混凝土結(jié)構(gòu)設計方法課件

1、 工程結(jié)構(gòu)的設計需要保證安全可靠、經(jīng)濟合理 由于實際工程結(jié)構(gòu)中存在多種不確定性 結(jié)構(gòu)設計方法就是研究工程設計中的各種不確定性問題，取得安全可靠與經(jīng)濟合理之間的均衡第2章 混凝土結(jié)構(gòu)設計方法 2.1.1 結(jié)構(gòu)上的作用、作用效應及結(jié)構(gòu)抗力結(jié)構(gòu)上的作用：施加在結(jié)構(gòu)上的集中力或分布力，以及引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的各種因素（如地震、基礎差異沉降、溫度變化、混凝土收縮等）直接作用： （以力的形式作用在結(jié)構(gòu)上）荷載；分類：間接作用： （以變形的形式作用在結(jié)構(gòu)上）溫度、收縮、徐變、地基不均勻沉降于結(jié)構(gòu)、地震等。2.1 結(jié)構(gòu)可靠度2.1 結(jié)構(gòu)可靠度結(jié)構(gòu)上的作用按隨時間的變化，分為三類：永久作用：在結(jié)構(gòu)使用期

2、間，其值不隨時間變化，或者變化與平均值相比可以忽略不計，或者變化是單調(diào)的并能趨于限值的作用，如自重、土壓力、預應力等；通常稱為永久荷載或恒荷載可變作用：在結(jié)構(gòu)使用期間，其值隨時間變化且變化與平均值相比不可忽略的作用，如樓面和屋面活載、風荷載、雪荷載、吊車荷載、車輛荷載等；如果是直接作用，通?？煞Q為可變荷載(活荷載) 偶然作用：結(jié)構(gòu)使用期間不一定出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)，其量值很大且持續(xù)時間很短的作用，如地震、爆炸力，撞擊等。這種作用多為間接作用，若為直接作用，可稱為偶然荷載。2.1 結(jié)構(gòu)可靠度1.作用效應 S 直接作用或間接作用在結(jié)構(gòu)構(gòu)件上，由此在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)力和變形（如軸力N、剪力V、彎矩M、扭矩T及

3、撓度f、裂縫等），稱為作用效應。當為荷載時，其效應也稱為荷載效應，用S表示2. 結(jié)構(gòu)抗力 整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受作用效應（內(nèi)力和變形）的能力，如構(gòu)件的受彎承載力Mu、受剪承載力Vu、容許撓度f、容許裂縫寬度等設計基準期: 為確定可變作用及與時間有關(guān)的材料性能等取值而選用的時間參數(shù)稱為設計基準期。統(tǒng)一標準為50年2.1 結(jié)構(gòu)可靠度R S2.1.2 結(jié)構(gòu)的預定功能及結(jié)構(gòu)可靠度 結(jié)構(gòu)在預定的使用期間內(nèi)（一般為50年），應能承受在正常施工、正常使用情況下可能出現(xiàn)的各種作用，如荷載、外加變形（如超靜定結(jié)構(gòu)的支座不均勻沉降）、約束變形（如溫度和收縮變形受到約束時）。 結(jié)構(gòu)在正常使用期間，具有良好的工作性能

4、。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、振幅），或產(chǎn)生讓使用者感到不安的過大的裂縫寬度。2.1 結(jié)構(gòu)可靠度統(tǒng)一標準明確規(guī)定了結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設計使用年限內(nèi)應滿足下列功能要求：結(jié)構(gòu)的可靠性 可靠性安全性、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)（design life=50年），在規(guī)定的條件下（正常設計、正常施工、正常使用和維護），完成預定結(jié)構(gòu)功能的能力?？煽慷戎附Y(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)、在規(guī)定的條件下、完成預定功能的概率，即結(jié)構(gòu)可靠度是結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量。 結(jié)構(gòu)可靠性越高，建設造價投資越大。 如何在結(jié)構(gòu)可靠與經(jīng)濟之間取得均衡，就是設計方法要解決的問題。2.1 結(jié)構(gòu)可靠度

5、 顯然這種可靠與經(jīng)濟的均衡受到多方面的影響，如國家經(jīng)濟實力、設計工作壽命、維護和修復等。 規(guī)范規(guī)定的設計方法，是這種均衡的最低限度，也是國家法律。 設計人員可以根據(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，提高設計水準，增加結(jié)構(gòu)的可靠度。 經(jīng)濟的概念不僅包括第一次建設費用，還應考慮維修，損失及修復的費用，乃至可能對社會和經(jīng)濟所造成的影響2.1 結(jié)構(gòu)可靠度2.2 荷載和材料強度2.2 荷載和材料強度2.2.1 荷載標準值的確定1、荷載的統(tǒng)計特性 永久荷載G 永久荷載是根據(jù)構(gòu)件的體積和材料重力密度確定的。永久荷載這一隨機變量符合正態(tài)分布。可變荷載Q 建筑結(jié)構(gòu)的樓面活荷載、風荷載和雪荷載等

6、屬于可變荷載，其數(shù)值隨時間而變化.持久性活荷載和臨時性活荷載?？烧J為是極值型分布2.2 荷載和材料強度1.荷載標準值 建筑結(jié)構(gòu)按極限狀態(tài)設計時采用的荷載基本代表值，稱為荷載效應標準值1）永久荷載標準值Gk按結(jié)構(gòu)設計規(guī)定的尺寸和荷載規(guī)范規(guī)定的材料容重（或單位面積的自重）平均值確定。對于自重變異性較大的材料，在設計中應根據(jù)荷載對結(jié)構(gòu)不利或有利，分別取其自重的上限值或下限值f(p)0PkPk不同的荷載，其變異情況不同。根據(jù)統(tǒng)計分析可以確定一個具有一定保證率（如95%）的上限荷載分位值，該特征值作為荷載標準值2.2 荷載和材料強度）可變荷載標準值k樓面均布活荷載標準值風荷載標準值建筑物所在地的基本風壓

7、風壓高度變化系數(shù)、風載體型系數(shù)和風振系數(shù)確定雪荷載標準值建筑物所在地的基本雪壓屋面積雪分布系數(shù)2.2 荷載和材料強度鋼筋和混凝土的強度標準值：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)按極限狀態(tài)設計時材料強度基本代表值保證率：95 2.2.2 材料強度標準值的確定混凝土強度標準值： ，鋼筋強度標準值取決于截面尺寸大小和材料強度高低。材料強度分標準值和設計值。15材料強度設計值混凝土： ,鋼筋： ,式中： 混凝土的材料分項系數(shù)，取1.4； 鋼筋的材料分項系數(shù)，對延性較好的熱軋 鋼筋取1.1，對500MPa級鋼筋取1.15，對預 應力鋼筋取1.2。定義：整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設計指定的某一功能要求，

8、這個特定的狀態(tài)稱之為該功能的極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)：超過這一極限狀態(tài)時結(jié)構(gòu)將發(fā)生破壞、倒塌或失穩(wěn)等現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的分類正常使用極限狀態(tài)：超過這一極限狀態(tài)時結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)過大的變形，開裂或過寬的裂縫，鋼筋嚴重銹蝕，混凝土腐蝕、風化、剝落等現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)及其分類2.3 極限狀態(tài)設計法承載能力極限狀態(tài)：對應于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的構(gòu)件達到最大承載能力或達到不適于繼續(xù)承載的變形。主要包括以下幾個方面整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡（如傾覆等） 結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因所受應力超過材料強度而破壞（包括疲勞破壞），或者因為過度變形而不適與繼續(xù)承載 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系（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

9、喪失穩(wěn)定（如細長受壓構(gòu)件的壓曲失穩(wěn)）地基喪失 承載能力而破壞（如失穩(wěn)等） 超過該極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不能滿足預定的適用性和耐久性的功能要求。 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（包括裂縫），如裂縫過寬導致鋼筋銹蝕、不安全感、漏水等； 影響正常使用的振動； 影響正常使用的其他特定要求，如相對沉降量過大等。 正常使用極限狀態(tài)：對應于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的構(gòu)件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值。2.3 極限狀態(tài)設計法2.3.2 結(jié)構(gòu)的設計狀況持久狀況：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。（應進行正常使用極限狀態(tài)設計，以保證結(jié)構(gòu)的適用性和耐久性）短暫狀況：在結(jié)構(gòu)施工和使用過程中

10、出現(xiàn)概率較大，持續(xù)時間較短的狀況。（可根據(jù)需要進行正常使用極限狀態(tài)設計）偶然狀況：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、地震、撞擊、爆炸等。（允許主要承重結(jié)構(gòu)因出現(xiàn)設計規(guī)定的偶然事件而局部破壞，但其剩余部分具有在一段時間內(nèi)不發(fā)生連續(xù)倒塌的可靠度）2.3 極限狀態(tài)設計法2.3 極限狀態(tài)設計法2.3.3 結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)和極限狀態(tài)方程 作用效應S：與結(jié)構(gòu)上作用的情況、大小和結(jié)構(gòu)形式等有關(guān)結(jié)構(gòu)抗力R：與結(jié)構(gòu)材料、截面尺寸、配筋情況等有關(guān)SR 可靠狀態(tài)S = R 極限狀態(tài)SR 失效狀態(tài)功能函數(shù)Z=R-SZ0 可靠狀態(tài)Z = 0 極限狀態(tài)Z0 失效狀態(tài)2.3 極限狀態(tài)設計法2.3.4

11、結(jié)構(gòu)可靠度的計算以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計法 由于實際結(jié)構(gòu)中的不確定性，因此無論如何設計結(jié)構(gòu)，都會有失效的可能性存在，只是可能性大小不同而已。 為了科學定量的表示結(jié)構(gòu)可靠性的大小，采用概率方法是比較合理的。 失效概率越小，表示結(jié)構(gòu)可靠性越大。因此，可以用失效概率來定量表示結(jié)構(gòu)可靠性的大小。結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量稱為結(jié)構(gòu)可靠度。 當失效概率Pf小于某個值時，人們因結(jié)構(gòu)失效的可能性很小而不再擔心，即可認為結(jié)構(gòu)設計是可靠的。該失效概率限值稱為容許失效概率Pf。失效概率Pf = P (Z 0)2.3 極限狀態(tài)設計法設計可靠指標設計規(guī)范所規(guī)定的，作為設計結(jié)構(gòu)或設計構(gòu)件時所應達到的可靠指標 根據(jù)統(tǒng)計，觸

12、電的年死亡率為610-6 b =3.7時，Pf=1.110-4，按設計基準期50年考慮，年失效概率為1.110-4/50=2.210-6 50年后并不是結(jié)構(gòu)就失效，而是失效概率增加。同時，結(jié)構(gòu)失效也并不表示結(jié)構(gòu)倒塌，結(jié)構(gòu)倒塌也不一定造成人員傷亡。 我國對于一般工程結(jié)構(gòu)，當為延性破壞時，其可靠指標取b =3.2，對脆性破壞取b =3.7。 對于重要的工程結(jié)構(gòu)，應提高可靠指標。2.3 極限狀態(tài)設計法破壞類型安全等級一級二級三級延性破壞3.73.22.7脆性破壞4.23.73.2設計可靠指標27混凝土結(jié)構(gòu)設計原理第 2 章定義：整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設計指定的某一功能要求，

13、這個特定的狀態(tài)稱之為該功能的極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)：超過這一極限狀態(tài)時結(jié)構(gòu)將發(fā)生破壞、倒塌或失穩(wěn)等現(xiàn)象。2.4.1 結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的分類正常使用極限狀態(tài)：超過這一極限狀態(tài)時結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)過大的變形，開裂或過寬的裂縫，鋼筋嚴重銹蝕，混凝土腐蝕、風化、剝落等現(xiàn)象。2.4極限狀態(tài)設計表達式28混凝土結(jié)構(gòu)設計原理第 2 章1、承載能力極限狀態(tài)的設計方法 2-3 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)； 安全等級為一級的結(jié)構(gòu)構(gòu)件， 安全等級為二級的結(jié)構(gòu)構(gòu)件， 安全等級為三級的結(jié)構(gòu)構(gòu)件， 承載力極限狀態(tài)下作用組合的效應設計值， 對持久設計狀況和短暫設計狀況應按作用 的基本組合計算。 計算公式2.4極限狀態(tài)設計表達式29混凝土結(jié)構(gòu)設

14、計原理第 2 章 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設計值。 R = R（fc , fs , ak , .）/式中， RD 是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力模型不定性調(diào)整系數(shù)：靜力設計取1.0，對不確定性較大的結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)具體情況取大于1.0的數(shù)值；抗震設計應用承載力抗震調(diào)整系數(shù)RE代替RD。 fc , fs , ak式分別為混凝土的強度設計值、鋼筋的強度設計值和截面尺寸的標準值。30 荷載組合計算方法一般結(jié)構(gòu)構(gòu)件：選下列計算中較大者。 由可變荷載控制時 由永久荷載控制時 2-4 2-5承載力計算采用基本組合，按下面方法計算：31式中： 恒載分項系數(shù)，當其效應對結(jié)構(gòu)不利時， 公式 2-4 中的 ，公式 2-5 中的 ；當其效應對

15、結(jié)構(gòu)有利時，應取1.0； 活載分項系數(shù)，一般情況下取1.4，當活 載標準值大于 的工業(yè)房屋樓面結(jié) 構(gòu)取1.3； 恒載標準值所產(chǎn)生的內(nèi)力； 活載標準值所產(chǎn)生的內(nèi)力，i=1的活荷載 為主導活荷載； 第i個可變荷載的組合系數(shù)。32一般排架、框架結(jié)構(gòu)：選下列計算中較大者 由可變荷載控制時 由永久荷載控制時 2-6 2-7式中： 簡化式中的荷載組合系數(shù)；一般情況下 取 ，只有一個活荷載取 。 和 的取值與式 2-4、2-5 相同。33 設計方法 2-8式中： 正常使用極限狀態(tài)下荷載效應組合值; 達正常使用要求時的變形、裂縫、應力 等的限值。2、 按正常使用極限狀態(tài)的設計方法注意：實際設計方法中，為了符合我國設計人