第二章：混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

1湖南大學(xué)沈蒲生高等教育出版社高等教育電子音像出版社混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)入2混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章本章講述的內(nèi)容：

●結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的；●我國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的演變過程；●現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介；●結(jié)語。3混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的

做任何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其目的都是既要保證結(jié)構(gòu)的安全，又要使得所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)。安全和經(jīng)濟(jì)是相互矛盾的。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是要在安全與經(jīng)濟(jì)之間求得合理的平衡。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法既是一個(gè)理論問題，還與國(guó)家的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策密切相關(guān)。4混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章二、我國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的演變過程

1、建國(guó)初期：容許應(yīng)力法。式中：K為安全系數(shù)。容許應(yīng)力法以一個(gè)點(diǎn)的安全決定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全，而且，當(dāng)時(shí)的安全系數(shù)主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。5混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章2.、五、六十年代：三系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。三系數(shù)：工作條件系數(shù)；荷載系數(shù)；材料勻質(zhì)系數(shù)。3、七十年代：?jiǎn)蜗禂?shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。

單系數(shù)：安全系數(shù)。

受彎：K=1.4；受剪：K=1.55。6混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章４、八十年代：概率極限狀態(tài)法。概率極限狀態(tài)法：以可靠度理論為基礎(chǔ)，用多個(gè)分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的設(shè)計(jì)方法。

多個(gè)分項(xiàng)系數(shù)：結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要性系數(shù)，荷載分項(xiàng)系數(shù)，材料分項(xiàng)系數(shù)，…。

5、21世紀(jì)初：概率極限狀態(tài)法。

與80年代的設(shè)計(jì)方法相比，設(shè)計(jì)理論與方法上無大的變化，但可靠度有較大的提高，用鋼量增加10%，造價(jià)增加5%左右。

7混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章概率極限狀態(tài)法屬近似概率法，將來還要向全概率法發(fā)展。保證建筑結(jié)構(gòu)的可靠性，采用基于概率、基于性能的設(shè)計(jì)方法，這是今后發(fā)展的方向。解放60多年來我國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展過程為：

經(jīng)驗(yàn)法

半經(jīng)驗(yàn)法半概率

近似概率法

全概率法8混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章了解結(jié)構(gòu)上的作用、作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力的概念及其隨機(jī)特性；

了解混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的理論基礎(chǔ)—

可靠度理論；

掌握我國(guó)規(guī)范的設(shè)計(jì)方法—概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。本章重點(diǎn)：三、現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介

9混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章2.1.1結(jié)構(gòu)上的作用、作用效應(yīng)及結(jié)構(gòu)抗力（1）定義：凡是能夠使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力、變形、開裂、腐蝕的因素，統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)上的作用。如荷載、地震、基礎(chǔ)差異沉降、溫度變化、混凝土收縮等。直接作用：荷載。（2）分類：間接作用：溫度、收縮、徐變、地基不均勻沉降、地震等?！?.1結(jié)構(gòu)可靠度1、結(jié)構(gòu)上的作用10混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章2、作用效應(yīng)

定義：作用在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的效應(yīng)，如內(nèi)力、應(yīng)力、位移、應(yīng)變、裂縫等，稱為作用效應(yīng)。3、結(jié)構(gòu)抗力

定義：整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件抵抗作用效應(yīng)的能力，稱為結(jié)構(gòu)抗力。11混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章2.1.2結(jié)構(gòu)的預(yù)定功能及結(jié)構(gòu)可靠度1、預(yù)定功能

（1）在正常施工和正常使用時(shí)能承受各種作用。（2）在正常使用時(shí)不發(fā)生過大的變形和過寬的裂縫。（3）在正常維護(hù)的情況下具有足夠的耐久性。（4）發(fā)生火災(zāi)時(shí)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)有足夠的承載力。（5）在遭遇偶發(fā)事件時(shí)具有必須的整體穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)的預(yù)定功能要求結(jié)構(gòu)在其設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)具有足夠的可靠性，即：安全性、適用性和耐久性。12混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章2、結(jié)構(gòu)的可靠度指結(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。規(guī)定的時(shí)間：指設(shè)計(jì)使用年限。規(guī)定的條件：指正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用。預(yù)定功能：指安全性、適用性、耐久性。結(jié)構(gòu)的可靠度是可靠性的概率度量。13混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章3、

結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限類別結(jié)構(gòu)類型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限（年）１臨時(shí)性結(jié)構(gòu)5２易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件25３普通房屋和構(gòu)筑物50４紀(jì)念性建筑和特別重要建筑1002.1.3

結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)按結(jié)構(gòu)的重要性劃分一級(jí)：重要建筑二級(jí)：一般建筑三級(jí)：次要建筑14混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章§2.2荷載和材料強(qiáng)度2.2.1荷載1、荷載分類永久荷載(恒荷載)：大小、方向、作用點(diǎn)不隨時(shí)間改變的荷載為永久荷載，如自重、土壓力、預(yù)應(yīng)力等。可變荷載(活荷載)

：大小、方向或作用點(diǎn)隨時(shí)間改變而變化的荷載為可變荷載，如樓面和屋面活載、風(fēng)荷載、雪荷載、吊車荷載等。偶然荷載：結(jié)構(gòu)使用期間可能不出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)，其作用時(shí)間短、效應(yīng)大的荷載為偶然荷載，如爆炸力，撞擊等。15混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章2、荷載代表值

（1）標(biāo)準(zhǔn)值——是荷載的基本代表值。是正常使用情況下可能出現(xiàn)的保證率為95%的偏大值。是永久荷載的唯一代表值。保證率：95％16混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章直升飛機(jī)坪：住宅樓面：屋面：不上人屋面

上人屋面

屋頂花園民用建筑樓面活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值可查荷載規(guī)范，如：其它荷載標(biāo)準(zhǔn)值見荷載規(guī)范。荷載規(guī)范中的荷載值不包括隔墻重量和二次裝修重量。（2）組合值——

當(dāng)有兩個(gè)或兩個(gè)以上可變荷載同時(shí)作用時(shí)的代表值

。組合值

=ψc

×標(biāo)準(zhǔn)值

17混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章（3）頻遇值——可變荷載可能出現(xiàn)的較大值,但小于標(biāo)準(zhǔn)值。計(jì)算裂縫、變形時(shí)用。頻遇值

=ψf×標(biāo)準(zhǔn)值

（4）準(zhǔn)永久值——可變荷載中較穩(wěn)定的那一部分值。計(jì)算裂縫、變形時(shí)用。準(zhǔn)永久值

=ψq×標(biāo)準(zhǔn)值永久荷載只有1個(gè)代表值：標(biāo)準(zhǔn)值。可變荷載有4個(gè)代表值：標(biāo)準(zhǔn)值、組合值、頻遇值、準(zhǔn)永久值。18混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章結(jié)構(gòu)承載力取決于截面尺寸大小和材料強(qiáng)度高低。材料強(qiáng)度分標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值。1

、材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值混凝土：，鋼筋：，注意：荷載標(biāo)準(zhǔn)值高于平均值，材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值低于平均值。想一想為什么要這樣？2.2.2材料強(qiáng)度保證率：95％19混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章2

、材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值混凝土：,鋼筋：,式中：–––混凝土的材料分項(xiàng)系數(shù)，取1.40；

–––鋼筋的材料分項(xiàng)系數(shù)，對(duì)延性較好的熱軋鋼筋取1.10，對(duì)500MPa級(jí)鋼筋取1.15，對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋取1.20。20混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章定義：整個(gè)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(jì)指定的某一功能要求，這個(gè)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(shí)結(jié)構(gòu)將發(fā)生破壞、倒塌或失穩(wěn)等現(xiàn)象。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(shí)結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)過大的變形，開裂或過寬的裂縫，鋼筋嚴(yán)重銹蝕，混凝土腐蝕、風(fēng)化、剝落等現(xiàn)象?！?.3結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)及分類21混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章2、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)狀況（1）持久設(shè)計(jì)狀況：在結(jié)構(gòu)使用過程中一定出現(xiàn)，其持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)的狀況。（2）短暫設(shè)計(jì)狀況：在結(jié)構(gòu)使用過程中出現(xiàn)概率大，持續(xù)時(shí)間短的狀況。（3）偶然設(shè)計(jì)狀況：在結(jié)構(gòu)使用過程中出現(xiàn)概率小，持續(xù)時(shí)間很短的狀況。（4）地震設(shè)計(jì)狀況：在結(jié)構(gòu)使用過程中遭受地震作用的狀況。22混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章Ｚ

=Ｒ-Ｓ（2-1）Ｚ＞0，結(jié)構(gòu)可靠；Ｚ=0，極限狀態(tài)。Ｚ＜0，結(jié)構(gòu)失效；正態(tài)分布

變異系數(shù)δz=μz/σz3、結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)Z式中，Z為結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)，R為結(jié)構(gòu)的抗力，S為結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)。23混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章式中：–––結(jié)構(gòu)抗力的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；

–––作用效應(yīng)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差?，F(xiàn)行設(shè)計(jì)方法以概率理論為基礎(chǔ)，用可靠指標(biāo)度量，采用多個(gè)分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)。設(shè)，則可靠指標(biāo)為：

（2-2）4、

結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)24混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)要求的可靠指標(biāo)值按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)要求的可靠指標(biāo)值破壞類型安全等級(jí)一級(jí)二級(jí)三級(jí)塑性破壞3.73.22.7脆性破壞4.23.73.2取值低于承載力極限狀態(tài)。對(duì)應(yīng)3.2的失效概率為6.9×10-4，對(duì)應(yīng)3.7的失效概率為1.1×10-4。因此，可靠指標(biāo)是可靠度的另一種表示方法。25混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章定義：整個(gè)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(jì)指定的某一功能要求，這個(gè)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(shí)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(shí)結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)過大的變形，開裂或過寬的裂縫，鋼筋嚴(yán)重銹蝕，混凝土腐蝕、風(fēng)化、剝落等現(xiàn)象?！?.4結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)26混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章

計(jì)算公式

(2-3)式中γ0–––結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；安全等級(jí)為一級(jí)的構(gòu)件，γ0

≥1.1；安全等級(jí)為二級(jí)的構(gòu)件，γ0≥1.0；安全等級(jí)為三級(jí)的構(gòu)件，γ0≥0.9；

Sd

–––承載能力極限狀態(tài)下作用組合的效應(yīng)的設(shè)計(jì)值，對(duì)持久設(shè)計(jì)狀態(tài)和短暫設(shè)計(jì)狀態(tài)應(yīng)按作用的基本組合計(jì)算?！?.5結(jié)構(gòu)的承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法27混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章–––結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設(shè)計(jì)值。

Rd

=

R（fc

,

fs

,

ak

,

...）/

γRD式中，

γRD

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(shè)計(jì)取1.0，對(duì)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(shè)計(jì)應(yīng)用承載力抗震調(diào)整系數(shù)γRE代替γRD。

fc

,

fs

,

ak式分別為混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值、鋼筋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和截面尺寸的標(biāo)準(zhǔn)值。28混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章

荷載基本組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值計(jì)算方法一般結(jié)構(gòu)構(gòu)件：選下列計(jì)算中較大者。

由可變荷載控制時(shí)

由永久荷載控制時(shí)(2-4)(2-5)承載力計(jì)算采用基本組合，按下面方法計(jì)算：29混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章式中：–––恒載分項(xiàng)系數(shù)，當(dāng)其效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)，公式2-4中的，公式2-5中的；當(dāng)其效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)，應(yīng)取1.0；

–––活載分項(xiàng)系數(shù)，一般情況下取1.4，當(dāng)活載標(biāo)準(zhǔn)值大于的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)取1.3；

–––恒載標(biāo)準(zhǔn)值所產(chǎn)生的內(nèi)力；

–––活載標(biāo)準(zhǔn)值所產(chǎn)生的內(nèi)力，i=1的活荷載為主導(dǎo)活荷載；

–––第i個(gè)可變荷載的組合系數(shù)。

γL–––樓面和屋面活荷載考慮設(shè)計(jì)使用年限的調(diào)整系數(shù)，當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年時(shí)取1.0。30混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章

偶然荷載組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值計(jì)算方法用于承載能力極限狀態(tài)計(jì)算時(shí)：用于偶然事件發(fā)生后受損結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)：式中，SAd為按偶然荷載標(biāo)準(zhǔn)值A(chǔ)d計(jì)算的荷載效應(yīng)值，ψｆ1為第1個(gè)可變荷載的頻遇值系數(shù)，ψf2為第i個(gè)可變系數(shù)的準(zhǔn)永久值系數(shù)。(2-6)(2-7)31混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章荷載偶然組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值Sd可按下列規(guī)定采用

用于承載能力極限計(jì)算時(shí)：用于偶然事件發(fā)生后受損結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)固性驗(yàn)算時(shí)：…2-6…2-7式中：SAd

–––按偶然荷載標(biāo)準(zhǔn)值A(chǔ)d計(jì)算的荷載效應(yīng)值；

ψf1–––第1個(gè)可變荷載的頻遇值系數(shù)；

ψfi–––第i個(gè)可變荷載的頻遇值系數(shù)。

注意：實(shí)際設(shè)計(jì)方法中，為了符合我國(guó)設(shè)計(jì)人員以往的設(shè)計(jì)習(xí)慣，使設(shè)計(jì)方便起見，已將可靠指標(biāo)轉(zhuǎn)化成用荷載分項(xiàng)系數(shù)、材料強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)等多個(gè)分項(xiàng)系數(shù)表示。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的演變?yōu)椋嚎煽啃浴煽慷取Ц怕省煽恐笜?biāo)→多個(gè)分項(xiàng)系數(shù)。32混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第2章主頁(yè)目錄上一章幫助下一章

設(shè)計(jì)方法

（2-8）式中：–––正常使用極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)組合值;–––達(dá)正常使用要求時(shí)的變形、裂縫、應(yīng)力等的限值。§2.6結(jié)構(gòu)按正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)方法33混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理