结构第二章-.ppt

第二章 混凝土结构基本计算原则 本章提要：本章主要介绍我国现行规范所采用的以概率理论为基础的极限状态设计方法的基本概念。讲述极限状态设计表达式其内涵和应用；给出了混凝土结构耐久性的规定。1第一节第一节 建筑结构的功能建筑结构的功能一 结构的功能要求 功能要求功能要求适用性适用性耐久性耐久性安全性安全性2 安全性结构在正常施工和正常使用的条件下，能承受可能出现的各种作用；在设计规定的偶然事件（如强烈地震、爆炸、车辆撞击等）发生时和发生后，仍能保持必需的整体稳定性，即结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。适用性结构在正常使用时具有良好的工作性能。例如，不会出现影响正常使用的过大变形或振动；不会产生使使用者感到不安的裂缝宽度等。耐久性结构在正常维护条件下具有足够的耐久性能，即在正常维护条件下结构能够正常使用到规定的设计使用年限。例如，结构材料不致出现影响功能的损坏，钢筋混凝土构件的钢筋不致因保护层过薄或裂缝过宽而锈蚀等。3二 建筑结构的安全等级安全等级破坏后果建筑物类型一级很严重重要的房屋二级严重一般的房屋三级不严重次要的房屋4结构的设计使用年限 定义：房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用和维 护下所应达到的持久年限。结构的设计使用年限 应按下表采用。类别类别 设设 计计 使使 用用 年限（年）年限（年）示示 例例 15临时性结构225易于替换的结构构件350普通房屋和构筑物4100纪念性建筑和特别重要的建筑结构52 极限状态定义整个结构或结构的一部份，超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能（安全性、适用性、耐久性）要求，该特定状态称为该功能的极限状态。极限状态承载力极限状态承载力极限状态正常使用极限状态正常使用极限状态第一节 建筑结构的功能要求和极限状态 61）承载能力极限状态 这种极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。承载能力极限状态主要考虑关于结构安全性的功能。7当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态：结构构件或连接因材料强度不够而破坏；整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；结构转变为机动体系；结构或结构构件丧失稳定（如柱子被压曲等）。82）正常使用极限状态 正常使用极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。这一状态对应于适用性或耐久性的功能。9 当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态：影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；影响正常使用的振动；影响正常使用的其他特定状态等。10第二节 结构上的作用与作用效应S一、结构上的作用与荷载 作用与荷载的定义 直接施加在结构上的力及引起结构 变形的原因称为作用。荷载的分类和荷载效应 建筑结构可靠度设计统一标准将结构上的荷载作如下分类：11永久荷载1、按随时间的变异分类偶然荷载2、按随空间位置的变异分类 可变荷载自由荷载 3、按结构的反应特点分类 静态荷载 动态荷载 固定荷载 第二节 结构上的作用与作用效应S一、结构上的作用与荷载 荷载的分类和荷载效应 12二、结构上的荷载效应S 三、荷载代表值荷载规范将荷载分为三类：永久荷载 可变荷载 偶然荷载 第二节 结构上的作用与作用效应S 作用效应 结构上的各种作用，在结构内产生的内力（轴力、弯矩、剪力、扭矩等）和变形（如挠度、转角、裂缝等）的总称，用S 表示。由直接作用产生的效应，通常称为荷载效应。13一 荷载分类按随时间的变异，结构上的荷载可分为以下三类：1.永久荷载：永久荷载亦称恒荷载，是指在结构使用期间，其值不随时间变化。如结构自重、土压力、预应力等。2.可变荷载：可变荷载也称为活荷载，是指在结构使用期间，其值随时间变化，且其变化值与平均值相比不可忽略的荷载。3.偶然荷载：在结构使用期间不一定出现，而一旦出现，其量值很大且持续时间很短的荷载称为偶然荷载。14 荷载代表值 结构或构件设计时，需针对不同设计目的对荷载赋予一个规定的量值，该量值即为荷载代表值。永久荷载采用标准值为代表值。可变荷载采用标准值、组合值、频遇值和准永久值为代表值。偶然荷载按使用的特点确定代表值。其中荷载标准值为基本代表值。15荷载标准值 荷载标准值是指在结构使用期间，在正常情况下可能出现的最大荷载值。永久荷载标准值Gk可按结构构件的设计尺寸和材料重力密度计算确定，荷载规范中给出了常用材料和构件的自重。可变荷载标准值Qk可直接查荷载规范得出。16（1）永久荷载标准值永久荷载主要是结构自重及粉刷、装修，固定设备的重量。一般可按结构构件的设计尺寸和材料或结构构件单位体积（或面积）的自重标准值确定。例题取钢筋混凝土单位体积自重标准值为25 kN/m3，则截面尺寸为200500mm的钢筋混凝土矩形截面梁的自重标准值为 0.20.525=2.5kN/m17可变荷载组合值当结构承受两种或两种以上可变荷载时，考虑它们同时达到各自最大值的可能性很小，故除主导的可变荷载外，其他可变荷载均乘以小于1.0的组合系数作为可变荷载组合值。可变荷载组合值可变荷载标准值荷载组合值系数C 荷载组合值系数可由荷载规范查得 18可变荷载频遇值 可变荷载在设计基准期内在结构上偶而出现的较大荷载，称为可变荷载频遇值。其具有持续时间较短或发生次数较少的特点。可变荷载频遇值可变荷载标准值荷载频遇值系数f 荷载频遇值系数可由荷载规范查得 19可变荷载准永久值在设计基准期内经常作用的可变荷载，称可变荷载准永久值。其具有总持续时间较长的的特点，对结构的影响类似于永久荷载。可变荷载准永久值可变荷载标准值荷载准永久值系数 荷载准永久值系数可由荷载规范查得 20荷载设计值及荷载分项系数荷载设计值荷载分项系数荷载标准值 由于荷载是随机变量，考虑其有超过荷载标准值的可能性，设计时将荷载标准值乘以一个大于1的调整系数。它比荷载的标准值具有更大的可靠度。荷载类别荷载类别荷载特征荷载特征荷载分项荷载分项 系数系数永久荷载永久荷载当其效应对结构不利时当其效应对结构不利时对由可变荷载效应控制的组合对由可变荷载效应控制的组合对由永久荷载效应控制的组合对由永久荷载效应控制的组合1.21.21.351.35当其效应对结构有利时当其效应对结构有利时一般情况下一般情况下对结构的倾覆、滑移或漂浮验算对结构的倾覆、滑移或漂浮验算1.01.00.90.9可变荷载可变荷载一般情况下一般情况下对标准值对标准值4kN4kNm m2 2的工业房屋楼的工业房屋楼面活荷载面活荷载1.41.41.31.321 荷载规范对不同的荷载给予了相应的规定量值，这种量值，称为荷载的代表值。三、荷载的代表值第二节 结构上的作用与作用效应S几种荷载的代表值标 准 值 由荷载规范给出可变荷载准永久值=可变荷载标准值q 可变荷载频遇值=可变荷载标准值f 可变荷载组合值=可变荷载标准值c 22 第三节 结构抗力 一、结构抗力概念 表示结构或结构构件承受和抵抗 荷载效应的能力，用R表示。二、结构构件的材料强度 材料强度标准值是结构设计时采用的材料性能的基本代表值，以材料强度概率分布的某一分位值来确定。三、材料强度的设计值 材料强度的设计值用于承载力计算时的材料强度的代表值 23结构抗力R结构抗力是指结构或构件承受各种荷载效应的能力，即承载能力和抗变形能力。R=R(fc,fs,k)结构抗力也是一个随机变量，影响因素主要有材料性能（强度、变形模量等物理力学性能）、构件几何参数、配筋情况以及计算模式的精确性等。24材料强度的取值材料强度设计值材料强度标准值/材料分项系数 考虑由于材料强度的变异以及几何参数和设计模式的不定性可能使结构抗力进一步降低的不利影响。根据标准试件用标准试验方法测得的具有95以上保证率的强度值，材料分项系数根据结构可靠度分析，并考虑材料质量的分布规律和一定的保证率确定。由规范或附录直接查用25第四节 概率极限状态设计法一、功能函数与极限状态方程 用来描述结构构件完成预定功能状态的函数称为功能函数 二、结构的可靠度与失效概率 可靠概率Ps 结构能完成预定功能的概率 失效概率Pf 不能完成预定功能的概率可靠指标：26三、建筑结构的安全等级和目标可靠指标 建筑结构可靠度设计统一标准根据建筑结构破坏后的严重程度，将建筑结构划为三个安全等级：结构安全等级 破坏后果 建筑物类型 设计使用年限 一级 很严重 重要建筑物 100年及以上 二级严重 一般建筑物 50年 三级不严重 次要建筑物 5年及以下 第四节 概率极限状态设计法27结构承载能力极限状态设计目标可靠指标破坏类型安全等级一级二级三级延性破坏3.73.22.7脆性破坏4.23.73.228 建筑结构可靠度设计统一标准根据不同的安全等级和破坏类型确定承载能力极限状态设计时的目标可靠指标：破坏类型 安 全 等 级 一级 二级 三级 延性破坏 3.73.22.7脆性破坏 4.23.73.2三、建筑结构的安全等级和目标可靠指标第四节 概率极限状态设计法29四、实用设计表达式 承载能力极限状态设计表达式：第四节 概率极限状态设计法30其中 结构的承载力函数；承载能力极限状态的作用（荷载）效应组合的设计值；对于由可变荷载效应控制的组合 31荷载效应S荷载效应是指由荷载在结构上产生的各种内力（弯矩、剪力等）和变形（挠度、裂缝等）的统称。例例 简支梁承受均布荷载简支梁承受均布荷载q q作用，计算作用，计算跨度为跨度为l l，由力学计算可知其跨中弯矩，由力学计算可知其跨中弯矩 M M ，支座剪力，支座剪力V V 。M M 与与 V V S S q q Q Q 与与 C 32 当仅有一个可变荷载时对于由永久荷载效应控制的组合 33例:某简支梁，跨度5m，跨中集中活荷载为10KN/m，均布衡载、活载分别为8KN/m，6KN/m。2级安全等级，求跨中弯矩。解：（一）计算标准荷载效应 1.均布恒载gk产生的跨中弯矩MGK MGK=1/8852=25(KN.M)2.均布活载qk产生的跨中弯矩MqK MqK=1/8652=18.75(KN.M)3.集中可变荷载QK产生的跨中弯矩MQK=1/4105=12.5(KN.M)（二）荷载效应组合（基本荷载组合）1.可变荷载控制G=1.2 q=Q=1.4 M=S=G MGK+q MqK+Q c2 MqKM=1.225+1.418.75+1.40.712.5 =68.5(KN.M)2.由永久荷载控制G=1.35 q=Q=1.4 c1=c2=0.7M=S=G MGK+q c1 MqK+Q c2 MqKM=1.3525+1.40.718.75+1.40.712.5 =64.37(KN.M)34(三)考虑结构重要性系数后 0=1.1 按可变荷载控制 0 M=1.168.5=75.36(KN.M)按永久荷载控制 0 M=1.164.37=70.81(KN.M)35正常使用极限状态设计表达式：正常使用极限状态计算主要进行变形验算和裂缝控制验算S正常使用极限状态的荷载效应(变形裂缝宽度等)组合设计值C 结构构件达到正常使用要求的规定限值36按荷载标准组合时 按荷载准永久组合时按荷载频遇组合时 37例题2-2 已知某一框架柱的柱顶截面，在各种荷载作用下的弯矩标准值、组合值系数c、频遇值系数 f 、准永久值系数q 见表2-2，求正常使用极限状态下的标准组合、频遇组合及准永久组合的荷载效应组合设计值Sd。0.20.60.70.2雪荷载00.40.60.4风荷载0.50.60.71.6楼面活荷载1.8永久荷载qfcMK(kN.m)类 别表2-2各种荷载下弯矩标准值及各项系数标准组合标准组合解：解：Sd=1.8+1.6+0.60.4+0.70.2=3.78(KN.M)频遇组合频遇组合Sd=1.8+0.61.6+00.4+0.20.2=2.8(KN.M)准永久组合准永久组合Sd=1.8+0.51.6+00.4+0.20.2=2.64(KN.M)一般情况下考虑标准组合及准永久组合38