路橋結(jié)構(gòu)按極限狀態(tài)法設(shè)計計算的原則

1、電子教案適用專業(yè)：土木工程（路橋方向）kfKMMu設(shè)計方法允許應(yīng)力設(shè)計法破壞階段設(shè)計法極限狀態(tài)設(shè)計法半經(jīng)驗半概率法近似概率法全概率法生命全過程設(shè)計法材料力學(xué)的方法按經(jīng)驗法確定安全系數(shù))()(0，hbAkfkfMqkMssskcckuikqi 作用：作用： 指施加在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上的力，以及引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因。作用效應(yīng)作用效應(yīng)S： 是指由結(jié)構(gòu)上的作用引起的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的內(nèi)力(如軸力、剪力、彎矩、扭矩等)和變形(如撓度、側(cè)移、裂縫等)。當作用為集中力或分布力時，其效應(yīng)可稱為荷載效應(yīng)。永久荷載永久荷載： 是指在設(shè)計基準期內(nèi)其量值不隨時間變化，或其是指在設(shè)計基準期內(nèi)其量值不隨時間變化，或其變化

2、與平均值相比可以忽略不計的作用，如結(jié)構(gòu)自重、變化與平均值相比可以忽略不計的作用，如結(jié)構(gòu)自重、土壓力、預(yù)加應(yīng)力等土壓力、預(yù)加應(yīng)力等可變荷載：可變荷載： 是指在設(shè)計基準期內(nèi)其量值隨時間變化，且其變是指在設(shè)計基準期內(nèi)其量值隨時間變化，且其變化與平均值相比不可忽略的作用，如安裝荷載、樓面化與平均值相比不可忽略的作用，如安裝荷載、樓面活荷載、風荷載、雪荷載、吊車荷載和溫度變化等?；詈奢d、風荷載、雪荷載、吊車荷載和溫度變化等。 作作 用用偶然荷載：偶然荷載： 是指在設(shè)計基準期內(nèi)不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)是指在設(shè)計基準期內(nèi)不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)其量很大且持續(xù)時間很短，如地震、爆炸、撞擊等。其量很大且持續(xù)時間很短

3、，如地震、爆炸、撞擊等。 安全性安全性 適用性適用性 耐久性耐久性設(shè)計基準期：在進行結(jié)構(gòu)可靠性分析時，設(shè)計基準期：在進行結(jié)構(gòu)可靠性分析時， 考慮持久設(shè)計狀況下考慮持久設(shè)計狀況下各項基本變量與時間關(guān)系所采用的基準時間參數(shù)。各項基本變量與時間關(guān)系所采用的基準時間參數(shù)。 三項統(tǒng)稱為 可靠性可靠性 結(jié)構(gòu)能夠滿足功能要求而良好地工作，則稱結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)能夠滿足功能要求而良好地工作，則稱結(jié)構(gòu)為“可靠可靠”或或“有有效效”。反之，則結(jié)構(gòu)為。反之，則結(jié)構(gòu)為“不可靠不可靠”或或“失效失效”。區(qū)分結(jié)構(gòu)。區(qū)分結(jié)構(gòu)“可靠可靠”與與“失失效效”的臨界工作狀態(tài)稱為的臨界工作狀態(tài)稱為“極限狀態(tài)極限狀態(tài)”，即整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部

4、分超過，即整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)即為該功某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)即為該功能的極限狀態(tài)。舉例如下表。能的極限狀態(tài)。舉例如下表。 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)件達到最大承載力，疲勞破壞或不適于繼續(xù)承載的變形狀態(tài)稱為承結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載力，疲勞破壞或不適于繼續(xù)承載的變形狀態(tài)稱為承載能力極限狀態(tài)。超過該極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不能滿足預(yù)定的安全性功能要求，主載能力極限狀態(tài)。超過該極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不能滿足預(yù)定的安全性功能要求，主要包括：要包括： 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載力結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載力( (包括

5、疲勞包括疲勞) )。 結(jié)構(gòu)整體或其中一部分作為剛體結(jié)構(gòu)整體或其中一部分作為剛體失去平衡失去平衡( (如傾覆、滑移如傾覆、滑移) )。 結(jié)構(gòu)塑性變形過大而不適于繼續(xù)使用。結(jié)構(gòu)塑性變形過大而不適于繼續(xù)使用。 結(jié)構(gòu)形結(jié)構(gòu)形成幾何可變體系成幾何可變體系( (超靜定結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)足夠多的塑性鉸超靜定結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)足夠多的塑性鉸) )。 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定( (如細長受壓構(gòu)件的壓曲失穩(wěn)如細長受壓構(gòu)件的壓曲失穩(wěn)) )。 極限狀態(tài)的分類 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)件達到正常使用或耐久性的某項限值規(guī)定，稱為正常使用極限狀態(tài)。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到正常使用或耐久性的某項限值規(guī)定，稱為正常使用極限

6、狀態(tài)。超過該極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不能滿足預(yù)定的適用性和耐久性的功能要求。主要包括：超過該極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不能滿足預(yù)定的適用性和耐久性的功能要求。主要包括： 過大的變形、側(cè)移，這往往會導(dǎo)致非結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力破壞、會給人不安全感或?qū)н^大的變形、側(cè)移，這往往會導(dǎo)致非結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力破壞、會給人不安全感或?qū)е陆Y(jié)構(gòu)不能正常使用致結(jié)構(gòu)不能正常使用( (如吊車梁如吊車梁) )等。等。 過大的裂縫，這往往會導(dǎo)致鋼筋銹蝕、給人不安全感或?qū)е路课萋┧?。過大的裂縫，這往往會導(dǎo)致鋼筋銹蝕、給人不安全感或?qū)е路课萋┧取?過大的振動，這往往會給人不舒適感。過大的振動，這往往會給人不舒適感。 其他正常使用要求。其他正常使用要求。

7、“破壞破壞安全安全”極限狀態(tài)極限狀態(tài)1. 1. 結(jié)構(gòu)功能函數(shù)與極限狀態(tài)方程結(jié)構(gòu)功能函數(shù)與極限狀態(tài)方程結(jié)構(gòu)抗力結(jié)構(gòu)抗力 S = S(Q)R = R(fc, fy, A, h0, As, )Z 0 結(jié)構(gòu)可靠結(jié)構(gòu)可靠 Z R) =P(Z 0) 設(shè)設(shè)R R、S S符合正態(tài)分布，符合正態(tài)分布，R R的均值為的均值為R，標準差為標準差為R R；S S的均值為的均值為s s ，標準差為，標準差為s，則則Z Z的統(tǒng)計參數(shù)的統(tǒng)計參數(shù)( (兩正態(tài)分布隨機變量差兩正態(tài)分布隨機變量差) )為為: :sRz22SRz0221exp21dzZPzzzfzzdttPf2exp212Z 正態(tài)分布f (z)rzfPf (t)f

8、Pzz)(fP標準正態(tài)分布可靠性指標可靠性指標22SRSRzz 結(jié)構(gòu)可靠度是結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量，指結(jié)構(gòu)在規(guī)定時間內(nèi)，在規(guī)結(jié)構(gòu)可靠度是結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量，指結(jié)構(gòu)在規(guī)定時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下完成預(yù)定功能的概率。定的條件下完成預(yù)定功能的概率。 3. 3. 結(jié)構(gòu)的可靠度結(jié)構(gòu)的可靠度)()(11frPPf (t)fPzz標準正態(tài)分布()與失效概率 Pf 之間有一一對應(yīng)關(guān)系.s22SRSRzzfPfP表1 失效概率與可靠指標的對應(yīng)關(guān)系 公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準統(tǒng)一標準GB/T 50283GB/T 502831999 1999 根據(jù)公路結(jié)構(gòu)的安全等根據(jù)公路結(jié)構(gòu)的安全等級，按持

9、久狀況進行承載能力級，按持久狀況進行承載能力設(shè)計時，目標可靠指標見表設(shè)計時，目標可靠指標見表3 3。根據(jù)建筑設(shè)計標準根據(jù)建筑設(shè)計標準GB 50068GB 5006820012001，建筑結(jié)構(gòu)的目標可靠指，建筑結(jié)構(gòu)的目標可靠指標要求見表標要求見表4 4。 4. 4. 目標可靠指標目標可靠指標k 結(jié)構(gòu)的安全等級結(jié)構(gòu)的安全等級破壞類型破壞類型安安 全全 等等 級級一級一級二級二級三級三級延性破壞延性破壞3.73.22.7脆性破壞脆性破壞4.23.73.2破壞類型破壞類型安安 全全 等等 級級一級一級二級二級三級三級延性破壞延性破壞4.74.23.7脆性破壞脆性破壞5.24.74.2安全等級安全等級破

10、壞后果的影響程度破壞后果的影響程度建筑物的類型建筑物的類型一級一級很嚴重很嚴重重要的建筑物重要的建筑物二級二級嚴重嚴重一般的建筑物一般的建筑物三級三級不嚴重不嚴重次要的建筑物次要的建筑物表2 結(jié)構(gòu)的安全等級表3 公路橋梁結(jié)構(gòu)目標可靠指標表4 建筑結(jié)構(gòu)目標可靠指標 設(shè)計狀況指代表時段的一組物理條件，設(shè)計應(yīng)做到結(jié)構(gòu)在該時段內(nèi)不設(shè)計狀況指代表時段的一組物理條件，設(shè)計應(yīng)做到結(jié)構(gòu)在該時段內(nèi)不超越有關(guān)的極限狀態(tài)。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)在施工和使用中的環(huán)境條超越有關(guān)的極限狀態(tài)。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)在施工和使用中的環(huán)境條件和影響，區(qū)分下列件和影響，區(qū)分下列3 3種設(shè)計狀況：種設(shè)計狀況： 對于不同的設(shè)計狀況，

11、可采用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體系、可靠度水準和基本變量等。對建筑結(jié)構(gòu)的3種設(shè)計均應(yīng)進行承載力極限狀態(tài)設(shè)計；對持久狀況，尚應(yīng)進行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計；對短暫狀況，可根據(jù)需要進行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計。l 短暫狀態(tài)。在結(jié)構(gòu)施工和使用過程中出現(xiàn)概率較大，而與設(shè)在結(jié)構(gòu)施工和使用過程中出現(xiàn)概率較大，而與設(shè)計使用年限相比，持續(xù)期很短的狀況，如結(jié)構(gòu)施工和維修等。計使用年限相比，持續(xù)期很短的狀況，如結(jié)構(gòu)施工和維修等。l 持久狀況。在結(jié)構(gòu)使用過程中一定出現(xiàn)，其持續(xù)期很長的狀在結(jié)構(gòu)使用過程中一定出現(xiàn)，其持續(xù)期很長的狀態(tài)。持續(xù)期一般與設(shè)計使用年限為同一數(shù)量級。態(tài)。持續(xù)期一般與設(shè)計使用年限為同一數(shù)量級。l 偶然狀況。在結(jié)構(gòu)使用過程

12、中出現(xiàn)概率很小，且持續(xù)期很短的在結(jié)構(gòu)使用過程中出現(xiàn)概率很小，且持續(xù)期很短的狀況，如火災(zāi)、爆炸、撞擊等。狀況，如火災(zāi)、爆炸、撞擊等。采用結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)對目標可靠指標進行修正。采用結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)對目標可靠指標進行修正。l 公路橋規(guī)規(guī)定承載能力極限狀態(tài)計算以塑性理論為基礎(chǔ)，設(shè)計原則公路橋規(guī)規(guī)定承載能力極限狀態(tài)計算以塑性理論為基礎(chǔ)，設(shè)計原則是作用效應(yīng)最不利組合（基本組合）的設(shè)計組必須小于或等于結(jié)構(gòu)抗是作用效應(yīng)最不利組合（基本組合）的設(shè)計組必須小于或等于結(jié)構(gòu)抗力的設(shè)計值。其基本表達式為：力的設(shè)計值。其基本表達式為：dSR0),(ddafRR 結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計值作用效應(yīng)設(shè)計值結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)材料強度設(shè)計值幾何

13、參數(shù)設(shè)計值l 公路橋規(guī)規(guī)定按正常使用極限狀態(tài)計算以彈性或彈塑性理論為基礎(chǔ)，公路橋規(guī)規(guī)定按正常使用極限狀態(tài)計算以彈性或彈塑性理論為基礎(chǔ)，采用作用效應(yīng)短期效應(yīng)組合、長期組合或短期效應(yīng)組合并考慮長期效采用作用效應(yīng)短期效應(yīng)組合、長期組合或短期效應(yīng)組合并考慮長期效應(yīng)影響，對構(gòu)件的抗裂性、裂縫寬度和撓度進行驗算，不超過規(guī)定限應(yīng)影響，對構(gòu)件的抗裂性、裂縫寬度和撓度進行驗算，不超過規(guī)定限值。其基本表達式為：值。其基本表達式為：1CS 2CS 作用效應(yīng)設(shè)計值正常使用要求限值 2. 2. 短暫狀況的驗算要求短暫狀況的驗算要求1. 1. 正常使用極限狀態(tài)的驗算要求正常使用極限狀態(tài)的驗算要求l 公路橋規(guī)還規(guī)定須針對對

14、施工階段，按短暫狀況對構(gòu)件的抗裂性、公路橋規(guī)還規(guī)定須針對對施工階段，按短暫狀況對構(gòu)件的抗裂性、裂縫寬度和撓度進行驗算，不超過規(guī)定限值。其基本表達式為：裂縫寬度和撓度進行驗算，不超過規(guī)定限值。其基本表達式為：短暫狀況作用效應(yīng)設(shè)計值短暫狀況功能要求限值永久荷載永久荷載可變荷載可變荷載 作 用偶然荷載偶然荷載 作 用的代表值標準值標準值永久荷載采用永久荷載采用頻遇值頻遇值可變荷載采用可變荷載采用準永久值準永久值可變荷載采用可變荷載采用1. 1. 作用和作用的代表值作用和作用的代表值 根據(jù)統(tǒng)計分析確定的一個95%保證率上限荷載分位值，稱為荷載標準值。按荷載標準值確定的荷載效應(yīng)，稱為荷載效應(yīng)標準值Sk。

15、有多個可變荷載同時作用的情況，考慮到它們同時達到標準值的可能性較小，考慮荷載組合系數(shù)1和2。 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)(21100njQjkQjkQQGikGidSSSS作用效應(yīng)設(shè)計值永久荷載標準值汽車荷載標準值可變荷載除汽車之外的作用效應(yīng)2. 2. 作用效應(yīng)組合作用效應(yīng)組合QjQGi,1為各項荷載分項系數(shù) 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QjkjGiksdSSS1短期組合設(shè)計值永久荷載標準值頻遇值系數(shù)準永久值系數(shù)QjkjGikldSSS2長期組合設(shè)計值1. 1. 材料強度的標準值和設(shè)計值材料強度的標準值和設(shè)計值

16、 材料強度標準值按材料強度標準值按95%95%的保證率推算，這相當于的保證率推算，這相當于)645. 11 (fkff材料強度設(shè)計值按標準值除以材料材料強度設(shè)計值按標準值除以材料性能分項系數(shù)算，其表達式為性能分項系數(shù)算，其表達式為mkdff2. 2. 混凝土的強度標準值和設(shè)計值混凝土的強度標準值和設(shè)計值混凝土立方體抗壓強度標準值，根據(jù)大量的標準試驗實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計混凝土立方體抗壓強度標準值，根據(jù)大量的標準試驗實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析得到，其值代表混凝土強度等級，即前述混凝土標號。分析得到，其值代表混凝土強度等級，即前述混凝土標號。混凝土軸心抗壓強度，根據(jù)大量樣本的棱柱體與立方體抗壓試驗對比結(jié)混凝土

17、軸心抗壓強度，根據(jù)大量樣本的棱柱體與立方體抗壓試驗對比結(jié)果，并假設(shè)其變異系數(shù)相同，可根據(jù)立方體強度換算得到，見書果，并假設(shè)其變異系數(shù)相同，可根據(jù)立方體強度換算得到，見書2-252-25?；炷量估瓘姸葮藴手档耐魄箢愃戚S壓強度，其推算公式見書混凝土抗拉強度標準值的推求類似軸壓強度，其推算公式見書2-272-27。強度設(shè)計值按材料性能分項系數(shù)為強度設(shè)計值按材料性能分項系數(shù)為1.451.45取值計算。取值計算。3. 3. 鋼筋的強度設(shè)計值鋼筋的強度設(shè)計值：對熱軋鋼筋、精軋螺紋鋼筋材料系數(shù)?。簩彳堜摻?、精軋螺紋鋼筋材料系數(shù)取1.21.2，鋼絲、鋼絞線取材料系數(shù)，鋼絲、鋼絞線取材料系數(shù)1.471.47

18、材料強度設(shè)計值材料強度設(shè)計值KL400(20MnSi)cckcffssksdff表 4.2 混凝土強度設(shè)計值（N/mm2）混 凝 土 強 度 等 級強度種類符號C15C20C25C30C35C40軸心抗壓強度fc7.29.611.914.316.719.1軸心抗拉強度ft0.911.101.271.431.571.71混 凝 土 強 度 等 級C45C50C55C60C65C70C75C8021.223.125.327.529.731.833.835.91.801.891.962.042.092.142.182.22表 4.3 普通鋼筋強度設(shè)計值（N/mm2）種 類符號fskyfdR235(Q235)235195HRB335(20MnSi)335280熱軋鋼筋HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)400330kPSRZP)0(1. R R、S S假設(shè)相互獨立，假設(shè)相互獨立，R R按隨機變量、按隨機變量、S S按隨機過程進行統(tǒng)計分析，按隨機過程進行統(tǒng)計分析，于是可得出書中的可靠指標計算式，基于此，將可靠度表達式化于是可得出書中的可靠指標計算