钢筋混凝土结构的基本设计原则.pptx

本章重点本章重点结构功能、承载力极限状态和正常使用极限状态的结构功能、承载力极限状态和正常使用极限状态的概念和区别概念和区别;结构上的作用、作用效应和结构抗力的概念及其随结构上的作用、作用效应和结构抗力的概念及其随机特性；机特性；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；我国规范的设计方法我国规范的设计方法概率极限状态设计法。概率极限状态设计法。第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则2.1 结构的功能及其极限状态结构的功能及其极限状态第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则2.1结构的功能及其极限状态结构的功能及其极限状态 工程结构的设计需要保证安全可靠、经济合理；工程结构的设计需要保证安全可靠、经济合理；由于实际工程结构中存在多种不确定性；由于实际工程结构中存在多种不确定性；结构设计方法就是研究工程设计中的各种不确定性问题，取结构设计方法就是研究工程设计中的各种不确定性问题，取得安全可靠与经济合理之间的均衡。得安全可靠与经济合理之间的均衡。2.1.1 结构的预定功能结构的预定功能在正常施工和使用时，能承受可能出现的各种作用；在正常施工和使用时，能承受可能出现的各种作用；正常使用时具有良好的工作性能，变形和裂缝；正常使用时具有良好的工作性能，变形和裂缝；使用期内，正常维修能保证其正常使用功能；使用期内，正常维修能保证其正常使用功能；在偶然荷载作用下不倒塌。在偶然荷载作用下不倒塌。2.1 结构的功能及其极限状态结构的功能及其极限状态第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则结构的设计使用年限结构的设计使用年限类别类别结构类型结构类型结构的设计使结构的设计使用年限（年）用年限（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100结构的安全性、适用性、耐久性总称为结构的结构的安全性、适用性、耐久性总称为结构的可靠性可靠性，也就是，也就是结构在结构在规定的时间内规定的时间内、在规定的条件下在规定的条件下完成完成预定功能预定功能的能力。的能力。1、4 2 3第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则2.2 2.2 结构极限状态的设计方法结构极限状态的设计方法 如何在结构可靠与经济之间取得均衡如何在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计方法要解，就是设计方法要解决的问题。决的问题。设计使用年限设计使用年限(design working life)是指设计规定的结构或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。构在规定的条件下所应达到的使用年限。设计基准期（设计基准期（design reference period)指为确定可变作用及指为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数。与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数。统一标统一标准准规定设计基准期为规定设计基准期为50年。年。2.1 结构的功能及其极限状态结构的功能及其极限状态第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则安全性安全性（Safety）如（如（MMu）；）；结构在预定的使用期间内，应能承受在正常施工、正常使结构在预定的使用期间内，应能承受在正常施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载、外加变形（如超静定结构的用情况下可能出现的各种荷载、外加变形（如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束变形（如温度和收缩变形受到约束支座不均匀沉降）、约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）等的作用；时）等的作用；在偶然事件（如地震、爆炸）发生时和发生后，结构应能在偶然事件（如地震、爆炸）发生时和发生后，结构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。的严重损失。2.1 结构的功能及其极限状态结构的功能及其极限状态第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则适用性适用性 如（如（f f）；）；结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。如不发生影结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。如不发生影响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振动（频率、振响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振动（频率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。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（Durability）如（如（wmax wmax）；）；结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀），结构的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，而导致结构在其预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，降低使用寿命。定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。2.1 结构的功能及其极限状态结构的功能及其极限状态第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则2.1.2 结构的极限状态结构的极限状态定义：结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满定义：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，此特定状态称为该功能的足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。极限状态。承载能力极限状态；承载能力极限状态；正常使用极限状态；正常使用极限状态；耐久性极限状态；耐久性极限状态；连续倒塌极限状态。连续倒塌极限状态。2.1 结构的功能及其极限状态结构的功能及其极限状态第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则承载能力极限状态承载能力极限状态(Ultimate Limit State)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）。2.1 结构的功能及其极限状态结构的功能及其极限状态第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则正常使用极限状态正常使用极限状态（Serviceability Limit State）超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久性超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久性的功能要求。的功能要求。过大的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、不能过大的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、不能正常使用（吊车）等）；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。2.2 结构极限状态的设计方法结构极限状态的设计方法第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则2.2 结构极限状态的设计方法结构极限状态的设计方法2.2.1结构上的作用、作用效应与结构抗力结构上的作用、作用效应与结构抗力作用：作用：凡能使结构产生内力、应力、位移、应变、裂缝的因凡能使结构产生内力、应力、位移、应变、裂缝的因素，都称之为结构上的作用。素，都称之为结构上的作用。直接作用：荷载直接作用：荷载；间接作用：温度、收缩、徐变、地基不均匀沉降、地震等。间接作用：温度、收缩、徐变、地基不均匀沉降、地震等。作用效应：作用效应：作用作用在结构内产生的内力（轴力、剪力、弯矩、扭在结构内产生的内力（轴力、剪力、弯矩、扭矩）和变形（挠度、转角、裂缝）称为作用效应。矩）和变形（挠度、转角、裂缝）称为作用效应。结构抗力：结构抗力：结构抵抗作用效应（内力和变形）的能力（承载力、结构抵抗作用效应（内力和变形）的能力（承载力、刚度等）。刚度等）。以上三者具有不确定性，属于随机变量以上三者具有不确定性，属于随机变量2.2 2.2 结构极限状态的设计方法结构极限状态的设计方法第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则2.2.2 荷载和材料强度的确定荷载和材料强度的确定永久荷载永久荷载(恒荷载恒荷载)：大小、方向、作用点不随时间改变的荷大小、方向、作用点不随时间改变的荷载，如自重，土压力，预应力等载，如自重，土压力，预应力等可变荷载可变荷载(活荷载活荷载)：大小、方向、作用点随时间改变的荷载，大小、方向、作用点随时间改变的荷载，如楼面和屋面活载，风荷载、雪荷载、吊车荷载、车辆荷载如楼面和屋面活载，风荷载、雪荷载、吊车荷载、车辆荷载等；等；偶然荷载：偶然荷载：结构使用期间可能不出现，一旦出现，时间短、结构使用期间可能不出现，一旦出现，时间短、效应大的荷载，如爆炸力，撞击等。效应大的荷载，如爆炸力，撞击等。2.2 2.2 结构极限状态的设计方法结构极限状态的设计方法第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则荷载代表值荷载代表值(representative values of a load)1、标准值（、标准值（characteristic valuenominal value）：）：荷载的基本代表值，为设计基准期内最大荷载统计分布的特荷载的基本代表值，为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值征值(例如均值、众值、中值或某个分位值例如均值、众值、中值或某个分位值)。是永久荷载的。是永久荷载的唯一代表值。唯一代表值。定义：设计中用以验算极限状态所采用的荷载量值，例如标定义：设计中用以验算极限状态所采用的荷载量值，例如标准值、组合值、频遇值和准永久值。准值、组合值、频遇值和准永久值。2、组合值、组合值(combination value)：当有两个或两个以上的可变荷载同时作用时的代表值，承载当有两个或两个以上的可变荷载同时作用时的代表值，承载能力计算时要采用。能力计算时要采用。组合值组合值=组合系数组合系数*标准值标准值 2.2 2.2 结构极限状态的设计方法结构极限状态的设计方法第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则频遇值频遇值(frequent value)：可变荷载可能出现的较大值，但小于标准值，计算裂缝时采用。频遇值=频遇系数*标准值准永久值准永久值(quasi-permanent value):对可变荷载中较稳定的那一部分值。计算裂缝变形时用。在对可变荷载中较稳定的那一部分值。计算裂缝变形时用。在设计基准期内，其设计基准期内，其超越的总时间约为设计基准期一半超越的总时间约为设计基准期一半的荷载的荷载值，如教室中的家具。准永久值值，如教室中的家具。准永久值=准永久系数准永久系数*标准值标准值 2.2 2.2 结构极限状态的设计方法结构极限状态的设计方法第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则楼面和屋面活荷载楼面和屋面活荷载标准值查荷载规范标准值查荷载规范直升飞机坪：直升飞机坪：楼面：楼面：屋面：不上人屋面屋面：不上人屋面 上人屋面上人屋面 屋顶花园屋顶花园2.2 2.2 结构极限状态的设计方法结构极限状态的设计方法第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则风荷载风荷载当计算主要承重结构时当计算主要承重结构时wk=zsz w0式中：式中：z 高度高度Z处的风振系数处的风振系数;s 体型系数体型系数;z 风压高度变化系数，按地面粗糙程度风压高度变化系数，按地面粗糙程度A、B、C、D四级定，四级定，A 海岸、湖区；海岸、湖区；B 农村、市郊；农村、市郊；C 一一般城市市区；般城市市区；D有密集高层建筑市区有密集高层建筑市区；w0 50年一遇的基本风压。年一遇的基本风压。2.2 2.2 结构极限状态的设计方法结构极限状态的设计方法第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则雪荷载雪荷载sk=r s0式中：式中：r 屋面积雪分布系数屋面积雪分布系数;s0 50年一遇的基本雪压。年一遇的基本雪压。n1050100长沙地区长沙地区 W0（）0.350.450.50基本雪压值基本雪压值2.2 2.2 结构极限状态的设计方法结构极限状态的设计方法第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则材料强度标准值材料强度标准值 材料强度标准值材料强度标准值 材料强度的变异性及统计特征材料强度的变异性及统计特征第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则2.2 2.2 结构极限状态的设计方法结构极限状态的设计方法标准值标准值砼：砼：设计值设计值砼：砼：钢筋：钢筋：钢筋：钢筋：2.2 2.2 结构极限状态的设计方法结构极限状态的设计方法第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则作业作业思考题思考题 2-1、2-22.2 2.2 结构极限状态的设计方法结构极限状态的设计方法第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则2.2.3 结构的可靠性、失效概率和可靠指标结构的可靠性、失效概率和可靠指标1、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。可靠度可靠度（reliability degree）：指结构在规定时间内、规定条指结构在规定时间内、规定条件下完成预定功能的概率，是结构可靠性的概率度量。件下完成预定功能的概率，是结构可靠性的概率度量。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。规范规定的设计方法，是这种均衡的最低限度，也是国家规范规定的设计方法，是这种均衡的最低限度，也是国家法律。法律。设设计计人人员员可可以以根根据据具具体体工工程程的的重重要要程程度度、使使用用环环境境和和情情况况，以及业主的要求，提高设计水准，增加结构的可靠度。以及业主的要求，提高设计水准，增加结构的可靠度。经济的概念不仅包括第一次建设费用，还应考虑维修，损经济的概念不仅包括第一次建设费用，还应考虑维修，损失及修复的费用失及修复的费用;第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则2.2 2.2 结构极限状态的设计方法结构极限状态的设计方法结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“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“不可靠不可靠”或或“失效失效”。区分结构区分结构“可靠可靠”与与“失效失效”的临界工作状态称为的临界工作状态称为“极限极限状态状态”第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则2.2 2.2 结构极限状态的设计方法结构极限状态的设计方法作用效应作用效应S结构上的作用（使结构产生内力和变形的原因，如荷载、不均结构上的作用（使结构产生内力和变形的原因，如荷载、不均匀沉降、温度变形、收缩变形、地震等）引起的效应匀沉降、温度变形、收缩变形、地震等）引起的效应如弯矩如弯矩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 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 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，该特征值称为）的上限荷载分位值，该特征值称为荷载标准值（符号荷载标准值（符号Gk，Qik）结构抗力结构抗力R结构抵抗作用效应的能力，如受弯承载力结构抵抗作用效应的能力，如受弯承载力Mu、受剪承载力、受剪承载力Vu、容许挠度容许挠度f、容许裂缝宽度、容许裂缝宽度w第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则2.2 2.2 结构极限状态的设计方法结构极限状态的设计方法结构功能的表达结构功能的表达S R 失效失效结构设计中的不确定性结构设计中的不确定性 恒载恒载 g与构件尺寸、材料容重等有关与构件尺寸、材料容重等有关 活载活载 q（楼面活载、雪荷载）的数值是随（楼面活载、雪荷载）的数值是随时在变化的时在变化的 计算跨度计算跨度 l 的不准确的不准确 材料强度材料强度 fy 和和 fc 的离散的离散 截面尺寸截面尺寸h0和和 b 的施工误差的施工误差 应力应力-应变关系参数应变关系参数 k1 和和 k2不一定安全（可靠）不一定安全（可靠）第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则2.2 2.2 结构极限状态的设计方法结构极限状态的设计方法2、失效概率和可靠指标、失效概率和可靠指标失效概率失效概率（probability of failure）Pf=P(S R)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。结构可靠性的概率效概率来定量表示结构可靠性的大小。结构可靠性的概率度量称为结构可靠度度量称为结构可靠度（reliability degree）。当失效概率当失效概率Pf小于某个值时，人们因结构失效的可能性小于某个值时，人们因结构失效的可能性很小而不再担心，即可认为结构设计是可靠的。该失效概很小而不再担心，即可认为结构设计是可靠的。该失效概率限值称为容许失效概率率限值称为容许失效概率Pf。第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则2.2 2.2 结构极限状态的设计方法结构极限状态的设计方法可靠指标可靠指标（reliability index）结构功能函数结构功能函数 Z=R-SPf=P(S R)=P(Z 0)第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则2.2 2.2 结构极限状态的设计方法结构极限状态的设计方法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塑性破坏塑性破坏3.73.22.7脆性破坏脆性破坏4.23.73.2不同安全等级和破坏类型建筑结构的可靠指标不同安全等级和破坏类型建筑结构的可靠指标可靠指标可靠指标2.7 3.23.74.2失效概率失效概率3.510-3 6.910-41.110-41.310-5可靠指标与失效概率的对应关系可靠指标与失效概率的对应关系第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则2.2 2.2 结构极限状态的设计方法结构极限状态的设计方法2.2.4 结构的设计状况及设计规定结构的设计状况及设计规定（1）持久状况：设计使用周期内状况）持久状况：设计使用周期内状况（2）短暂状况）短暂状况:出现概率大持续时间较短的状况，施工、维修出现概率大持续时间较短的状况，施工、维修（3）偶然状况）偶然状况:出现概率小，地震、爆炸冲击）出现概率小，地震、爆炸冲击）以上三种设计状况，以上三种设计状况，均应均应进行承载力极限状态设计；进行承载力极限状态设计；持久状况：尚应进行正常使用极限状态设计持久状况：尚应进行正常使用极限状态设计 短暂状况短暂状况:根据需要进行正常使用极限状态设计；根据需要进行正常使用极限状态设计；偶然状况：偶然荷载组合作用效应按极限承载能力设计，允偶然状况：偶然荷载组合作用效应按极限承载能力设计，允许局部破坏而不倒塌。许局部破坏而不倒塌。第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则2.2 2.2 结构极限状态的设计方法结构极限状态的设计方法荷载效应组合荷载效应组合 由可变荷载控制时由可变荷载控制时:由永久荷载控制时由永久荷载控制时:一般排架、框架结构：选下列计算中一般排架、框架结构：选下列计算中较大者较大者由可变荷载控制时由可变荷载控制时:由永久荷载控制时由永久荷载控制时:基本组合：选下列计算中基本组合：选下列计算中较大者较大者第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则2.2 2.2 结构极限状态的设计方法结构极限状态的设计方法偶然组合偶然组合 只考虑一偶然作用与其他荷载相组合；只考虑一偶然作用与其他荷载相组合；偶然荷载的代表值偶然荷载的代表值不乘分项系数不乘分项系数；与偶然荷载同时出现的其它荷载采用适当的代表值；与偶然荷载同时出现的其它荷载采用适当的代表值；各种情况下荷载效应的设计值公式由有关规范另定。各种情况下荷载效应的设计值公式由有关规范另定。第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则2.2 2.2 结构极限状态的设计方法结构极限状态的设计方法结构抗力代表值结构抗力代表值 取决于截面尺寸大小和材料强度高低；取决于截面尺寸大小和材料强度高低；材料强度高低分为材料强度高低分为标准值标准值和和设计值设计值。标准值标准值砼：砼：钢筋：钢筋：设计值设计值砼：砼：钢筋：钢筋：第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则2.2 2.2 结构极限状态的设计方法结构极限状态的设计方法2.2.6 正常使用极限状态设计表达式正常使用极限状态设计表达式式中：式中：正常使用极限状态下荷载效应组合值正常使用极限状态下荷载效应组合值;达正常使用要求所规定的变形、裂缝、应力达正常使用要求所规定的变形、裂缝、应力 等的限值；等的限值；第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则2.2 2.2 结构极限状态的设计方法结构极限状态的设计方法1、标准组合：、标准组合：主要用于当一个极限状态被超越时将主要用于当一个极限状态被超越时将产生严重的永久性损坏的情况的验算。产生严重的永久性损坏的情况的验算。2、频遇组合：、频遇组合：主要用于当一个极限状态被超越时将主要用于当一个极限状态被超越时将产生局部损坏、较大变形或短暂震动等的情况的验产生局部损坏、较大变形或短暂震动等的情况的验算算3、准永久组合：、准永久组合：主要用于当长期效应是决定性因素主要用于当长期效应是决定性因素的一些情况的验算。的一些情况的验算。第第2章章 钢筋混凝土结构的基本设计原则钢筋混凝土结构的基本设计原则2.2 2.2 结构极限状态的设计方法结构极限状态的设计方法作业作业思考题思考题 2-9、2-10