混凝土結(jié)構(gòu)及砌體結(jié)構(gòu)-第三章混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則

1、第第3 3章章 混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求3.2 概率極限狀態(tài)設(shè)計方法概率極限狀態(tài)設(shè)計方法3.3 概率極限狀態(tài)設(shè)計法的使用設(shè)計表達(dá)式概率極限狀態(tài)設(shè)計法的使用設(shè)計表達(dá)式第3章 混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則第3章 混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則3.1 3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求3.1.1 3.1.1 結(jié)構(gòu)的功能要求結(jié)構(gòu)的功能要求安全性安全性 如（如（MMu） 結(jié)構(gòu)在預(yù)定的使用期間內(nèi)（結(jié)構(gòu)在預(yù)定的使用期間內(nèi)（一般為一般為50年年），應(yīng)能承受在），應(yīng)能承受在正常施工、正常使用情況下可能出現(xiàn)的各種荷載、外加變形正常施工、正常使用情況下可能出現(xiàn)的各種荷載、

2、外加變形（如超靜定結(jié)構(gòu)的支座不均勻沉降）、約束變形（如溫度和（如超靜定結(jié)構(gòu)的支座不均勻沉降）、約束變形（如溫度和收縮變形受到約束時）等的作用。收縮變形受到約束時）等的作用。 在偶然事件（如地震、爆炸）發(fā)生時和發(fā)生后，結(jié)構(gòu)應(yīng)在偶然事件（如地震、爆炸）發(fā)生時和發(fā)生后，結(jié)構(gòu)應(yīng)能保持整體穩(wěn)定性，不應(yīng)發(fā)生倒塌或連續(xù)破壞而造成生命財能保持整體穩(wěn)定性，不應(yīng)發(fā)生倒塌或連續(xù)破壞而造成生命財產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失。產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失。適用性適用性 如（如（f f ） 結(jié)構(gòu)在正常使用期間，具有良好的工作性能。如不發(fā)生影結(jié)構(gòu)在正常使用期間，具有良好的工作性能。如不發(fā)生影響正常使用的過大的變形（撓度、側(cè)移）、振動（頻率、振響正常使用的

3、過大的變形（撓度、側(cè)移）、振動（頻率、振幅），或產(chǎn)生讓使用者感到不安的過大的裂縫寬度。幅），或產(chǎn)生讓使用者感到不安的過大的裂縫寬度。耐久性耐久性 如（如（wmax wmax） 結(jié)構(gòu)在正常使用和正常維護(hù)條件下，應(yīng)具有足夠的耐久性。結(jié)構(gòu)在正常使用和正常維護(hù)條件下，應(yīng)具有足夠的耐久性。即在各種因素的影響下（即在各種因素的影響下（混凝土碳化、鋼筋銹蝕混凝土碳化、鋼筋銹蝕），），結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的承載力和剛度承載力和剛度不應(yīng)隨時間有過大的降低，而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在其預(yù)不應(yīng)隨時間有過大的降低，而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在其預(yù)定使用期間內(nèi)喪失安全性和適用性，降低使用壽命。定使用期間內(nèi)喪失安全性和適用性，降低使用壽命。第3章 混凝土結(jié)構(gòu)的

4、設(shè)計原則結(jié)構(gòu)的可靠性結(jié)構(gòu)的可靠性 可靠性可靠性安全性、適用性和耐久性的總稱安全性、適用性和耐久性的總稱就是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期限內(nèi)（設(shè)計工作壽命就是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期限內(nèi)（設(shè)計工作壽命=50年），年），在規(guī)定的條件下（在規(guī)定的條件下（正常設(shè)計、正常施工、正常使用和維護(hù)正常設(shè)計、正常施工、正常使用和維護(hù)），），完成預(yù)定結(jié)構(gòu)功能的能力；建筑類別不同使用年限不同，具完成預(yù)定結(jié)構(gòu)功能的能力；建筑類別不同使用年限不同，具體值如表體值如表3.1所示。所示。結(jié)構(gòu)可靠性越高，建設(shè)造價投資越大。結(jié)構(gòu)可靠性越高，建設(shè)造價投資越大。如何在結(jié)構(gòu)可靠與經(jīng)濟(jì)之間取得均衡如何在結(jié)構(gòu)可靠與經(jīng)濟(jì)之間取得均衡，就是設(shè)計方，就是

5、設(shè)計方法要解決的問題。法要解決的問題。第3章 混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則顯然這種可靠與經(jīng)濟(jì)的均衡受到多方面的影響，如國家顯然這種可靠與經(jīng)濟(jì)的均衡受到多方面的影響，如國家經(jīng)濟(jì)實力、設(shè)計工作壽命、維護(hù)和修復(fù)等。經(jīng)濟(jì)實力、設(shè)計工作壽命、維護(hù)和修復(fù)等。規(guī)范規(guī)定的設(shè)計方法，是這種均衡的最低限度，也是國規(guī)范規(guī)定的設(shè)計方法，是這種均衡的最低限度，也是國家法律。家法律。設(shè)計人員可以根據(jù)具體工程的重要程度、使用環(huán)境和情設(shè)計人員可以根據(jù)具體工程的重要程度、使用環(huán)境和情況，以及業(yè)主的要求，提高設(shè)計水準(zhǔn)，增加結(jié)構(gòu)的可況，以及業(yè)主的要求，提高設(shè)計水準(zhǔn)，增加結(jié)構(gòu)的可靠度?？慷取＝?jīng)濟(jì)的概念不僅包括第一次建設(shè)費用，還應(yīng)考經(jīng)濟(jì)的概念

6、不僅包括第一次建設(shè)費用，還應(yīng)考慮維修，損失及修復(fù)的費用慮維修，損失及修復(fù)的費用第3章 混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則3.1.2 3.1.2 結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)能夠滿足功能要求而良好地工作，則稱結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)能夠滿足功能要求而良好地工作，則稱結(jié)構(gòu)是“可靠可靠”的或的或“有效有效”的。反之，則結(jié)構(gòu)為的。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“失效失效”的臨界工作狀態(tài)稱為的臨界工作狀態(tài)稱為“極限極限狀態(tài)狀態(tài)”第3章 混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則承載力能力極限狀態(tài)承載力能力極限狀態(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超過該極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不能滿足預(yù)定的

7、安全性功能要求 結(jié)構(gòu)整體或其中一部分作為剛體失去平衡（如傾覆、滑移）；結(jié)構(gòu)整體或其中一部分作為剛體失去平衡（如傾覆、滑移）； 結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因材料強度破壞，或者過度的塑性變形而不適結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因材料強度破壞，或者過度的塑性變形而不適于繼續(xù)承受荷載；于繼續(xù)承受荷載； 結(jié)構(gòu)形成結(jié)構(gòu)形成幾何可變體系幾何可變體系（超靜定結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)足夠多塑性鉸）（超靜定結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)足夠多塑性鉸） 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如細(xì)長受壓構(gòu)件的壓曲失穩(wěn)）結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如細(xì)長受壓構(gòu)件的壓曲失穩(wěn)）第3章 混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài) 超過該極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不能滿足預(yù)定的適用性和耐久性超過該極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就

8、不能滿足預(yù)定的適用性和耐久性的功能要求。的功能要求。 影響正常使用或外觀的變形、側(cè)移（影響非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、影響正常使用或外觀的變形、側(cè)移（影響非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、不安全感、不能正常使用（吊車）等）；不安全感、不能正常使用（吊車）等）； 影響正常使用或耐久性能的局部損壞（鋼筋銹蝕、不安影響正常使用或耐久性能的局部損壞（鋼筋銹蝕、不安全感、漏水等）；全感、漏水等）； 影響正常使用的振動（不舒適）；影響正常使用的振動（不舒適）；影響正常使用的其他特定狀態(tài)。影響正常使用的其他特定狀態(tài)。第3章 混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則 結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限 結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限是指設(shè)計規(guī)定的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件不結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用

9、年限是指設(shè)計規(guī)定的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件不需要進(jìn)行大修即可按達(dá)到其預(yù)定功能的使用時期。需要進(jìn)行大修即可按達(dá)到其預(yù)定功能的使用時期。 設(shè)計年限可按設(shè)計年限可按建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)確定，確定，也可經(jīng)過主管部門的批準(zhǔn)按業(yè)主的要求確定。一般建筑結(jié)構(gòu)也可經(jīng)過主管部門的批準(zhǔn)按業(yè)主的要求確定。一般建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限為的設(shè)計使用年限為50年。年。注意：注意：區(qū)別建筑物的設(shè)計使用年限與建筑物的使用壽命。區(qū)別建筑物的設(shè)計使用年限與建筑物的使用壽命。第3章 混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則3.1.3 3.1.3 作用效應(yīng)作用效應(yīng)S和結(jié)構(gòu)抗力和結(jié)構(gòu)抗力R1.作用的概念與類型作用的概念與類型 使結(jié)構(gòu)或構(gòu)

10、件產(chǎn)生內(nèi)力（應(yīng)力）、變形（位移、應(yīng)變）使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)力（應(yīng)力）、變形（位移、應(yīng)變）和裂縫的各種原因的總稱。和裂縫的各種原因的總稱。 直接作用直接作用：荷載：荷載 間接作用間接作用：混凝土的收縮、溫度變化、基礎(chǔ)的差異沉降、：混凝土的收縮、溫度變化、基礎(chǔ)的差異沉降、地震等地震等 作用在結(jié)構(gòu)上并使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力（如彎矩、剪力、軸向力、作用在結(jié)構(gòu)上并使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力（如彎矩、剪力、軸向力、扭矩等）、變形、裂縫等作用稱為作用效應(yīng)或荷載效應(yīng)。扭矩等）、變形、裂縫等作用稱為作用效應(yīng)或荷載效應(yīng)。第3章 混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則2.2 結(jié)構(gòu)的作用、作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力荷載的分類荷載的分類按作用按作用時間時間的長短和性

11、質(zhì)，荷載分為三類：的長短和性質(zhì)，荷載分為三類：1.永久荷載永久荷載在結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限內(nèi)，其值不隨時間而變化，在結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限內(nèi)，其值不隨時間而變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計，或其變化是單調(diào)的并或其變化與平均值相比可以忽略不計，或其變化是單調(diào)的并能趨于限值的荷載。能趨于限值的荷載。2.可變荷載可變荷載在結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)其值隨時間而變化，其變在結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)其值隨時間而變化，其變化與平均值不可忽略的荷載?；c平均值不可忽略的荷載。3.偶然荷載偶然荷載在結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)不一定出現(xiàn)，但一旦出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)不一定出現(xiàn)，但一旦出現(xiàn)其值很大且作用時間很短的荷載。其值很大且作用時間很短的荷載

12、。按作用空間位置的變異分為：固定荷載、可動荷載。按作用空間位置的變異分為：固定荷載、可動荷載。按作用結(jié)構(gòu)的反應(yīng)分為：靜態(tài)荷載、動態(tài)荷載。按作用結(jié)構(gòu)的反應(yīng)分為：靜態(tài)荷載、動態(tài)荷載。第3章 混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則 結(jié)構(gòu)由于各種原因，引起內(nèi)力和變形稱為作用效應(yīng)。內(nèi)力：軸力、彎矩、剪力、扭矩；變形：撓度、轉(zhuǎn)角、裂縫。2.作用效應(yīng)作用效應(yīng)第3章 混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則CQSCGSor 作用效應(yīng)取決于作用的方式及結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的幾何尺寸及支承條件。簡支梁在跨中一集中荷載作用下跨中彎矩lPM41 例： 簡支梁在均布荷載作用下跨中彎矩S = cQc 荷載效應(yīng)系數(shù)Q 荷載 作用效應(yīng)具有隨機(jī)性qlM281281ll41c

13、第3章 混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則 結(jié)構(gòu)抗力是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受作用效應(yīng)的能力。 結(jié)構(gòu)抗力的影響因素：材料性能的不確定性材料幾何參數(shù)的不確定性計算模式的不確定性 結(jié)構(gòu)的抗力具有隨機(jī)性。4. 結(jié)構(gòu)抗力結(jié)構(gòu)抗力第3章 混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則2.2 結(jié)構(gòu)的作用、作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)可用下面的極限狀態(tài)函數(shù)表示：結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)可用下面的極限狀態(tài)函數(shù)表示：Z=R-S對應(yīng)的：對應(yīng)的：Z=R-S0 時，時，結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；Z=R-S=0時，時，結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)；結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)；Z=R-S R)第3章 混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則Sk f (S)，f (R)S，RRkS及及R概率分布曲線概率分布

14、曲線第3章 混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則 結(jié)構(gòu)的效應(yīng)S及結(jié)構(gòu)的抗力R均符合正態(tài)分布，因此結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)也符合正態(tài)分布。如圖：圖中ZR) =P(Z 0)ZZfP值2.73.23.74.2失效概率 Pf3.510-36.910-41.110-41.310-5 可靠指標(biāo)可靠指標(biāo)第3章 混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則在確定結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo) 時，應(yīng)該使結(jié)構(gòu)的失效概率降低到人們可以接受的程度，做到既安全可靠又經(jīng)濟(jì)合理。統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 ： 的取值與構(gòu)件的破壞類型及結(jié)構(gòu)的重要性有關(guān)。 3.2.2 目標(biāo)可靠指標(biāo)及安全等級第3章 混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則1.1.荷載的代表值和設(shè)計值荷載的代表值和設(shè)計值荷載的標(biāo)準(zhǔn)值荷載的標(biāo)準(zhǔn)值1.定義定義將

15、荷載視為隨機(jī)變量，采用數(shù)理統(tǒng)計的方法加以處理而得到將荷載視為隨機(jī)變量，采用數(shù)理統(tǒng)計的方法加以處理而得到的具有一定概率（的具有一定概率（95%）的最大荷載值）的最大荷載值2.分類分類a.永久荷載的代表值永久荷載的代表值 ；b.可變荷載的代表值可變荷載的代表值 ；c.偶然荷載的代表值偶然荷載的代表值 ；第3章 混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則3.3 3.3 概率極限狀態(tài)設(shè)計方法概率極限狀態(tài)設(shè)計方法3.3.1 3.3.1 荷載的代表值和設(shè)計值荷載的代表值和設(shè)計值可變荷載的代表值可變荷載的代表值可變荷載組合值可變荷載組合值 當(dāng)幾種荷載進(jìn)行組合時，需作適當(dāng)調(diào)整，其中最大荷載當(dāng)幾種荷載進(jìn)行組合時，需作適當(dāng)調(diào)整，其中最

16、大荷載取標(biāo)準(zhǔn)值，其他伴隨的荷載采用小于取標(biāo)準(zhǔn)值，其他伴隨的荷載采用小于1.0的組合值系數(shù)乘以相的組合值系數(shù)乘以相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值來表達(dá)其荷載代表值，這種經(jīng)調(diào)整后的伴隨可變應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值來表達(dá)其荷載代表值，這種經(jīng)調(diào)整后的伴隨可變荷載，稱為可變荷載的組合值。荷載，稱為可變荷載的組合值。可變荷載頻遇值可變荷載頻遇值 結(jié)構(gòu)上時而出現(xiàn)的較大荷載的代表值之一，是該可變荷結(jié)構(gòu)上時而出現(xiàn)的較大荷載的代表值之一，是該可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值和荷載的頻遇值系數(shù)的乘積。載標(biāo)準(zhǔn)值和荷載的頻遇值系數(shù)的乘積?？勺兒奢d的準(zhǔn)永久值可變荷載的準(zhǔn)永久值 結(jié)構(gòu)上經(jīng)常作用的可變荷載的代表值之一，是該可變荷結(jié)構(gòu)上經(jīng)常作用的可變荷載的代表值之一，是該可變荷

17、載標(biāo)準(zhǔn)值和荷載的準(zhǔn)永久值系數(shù)的乘積。載標(biāo)準(zhǔn)值和荷載的準(zhǔn)永久值系數(shù)的乘積。第3章 混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則3.3.2 材料強度的標(biāo)準(zhǔn)值材料強度的標(biāo)準(zhǔn)值在材料強度實測值的總體中，強度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)具有不小于在材料強度實測值的總體中，強度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)具有不小于95的的保證率。保證率。材料強度標(biāo)準(zhǔn)值除以材料的分項系數(shù)得到材料強度的設(shè)計值。材料強度標(biāo)準(zhǔn)值除以材料的分項系數(shù)得到材料強度的設(shè)計值。第3章 混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則d.荷載的設(shè)計值荷載的設(shè)計值 將永久荷載值和可變荷載只組合成一個可以用于設(shè)計的荷將永久荷載值和可變荷載只組合成一個可以用于設(shè)計的荷載值載值niQiciQiSSS2kGkG0 S R式中 S 內(nèi)力組合設(shè)計值0 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性系數(shù)， 對一、二、三級分別取1.1, 1.0, 0.9 R 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力設(shè)計值R = R( ) = R(fc , fs , k , )3.3.3 計算表達(dá)式第3章 混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計