建筑結(jié)構(gòu)第五版 第2章-設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)方法

本章主要內(nèi)容設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和設(shè)計(jì)使用年限結(jié)構(gòu)的功能要求、作用和抗力結(jié)構(gòu)可靠度理論和極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法；√結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)內(nèi)容第二章工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和方法設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期——結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)以及對(duì)與時(shí)間有關(guān)的材料性能取值時(shí)所采用的時(shí)間參數(shù)。我國(guó)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年。設(shè)計(jì)使用年限——設(shè)計(jì)規(guī)定的一個(gè)時(shí)期。該規(guī)定時(shí)期內(nèi)，房屋建筑在正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用和維護(hù)下不需要進(jìn)行大修就能按其預(yù)定目的使用。設(shè)計(jì)使用年限分類表2.1設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和設(shè)計(jì)使用年限類別1234設(shè)計(jì)使用年限52550100示例臨時(shí)性建筑易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件普通房屋和構(gòu)筑物紀(jì)念性和特別重要建筑2.2 結(jié)構(gòu)的功能要求、作用和抗力（一）結(jié)構(gòu)的功能要求適用性耐久性安全性功能要求

結(jié)構(gòu)在正常使用時(shí)具有良好的工作性能。例如，不會(huì)出現(xiàn)影響正常使用的過(guò)大變形或振動(dòng)；不產(chǎn)生使使用者感到不安的裂縫寬度等。結(jié)構(gòu)在正常施工和正常使用的條件下，能承受可能出現(xiàn)的各種作用；在設(shè)計(jì)規(guī)定的偶然事件（如強(qiáng)烈地震、爆炸、車輛撞擊等）發(fā)生時(shí)和發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性，即不致發(fā)生連續(xù)倒塌。結(jié)構(gòu)在正常維護(hù)條件下具有足夠的耐久性能，即在正常維護(hù)條件下結(jié)構(gòu)能夠正常使用到規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限。例如，結(jié)構(gòu)材料不致出現(xiàn)影響功能的損壞，鋼筋混凝土構(gòu)件的鋼筋不致因保護(hù)層過(guò)薄或裂縫過(guò)寬而銹蝕等。結(jié)構(gòu)上的作用?按時(shí)間的變異分布：永久作用、可變作用、偶然作用

?按隨空間位置的變異分類：固定作用、自由作用

?按結(jié)構(gòu)的反應(yīng)分類：靜態(tài)作用、動(dòng)態(tài)作用（二）作用和抗力作用的隨機(jī)性質(zhì)作用可能出現(xiàn)，也可能不出現(xiàn)；數(shù)值可能較大，也可能較??；方向可能變化，也可能不變等等。作用效應(yīng)S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)，用S表示。由直接作用產(chǎn)生的效應(yīng)，通常稱為荷載效應(yīng)。內(nèi)力：軸力、彎矩、剪力、扭矩；變形：撓度、轉(zhuǎn)角、裂縫。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(jiǎn)支梁在跨中一集中荷載作用下跨中彎矩例：簡(jiǎn)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c第二章設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和方法結(jié)構(gòu)的抗力R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。如構(gòu)件的承載力、剛度、抗裂度等，用R表示。

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(jì)算模式的不確定性

結(jié)構(gòu)的抗力具有隨機(jī)性。2.3結(jié)構(gòu)可靠理論和極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法一、結(jié)構(gòu)的可靠性和可靠度結(jié)構(gòu)的可靠性結(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)定功能的概率。即可靠性的概率度量。結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性的總稱規(guī)定時(shí)間指設(shè)計(jì)使用年限；規(guī)定條件指正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用和正常維護(hù)，不包括錯(cuò)誤設(shè)計(jì)、錯(cuò)誤施工和違反原來(lái)規(guī)定的使用情況。二、結(jié)構(gòu)可靠度理論隨機(jī)變量的分析和處理平均值標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)正態(tài)分布曲線方程正態(tài)分布曲線的特征結(jié)構(gòu)或構(gòu)件能否完成預(yù)定功能與結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)S與結(jié)構(gòu)的抗力R有關(guān)。Z=R–S因抗力R和S均具有隨機(jī)性，所以可采用結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)來(lái)描述結(jié)構(gòu)完成預(yù)定功能的狀況。第二章設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和方法

結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)Z>0，即R>S

結(jié)構(gòu)可靠Z=0，即R=S結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)。

即R<S

結(jié)構(gòu)失效Z<0，實(shí)際工程中，可能出現(xiàn)以下三種情況結(jié)構(gòu)所處的狀態(tài)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Z<0部分(陰影)面積即為失效概率Pfpfzzfz(Z)zZ結(jié)構(gòu)的可靠概率和失效概率Pf

計(jì)算復(fù)雜，但(由圖看出)均值Z向右移Pf

減小，可靠度加大。令

越大，Pf越小

，結(jié)構(gòu)越可靠。故稱為可靠度指標(biāo)。三、概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的分類：承載能力極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)（1）定義整個(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（安全性、適用性、耐久性）要求，該特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。三、概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法1）承載能力極限狀態(tài)

——這種極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形。承載能力極限狀態(tài)主要考慮關(guān)于結(jié)構(gòu)安全性的功能。承載能力極限狀態(tài)現(xiàn)象：●整個(gè)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)件或連接因材料強(qiáng)度不夠而破壞；●結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系；●結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如柱子被壓曲等）。三、概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法2）正常使用極限狀態(tài)

——正常使用極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)于結(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。這一狀態(tài)對(duì)應(yīng)于適用性或耐久性的功能。

●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）；

●影響正常使用的振動(dòng)；

●影響正常使用的其他特定狀態(tài)等。正常使用極限狀態(tài)：

設(shè)計(jì)計(jì)算原則：采用以概率論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，保證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的失效概率足夠小，或可靠概率足夠大。所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件均應(yīng)進(jìn)行承載力計(jì)算，對(duì)某些構(gòu)件還需進(jìn)行變形和裂縫寬度的驗(yàn)算。《規(guī)范》規(guī)定：三、概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法0SR式中S–––荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值0–––結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性系數(shù)，對(duì)一、二、三級(jí)分別取1.1,1.0,0.9R

–––結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力（承載力）的設(shè)計(jì)值承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式基本組合:（1）由可變荷載效應(yīng)控制的組合式中G–––永久荷載分項(xiàng)系數(shù)。有利時(shí)取1.0;不利時(shí)取1.2SGK–––永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)。一般情況取1.4Q1、

Qi

–––第一個(gè)和第i個(gè)活荷載分項(xiàng)系數(shù)。SQ1K–––大于其它任意第i個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)。SQiK

–––第i個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)。ci

–––第i個(gè)可變荷載的組合系數(shù)（2）由永久荷載效應(yīng)控制的組合對(duì)于框架、排架結(jié)構(gòu)，基本組合可采用簡(jiǎn)化規(guī)則：在下列組合中取最不利值結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的設(shè)計(jì)值R=R(·)=R(fc

,fs

,k,…)是由材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值fck除以砼材料分項(xiàng)系數(shù)c>1.0所得。fc

–––混凝土材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。fck是由數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析且具有95%的保證率的材料強(qiáng)度。是由鋼材強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值fsk除以材料分項(xiàng)系數(shù)(s>1.0)求得。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力應(yīng)根據(jù)截面的受力狀態(tài)不同用相應(yīng)的計(jì)算模型確定。fs

–––鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。fsk是由數(shù)理統(tǒng)計(jì)且具有95%保證率的材料強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件超過(guò)正常使用極限狀態(tài)時(shí)所造成的財(cái)產(chǎn)和生命損失要小于超過(guò)承載力極限狀態(tài)的后果，故其可靠度指標(biāo)要低一些。在荷載效應(yīng)及結(jié)構(gòu)抗力計(jì)算中均。采用標(biāo)準(zhǔn)值結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在持荷作用下，其裂縫和變形會(huì)隨時(shí)間的推移而發(fā)展，因此討論其荷載組合時(shí)應(yīng)考慮

和的組合。短期效應(yīng)長(zhǎng)期效應(yīng)正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式變形及裂縫寬度的驗(yàn)算1、變形驗(yàn)算(撓度）式中f

–––受彎構(gòu)件按荷載短期效應(yīng)組合并考慮長(zhǎng)期效應(yīng)組合影響計(jì)算的最大撓度。flim–––《規(guī)范》允許撓度f(wàn)

flim2、裂縫驗(yàn)算《規(guī)范》按使用階段對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫的不同要求，將裂縫控制等級(jí)分為三級(jí)：一級(jí)：嚴(yán)格要求不裂，使用階段不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力。二級(jí)：一般要求不裂，使用階段允許出現(xiàn)拉應(yīng)力，但應(yīng)作限制。三級(jí)：允許開裂，應(yīng)驗(yàn)算裂縫寬度wmax

[

wlim]第二章設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和方法

3、荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合S：

4、荷載的準(zhǔn)永久組合S：式中，qi

–––第i個(gè)可變荷載的準(zhǔn)永久值系數(shù)第二章設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和方法例：一簡(jiǎn)支梁，跨度為6米，作用于上的均布荷載，恒載標(biāo)準(zhǔn)值gk=3kN/m，分項(xiàng)系數(shù)G=1.2，活荷載標(biāo)準(zhǔn)值qk=6kN/m，分布系數(shù)Q=1.4，分別計(jì)算梁跨中截面彎矩的基本效應(yīng)組合、短期效應(yīng)組合和長(zhǎng)期效應(yīng)組合(活荷載準(zhǔn)永久系數(shù)qi

=0.4)1、荷載代表值取值的前提范圍功能范圍：住宅、辦公、商用、倉(cāng)庫(kù)。時(shí)間范圍：幾十年一遇、幾百年一遇?？臻g范圍：建筑物所在地區(qū)地震、雪壓、風(fēng)力與風(fēng)壓2、荷載特征值的確定設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期----結(jié)構(gòu)的荷載最短測(cè)算期

是具體地區(qū)、具體使用功能的結(jié)構(gòu)在確定的時(shí)期內(nèi)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果；統(tǒng)計(jì)時(shí)期一般50年，稱為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期。荷載的取值荷載代表值

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，需針對(duì)不同設(shè)計(jì)目的對(duì)荷載賦予一個(gè)規(guī)定的量值，該量值即為荷載代表值。

永久荷載:采用標(biāo)準(zhǔn)值為代表值。

可變荷載:采用標(biāo)準(zhǔn)值、組合值、頻遇值和準(zhǔn)永久值為代表值。

偶然荷載:按使用的特點(diǎn)確定代表值。其中荷載標(biāo)準(zhǔn)值為基本代表值。

荷載標(biāo)準(zhǔn)值荷載標(biāo)準(zhǔn)值是指在結(jié)構(gòu)使用期間，在正常情況下可能出現(xiàn)的具有一定保證率的較大荷載值。

永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值Gk可按結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)尺寸和材料重力密度計(jì)算確定，《荷載規(guī)范》中給出了常用材料和構(gòu)件的自重。可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值Qk可直接查《荷載規(guī)范》