第02章結(jié)構(gòu)按極限狀態(tài)法設(shè)計計算的原則ppt課件

1、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的發(fā)展混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的發(fā)展以彈性理論為基礎(chǔ)，我國以彈性理論為基礎(chǔ)，我國1985年以前采用此方法。年以前采用此方法?？紤]材料的塑性破壞考慮材料的塑性破壞將破壞階段法的單一的安全將破壞階段法的單一的安全系數(shù)改為分項安全系數(shù)，即系數(shù)改為分項安全系數(shù)，即為荷載系數(shù)，材料系數(shù)，工為荷載系數(shù)，材料系數(shù)，工作條件系數(shù)。作條件系數(shù)。1、容許應(yīng)力法、容許應(yīng)力法2、破壞階段法、破壞階段法3、極限狀態(tài)法、極限狀態(tài)法4、以可靠性為、以可靠性為基礎(chǔ)的概率極限基礎(chǔ)的概率極限狀態(tài)設(shè)計法狀態(tài)設(shè)計法我國現(xiàn)行公路工程設(shè)計我國現(xiàn)行公路工程設(shè)計的總原則的總原則概率設(shè)計按精確程度可分三個水準(zhǔn)：概率設(shè)計按精確程度可

2、分三個水準(zhǔn)：半概率半概率近似概率我國）近似概率我國）全概率全概率最優(yōu)失效概率最優(yōu)失效概率 經(jīng)過大量的試驗，用統(tǒng)計方法確定各個變經(jīng)過大量的試驗，用統(tǒng)計方法確定各個變量的規(guī)律，確定結(jié)構(gòu)的失效概率，來度量結(jié)構(gòu)量的規(guī)律，確定結(jié)構(gòu)的失效概率，來度量結(jié)構(gòu)的可靠性，用：的可靠性，用： 結(jié)構(gòu)的可靠性理論作為基礎(chǔ)的概率極限狀結(jié)構(gòu)的可靠性理論作為基礎(chǔ)的概率極限狀態(tài)設(shè)計法作為現(xiàn)行公路工程設(shè)計的總原則。態(tài)設(shè)計法作為現(xiàn)行公路工程設(shè)計的總原則。一、結(jié)構(gòu)的可靠性與可靠度一、結(jié)構(gòu)的可靠性與可靠度任何一個建筑物在規(guī)定的使用期限內(nèi)都應(yīng)滿任何一個建筑物在規(guī)定的使用期限內(nèi)都應(yīng)滿足安全、適用、耐久三個方面的功能要求：足安全、適用、耐久

3、三個方面的功能要求：（一安全性：在正常施工和正常使用條件（一安全性：在正常施工和正常使用條件下，承受可能出現(xiàn)的各種功能的能力，以及各種下，承受可能出現(xiàn)的各種功能的能力，以及各種偶然事件發(fā)生時和發(fā)生后，仍能保持必要的整體偶然事件發(fā)生時和發(fā)生后，仍能保持必要的整體性而不至倒塌的能力。性而不至倒塌的能力。（二適用性：結(jié)構(gòu)在正常使用條件下具（二適用性：結(jié)構(gòu)在正常使用條件下具有良好工作的性能。有良好工作的性能。（三耐久性：結(jié)構(gòu)在正常維護(hù)條件下，（三耐久性：結(jié)構(gòu)在正常維護(hù)條件下，隨時間變化仍能滿足功能要求的能力。隨時間變化仍能滿足功能要求的能力。 安全性、適用性、耐久性這三者可以統(tǒng)稱安全性、適用性、耐久性

4、這三者可以統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)的可靠性為結(jié)構(gòu)的可靠性Reliability），即：結(jié)構(gòu)在），即：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的能力。能的能力。可靠性用可靠度可靠性用可靠度Degree of Reliability），），來進(jìn)行數(shù)量描述，即：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，來進(jìn)行數(shù)量描述，即：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率。在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率。規(guī)定的時間一般是指設(shè)計基準(zhǔn)期，我國現(xiàn)規(guī)定的時間一般是指設(shè)計基準(zhǔn)期，我國現(xiàn)行公路橋規(guī)規(guī)定橋梁的設(shè)計基準(zhǔn)期行公路橋規(guī)規(guī)定橋梁的設(shè)計基準(zhǔn)期Design Reference Period

5、為為100年。年。規(guī)定的條件一般是指正常設(shè)計、正常施工規(guī)定的條件一般是指正常設(shè)計、正常施工和正常使用條件。和正常使用條件。 二、結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)二、結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)Structual Limit State）結(jié)構(gòu)或構(gòu)件能夠滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能結(jié)構(gòu)或構(gòu)件能夠滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要求的一種特定臨界狀態(tài)。要求的一種特定臨界狀態(tài)。 極限狀態(tài)主要分為兩類：極限狀態(tài)主要分為兩類：1、承載能力極限狀態(tài)、承載能力極限狀態(tài)（Ultimate Limit State）2、正常使用極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)（Serviceability Limit State） 1、承載能力極限狀態(tài)：、承載能力極限狀態(tài)： 結(jié)構(gòu)或構(gòu)

6、件達(dá)到最大承載力、出現(xiàn)疲勞破壞結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載力、出現(xiàn)疲勞破壞或不適于繼續(xù)承載的變形?；虿贿m于繼續(xù)承載的變形。 主要表現(xiàn)：主要表現(xiàn)：（1） 構(gòu)件或連接的材料強度超過破壞，構(gòu)件或連接的材料強度超過破壞，過度塑性變形；過度塑性變形；（2） 整個結(jié)構(gòu)或其部分作為剛體失衡，整個結(jié)構(gòu)或其部分作為剛體失衡，如側(cè)移、傾覆等；如側(cè)移、傾覆等；（3） 結(jié)構(gòu)體系變?yōu)闄C動體系；結(jié)構(gòu)體系變?yōu)闄C動體系；（4） 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失穩(wěn)，如壓屈等。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失穩(wěn)，如壓屈等。 2、正常使用極限狀態(tài)：、正常使用極限狀態(tài)： 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值。項規(guī)定限值。 主要表現(xiàn)：

7、主要表現(xiàn)：（1） 影響正常使用或外觀的變形；影響正常使用或外觀的變形；（2） 影響正常使用或耐久性的局部損壞影響正常使用或耐久性的局部損壞包括裂縫）；包括裂縫）；（3） 影響正常使用的震動；影響正常使用的震動；（4） 影響正常使用的其它狀態(tài)，如滲漏、影響正常使用的其它狀態(tài)，如滲漏、腐蝕、凍害等。腐蝕、凍害等。 設(shè)計時是先按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計構(gòu)設(shè)計時是先按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計構(gòu)件，再按正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行驗算。件，再按正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行驗算。 三、結(jié)構(gòu)的抗力以及功能函數(shù)三、結(jié)構(gòu)的抗力以及功能函數(shù)1、結(jié)構(gòu)的抗力、結(jié)構(gòu)的抗力Resistance）結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受作用效應(yīng)的能力。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受作用效

8、應(yīng)的能力。 2、結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)、結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)Function） 若若R為結(jié)構(gòu)抗力，為結(jié)構(gòu)抗力，S為作用效應(yīng)，則為作用效應(yīng)，則功能函數(shù)功能函數(shù)Z=gR、S）。）。Z = R S，就是，就是最簡單的功能函數(shù)，隨最簡單的功能函數(shù)，隨條件的變化，條件的變化，Z 有三種有三種可能性：可能性： 抗力荷載效應(yīng)可靠失效（1Z=R-S0，結(jié)構(gòu)抗力大于作用效應(yīng)，結(jié)構(gòu)抗力大于作用效應(yīng)，即結(jié)構(gòu)可靠；即結(jié)構(gòu)可靠；（2Z=R-S將混凝土強度等級按將混凝土強度等級按fcu,k共共分為分為14級，級，C15C80，等級差為，等級差為5MPa。公路橋規(guī)公路橋規(guī)規(guī)定受力構(gòu)件的混凝土強度規(guī)定受力構(gòu)件的混凝土強度等級應(yīng)按下列規(guī)定采

9、用：等級應(yīng)按下列規(guī)定采用：（1鋼筋混凝土構(gòu)件不應(yīng)低于鋼筋混凝土構(gòu)件不應(yīng)低于C20，用，用HRB400、KL400級鋼筋配筋時，不應(yīng)低于級鋼筋配筋時，不應(yīng)低于C25；（2預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件不應(yīng)低于預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件不應(yīng)低于C40。混凝土的強度等級混凝土的強度等級C是衡量混凝土質(zhì)量好是衡量混凝土質(zhì)量好壞的重要標(biāo)志壞的重要標(biāo)志;但因為混凝土的形狀和受力特性與實際但因為混凝土的形狀和受力特性與實際結(jié)構(gòu)構(gòu)件都不同，因此混凝土的強度等級一般結(jié)構(gòu)構(gòu)件都不同，因此混凝土的強度等級一般不直接參與計算。不直接參與計算。所以要用混凝土的其他強度指標(biāo)，如混所以要用混凝土的其他強度指標(biāo)，如混凝土的軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值凝土的軸

10、心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值fck和軸心抗拉強和軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值度標(biāo)準(zhǔn)值ftk等。等。 2、混凝土軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值、混凝土軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值fck和軸心和軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值ftk（1） 混凝土軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值混凝土軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值fck150150150150,15015012,1 1.6450.881 1.645 0.881 1.6450.881 1.645,0.880.88fcfcfffffc sffcfccckcu kcu kccuckcu kfffffff C50以下混凝土以下混凝土c1=0.76 ，C50C80取取0.760.82。（2） 混凝土軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值混凝土軸心

11、抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值ftk 0.551501500.551501500.450.55,150,1 1.6450.88 0.3951 1.645 0.88 0.3951 1.6451 1.645 0.88 0.3951 1.645ftftffffcu kftkcu kfff3、混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值、混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值fcd和軸和軸心抗拉強度設(shè)計值心抗拉強度設(shè)計值ftd前面提到混凝土材料分項系數(shù)前面提到混凝土材料分項系數(shù)fc取取1.45，接近按二級安全等級結(jié)構(gòu)分析的脆性破壞構(gòu)接近按二級安全等級結(jié)構(gòu)分析的脆性破壞構(gòu)件目標(biāo)可靠指標(biāo)的要求。件目標(biāo)可靠指標(biāo)的要求。/1.45/1.45cdtdckfcc

12、ktkfctkffffff三、鋼筋強度標(biāo)準(zhǔn)值三、鋼筋強度標(biāo)準(zhǔn)值fsk和強度設(shè)計值和強度設(shè)計值fsd國標(biāo)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)保證率不低于國標(biāo)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)保證率不低于95%。規(guī)范規(guī)定：規(guī)范規(guī)定：1、對熱軋鋼筋和精軋螺紋鋼筋的材料性、對熱軋鋼筋和精軋螺紋鋼筋的材料性能分項系數(shù)取能分項系數(shù)取1.2；2、對鋼絞線、鋼絲等取、對鋼絞線、鋼絲等取1.47，可得鋼筋的，可得鋼筋的抗拉強度設(shè)計值?？估瓘姸仍O(shè)計值。注意注意:鋼筋抗壓強度設(shè)計值鋼筋抗壓強度設(shè)計值fsd須用彈性須用彈性模量乘以極限壓應(yīng)變模量乘以極限壓應(yīng)變0.002，且不得大于其抗，且不得大于其抗拉強度設(shè)計值拉強度設(shè)計值fsd ，即：，即：sssdsdEff

13、或或pppdpdEff第四節(jié)第四節(jié) 作用、作用的代表值和作用、作用的代表值和作用效應(yīng)組合作用效應(yīng)組合一、作用一、作用Action分類：分類：按時間的變異分類：按時間的變異分類：（1） 永久作用：指在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，其永久作用：指在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，其值不隨時間變化或變化可以忽略不計，包括值不隨時間變化或變化可以忽略不計，包括結(jié)構(gòu)自重、土壓力，預(yù)加力、基礎(chǔ)沉降、焊結(jié)構(gòu)自重、土壓力，預(yù)加力、基礎(chǔ)沉降、焊接等。接等。（2） 可變作用：指在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，其值隨可變作用：指在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，其值隨時間變化或變化不可以忽略不計的作用，時間變化或變化不可以忽略不計的作用，包括安裝荷載、人群荷載、風(fēng)、雪，溫度包括安裝

14、荷載、人群荷載、風(fēng)、雪，溫度變化等。變化等。（3） 偶然作用：指在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，不一定偶然作用：指在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，不一定出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)量值又很大，持續(xù)時間很出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)量值又很大，持續(xù)時間很短的作用，包括地震、爆破、撞擊等。短的作用，包括地震、爆破、撞擊等。 作用分類作用分類編號編號作用分類作用分類作用名稱作用名稱1永久作用永久作用（恒載（恒載DL）結(jié)構(gòu)重力結(jié)構(gòu)重力（包括結(jié)構(gòu)附加重力）（包括結(jié)構(gòu)附加重力）2預(yù)加力預(yù)加力3土的重力土的重力4土側(cè)壓力土側(cè)壓力5混凝土收縮及徐變作用混凝土收縮及徐變作用6水的浮力水的浮力7基礎(chǔ)變位作用基礎(chǔ)變位作用編號編號作用分類作用分類作用名稱作用名稱8可變作用可變

15、作用（活載（活載LL）汽車荷載汽車荷載9汽車沖擊力汽車沖擊力10汽車離心力汽車離心力11汽車引起的土側(cè)壓力汽車引起的土側(cè)壓力12人群荷載人群荷載13汽車制動力汽車制動力14風(fēng)力風(fēng)力15流水壓力流水壓力16冰壓力冰壓力17溫度作用溫度作用（均勻溫度和梯度溫度）（均勻溫度和梯度溫度）18支座摩阻力支座摩阻力19偶然作用偶然作用AL地震作用地震作用20船舶或漂流物的撞擊作用船舶或漂流物的撞擊作用21汽車撞擊作用汽車撞擊作用二、作用的代表值二、作用的代表值 “作用代表值是在實用的極限狀態(tài)設(shè)計作用代表值是在實用的極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式中所采用的荷載規(guī)定值。表達(dá)式中所采用的荷載規(guī)定值。 公路橋規(guī)中規(guī)定設(shè)計須考

16、慮的最常見的三公路橋規(guī)中規(guī)定設(shè)計須考慮的最常見的三種作用代表值：作用標(biāo)準(zhǔn)值，作用準(zhǔn)永久值，種作用代表值：作用標(biāo)準(zhǔn)值，作用準(zhǔn)永久值，作用頻遇值。作用頻遇值。（一）（一） 作用的標(biāo)準(zhǔn)值作用的標(biāo)準(zhǔn)值 是指在結(jié)構(gòu)的使用期間，各種作用的基是指在結(jié)構(gòu)的使用期間，各種作用的基本代表值，所以可由設(shè)計基準(zhǔn)期荷載最大值本代表值，所以可由設(shè)計基準(zhǔn)期荷載最大值概率分布的某一分位值來確定。概率分布的某一分位值來確定。 永久作用采用標(biāo)準(zhǔn)值作為代表值。永久作用采用標(biāo)準(zhǔn)值作為代表值。（二）（二） 可變作用頻遇值可變作用頻遇值 在設(shè)計基準(zhǔn)期間，可變作用超越的總時在設(shè)計基準(zhǔn)期間，可變作用超越的總時間為規(guī)定的較小比率或超越次數(shù)為規(guī)

17、定次數(shù)間為規(guī)定的較小比率或超越次數(shù)為規(guī)定次數(shù)的作用值。簡言之就是指結(jié)構(gòu)上頻繁出現(xiàn)且的作用值。簡言之就是指結(jié)構(gòu)上頻繁出現(xiàn)且量值較大的荷載作用取值。量值較大的荷載作用取值。 正常使用極限狀態(tài)按短期效應(yīng)頻遇正常使用極限狀態(tài)按短期效應(yīng)頻遇組合設(shè)計時，采用頻遇值作為可變作用的代組合設(shè)計時，采用頻遇值作為可變作用的代表值，采用標(biāo)準(zhǔn)值乘以頻遇值系數(shù)表值，采用標(biāo)準(zhǔn)值乘以頻遇值系數(shù)1表示。表示。（三）（三） 可變作用準(zhǔn)永久值可變作用準(zhǔn)永久值 在設(shè)計基準(zhǔn)期間，可變作用超越的總時間在設(shè)計基準(zhǔn)期間，可變作用超越的總時間為設(shè)計基準(zhǔn)期一半的作用值。簡言之就是指結(jié)為設(shè)計基準(zhǔn)期一半的作用值。簡言之就是指結(jié)構(gòu)上經(jīng)常出現(xiàn)且量值較

18、小的荷載作用取值。構(gòu)上經(jīng)常出現(xiàn)且量值較小的荷載作用取值。正常使用極限狀態(tài)按長期效應(yīng)準(zhǔn)永久正常使用極限狀態(tài)按長期效應(yīng)準(zhǔn)永久組合設(shè)計時，采用準(zhǔn)永久值作為可變作用的代組合設(shè)計時，采用準(zhǔn)永久值作為可變作用的代表值，采用標(biāo)準(zhǔn)值乘以準(zhǔn)永久值系數(shù)表值，采用標(biāo)準(zhǔn)值乘以準(zhǔn)永久值系數(shù)2表示。表示。實際上是考慮可變作用的長期效應(yīng)而對標(biāo)實際上是考慮可變作用的長期效應(yīng)而對標(biāo)準(zhǔn)值的折減。準(zhǔn)值的折減。三、作用效應(yīng)組合三、作用效應(yīng)組合Combination for Action Effects）1、承載能力極限狀態(tài)計算時作用效應(yīng)組合、承載能力極限狀態(tài)計算時作用效應(yīng)組合此時結(jié)構(gòu)應(yīng)按作用效應(yīng)的基本組合進(jìn)行計此時結(jié)構(gòu)應(yīng)按作用效應(yīng)的

19、基本組合進(jìn)行計算，必要時還要考慮到偶然作用。算，必要時還要考慮到偶然作用。1、不考慮偶然作用的稱為、不考慮偶然作用的稱為“基本組合基本組合”（Fundermental Combination for Action Effects） ；2、考慮偶然作用的稱為、考慮偶然作用的稱為“偶然組合偶然組合”（Accidental Combination for Action Effects） ?；窘M合的內(nèi)力組合設(shè)計值按下式計基本組合的內(nèi)力組合設(shè)計值按下式計算：算：001112nncGiQQjdGikQ kQjkijSSSS2、正常使用極限狀態(tài)計算時作用效應(yīng)組合、正常使用極限狀態(tài)計算時作用效應(yīng)組合在計算正

20、常使用極限狀態(tài)的荷載效應(yīng)組合在計算正常使用極限狀態(tài)的荷載效應(yīng)組合值值S時，需要首先確定荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合和準(zhǔn)時，需要首先確定荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合和準(zhǔn)永久組合。永久組合。荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合短期效應(yīng)和準(zhǔn)永荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合短期效應(yīng)和準(zhǔn)永久組合長期效應(yīng)應(yīng)按下列規(guī)定計算：久組合長期效應(yīng)應(yīng)按下列規(guī)定計算： （1） 作用短期效應(yīng)組合作用短期效應(yīng)組合Combination for Short-term Action Effects） ： 111mnjsdGikQjkijSSS（2） 作用長期效應(yīng)組合作用長期效應(yīng)組合Combination for Long-term Action Effects） :211mn

21、jldGikQjkijSSS例例1鋼筋混凝土簡支梁橋主梁在結(jié)構(gòu)重力、鋼筋混凝土簡支梁橋主梁在結(jié)構(gòu)重力、汽車荷載和人群荷載作用下，分別得到在主梁汽車荷載和人群荷載作用下，分別得到在主梁的的1/4跨徑處截面的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為：跨徑處截面的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為：結(jié)構(gòu)重力產(chǎn)生的彎矩結(jié)構(gòu)重力產(chǎn)生的彎矩MGk = 552kNm；汽；汽車荷載彎矩車荷載彎矩MQ1k = 459.7kNm （已計入沖擊（已計入沖擊系數(shù)）系數(shù)） ；人群荷載彎矩；人群荷載彎矩MQ2k = 40.6kNm 。進(jìn)。進(jìn)行設(shè)計時的作用效應(yīng)組合計算。行設(shè)計時的作用效應(yīng)組合計算。 解：解： 1、承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時作用效應(yīng)的、承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時作用效應(yīng)的基本組合基本組合 鋼筋混凝土簡支梁橋主梁現(xiàn)按結(jié)構(gòu)的安全鋼筋混凝土簡支梁橋主梁現(xiàn)按結(jié)構(gòu)的安全等級為二級，取結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為等級為二級，取結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為0=1.0 。 永久作用效應(yīng)的分項系數(shù)永久作用效應(yīng)的分項系數(shù) ，因恒載作用，因恒載作用效應(yīng)對結(jié)構(gòu)承載能力不利，故取效應(yīng)對結(jié)構(gòu)承載能力不利，故取G1=1.2。汽車荷載效應(yīng)的分項系數(shù)為汽車荷載效應(yīng)的分項系數(shù)為Q1=1.4 。對于人群荷載其他可變作用效應(yīng)的分項系對于人群荷載其他可變作用效應(yīng)的分項系數(shù)數(shù)Qj=1.4 。本組合