結(jié)構(gòu)按極限狀態(tài)法設(shè)計計算的原則課件

第二章

結(jié)構(gòu)按極限狀態(tài)法設(shè)計計算的原則預(yù)定的作用材料的性能截面尺寸，配筋及構(gòu)造要求功能要求設(shè)計+目錄結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的發(fā)展概率極限狀態(tài)設(shè)計法的基本概念我國公路橋涵設(shè)計規(guī)范的計算原則材料強度的取值作用的代表值和作用效應(yīng)組合在規(guī)定的標準荷載下，按彈性理論計算得到的構(gòu)件截面任一點的應(yīng)力不大于容許應(yīng)力值

f—結(jié)構(gòu)材料的極限應(yīng)力(強度)，由實驗而定；

K—安全系數(shù)，根據(jù)工程經(jīng)驗主觀判斷優(yōu)點：簡單實用,把所有影響結(jié)構(gòu)安全的不利因素用K>1表示。缺點：缺乏明確的結(jié)構(gòu)可靠度概念，沒有反映材料的塑性特征，計算結(jié)果偏于保守。容許應(yīng)力法≤[]=f/K破損階段法20世紀30年代前蘇聯(lián)學(xué)者首先提出考慮砼塑性特征的破壞階段計算方法K·S≤RR—考慮材料塑性性能的整個截面的極限承載力，由試驗得出的經(jīng)驗公式計算；S—最大荷載產(chǎn)生的內(nèi)力；K—安全系數(shù)，由經(jīng)驗確定優(yōu)點：反映材料的塑性特征；單一安全系數(shù)，簡單實用。缺點：缺乏明確的結(jié)構(gòu)可靠度概念，沒有考慮正常使用條件。極限狀態(tài)設(shè)計法20世紀50年代前蘇聯(lián)同一位學(xué)者提出，破損階段法的延伸。S(kqi·qik)≤R(fck/kc,fsk/ks,As,b)fck,fsk—材料強度，根據(jù)大量試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計后，按一定保證率確定的下限分位值，反映材料強度的變異性。q—根據(jù)各種荷載的實測統(tǒng)計資料，按一定保證率的上限分位值；kq，kc，ks—荷載和材料強度的分項系數(shù)，經(jīng)驗確定；As,b—截面幾何尺寸。優(yōu)點：各分項系數(shù)用統(tǒng)計方法確定；材料和荷載不同的分項系數(shù)。缺點：沒有從整體考慮可靠度。目錄結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的發(fā)展概率極限狀態(tài)設(shè)計法的基本概念我國公路橋涵設(shè)計規(guī)范的計算原則材料強度的取值作用、作用的代表值和作用效應(yīng)組合2.概率極限狀態(tài)設(shè)計法的基本概念可靠度結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)失效概率和可靠指標可靠度結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)在規(guī)定的條件下完成預(yù)定功能的概率?？煽啃愿怕识攘?，建立在數(shù)學(xué)統(tǒng)計基礎(chǔ)上，經(jīng)過調(diào)查，統(tǒng)計，計算分析確定。適用性耐久性安全性結(jié)構(gòu)的可靠性結(jié)構(gòu)設(shè)計就是實現(xiàn)可靠性與經(jīng)濟性的最佳平衡設(shè)計方法

TheDesignMethods結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)(LimitState)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)而不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要求，則此特定狀態(tài)為該功能的極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)承載能力極限狀態(tài)ULS(UltimateLimitState)對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載能力或達到不適合于繼續(xù)承載的變形,從而喪失了安全功能整個結(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)件達到最大承載力；結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系；結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定；地基喪失承載能力而破壞。上海樓房倒塌由三大原因所致

2009年06月29日06:01

華龍網(wǎng)-重慶晨報

堆土過多致側(cè)面受力古河道淤積層被掏空違反程序野蠻施工正常使用極限狀態(tài)(ServiceabilityLimitState)對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到正常使用或耐久性的某項規(guī)定限值影響正常使用或外觀的變形(過大的crack)；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(不舒適，影響精密儀器運作的振動)；影響正常使用的其它特定狀態(tài)(如沉降過大,侵蝕性介質(zhì)作用下腐蝕等)?；驹O(shè)計原則

TheBasicDesignApproachDesignofStructuresStrengthDeformation承載力極限狀態(tài)設(shè)計方法正常使用極限狀態(tài)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)上的作用和抗力使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力和變形的所有原因統(tǒng)稱為作用。

直接作用：通常是以力的形式作用，荷載間接作用：以變形的形式作用(如砼收縮、溫度變化、焊接變形、基礎(chǔ)沉降、地震等按方式分按隨時間的變異永久作用(permanentaction)可變作用(variableaction)偶然作用(accidentalaction)結(jié)構(gòu)上的作用和抗力:隨機變量作用效應(yīng)(S)：荷載、地震、溫度、不均勻沉降等因素作用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件上,在結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)力和變形稱為作用效應(yīng)。結(jié)構(gòu)抗力(R)：結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受內(nèi)力和變形的能力。如構(gòu)件的受彎承載力、構(gòu)件的剛度等。失效概率(ProbabilityofFailure)Pf失效：結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分不能滿足設(shè)計所規(guī)定的某一功能要求，即達到或超過了承載能力極限或正常使用極限狀態(tài)中的某一極限。失效概率Pf：結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定功能的概率可靠概率Pr：完成預(yù)定功能的概率Pf+Pr=1互不相容正態(tài)分布概率密度曲線由概率論可知，頻率密度的積分為概率。由于各頻率之和等于1，即圖中正態(tài)曲線與橫坐標包圍的面積等于1，即：1）平均值:它它表示隨機變量取值的集中位置。平均值愈大，則分布曲線的高峰點離開縱坐標軸的水平距離愈遠。2）標準差:它表示隨機變量的離散程度。標準差愈大時，分布曲線愈扁平，說明變量分布的離散性愈大。3）變異系數(shù):它表示隨機變量取值的相對離散程度。σ補充內(nèi)容結(jié)構(gòu)抗力R與作用效應(yīng)S都是隨機變量，因此功能函數(shù)Z=R-S也是隨機變量Z>0結(jié)構(gòu)可靠；Z=0結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)；Z<0結(jié)構(gòu)失效結(jié)構(gòu)的可靠概率與失效概率的關(guān)系

f(Z)

Z=bsZmzPfZ=R-SsZPr=1-Pf可靠概率：失效概率：安全的概念是相對的，所謂“安全”只是失效概率相對較小而已，失效概率不可能為零，故不存在絕對安全的結(jié)構(gòu)。應(yīng)該通過設(shè)計把失效概率控制在某一個可以接受的限制以下就可以。失效概率越小，表示結(jié)構(gòu)可靠性越大。

f(Z)

Z=bsZmzPfZ=R-SsZPr=1-Pf

f(Z)bPfZ=R-S-m

Z/sZPr=1-Pf(·)標準化正態(tài)分布函數(shù)標準化z——平均值；σz——標準差可靠指標失效概率Pf來度量結(jié)構(gòu)的可靠性具有明確的意義，但計算繁瑣，可以利用可靠度指標β代替失效概率來度量結(jié)構(gòu)的可靠性?？煽恐笜薢——功能函數(shù)Z的平均值；Z——功能函數(shù)Z的標準差。失效概率Pf與可靠指標β有著一一對應(yīng)的關(guān)系β值愈大，失效概率Pf值就愈小；β值愈小，失效概率Pf值就愈大。例：因S-N(mS,S)、R-N(mR,R)分別服從正態(tài)分布,所以Z=R－S(mZ,Z)也服從正態(tài)分布?？煽恐笜?967年Cornell提出設(shè)計依據(jù)：≥[]分離線形化目標可靠指標[]為使結(jié)構(gòu)設(shè)計安全和經(jīng)濟合理，確定一個公眾所能接受的建筑結(jié)構(gòu)的失效概率或可靠指標，稱為目標可靠指標(允許失效概率)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5.24.74.2《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》GB/T50283-1999規(guī)定相關(guān)因素：安全等級，破壞形式，極限狀態(tài)持久狀況的極限承載能力極限狀態(tài)設(shè)計的目標可靠指標對于正常使用極限狀態(tài)設(shè)計時，公路工程結(jié)構(gòu)的目標可靠指標可根據(jù)不同類型結(jié)構(gòu)的特點和工程經(jīng)驗確定。根據(jù)橋涵結(jié)構(gòu)破壞后的嚴重程度，公路橋涵結(jié)構(gòu)的設(shè)計安全等級

設(shè)計安全等級橋涵結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)0

一級特大橋、重要大橋 1.1二級大橋、中橋、重要小橋 1.0三級小橋、涵洞 0.9“重要”的大橋、小橋是指高速公路和一級公路、國防公路上及城市附近交通繁忙公路上的橋梁。橋涵涵洞的分類

橋涵分類多孔跨徑總長(m)單孔跨徑(m)特大橋大于1000大于150大橋100-100040-150中橋30-10020-40小橋8-305-20涵洞--小于5目錄結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的發(fā)展概率極限狀態(tài)設(shè)計法的基本概念我國公路橋涵設(shè)計規(guī)范的計算原則材料強度的取值作用的代表值和作用效應(yīng)組合3.我國公路橋涵設(shè)計規(guī)范的計算原則JTGD62-2004：近似概率極限狀態(tài)設(shè)計方法，設(shè)計計算滿足承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的各項要求三種設(shè)計工況承載能力極限狀態(tài)計算表達式持久狀況正常使用極限狀態(tài)計算表達式結(jié)構(gòu)從施工到使用全過程中，代表一定時段內(nèi)的一組物理條件，設(shè)計時必須做到使結(jié)構(gòu)在該時段內(nèi)不超越有關(guān)極限狀態(tài)。根據(jù)結(jié)構(gòu)在施工和使用中的環(huán)境條件和影響,分下列三種設(shè)計狀況：1)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；2)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，如施工和維修等；3)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(zāi)、爆炸、撞擊等。三種設(shè)計工況(DesignSituationofStructures)持久狀況短暫狀況偶然狀況承載能力極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)必須必要《公路橋規(guī)》規(guī)定橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)的計算以塑性理論為基礎(chǔ)，設(shè)計原則是作用效應(yīng)最不利組合的設(shè)計值必須小于或等于結(jié)構(gòu)抗力的設(shè)計值：

式中0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，

Sd——作用（或荷載）效應(yīng)（其中汽車荷載應(yīng)計入沖擊系數(shù)）的組合設(shè)計值；

R——構(gòu)件承載力設(shè)計值；

fd

——材料強度設(shè)計值；

ad——幾何參數(shù)設(shè)計值，當無可靠數(shù)據(jù)時，可采用幾何參數(shù)標準值，即設(shè)計文件規(guī)定值。

承載能力極限狀態(tài)計算表達式持久狀況正常使用極限狀態(tài)計算表達式公路橋涵正常使用極限狀態(tài)對應(yīng)于橋涵及其構(gòu)件達到正常使用或耐久性的某項限值狀態(tài)，屬于校核性質(zhì)。以彈性或彈塑性理論為基礎(chǔ)，對構(gòu)件的開裂，裂縫寬度和撓度進行驗算S—正常使用極限狀態(tài)的作用效應(yīng)組合設(shè)計值；C1—結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常使用要求所規(guī)定的限值。目錄結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的發(fā)展概率極限狀態(tài)設(shè)計法的基本概念我國公路橋涵設(shè)計規(guī)范的計算原則材料強度的取值作用的代表值和作用效應(yīng)組合4.材料強度的取值材料強度指標的取值原則混凝土強度標準值和設(shè)計值鋼筋的強度標準值和設(shè)計值結(jié)構(gòu)抗力R計算包含材料的強度，涉及到的量值有平均值，標準值和設(shè)計值。材料強度指標的取值原則材料強度是隨機變量，其量測值受各種因素的影響。為合理取用材料強度，《公路橋規(guī)》采用了標準值和設(shè)計值。標準值(Characteristicvalueofmaterialstrength)設(shè)計結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的基本代表值，正態(tài)分布fm-1.645σfm國際標準(ISO3893)規(guī)定，材料強度標準值由強度概率分布的0.05分位值確定，即材料強度小于標準值的可能性只有5%，強度標準值具有95%的保證率。設(shè)計值(Designvalueofmaterialstrength)

充分考慮材料的離散性及不可避免的施工誤差等因素帶來的實際強度低于標準值的可能性，在承載力極限狀態(tài)計算中引入強度分項系數(shù)m，則材料的設(shè)計值f=fk/mm根據(jù)不同材料，目標可靠指標[]及工程經(jīng)驗確定混凝土強度標準值和設(shè)計值混凝土立方體抗壓強度標準值fcu,k—混凝土強度等級混凝土軸心抗壓強度標準值fckc1—棱柱體強度與立方體強度之比值，對C50及C50以下混凝土取0.76；C55取0.78,對C80砼取0.82,中間按線性規(guī)律變化；c1—C40以上混凝土脆性折減系數(shù)，對C40取1.0，對C80取0.87，中間按線性規(guī)律變化。0.88-考慮實際構(gòu)件與試件混凝土強度之間的差異，對混凝土強度的修正系數(shù)?；炷凛S心抗壓強度設(shè)計值fcdm=1.45(根據(jù)二級安全等級脆性破壞目標可靠指標確定)混凝土抗拉強度標準值ftk混凝土抗拉強度設(shè)計值ftdP487見附表1-1鋼筋的強度標準值和設(shè)計值普通鋼筋標準值fsk：采用國家標準的鋼筋屈服點，具有>95%保證率余熱處理標準值fsk：440MPa—400MPa，閃光對焊后強度降低鋼絞線和鋼絲fpk：國家標準規(guī)定的極限抗拉強度鋼筋抗拉設(shè)計值fs=1.2(根據(jù)二級安全等級延性破壞目標可靠指標確定)鋼筋抗壓設(shè)計值必須不大于鋼筋的抗拉強度設(shè)計值fsd例：HRB335鋼筋鋼筋的抗壓強度規(guī)定依據(jù)？目錄結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的發(fā)展概率極限狀態(tài)設(shè)計法的基本概念我國公路橋涵設(shè)計規(guī)范的計算原則材料強度的取值作用的代表值和作用效應(yīng)組合5.作用的代表值和作用效應(yīng)組合作用的代表值作用效應(yīng)組合作用的代表值公路橋涵設(shè)計時，對不同的作用應(yīng)采用不同的代表值1永久作用應(yīng)采用標準值作為代表值。2可變作用應(yīng)根據(jù)不同的極限狀態(tài)分別采用標準值、頻遇值或準永久值作為其代表值。承載能力極限狀態(tài)設(shè)計及彈性階段計算結(jié)構(gòu)強度時應(yīng)采用標準值作為可變作用的代表值。正常使用極限狀態(tài)按短期效應(yīng)(頻遇)組合設(shè)計時，應(yīng)采用頻遇值作為可變作用的代表值；按長期效應(yīng)(準永久)組合設(shè)計時，應(yīng)采用準永久值作為可變作用的代表值。3偶然作用取其標準值作為代表值。標準值頻遇值準永久值永久作用可變作用偶然作用ULS和彈性階段結(jié)構(gòu)強度SLS短期效應(yīng)組合SLS長期效應(yīng)組合標準值結(jié)構(gòu)構(gòu)件在使用期間的正常情況下可能出現(xiàn)的最大作用Sm

Sm+1.645σ各種作用的基本代表值永久作用的標準值：一般根據(jù)設(shè)計圖紙的尺寸和材料的標準容重計算?？勺冏饔玫臉藴手担焊鶕?jù)觀測資料和試驗數(shù)據(jù),并考慮工程實踐經(jīng)驗,取其設(shè)計基準期最大荷載概率分布的某一分位值確定。偶然作用的標準值：應(yīng)根據(jù)調(diào)查、試驗資料，結(jié)合工程經(jīng)驗確定。對于結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，如何設(shè)計的安全呢？荷載取值越大，內(nèi)力值就越大，構(gòu)件截面尺寸也愈大，結(jié)構(gòu)愈安全；材料強度取值越低，結(jié)構(gòu)所需截面越大，結(jié)構(gòu)愈安全荷載標準值：材料強度標準值：1.645——保證率系數(shù)。荷載標準值——實際荷載低于標準值的概率為95％；材料強度標準值——實際強度高于標準值的概率為95％；Sm

Sm+1.645σfm-1.645σfm頻遇值在設(shè)計基準期內(nèi)，可變作用超越的總時間為規(guī)定的較小比率或超越次數(shù)為規(guī)定次數(shù)的作用值。結(jié)構(gòu)上頻繁出現(xiàn)且量值較大的作用。1—頻遇值系數(shù)≤1準永久值在設(shè)計基準期內(nèi)，可變作用超越的總時間約為設(shè)計基準期一半的作用值。結(jié)構(gòu)上經(jīng)常出現(xiàn)且量值較小的作用。2—準永久值系數(shù)≤1[psi:]作用設(shè)計值標準值與分項系數(shù)的乘積。分項系數(shù)是考慮作用超過標準值的可能性作用效應(yīng)組合結(jié)構(gòu)上同時作用有多種荷載時要考慮作用效應(yīng)的組合。其中對結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生總效應(yīng)最不利的一組組合稱為最不利組合，按其進行設(shè)計承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時的效應(yīng)組合正常使用極限狀態(tài)設(shè)計時的效應(yīng)組合承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時的效應(yīng)組合公路橋涵結(jié)構(gòu)按承載能力極限狀態(tài)