第03章 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則-4學時

學習目標▲掌握極限狀態(tài)的基本概念；▲了解結(jié)構(gòu)可靠度的基本原理；▲熟悉近似概率極限狀態(tài)設(shè)計法在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應用。

第三章混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則教學提示▲首先應明確《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》是結(jié)構(gòu)設(shè)計宜遵守的基本原則?！菊聭攸c介紹結(jié)構(gòu)上的作用、對結(jié)構(gòu)的功能要求、設(shè)計基準期、兩類極限狀態(tài)以及極限狀態(tài)的實用設(shè)計表達式。

第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

▲

工程結(jié)構(gòu)需要安全適用、經(jīng)濟合理；這只有技術(shù)先進才能實現(xiàn)。▲

實際工程結(jié)構(gòu)中存在多種不確定性；▲工程結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計原則就是研究各種不確定性問題，實現(xiàn)可靠性與經(jīng)濟性的最佳平衡。一、作用的概念：

使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力或變形的原因，分直接作用和

間接作用兩種。直接作用：是指施加在結(jié)構(gòu)上的集中力或分布力，即荷載。間接作用：是指引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因（混凝土收縮、溫度變化、基礎(chǔ)差異沉降、地震等）。第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

3.1極限狀態(tài)和設(shè)計狀況

3.1.1結(jié)構(gòu)上的作用3.1極限狀態(tài)和設(shè)計狀況

（按隨時間的變異性可分為三類）1、永久作用：在結(jié)構(gòu)使用期間，其量值不隨時間變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計的作用。二、作用的分類：如結(jié)構(gòu)自重、土壓力、預應力、地基沉降、焊接等。2、可變作用：在結(jié)構(gòu)使用期間，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。如樓面活荷載、吊車荷載、風荷載、雪荷載、汽車荷載、溫度變化等。3、偶然作用：在結(jié)構(gòu)使用期間不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)其量值很大且持續(xù)時間很短的作用。如爆炸力、撞擊力、罕遇的地震等。第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

3.1極限狀態(tài)和設(shè)計狀況

第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

三、荷載標準值

是荷載的基本代表值，為設(shè)計基準期內(nèi)最大荷載概率分布的某個分位值。

1、

永久荷載標準值：按設(shè)計尺寸與材料重力密度的乘積計算。一般相當于設(shè)計基準期內(nèi)最大荷載概率分布的0.5分位值。

2、可變荷載標準值：為設(shè)計基準期內(nèi)最大荷載概率分布的某個分位值。對于建筑結(jié)構(gòu)，查荷載規(guī)范GB50009。對于道橋結(jié)構(gòu)，查公路橋涵通用規(guī)范JTGD60。3.1極限狀態(tài)和設(shè)計狀況

3.1極限狀態(tài)和設(shè)計狀況

3.1.2結(jié)構(gòu)的功能

（包括安全性、適應性和耐久性）一、結(jié)構(gòu)的安全等級

第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞后果的影響程度分為三級。安全等級破壞后果建筑物類型一級很嚴重重要的建筑物二級嚴重一般的建筑物三級不嚴重次要的建筑物建筑結(jié)構(gòu)的安全等級第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

安全等級破壞后果橋梁類型一級很嚴重特大及重要大橋二級嚴重大、中橋及重要小橋三級不嚴重小橋、涵洞橋梁結(jié)構(gòu)的安全等級3.1極限狀態(tài)和設(shè)計狀況

第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

1、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)件不需進行大修即可按其預定目的使用的時期。2、結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限不同于實際壽命和設(shè)計基準期。二、結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限和設(shè)計基準期類別設(shè)計使用年限（年）示例15臨時性結(jié)構(gòu)225易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件350普通房屋和構(gòu)筑物4100紀念性建筑和特別重要的建筑物

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限分類3.1極限狀態(tài)和設(shè)計狀況

3、設(shè)計基準期：指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)。建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準期為50年。橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準期為100年。第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

3.1極限狀態(tài)和設(shè)計狀況

三、結(jié)構(gòu)的功能

（包括安全性、適應性和耐久性）1、安全性

結(jié)構(gòu)在設(shè)計規(guī)定的使用年限內(nèi)，能承受在正常施工和正常使用時可能出現(xiàn)的各種作用。在設(shè)計規(guī)定的偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性。第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

▲設(shè)計使用年限：一般為50年。▲各種作用：指荷載、外加變形和約束變形（如溫度和收縮變形受到約束時）；▲偶然事件：如地震、爆炸、火災、撞擊等；▲整體穩(wěn)定性：指建筑結(jié)構(gòu)僅產(chǎn)生局部的損壞而不致發(fā)生連續(xù)倒塌。

結(jié)構(gòu)在設(shè)計規(guī)定的使用年限內(nèi)，在正常使用時具有良好的工作性能。

▲良好的工作性能：指不發(fā)生影響正常使用的過大的變形、振動，或產(chǎn)生讓使用者感到不安的過大的裂縫寬度等。第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

2、適用性3、耐久性

結(jié)構(gòu)在設(shè)計規(guī)定的使用年限內(nèi)，在正常維護下具有足夠的耐久性能?！途眯阅埽褐冈诟鞣N因素（混凝土碳化、鋼筋銹蝕等）的影響下，結(jié)構(gòu)的承載力和剛度不應隨時間有過大的降低，而降低使用壽命。3.1極限狀態(tài)和設(shè)計狀況

3.1.3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)為可靠（或有效）。反之，則結(jié)構(gòu)為不可靠（或失效）?！鴧^(qū)分結(jié)構(gòu)“可靠”與“失效”的臨界工作狀態(tài)稱為“極限狀態(tài)”第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

一、極限狀態(tài)的概念

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)為該功能的極限狀態(tài)。二、兩類極限狀態(tài)

承載能力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)。3.1極限狀態(tài)和設(shè)計狀況

（1）概念：承載能力極限狀態(tài)對應于結(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。------安全性。第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

1、承載能力極限狀態(tài)

UltimateLimitState（2）標志▲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?！?/p>

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）?！?/p>

結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如細長受壓構(gòu)件的壓曲失穩(wěn)）?！?/p>

地基喪失承載能力而破壞。3.1極限狀態(tài)和設(shè)計狀況

（2）標志：▲

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、鋼筋銹蝕、漏水等）；▲

影響正常使用的振動；▲

影響正常使用的其他特定狀態(tài)。第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

2、正常使用極限狀態(tài)

ServiceabilityLimitState（1）概念：正常使用極限狀態(tài)對應于結(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。對應于結(jié)構(gòu)的適應性和耐久性。3.1極限狀態(tài)和設(shè)計狀況

▲

S—作用效應結(jié)構(gòu)上的作用引起的效應（如彎矩、軸力、剪力、扭矩等）結(jié)構(gòu)力學的主要內(nèi)容▲R—結(jié)構(gòu)抗力

結(jié)構(gòu)抵抗作用效應的能力，如受彎承載力Mu本課程的主要內(nèi)容第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

3.1.4極限狀態(tài)方程▲因S和R都是隨機變量，不一定絕對安全所以第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

Z>0可靠Z=0

極限狀態(tài)Z<0

失效Z=R-S一、結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)二、極限狀態(tài)方程Z=0即R-S＝03.1極限狀態(tài)和設(shè)計狀況

第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

3.1.5工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計狀況一、持久狀況：在結(jié)構(gòu)使用過程中一定出現(xiàn)，且持續(xù)期與使用期為同一數(shù)量級的狀況。應進行承載能力、正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計二、短暫狀況：在結(jié)構(gòu)施工和使用過程中出現(xiàn)概率較大，而持續(xù)期較短的狀況。

一般只進行承載能力極限狀態(tài)計算，必要時才做正常使用極限狀態(tài)計算。三、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。只進行承載能力極限狀態(tài)計算，不必考慮正常使用極限狀態(tài)計算。3.1極限狀態(tài)和設(shè)計狀況

3.2極限狀態(tài)設(shè)計法一、可靠性

結(jié)構(gòu)在設(shè)計規(guī)定的使用年限內(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），完成預定功能（安全性、適用性和耐久性）的能力。即是安全性、適用性和耐久性的總稱。第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

3.2.1結(jié)構(gòu)的可靠度3.2按近似概率的極限狀態(tài)設(shè)計法二、可靠度結(jié)構(gòu)可靠度：是結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量。一、R和S的概率密度曲線---正態(tài)分布▲可見，在多數(shù)情況下，R>S?！谥丿B區(qū)（陰影段內(nèi)）仍有可能出現(xiàn)R<S的情況，這種可能性的大小用概率來表示就是失效概率?！虼艘^對地保證R>S是不可能的。3.2.2可靠指標與失效概率第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

3.2極限狀態(tài)設(shè)計法二、Z的概率密度曲線、失效概率、可靠指標第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

失效概率可見，Pf越小，越大3.2極限狀態(tài)設(shè)計法第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

三、容許失效概率四、失效概率pf與可靠指標的關(guān)系當Pf小于某個值時，人們不再擔心。該失效概率稱為容許失效概率[Pf]。賽車

飛機火車雷擊公眾心理分析：膽大10-3

謹慎10-4

不再考慮10-5

失效概率：較安全5×10-3安全5×10-4很安全5×10-53.2極限狀態(tài)設(shè)計法第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

五、建筑結(jié)構(gòu)的目標可靠指標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4.23.73.2六、橋梁結(jié)構(gòu)的目標可靠指標破壞類型安全等級一級二級三級延性破壞4.74.23.7脆性破壞5.24.74.23.2極限狀態(tài)設(shè)計法3.3實用設(shè)計表達式第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

3.3.1設(shè)計驗算點的確定、分項系數(shù)

f(S)SSk

f(R)RRk一、S

、R的概率密度曲線3.3實用設(shè)計表達式Skf(S)，f(R)S，RRk第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

二、設(shè)計驗算點的確定3.3實用設(shè)計表達式Skf(S)，f(R)S，RRk第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

二、設(shè)計驗算點的確定3.3實用設(shè)計表達式Skf(S)，f(R)S，RRk第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

二、設(shè)計驗算點的確定3.3實用設(shè)計表達式SK<RKS=RSkf(S)，f(R)S，RRk第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

設(shè)計驗算點

Pf=[Pf]二、設(shè)計驗算點的確定▲取S＝SSkR＝Rk/R3.3實用設(shè)計表達式第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

3.3.2承載能力極限狀態(tài)設(shè)計表達式一、結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)0安全等級或使用年限一級或100年二級或50年三級或5年01.11.00.9二、承載能力極限狀態(tài)設(shè)計表達式0SR建規(guī)橋規(guī)0SudR3.3實用設(shè)計表達式第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

▲基本組合-由可變荷載效應控制▲基本組合-由永久荷載效應控制三、建規(guī)--承載能力極限狀態(tài)的

荷載效應組合設(shè)計值S3.3實用設(shè)計表達式第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

▲基本組合四、橋規(guī)--承載能力極限狀態(tài)的

荷載效應組合設(shè)計值Sud3.3實用設(shè)計表達式3.3.3正常使用極限狀態(tài)設(shè)計表達式第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

一、建規(guī)正常使用極限狀態(tài)設(shè)計表達式：SC2、S-正常使用極限狀態(tài)的荷載效應組合值1、C-正常使用極限狀態(tài)所規(guī)定的變形、裂縫寬度和應力等的限值。具體見教材P385附表1-15和1-16▲標準組合▲準永久組合---準永久系數(shù)。對民用建筑一般為0.3~0.5。具體查荷載規(guī)范GB50009-2001

。3.3實用設(shè)計表達式第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

---分別為頻遇值系數(shù)和準永久系數(shù)。具體查JTGD60第4.1.7。二、橋規(guī)持久狀況正常使用極限狀態(tài)設(shè)計1、采用的荷載效應組合：▲短期效應組合▲長期效應組合3.3實用設(shè)計表達式第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

2、應驗算的內(nèi)容（1）預應力混凝土受彎構(gòu)件的抗裂驗算；應力限值見JTGD62第6.3.1條。（2）裂縫寬度驗算；寬度限值見JTGD62第6.4.2條。0.15mm,0.2mm（3）撓度驗算。撓度限值見JTGD62第6.5.3條。l/600三、橋規(guī)持久狀況和短暫狀況構(gòu)件的應力計算1、持久狀況預應力混凝土構(gòu)件的應力計算2、短暫狀況構(gòu)件的應力計算為強度驗算，為承載力計算的補充第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

3.3.4、材料強度和荷載的取值材料強度有實測值、標準值和設(shè)計值一、材料強度3.3實用設(shè)計表達式第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

3.3實用設(shè)計表達式第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

1、材料強度標準值

根據(jù)材料強度概率分布的某個分位值確定。

混凝土的分位值取0.05（即95%的保證率）；

鋼筋的分位值取0.0227（即97.73%的保證率）。2、材料強度設(shè)計值等于材料強度標準值除以材料分項系數(shù)?；炷粒篶=1.4；普通鋼筋:s=1.1；預應力鋼筋:s=1.2(1.41)。

fy、fc查教材P316～317建工混凝土：c=1.45；普通鋼筋:s=1.2；預應力鋼筋:s=(1.25)1.47。

fsd、fcd教材P493道橋第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

3、混凝土強度標準值強度種類符號混凝土強度等級C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60C65C70C75C80建工軸心抗壓fck10.013.416.720.123.426.829.632.435.538.541.544.547.450.2軸心抗拉ftk1.271.541.782.012.202.392.512.642.742.852.932.993.053.11道橋軸心抗壓fck10.013.416.720.123.426.829.632.435.538.541.544.547.450.2軸心抗拉ftk1.271.541.782.012.202.402.512.652.742.852.933.003.053.103.3實用設(shè)計表達式第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

4、混凝土強度設(shè)計值強度種類符號混凝土強度等級C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60C65C70C75C80建工軸心抗壓fc7.29.611.914.316.719.121.123.125.327.529.731.833.835.9軸心抗拉ft0.911.101.271.431.571.711.801.891.962.042.092.142.182.22道橋軸心抗壓fcd6.99.211.513.816.118.420.522.424.426.528.530.532.434.6軸心抗拉ftd0.881.061.231.391.521.651.741.831.891.962.022.072.102.143.3實用設(shè)計表達式第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

鋼筋種類抗拉強度標準值fyk抗拉強度設(shè)計值fy抗壓強度設(shè)計值fy’HPB235235210210HRB335335300300HRB400400360360RRB400400360360建規(guī)鋼筋種類抗拉強度標準值fsk抗拉強度設(shè)計值fsd抗壓強度設(shè)計值fsd’R235235195195HRB335335280280HRB400400330330KL400400330330橋規(guī)5、鋼筋強度標準值、設(shè)計值3.3實用設(shè)計表達式第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

1、荷載標準值－前面已講

二、荷載荷載也有實測值、標