第3章混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法

1、 第 3 章混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法本 章 提 要我國(guó)現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是：以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，以可靠指標(biāo)度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度，采用以分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，本章內(nèi)容圍繞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總目標(biāo)，對(duì)結(jié)構(gòu)的功能要求、結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)、結(jié)構(gòu)上的作用、荷載的代表值、各種作用的效應(yīng)及結(jié)構(gòu)的抗力和滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度要求的材料強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)及荷載分項(xiàng)系數(shù)等均提出了明確的要求，最終使讀者明確以概率理論為基礎(chǔ)的各種極限狀態(tài)表達(dá)方法，并以此作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)。3.1 極 限 狀 態(tài)3.1.1 結(jié)構(gòu)上的作用、作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力1. 結(jié)構(gòu)上的作用使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力或變形的原因稱為“作用”，分直接作

2、用和間接作用兩種。(1) 直接作用：荷載(2) 間接作用：混凝土的收縮、溫度變化、基礎(chǔ)的差異沉降、地震等。間接作用不僅與外界因素有關(guān)，還與結(jié)構(gòu)本身的特性有關(guān)。例如，地震對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用，不僅與地震加速度有關(guān)，還與結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性有關(guān)，所以不能把地震作用稱為“地震荷載”。2. 作用效應(yīng)結(jié)構(gòu)上的作用使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力（如彎矩、剪力、軸向力、扭矩等）、變形、裂縫等統(tǒng)稱為作用效應(yīng)或荷載效應(yīng)。荷載與荷載效應(yīng)之間通常按某種關(guān)系相聯(lián)系。S C × Q 荷載 荷載效應(yīng)系數(shù) 荷載效應(yīng)3. 荷載的分類按作用時(shí)間的長(zhǎng)短和性質(zhì)，荷載可分為三類：1)永久荷載 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用期間，其值不隨時(shí)間而變化，或其變化與平

3、均值相比可以忽略不計(jì)，或其變化是單調(diào)的并能趨于限值的荷載。例如，結(jié)構(gòu)的自身重力、土壓力、預(yù)應(yīng)力等荷載，永久荷載又稱恒荷載。2)可變荷載 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用期內(nèi)其值隨時(shí)間而變化，其變化與平均值相比不可忽略的荷載。例如，樓面活荷載、吊車荷載、風(fēng)荷載、雪荷載等，可變荷載又稱活荷載。3)偶然荷載 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用期內(nèi)不一定出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)，其值很大且持續(xù)時(shí)間很短的荷載。例如，爆炸力、撞擊力等。4. 荷載的標(biāo)準(zhǔn)值具有一定概率（一般為95%）的最大荷載值稱為荷載標(biāo)準(zhǔn)值。荷載標(biāo)準(zhǔn)值是荷載的基本代表值。對(duì)于結(jié)構(gòu)自重可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸和材料的重力密度確定；可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值由設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)最大荷載概率分布的某個(gè)分位值確

4、定。3.1.2 結(jié)構(gòu)的功能要求1. 結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)我國(guó)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)破壞時(shí)可能產(chǎn)生的后果嚴(yán)重與否，分為三個(gè)安全等級(jí)：一級(jí)破壞后果很嚴(yán)重、重要的建筑物；二級(jí)破壞后果嚴(yán)重、一般的建筑物；三級(jí)破壞后果不嚴(yán)重、次要建筑物。對(duì)人員比較集中使用頻繁的影劇院、體育館等，安全等級(jí)宜按一級(jí)設(shè)計(jì)；建筑物中梁、柱等各類構(gòu)件的安全等級(jí)一般應(yīng)與整個(gè)建筑物的安全等級(jí)相同。2. 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限，是指設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件不需進(jìn)行大修即可按其預(yù)定目的使用的時(shí)期。一般建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限可為50年。各類工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限是不應(yīng)統(tǒng)一的。例如，橋梁應(yīng)比房屋的設(shè)計(jì)使用年限長(zhǎng)，大壩的設(shè)計(jì)使用年限更長(zhǎng)。注意：結(jié)構(gòu)

5、的設(shè)計(jì)使用年限雖與其使用壽命有聯(lián)系，但不等同。超過(guò)設(shè)計(jì)使用年限的結(jié)構(gòu)并不是不能使用，而是指它的可靠度降低了。3. 建筑結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件在規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，在正常維護(hù)條件下，應(yīng)能保持其使用功能，而不需進(jìn)行大修加固。應(yīng)該滿足的功能要求可概括為：(1)安全性 建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受正常施工和正常使用時(shí)可能出現(xiàn)的各種荷載和變形，在偶然事件（如地震、爆炸等）發(fā)生時(shí)和發(fā)生后保持必需的整體穩(wěn)定性，不致發(fā)生倒塌。(2)適用性 結(jié)構(gòu)在正常使用過(guò)程中應(yīng)具有良好的工作性。例如，不產(chǎn)生影響使用的過(guò)大變形或振幅，不發(fā)生足以讓使用者不安的過(guò)寬的裂縫等。(3)耐久性 結(jié)構(gòu)在正常維護(hù)條件下應(yīng)有足夠的耐久性，完好使

6、用到設(shè)計(jì)規(guī)定的年限，即設(shè)計(jì)使用年限。例如，混凝土不發(fā)生嚴(yán)重風(fēng)化、腐蝕、脫落，鋼筋不發(fā)生銹蝕等。3.1.3 結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(tài)能完成預(yù)定的各項(xiàng)功能時(shí)，結(jié)構(gòu)處于有效狀態(tài)；反之，則處于失效狀態(tài)，有效狀態(tài)和失效狀態(tài)的分界，稱為極限狀態(tài)，是結(jié)構(gòu)開(kāi)始失效的標(biāo)志。極限狀態(tài)可分為二類。1. 承載能力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或者達(dá)到不適于繼續(xù)承載的變形狀態(tài)，稱為承載能力極限狀態(tài)。超過(guò)承載能力極限狀態(tài)后，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件就不能滿足安全性的要求。如：(1) 材料強(qiáng)度不夠而破壞；(2) 因疲勞而破壞；(3) 產(chǎn)生過(guò)大的塑性變形而不能繼續(xù)承載；(4) 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定；(5) 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系。2. 正常使用極

7、限狀態(tài)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能中某項(xiàng)規(guī)定限度的狀態(tài)稱為正常使用極限狀態(tài)。超過(guò)了正常使用極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件就不能保證適用性和耐久性的功能要求。例如：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件出現(xiàn)影響正常使用的過(guò)大變形、過(guò)寬裂縫、局部損壞和振動(dòng)。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件按承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算后，還應(yīng)該按正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算。3.1.4 極 限 狀 態(tài) 方 程1. 承載能力極限狀態(tài)函數(shù)結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)可以用極限狀態(tài)函數(shù)來(lái)表達(dá)。承載能力極限狀態(tài)函數(shù)可表示為Z = R S （3-1）式中 S 表示荷載效應(yīng)，它代表由各種荷載分別產(chǎn)生的荷載效應(yīng)的總和；R 表示結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力。2. 結(jié)構(gòu)狀態(tài)根據(jù)S、R的取值不同，Z值可能出現(xiàn)三種情況：Z =

8、 R-S 0 時(shí), 結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；Z = R-S 0 時(shí), 結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)。Z = R-S 0 時(shí), 結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)；圖3-1 極限狀態(tài)方程取值示意圖3功能函數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常考慮的不僅是結(jié)構(gòu)的承載能力，多數(shù)場(chǎng)合還需要考慮結(jié)構(gòu)對(duì)變形或開(kāi)裂等的抵抗能力，也就是說(shuō)要考慮結(jié)構(gòu)的適用性和耐久性的要求。由此，上述的極限狀態(tài)方程可推廣為Z = g(x1，x2，xn) （3-2）式中，g()是函數(shù)記號(hào)，在這里稱為功能函數(shù)。g()由所研究的結(jié)構(gòu)功能而定，可以是承載能力，也可以是變形或裂縫寬度等。x1，x2，xn 為影響該結(jié)構(gòu)功能的各種荷載效應(yīng)以及材料強(qiáng)度、構(gòu)件的幾何尺寸等。3.2 按近似概率的極限狀態(tài)設(shè)

9、計(jì)法3.2.1 結(jié) 構(gòu) 的 可 靠 度結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的能力稱為結(jié)構(gòu)的可靠性（規(guī)定時(shí)間是指結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限，規(guī)定條件，是指正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用和維護(hù)的條件，不包括非正常的，例如人為的錯(cuò)誤等）。結(jié)構(gòu)的可靠度是結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量，即結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)工作壽命內(nèi)，在正常條件下，完成預(yù)定功能的概率。因此，結(jié)構(gòu)的可靠度是用可靠概率Ps來(lái)描述的。3.2.2 可靠指標(biāo)與失效概率1. 結(jié)構(gòu)的失效概率結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間和條件下不能完成預(yù)定功能的概率Pf, Pf為失效概率。Ps + Pf = 1.02. 失效概率Pf的計(jì)算方法(1) S和R的概率密度曲線設(shè)構(gòu)件的荷載效應(yīng)S、抗力R

10、，都是服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量且二者為線性關(guān)系。S、R的平均值分別為S、R，標(biāo)準(zhǔn)差分別為S、R， S和R的概率密度曲線如圖3一2所示。圖3-2 R，S的概率密度分布曲線按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，顯然R應(yīng)該大于S。從圖中的概率密度曲線可以看到，在多數(shù)情況下構(gòu)件的抗力R大于荷載效應(yīng)S。但是，由于離散性，在S、R的概率密度曲線的重疊區(qū)（陰影部分），仍有可能出現(xiàn)構(gòu)件的抗力R小于荷載效應(yīng)S的情況。重疊區(qū)的大小與S、R以及S、R有關(guān)。所以，加大平均值之差R-S，減小標(biāo)準(zhǔn)差S和R可以使重疊的范圍減小，失效概率降低。(2) Z的概率密度分布曲線同前，若令Z=RS，Z也應(yīng)該是服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量。圖3一3表示Z的概率

11、密度分布曲線。圖3-3 可靠指標(biāo)與失效概率關(guān)系示意圖圖中的陰影部分表示出現(xiàn)Z0事件的概率，也就是構(gòu)件失效的概率Pf，計(jì)算失效概率Pf比較麻煩，故改用一種可靠指標(biāo)的計(jì)算方法。(3) 可靠指標(biāo)從圖3-3可以看到，陰影部分的面積與Z和Z的大小有關(guān)：增大Z，曲線右移，陰影面積將減少；減小Z，曲線變得高而窄，陰影面積也將減少。如果將曲線對(duì)稱軸至縱軸的距離表示成Z的倍數(shù)，取Z = Z （3-6）則 =Z/Z = (R-S)/ (3-7)可以看出大，則失效概率小。所以，和失效概率一樣可作為衡量結(jié)構(gòu)可靠度的一個(gè)指標(biāo)，稱為可靠指標(biāo)。(4) 與失效概率Pf的對(duì)應(yīng)關(guān)系3. 目標(biāo)可靠指標(biāo) 建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)根

12、據(jù)結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)和破壞類型，規(guī)定了按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)的目標(biāo)可靠指標(biāo)，見(jiàn)表3-3。 結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞類型分為延性破壞和脆性破壞兩類。延性破壞有明顯的預(yù)兆，可及時(shí)采取補(bǔ)救措施，所以目標(biāo)可靠指標(biāo)可定得稍低些。脆性破壞常常 是突發(fā)性破壞，破壞前沒(méi)有明顯的預(yù)兆，所以目標(biāo)可靠指標(biāo)就應(yīng)該定得高一些。 用可靠指標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和可靠度校核，可以較全面地考慮可靠度影響因素的客觀變異性，使結(jié)構(gòu)滿足預(yù)期的可靠度要求。3.3 實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式3.3.1 分 項(xiàng) 系 數(shù) 對(duì)于一般常見(jiàn)的工程結(jié)構(gòu)，采用可靠指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)工作量大，有時(shí)會(huì)遇到統(tǒng)計(jì)資料不足而無(wú)法進(jìn)行的困難?？紤]到多年來(lái)的設(shè)計(jì)習(xí)慣和實(shí)用上的簡(jiǎn)便，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

13、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)提出了便于實(shí)際使用的設(shè)計(jì)表達(dá)式，稱為實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式。 例如，永久荷載和可變荷載組合下的設(shè)計(jì)表達(dá)式為R /R GG +QQ （3-8）(1) 抗力分項(xiàng)系數(shù) R(2) 永久荷載分項(xiàng)系數(shù) G(3) 可變荷載分項(xiàng)系數(shù) Q3.3.2 承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式1. 承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單表達(dá)式 0S R （3-22）Sk sSk 0S R Rk /R Rk荷載效應(yīng) 荷載效應(yīng) 荷載效應(yīng) 承載能力 結(jié)構(gòu)抗力 結(jié)構(gòu)抗力標(biāo)準(zhǔn)值 設(shè)計(jì)值 組合值 設(shè)計(jì)值 設(shè)計(jì)值 標(biāo)準(zhǔn)值式中 0結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性系數(shù)。2. 荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值S實(shí)際上荷載效應(yīng)中的荷載有永久荷載和可變荷載，并且可變荷載不止一個(gè)，多個(gè)可變荷載也

14、不一定會(huì)同時(shí)發(fā)生，例如，高層建筑各樓層可變荷載全部滿載且遇到最大風(fēng)荷載的可能性就不大。為此，考慮到兩個(gè)或兩個(gè)以上可變荷載同時(shí)出現(xiàn)的可能性較小，引入荷載組合值系數(shù)對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)值折減。按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮作用效應(yīng)的基本組合，必要時(shí)尚應(yīng)考慮作用效應(yīng)的偶然組合。對(duì)于基本組合，荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值S應(yīng)從由可變荷載效應(yīng)控制的組合和由永久荷載效應(yīng)控制的兩組組合中取最不利值確定:(1) 對(duì)由可變荷載效應(yīng)控制的組合，其承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式一般形式為(3-24)(2) 對(duì)由永久荷載效應(yīng)控制的組合，其承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式的一般形式為（3-25）式中 0 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性系數(shù)，與安全等級(jí)對(duì)應(yīng)。對(duì)安

15、全等級(jí)為一級(jí)或設(shè)計(jì)使用年限為100年及以上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不應(yīng)小于1.1；對(duì)二級(jí)或設(shè)計(jì)使用年限為50年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不應(yīng)小于1.0；對(duì)三級(jí)或設(shè)計(jì)使用年限為5年及以下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不應(yīng)小于0.9；在抗震設(shè)計(jì)中，不考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性系數(shù)；G 永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)。當(dāng)永久荷載效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)，對(duì)由可變荷載效應(yīng)控制的組合G = 1.2；由永久荷載效應(yīng)控制的組合G = 1.35。當(dāng)永久荷載效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)，取G =1.0；Q1、Qi 可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)。Q1、Qi一般取1.4；SGk、SQ1k、SQik 分別為永久荷載、第一種可變荷載、其他可變荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值，如荷載引起的彎矩、剪力、軸力和變形等；ci 可變荷載的組

16、合值系數(shù)。以上不等式右側(cè)為結(jié)構(gòu)承載力，用承載力函數(shù)R（）表示，表明其為混凝土和鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（fck、fsk）、分項(xiàng)系數(shù)（c、s）、幾何尺寸標(biāo)準(zhǔn)值（ak）以及其他參數(shù)的函數(shù)。3. 一般排架和框架結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化表達(dá)式對(duì)于一般常遇的排架結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)，為了計(jì)算方便，可變荷載的影響大小可不予區(qū)分，并采用相同的組合值系數(shù)。對(duì)由可變荷載效應(yīng)控制的組合，其設(shè)計(jì)表達(dá)式可以簡(jiǎn)化表達(dá)為 （3-28）對(duì)由永久荷載效應(yīng)控制的組合，其承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式仍為（3-25）。3.3.3 正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，主要是驗(yàn)算構(gòu)件的變形和抗裂度或裂縫寬度。按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，變形過(guò)大或裂縫過(guò)寬雖

17、影響正常使用，但危害程度不及承載力引起的結(jié)構(gòu)破壞造成的損失那么大，所以可適當(dāng)降低對(duì)可靠度的要求。計(jì)算時(shí)取荷載標(biāo)準(zhǔn)值，不需乘分項(xiàng)系數(shù)，也不考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)0。1. 正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單表達(dá)式Sk Rk2. 可變荷載的準(zhǔn)永久值系數(shù)和頻遇值系數(shù)在正常使用狀態(tài)下，可變荷載作用時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)于變形和裂縫的大小顯然是有影響的?？勺兒奢d的最大值并非長(zhǎng)期作用于結(jié)構(gòu)之上，所以應(yīng)按其在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)作用時(shí)間的長(zhǎng)短和可變荷載超越總時(shí)間或超越次數(shù)，對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行折減。建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)采用一個(gè)小于1的準(zhǔn)永久值系數(shù)和頻遇值系數(shù)來(lái)考慮這種折減。(1) 準(zhǔn)永久值系數(shù)， 是根據(jù)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)荷載達(dá)到和超過(guò)該值的總持

18、續(xù)時(shí)間與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)總持續(xù)時(shí)間的比值而確定。(2) 頻遇值系數(shù)，是根據(jù)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期間可變荷載超越的總時(shí)間或超越的次數(shù)來(lái)確定的。3. 可變荷載的準(zhǔn)永久值和頻遇值準(zhǔn)永久值 = 可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值×準(zhǔn)永久值系數(shù)(q)頻遇值 = 可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值×頻遇值系數(shù)(f)4. 可變荷載的代表值可變荷載有四種代表值，即標(biāo)準(zhǔn)值、組合值、準(zhǔn)永久值和頻遇值。其中標(biāo)準(zhǔn)值稱為基本代表值，其他代表值可由基本代表值乘以相應(yīng)的系數(shù)得到。各類可變荷載和相應(yīng)的組合值系數(shù)、準(zhǔn)永久值系數(shù)、頻遇值系數(shù)可在荷載規(guī)范中查到。2. 荷載效應(yīng)組合的標(biāo)準(zhǔn)值Sk根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的需要，常須區(qū)分荷載的短期作用（標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合）和荷載的長(zhǎng)

19、期作用（準(zhǔn)永久組合）下構(gòu)件的變形大小和裂縫寬度驗(yàn)算。所以，建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定按不同的設(shè)計(jì)目的，分別選用荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合和荷載的準(zhǔn)永久組合。(1) 荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合標(biāo)準(zhǔn)組合主要用于當(dāng)一個(gè)極限狀態(tài)被超越時(shí)將產(chǎn)生嚴(yán)重的永久性損害的情況。按荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，荷載效應(yīng)組合的標(biāo)準(zhǔn)值Sk應(yīng)按下式計(jì)算 （3一26）(2) 荷載的頻遇組合頻遇組合主要用于當(dāng)一個(gè)極限狀態(tài)被超越時(shí)將產(chǎn)生局部損害、較大變形或短暫振動(dòng)的情況。按荷載的頻遇組合時(shí)，荷載效應(yīng)組合的標(biāo)準(zhǔn)值Sk應(yīng)按下式計(jì)算 （3一27）(3) 荷載的準(zhǔn)永久組合準(zhǔn)永久組合主要用于當(dāng)長(zhǎng)期效應(yīng)是決定性因素的情況。按荷載的準(zhǔn)永久組合時(shí)，荷載效應(yīng)組合的標(biāo)

20、準(zhǔn)值Sk應(yīng)按下式計(jì)算（3一26a）3.3.4 按極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)材料強(qiáng)度和荷載的取值1鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)于鋼材，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中已規(guī)定了每一種鋼材的廢品限值。抽樣檢查中如發(fā)現(xiàn)某爐鋼材的屈服強(qiáng)度達(dá)不到此限值，即作為廢品處理。例如，HPB235 (Q235)鋼筋，其廢品限值為235N/mm2。確定的這個(gè)廢品限值大體能滿足保證率為97. 73，即平均值減去二倍的標(biāo)準(zhǔn)差。這一保證率已高于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的保證率95的要求，因而混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中取國(guó)家冶金局標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的廢品限值作為鋼筋強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值。熱軋鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值用fyk表示，取等于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)頒布的屈服強(qiáng)度的廢品限值；預(yù)應(yīng)力鋼絞線、鋼絲和熱處理鋼

21、筋的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值用fPtk 表示, 系根據(jù)極限抗拉強(qiáng)度確定(條件屈服點(diǎn)0.85b)。圖3-5 鋼筋屈服強(qiáng)度頻率分布圖2. 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值用fcu,k表示。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的保證率95的要求，混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取平均值減1. 645倍的標(biāo)準(zhǔn)差。fcu,k fcu1.645fcu式中 fcu,k 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的平均值，（N /mm2）；fcu 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的平均值，（N /mm2）；f 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差。 圖3-6 混凝土立方體強(qiáng)度頻率分布圖3分項(xiàng)系數(shù)和設(shè)計(jì)值(1) 材料強(qiáng)度的分項(xiàng)系數(shù)和設(shè)計(jì)值鋼筋強(qiáng)度的分項(xiàng)系數(shù)s 根據(jù)鋼筋

22、種類不同，取值范圍在1.11.5；混凝土強(qiáng)度的分項(xiàng)系數(shù)C 規(guī)定為1.4。材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 = 材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 / 材料的分項(xiàng)系數(shù)?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中同時(shí)給出了鋼筋和混凝土強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值。 附表2-1附表2-2附表2-6附表2-7附表2-8附表2-9(2) 荷載分項(xiàng)系數(shù)和設(shè)計(jì)值永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)，根據(jù)其效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)不利和有利分別取1.2（或1.35）和1.0，可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)一般取1.4。設(shè)計(jì)中為了使得結(jié)構(gòu)達(dá)到規(guī)定的可靠指標(biāo)，在計(jì)算中應(yīng)采用荷載設(shè)計(jì)值進(jìn)行計(jì)算。荷載設(shè)計(jì)值荷載的標(biāo)準(zhǔn)值 × 荷載分項(xiàng)系數(shù) 思 考 題3.1 結(jié)構(gòu)可靠性的含義是什么？它包含哪些功能要求？結(jié)構(gòu)超過(guò)極限狀態(tài)

23、會(huì)產(chǎn)生什么后果？建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)是按什么原則劃分的？答：結(jié)構(gòu)可靠性是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定時(shí)間(設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期)內(nèi)，在規(guī)定條件下(正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用和維護(hù))完成預(yù)定功能的能力。它的功能要求為: (1)安全性 ； (2)適用性； (3)耐久性。當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件超過(guò)承載能力極限狀態(tài)，就可能產(chǎn)生以下后果：由于材料強(qiáng)度不夠而破壞，或因疲勞而破壞，或產(chǎn)生過(guò)大的塑性變形而不能繼續(xù)承載，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定；結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系。超過(guò)這一極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)或其構(gòu)件就不能滿足其預(yù)定的安全性要求。 當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件超過(guò)了正常使用極限狀態(tài)，就可能產(chǎn)生以下后果：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件出現(xiàn)影響正常使用的過(guò)大變形、過(guò)寬裂縫、局部損壞和振動(dòng)。超過(guò)這一極

24、限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)或其構(gòu)件就不能滿足其預(yù)定的適用性或耐久性要求。我國(guó)是根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)破壞時(shí)可能產(chǎn)生的后果嚴(yán)重與否，分為三個(gè)安全等級(jí)。見(jiàn)下表：安全等級(jí)破壞后的影響程度建筑物的類型一級(jí)很嚴(yán)重重要的建筑物二級(jí)嚴(yán)重一般的建筑物三級(jí)不嚴(yán)重次要的建筑物3.2 “作用”和“荷載”有什么區(qū)別？為什么說(shuō)構(gòu)件的抗力是一個(gè)隨機(jī)變量？答：使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力或變形的原因稱為“作用”，分直接作用和間接作用兩種。 荷載是直接作用，混凝土的收縮、溫度變化、基礎(chǔ)的差異沉降、地震等引起結(jié)構(gòu)外形或約束的原因稱為間接作用。構(gòu)件的抗力可能隨時(shí)間和空間發(fā)生變化，且這種變化在大多數(shù)情況下都是隨機(jī)的，只能用隨機(jī)變量或隨機(jī)過(guò)程來(lái)描述。 3.3 什么是結(jié)構(gòu)

25、的極限狀態(tài)？結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)分為幾類，其含義各是什么？答：整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過(guò)某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)的分類： 1）承載力極限狀態(tài)：結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)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。2）正常使用極限狀態(tài)：結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項(xiàng)規(guī)定限值。 3.4 建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足哪些功能要求？結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作壽命如何確定？結(jié)構(gòu)超過(guò)其設(shè)計(jì)工作壽命是否意味著不能再使用？為什么？答：建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足的功能要求概括為：安全性、適用性、耐久性。 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限，是指設(shè)計(jì)規(guī)定的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件不需進(jìn)行大修即可按其預(yù)定目的使

26、用的時(shí)期。設(shè)計(jì)使用年限可按建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)確定，業(yè)主可提出要求，經(jīng)主管部門(mén)批準(zhǔn)，也可按業(yè)主的要求確定。 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限雖與其使用壽命有聯(lián)系，但不等同。超過(guò)設(shè)計(jì)使用年限并不是不能使用，而是指它的可靠度降低了。3.5 正態(tài)分布概率密度曲線有哪些數(shù)字特征？這些數(shù)字特征各表示什么意義？正態(tài)分布概率密度曲線有何特點(diǎn)？ 答：正態(tài)分布概率密度曲線有三個(gè)數(shù)字特征： 1）平均值，它為隨機(jī)變量取值的水平，它表示隨機(jī)變量取值的集中位置。平均值愈大，則分布曲線的高峰點(diǎn)離開(kāi)縱坐標(biāo)軸的水平距離愈遠(yuǎn)。 2）標(biāo)準(zhǔn)差，它是隨機(jī)變量方差的正二次方根，它表示隨機(jī)變量的離散程度。標(biāo)準(zhǔn)差愈大時(shí)，分布曲線愈扁平，說(shuō)明變量分

27、布的離散性愈大3）變異系數(shù)，它為隨機(jī)變量標(biāo)準(zhǔn)差除以其平均值的絕對(duì)值的商，它表示隨機(jī)變量取值的相對(duì)離散程度。如果有兩批數(shù)據(jù)，它們的標(biāo)準(zhǔn)差相同，但平均值不相同，則平均值較小的這組數(shù)據(jù)中，各觀測(cè)值的相對(duì)離散程度較大。正態(tài)分布概率密度曲線特點(diǎn):1）曲線上有且只有一個(gè)高峰；2）有一根對(duì)稱軸；3）當(dāng)x趨于+¥或-¥時(shí)，曲線的縱坐標(biāo)均趨于零；4）對(duì)稱軸左、右兩邊各有一個(gè)反彎點(diǎn)，反彎點(diǎn)也對(duì)稱于對(duì)稱軸。3.6 材料強(qiáng)度是服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量x，其概率密度為f(x)，怎樣計(jì)算材 料強(qiáng)度大于某一取值x。的概率P(x>x。)？3.7什么叫結(jié)構(gòu)的可靠度和可靠指標(biāo)？我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)

28、結(jié)構(gòu)可靠度是如何定義的？答：結(jié)構(gòu)可靠性是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定時(shí)間（設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期）內(nèi)，規(guī)定條件下（正常設(shè)計(jì)、正常使用和正常維修）能完成預(yù)定功能的能力，可靠度是其完成預(yù)定功能的概率?？煽恐笜?biāo)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)坐標(biāo)系中，原點(diǎn)至極限狀態(tài)曲面的最短距離。在抗力和作用效應(yīng)相互獨(dú)立，且都服從正態(tài)分布的簡(jiǎn)單情況下：3.8 什么是結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)？什么是結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)？功能函數(shù)Z0、ZO和 Z=0時(shí)各表示結(jié)構(gòu)處于什么樣的狀態(tài)？答： 設(shè)R為結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力， S為荷載效應(yīng)，則 Z=R S 就是結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)。Z0是結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)。 功能函數(shù)Z>0表示結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)，Z<0表示結(jié)構(gòu)處于失效（破壞）狀態(tài)，Z0時(shí)表示結(jié)構(gòu)處于極限

29、狀態(tài)。3.9 什么是結(jié)構(gòu)可靠概率Ps和失效概率pf?什么是目標(biāo)可靠指標(biāo)？可靠指標(biāo)與結(jié)構(gòu)失效概率有何定性關(guān)系？怎樣確定可靠指標(biāo)？為什么說(shuō)我國(guó)“規(guī)范”采用的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法是近似概率設(shè)計(jì)方法？其主要特點(diǎn)是什么？3.10 我國(guó)“規(guī)范”承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式采用何種形式？說(shuō)明式中各符號(hào)的物理意義及荷載效應(yīng)基本組合的取值原則。式中可靠指標(biāo)體現(xiàn)在何處？ 答：對(duì)于承載力能力極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)按荷載效應(yīng)的基本組合或偶然組合，采用下列極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式： 式中 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)； S 荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值； R 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)值； R（·）結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力函數(shù)； fc、fs混凝土、鋼筋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值； ak幾何參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值；