混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方法PPT

1、第3章 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法3.1結(jié)構(gòu)的功能要求和極限狀態(tài)3.2結(jié)構(gòu)上的作用、作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力3.3極限狀態(tài)方程 3.4結(jié)構(gòu)近似概率極限狀態(tài)設(shè)計法 3.5實用設(shè)計表達式 3.6混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)定 1.結(jié)構(gòu)的功能要求 結(jié)構(gòu)的功能要求 安全性 適用性 耐久性 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計使用年限內(nèi)應(yīng)滿足下列功能要求： 在正常施工和正常使用時，能承受可能出現(xiàn)的各種作用 在正常使用時具有良好的工作性能 在正常維護下具有足夠的耐久性能 在設(shè)計規(guī)定的偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后，仍能保持必要的整體穩(wěn)定性 什么是結(jié)構(gòu)的可靠性？ 結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期限內(nèi)，在規(guī)定的條件下（正常設(shè)計、正常施工、正常使用和維護），完成預(yù)定功能

2、的能力，稱為結(jié)構(gòu)的可靠性 2.結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài) 什么是結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài) 結(jié)構(gòu)能夠滿足功能要求而且良好的工作，則稱結(jié)構(gòu)“可靠”或“有效”，反之則稱結(jié)構(gòu)“不可靠”或“失效”。區(qū)分結(jié)構(gòu)可靠與失效的界限狀態(tài)稱為極限狀態(tài) 標(biāo)準(zhǔn)將結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)分成兩類： 承載力極限狀態(tài) 正常使用極限狀態(tài) 承載力極限狀態(tài) 是指對應(yīng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到最大承載力或不適于繼續(xù)承載的變形的狀態(tài)，是結(jié)構(gòu)安全性的基本保證 下列狀態(tài)之一，應(yīng)認為超過了承載力極限狀態(tài)： 整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡 結(jié)構(gòu)構(gòu)件或其連接因超過材料強度而破 壞（包括疲勞破壞），或因過度變形而不適于繼續(xù)承載 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系 結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定 地基喪失

3、承載能力而破壞 正常使用極限狀態(tài) 是指對應(yīng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值 下列狀態(tài)之一時，應(yīng)認為超過正常使用極限狀態(tài)： 影響正常使用或外觀的變形 影響正常使用或耐久性能的局部損壞 影響正常使用的振動 影響正常使用的其他特定狀態(tài) 3.結(jié)構(gòu)的設(shè)計狀況 結(jié)構(gòu)的設(shè)計狀況 持久狀況：在結(jié)構(gòu)使用過程中一定出現(xiàn)，其持續(xù)期很長的狀況。持續(xù)期一般與設(shè)計使用年限為同一數(shù)量級 短暫狀況：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 偶然狀況：在結(jié)構(gòu)使用過程中出現(xiàn)概率較小，且持續(xù)期很短的狀況 1.結(jié)構(gòu)上的作用 什么是結(jié)構(gòu)上的作用？ 結(jié)構(gòu)上的作用是結(jié)構(gòu) 產(chǎn)生內(nèi)力和變形的

4、所有原因 永久作用：在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)其量值不隨時間變化，或其變化與平均值相比可以忽略的作用 可變作用：在設(shè)計基準(zhǔn)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 偶然作用：在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)其值很大且持續(xù)時間很短的作用作用按隨時間的變異分類： 作用按隨空間位置的變異分類： 固定作用：在結(jié)構(gòu)上具有固定分布的作用 自由作用：在結(jié)構(gòu)上一定范圍內(nèi)可以任意分布的作用 作用按結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特點分類： 靜態(tài)作用：使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的加速度可以忽略不計的作用 動態(tài)作用：使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的加速度不可忽略不計的作用 荷載代表值永久荷載應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)值作為代表值 可變荷載應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求采用標(biāo)準(zhǔn)值、組合值、頻遇值或

5、準(zhǔn)永久值作為代表值 偶然荷載應(yīng)按建筑結(jié)構(gòu)使用的特點確定其代表值 荷載標(biāo)準(zhǔn)值是荷載的基本代表值 荷載標(biāo)準(zhǔn)值 荷載標(biāo)準(zhǔn)值是指其在結(jié)構(gòu)的使用其間可能出現(xiàn)的最大荷載值，該值統(tǒng)一由設(shè)計基準(zhǔn)期最大荷載概率分布的某個分位值來確 荷載組合值 荷載組合值是結(jié)構(gòu)承受兩種或兩以上可變荷載時，承載力極限狀態(tài)按基本組合設(shè)計和正常使用極限狀態(tài)按標(biāo)準(zhǔn)組合設(shè)計采用的可變荷載代表值 荷載頻遇值 荷載頻遇值是設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)荷載達到和超過該值的總持續(xù)時間與設(shè)計基準(zhǔn)期的比值小于0.1的荷載代表值 荷載準(zhǔn)永久值 荷載準(zhǔn)永久值根據(jù)在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)荷載達到和超過該值的總持續(xù)時間與設(shè)計基準(zhǔn)期的比值為0.5確定 2.作用效應(yīng)和 結(jié)構(gòu)抗力 什么是作

6、用效應(yīng)？ 結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件在各種作用因素的作用下，將產(chǎn)生內(nèi)力和變形稱為作用效應(yīng)，用S表示 什么是結(jié)構(gòu)抗力？ 結(jié)構(gòu)抗力是指結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受內(nèi)力和變形能力，用R表示 1.設(shè)計基準(zhǔn)期和設(shè)計使用年限 設(shè)計基準(zhǔn)期 設(shè)計基準(zhǔn)期是為確定可變作用及與時間有關(guān)的材料性能取值而選定的時間參數(shù) 設(shè)計使用年限 設(shè)計使用年限是設(shè)計規(guī)定的一個期限，是計算結(jié)構(gòu)可靠度的依據(jù) 注意：結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限不等同于其使用壽命 2.極限狀態(tài)方程 當(dāng)Z0時，結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài) 當(dāng)Z0時，結(jié)構(gòu)達到極限狀態(tài) 當(dāng)Z0時，結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài) ZRSg（R,S）結(jié)構(gòu)功能函數(shù)極限狀態(tài)方程ZR-S g（R,S）0一般表達式 Zg（X1,X2,Xn） 1.結(jié)

7、構(gòu)可靠度和 失效概率 結(jié)構(gòu)的可靠性 是指結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定結(jié)構(gòu)功能的能力 結(jié)構(gòu)可靠度 是結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量SR 的概率稱為可靠概率,記為PsSR 的概率稱為失效概率，記為Pf Ps+Pf=1 of(Z)Z 失效概率pf 與可靠指標(biāo)的關(guān)系 結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件失效的概率 功能函數(shù)Z的平均值Z 功能函數(shù)Z的標(biāo)準(zhǔn)差Z of(R)f(S)f(S) S和R概率密度曲線結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo) 2.目標(biāo)可靠指標(biāo)和 安全等級 什么是目標(biāo)可靠指標(biāo)？ 為了使結(jié)構(gòu)設(shè)計既安全可靠又經(jīng)濟合理，選擇的在不同情況下可接受的可靠指標(biāo) 按承載力極限狀態(tài)設(shè)計時應(yīng)滿足 或用失效概率表示 建筑結(jié)構(gòu)的安全等級 標(biāo)

8、準(zhǔn)根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生的后果的嚴重性，將建筑物劃分為三個安全等級 1.分項系數(shù) 分項系數(shù) 因為（31） 用加拿大學(xué)者NCLind提出的分離方法，將（31）等式右邊根號項線性化，即 (32)分離系數(shù) a 當(dāng)S和R均為正態(tài)分布，且滿足 13RS3時，如果取a 0.750.06 ，其誤差能滿足工程結(jié)構(gòu)要求。將（32）式代入（31）式得：因為(33)(34)將（34）式代入（33）得：將（35）式移項整理后得設(shè)計表達式 (35)(36)R和S標(biāo)準(zhǔn)值與平均值有下列關(guān)系 （37）將（37）式代入（36）式，并用代替，則可得 ：式中(38) 2.承載力極限狀態(tài) 設(shè)計表達式 承載力極限狀態(tài)設(shè)計表達式 式中結(jié)構(gòu)

9、構(gòu)件的重要性系數(shù) g0安全等級為一級或設(shè)計使用年限為100年及以上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不應(yīng)小于1.1 安全等級為二級或設(shè)計使用年限為50年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不應(yīng)小于1.0 安全等級為三級或設(shè)計使用年限為5年及以下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不應(yīng)小于0.9 抗震設(shè)計中，不考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性系數(shù) 荷載效應(yīng)組合的設(shè)計值 S按承載力極限狀態(tài)設(shè)計時: 應(yīng)考慮作用效應(yīng)的基本組合 必要時尚應(yīng)考慮作用效應(yīng)的偶然組合 荷載規(guī)范規(guī)定S基本組合應(yīng)從下列組合值中取最不利值確定： 1.由可變荷載效應(yīng)控制的組合 對于一般排架、框架結(jié)構(gòu)，可采用下列簡化的組合 2.由永久荷載效應(yīng)控制的組合 一般情況下可取y 0.90 當(dāng)只有一個可變荷載時,取y 1.0 3.

10、正常使用極限狀 態(tài)設(shè)計表達式 正常使用極限狀態(tài)設(shè)計表達式 S k 荷載效應(yīng)組合值 式中C 結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足正常使用要求所規(guī)定的限值 荷載效應(yīng)組合值 S k 1.荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合 2.荷載效應(yīng)的準(zhǔn)永久組合 4.按極限狀態(tài)設(shè)計 時材料強度指標(biāo) 材料強度指標(biāo)的取值原則 按承載力極限狀態(tài)設(shè)計時，材料強度指標(biāo)取設(shè)計值 按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計時，材料強度指標(biāo)取標(biāo)準(zhǔn)值 規(guī)范規(guī)定材料強度的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)不小于95%保證率的強度值 ，即：材料強度的設(shè)計值 鋼筋抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值 有明顯屈服點的熱軋鋼筋是以鋼材出廠的廢品限值作為鋼筋強度的標(biāo)準(zhǔn)值,其值保證率約為97.73%，即相當(dāng)于平均值減去二倍的標(biāo)準(zhǔn)差沒有明顯屈服點的鋼筋取

11、0.85b作為鋼筋強度的標(biāo)準(zhǔn)值 混凝土強度等級 根據(jù)150mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試件，按照標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護和試驗方法測得的具有具有 95%保證率的抗壓強度即（39）規(guī)范規(guī)定 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強度等級不應(yīng)低于C15 當(dāng)采用HRB335級鋼筋時，混凝土強度等級不宜低于C20 當(dāng)采用HRB400和RRB400級鋼筋以及承受重復(fù)荷載的構(gòu)件，混凝土強度等級不得低于C30 當(dāng)采用鋼絞線、鋼絲、熱處理鋼筋作預(yù)應(yīng)力鋼筋時，混凝土強度等級不宜低于C40 混凝土的軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值 規(guī)范假定混凝土的軸心抗壓強度與相應(yīng)混凝土強度等級的立方體強度具有相同的變異系數(shù) 將（39）代入得混凝土的軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值 規(guī)范假定混凝土的

12、軸心抗拉強度與相應(yīng)混凝土強度等級的立方體強度具有相同的變異系數(shù) 將（39）式代入上式可得 1.耐久性設(shè)計 要求結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計要求 混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)能在預(yù)期的自然和人為環(huán)境的化學(xué)和物理作用下，滿足在規(guī)定的設(shè)計工作壽命期內(nèi)不出現(xiàn)無法接受的承載力減小、使用功能降低和不能接受的外觀破損等 耐久性定義結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在預(yù)定設(shè)計工作壽命期內(nèi)，在正常維護條件下，不需要進行大修即可滿足正常使用和安全功能要求 影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素 混凝土碳化 混凝土的堿集料反應(yīng) 混凝土的凍融 鋼筋銹蝕 混凝土裂縫 構(gòu)件表面機械磨損和風(fēng)化等 2.工程實例Deterioration of Reinforced Concrete Bri

13、dge due to Poor DurabilityHighway Bridge in Service New York State, US 貴州某鋁廠 一柱開裂 嘉裕關(guān)結(jié)構(gòu)梁腐蝕破壞 張掖堿泉村 張掖墻面 張掖高架橋墩青海化工廠橋柱 青?；S橋面護欄團結(jié)湖橋柱 沈陽山海關(guān)高速公路路椽石 沈陽山海關(guān)高速公路冬季撤鹽 沈陽山海關(guān)摻入硅灰、減水劑、超細粉煤灰的路緣3.耐久性設(shè)計 方法結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方法 規(guī)范主要考慮混凝土結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境和設(shè)計使用年限這兩個因素進行耐久性設(shè)計，即對構(gòu)件混凝土最小保護層厚度、混凝土材料和裂縫控制等提出具體要求 4.結(jié)構(gòu)工作環(huán)境 類別 結(jié)構(gòu)工作環(huán)境類別 規(guī)范將混凝土結(jié)構(gòu)

14、的工作環(huán)境分為五類 5.混凝土的 要求 混凝土的要求 混凝土質(zhì)量對結(jié)構(gòu)耐久性的影響主要取決于混凝土的密實性、氯離子和堿的含量等規(guī)范規(guī)定：用于一類、二類和三類環(huán)境中，設(shè)計使用年限為50年的結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)符合表35的要求。 表35 注：1 氯離子含量系指其占水泥用量的百分率 2 預(yù)應(yīng)力構(gòu)件混凝土中的最大氯離子含量為0.06%，最小水泥用量為300m3；最低混凝土強度等級應(yīng)按表中規(guī)定提高兩個等級； 3 素混凝土構(gòu)件的最小水泥用量不應(yīng)少于表中數(shù)值減25m3； 4 當(dāng)混凝土中加入活性摻合料或能提高耐久性的外加劑時，可適當(dāng)降低最小水泥用量； 5 當(dāng)有可靠工程經(jīng)驗時，處于一類和二類環(huán)境中的最低混凝土強度等級可

15、降低一個等級；6 當(dāng)使用非堿性骨料時，對混凝土中堿含量可不作限制。 對于一類環(huán)境中，設(shè)計使用年限為100年的結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)符合下列規(guī)定： 1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的最低混凝土強度等級為C30；預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的最低混凝土強度等級為C40；2 混凝土中的最大氯離子含量為0.06%；3 宜使用非堿性活性骨料；當(dāng)使用堿性活性骨料時，混凝土中的最大堿含量為 3.0m3；4 在使用過程中，應(yīng)定期維護 對于二類和三類環(huán)境中，設(shè)計使用年限為100年的結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)采取下列有效措施： 1 限制混凝土的水灰比；2 適當(dāng)提高混凝土的強度等級 3 提高混凝土的抗凍和抗?jié)B能力； 4 構(gòu)件表面涂防護層使構(gòu)件不直接承受環(huán)境作用。

16、6.最小保護層 厚度 混凝土最小保護層厚度 規(guī)范對所處一、二、三類環(huán)境中，設(shè)計使用年限為50年的混凝土結(jié)構(gòu)，規(guī)定了最小混凝土保護層厚度（見附表13 ） 對所處一類環(huán)境中，設(shè)計使用年限為100年的混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土保護層厚度應(yīng)按附表13 的規(guī)定增加40% 當(dāng)采取有效的表面防護措施時，混凝土保護層厚度可適當(dāng)減少 附表 13 注： 1 縱向受力筋的混凝土保護層應(yīng)符合附表的規(guī)定，且不應(yīng)小于鋼筋的公稱直徑； 2 基礎(chǔ)中縱向受力筋的混凝土保護層厚度不應(yīng)小于40mm；當(dāng)無墊層時不應(yīng)小于70mm；3 處于一類環(huán)境且由工廠生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件，當(dāng)混凝土強度等級不低于C20時，其保護層可按附表中規(guī)定減少5 mm，但預(yù)應(yīng)力鋼筋的保護層厚度不應(yīng)小于15 mm；處于二類環(huán)境且由工廠生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件，當(dāng)表面采取有效保護措施時，保護層厚度可按附表中一類環(huán)境數(shù)值取用； 4 預(yù)制鋼筋混凝土受彎構(gòu)件鋼筋端頭的保護層厚度不應(yīng)小于10 mm