荷载标准值？准永久值？,