結構設計基本原理

第3章結構設計基本原理1◆工程結構的設計需要保證安全可靠、經(jīng)濟合理◆由于實際工程結構中存在多種不確定性◆對工程結構的安全可靠可能會產(chǎn)生不利影響◆截面或材料用量增加越多，安全可靠程度就越高，不安全的可能性就越小，但工程結構造價也越大◆

結構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2◆容許應力設計方法

allowablestress◆安全系數(shù)K是一個大于1.0的數(shù)值◆K越大，結構安全度就越高，同時結構材料用量也越多◆為取得安全可靠與經(jīng)濟合理的均衡，在綜合考慮各種不確定性因素影響后，可選取一個合適的安全系數(shù)。3◆材料力學中研究的是：單一材料、線彈性、簡單結構◆實際工程結構遠比它復雜◆如鋼筋混凝土梁的受彎，從安全角度考慮，需要確定其極限受彎承載力；◆而為控制正常使用階段的裂縫和撓度變形，需要確定帶裂縫工作階段的受力情況。◆采用容許應力設計方法，無法統(tǒng)一這兩方面的要求。4◆因此，首先根據(jù)工程結構需要滿足實際使用的各種要求（結構的功能），對安全可靠有更具體的科學定義◆另一方面，需要盡可能詳細了解結構在不同情況下（施工、使用、破壞）可能受到的各種外界影響的大小和變化情況◆外界影響：各種荷載、溫度變化、沉降、收縮徐變、地震、侵蝕、凍融等◆以及結構尺寸、材料強度等的變異情況，以便科學合理的選定結構可靠度。5主要內(nèi)容結構設計的要求結構的功能要求結構的極限狀態(tài)結構的設計使用年限結構的作用、作用效應和結構抗力結構的作用與作用效應結構抗力結構按概率極限狀態(tài)設計按承載能力極限狀態(tài)設計按正常使用極限狀態(tài)計算6結構的功能要求◆安全性

Safety

◎

如（M≤Mu）◎結構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)的各種荷載、外加變形（如超靜定結構的支座不均勻沉降）、約束變形（如溫度和收縮變形受到約束時）等的作用?！蛟谂既皇录ㄈ绫?、撞擊、火災等）發(fā)生時和發(fā)生后，結構應能保持整體穩(wěn)定性，不應發(fā)生倒塌或連續(xù)破壞而造成生命財產(chǎn)的嚴重損失。7◆安全性

Safety

◎

如（M≤Mu）◎上式僅從構件自身的承載力來確定安全性◎結構整體是否安全，不僅與每個構件是否安全有關，更與構件之間的連接是否可靠有關。

◎結構整體牢固性

◎結構不應發(fā)生與原因不相稱的破壞8◆適用性Serviceability

◎如（f≤[f]）

◎

結構在正常使用期間，具有良好的工作性能。

◎

如不發(fā)生影響正常使用的過大的變形（撓度、側移）、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。9◆耐久性Durability

◎如（wmax≤[wmax]）◎結構在正常使用和正常維護條件下，應具有足夠的耐久性?！蚣丛诟鞣N因素的影響下（混凝土碳化、鋼筋銹蝕），結構的承載力和剛度不應隨時間有過大的降低，而導致結構在其預定使用期間內(nèi)喪失安全性和適用性，降低使用壽命。10◆結構的可靠性

reliability■

可靠性——安全性、適用性和耐久性的總稱■就是指結構在規(guī)定的使用期限內(nèi)（設計工作壽命=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），完成預定結構功能的能力?！鼋Y構可靠性越高，建設造價投資越大。如何在結構可靠與經(jīng)濟之間取得均衡，就是設計方法要解決的問題。11■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?！鲆?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?！鲈O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，增加結構的可靠度。■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12◆結構的設計使用年限按規(guī)定指標設計的建筑結構或構件，在正常施工、正常使用和維護下，不需進行大修，即可達到按其預定目的使用的時期《建筑結構荷載規(guī)范》（GB50009）規(guī)定：50年13結構的極限狀態(tài)◆

結構能夠滿足功能要求而良好地工作，則稱結構是“可靠”的或“有效”的。反之，則結構為“不可靠”或“失效”?！魠^(qū)分結構“可靠”與“失效”的臨界工作狀態(tài)稱為“極限狀態(tài)”14承載能力極限狀態(tài)

UltimateLimitState超過該極限狀態(tài)，結構就不能滿足預定的安全性功能要求◆結構或構件達到最大承載力（包括疲勞）◆結構整體或其中一部分作為剛體失去平衡（如傾覆、滑移）◆結構塑性變形過大而不適于繼續(xù)使用◆結構形成幾何可變體系（超靜定結構中出現(xiàn)足夠多塑性鉸）◆結構或構件喪失穩(wěn)定（如細長受壓構件的壓曲失穩(wěn)）◆結構因局部破壞而發(fā)生連續(xù)倒塌◆地基喪失承載力而破壞15正常使用極限狀態(tài)

ServiceabilityLimitState

超過該極限狀態(tài)，結構就不能滿足預定的適用性和耐久性的功能要求?！暨^大的變形、側移（影響非結構構件、不安全感、不能正常使用（吊車）等）；◆過大的裂縫（鋼筋銹蝕、不安全感、漏水等）；◆過大的振動（不舒適）；◆影響正常使用的其它特定狀態(tài)（如相對沉降量過大等）。16結構的作用、作用效應和結構抗力

作用

使結構或構件產(chǎn)生內(nèi)力、變形（位移、應變）和裂縫的各種原因的總稱

作用分類直接作用：施加在結構或構件上的荷載，如結構自重、樓面上人群及物品重量、風壓力、雪壓力等間接作用：引起結構強迫變形或約束變形的原因，如地震、地基不均勻沉降、溫度變化、混凝土收縮、焊接變形等17

直接作用（荷載）分類

永久荷載（恒荷載）：在設計基準期內(nèi)其值不隨時間變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計。例如，結構自重。

可變荷載（活荷載）：在設計基準期內(nèi)其值隨時間變化，且其變化與平均值相比不可忽略。例如，樓面活荷載、橋面或路面上的行車荷載、風荷載、雪荷載、吊車荷載等。

偶然荷載：在設計基準期內(nèi)出現(xiàn)或不一定出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)，其值很大且持續(xù)時間很短，如地震、爆炸、撞擊等。18

結構上的作用（使結構產(chǎn)生內(nèi)力和變形的原因，如荷載、不均勻沉降、溫度變形、收縮變形、地震等）引起的效應（內(nèi)力、變形或裂縫）如彎矩M、軸力N、剪力V、扭矩T、撓度

f、裂縫寬度

w

等

S=S(Q)結構力學的主要內(nèi)容

作用效應S(ActionEffect)

19結構抵抗作用效應（內(nèi)力和變形）的能力，如受彎承載力Mu、受剪承載力Vu、剛度、抗裂能力等。R=R(fc,fy,A,h0,As,…)本課程的主要內(nèi)容

結構抗力R(Resistant)

20結構藏功能軟函數(shù)用來表網(wǎng)示結構透的三種籃工作狀末態(tài)：當婆，結角構能夠碗完成預辣定功能畫，處于可靠狀態(tài)；當問，踢結構篩不能厘完成乎預定薯功能凍，處志于失效狀態(tài)；當煌，真結構漸處于臨界抓極限狀態(tài)結構曉構件異完成舅預定斜功能勁的工漢作狀叨況可識以用異作用興效應S和結鵲構抗苦力R的關系華來描述翅，稱為突結構功數(shù)能函數(shù)五。結構奸的工嚷作狀珠態(tài)21荷載酸的代利表值結構設氧計時，孫應根據(jù)塌各種極客限狀態(tài)尼的設計挨要求取體用不同光的荷載扯數(shù)值荷載的布標準值潔：結構蜜在設購計基扮準期賞為50年的覽期間禾內(nèi)，曲在正服常情躺況下視可能經(jīng)出現(xiàn)乖具有悶一定保證率的最大荷載。永久快荷載燥標準襯值，對結行構自重瞧，按結谷構構件鈴的設計段尺寸與胖材料單診位體積的竹自重計鼻算確定可變荷端載標準屢值，按《荷載趁規(guī)范》規(guī)定撿采用（例早如：猴住宅雅的樓配面使棉用活加荷載幟標準慌值為2.0遮kN/脾m2)荷載鏡和材想料強俘度2223可變荷未載組合齒值：當結構喜承受兩種暈或兩斤種以挖上的可變老荷載時腿，它們悄同時以襪各自的軋最大值漂出現(xiàn)的批可能性舉極小。眉此時，飾除其中最大擔荷載仍取其標準值外，其他可池變荷載均采用小于1的組合系衫數(shù)yc乘以驅相應享的標卵準值粗來表正達其質荷載鹽代表淹值2425可變肚荷載賓準永途久值瞇：結構上喪經(jīng)常作確用的可挽變荷載循。與時間有一街定相具關，攤即在姐規(guī)定凱的期綢限內(nèi)哄，具歲有較濃長的趴總持惱續(xù)時鼓間，皺對結構的解影響有翼如永久侮荷載的消性能《荷載贈規(guī)范》規(guī)定副：可睜變荷吉載準都永久姥值是浪以荷群載的部準永辟久值差系數(shù)yq與相應的可變鼠荷載標鈔準值的美乘積來歪確定262728材料強本度標準益值取值蝦原則錦：在帽材料梳強度挖實測好值的垮總體烘中，擱強度燥標準艷值應籍具有黨不小招于95％的得保證任率?！镤摻钪姸柔u標準突值fyk★混凝霸土強伶度標阿準值立方劈燕體抗正壓強柱度標敏準值fcu,k軸心堂抗壓狀強度謹標準互值fck抗拉掠強度離標準粱值ftk29結構設重計中的關不確定輩性Un祥de飼te悟rm拉in血ed壁F侮ac姓to嘩rs暈i扮n油De物si忽gn★恒載g與構件逼尺寸、衡材料容隨重等有旺關★活載q（樓面腔活載掃、雪頌荷載途）的華數(shù)值杰是隨跨時在脂變化菊的★計算穿跨度l的不準扮確★材料強蕉度fy和fc的離散★截面質尺寸h0和b的施若工誤季差不一定歇安全（化可靠）30◆結構的礦失效概蔬率和可膨靠指標由于碑實際騙結構黨中的仍不確附定性侄，因鑰此無鈔論如獸何設查計結譽構，蜘都會擋有失爛效的摸可能斷性存肚在，既只是識可能鑼性大毯小不畏同而包已。為了科喪學定量亞的表示隨結構可乞靠性的穩(wěn)大小，鞠采用概研率方法算是比較吃合理的杜。失效帆概率丘越小捎，表傘示結總構可缺靠性脅越大遮。因蒼此，螺可以友用失括效概哈率來丸定量幼表示少結構批可靠到性的風大小繼。結構可幣靠性的鳥概率度助量稱為結構可躲靠度。當失贈效概攻率Pf小于睡某個朝值時浮，人逮們因鴨結構霞失效悟的可知能性擴很小而而不艙再擔啊心，匹即可宇認為始結構偉設計喜是可根靠的宏。該萌失效蛋概率干限值啦稱為容許失泰效概率[Pf]。失效母概率Pf=P(S>R)31結構地功能視函數(shù)Z=R-SPf=P(S>R)=P(Z<0蘇)b

—可靠指標

reliabilityindex32◆根據(jù)宣統(tǒng)計涼，觸蛋電的觀年死扎亡率囑為6×斥10-6◆b=3愁.7時，Pf=1.例1×1球0-4，按設計閥基準期50年考逗慮，印年失爆效概鞏率為1.1今×10-4/5膠0=脂2.皂2×涌10-6◆50年后形并不謹是結烈◆我國對于一般工程結構，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?！魧τ谥匾墓こ探Y構，應提高可靠指標。33設計可蜓靠指標雅、安全精等級根據(jù)怎建筑弄物的弄重要罵性不攔同，學即一惰旦結閉構發(fā)貪生破勾壞時饑對生忌命財固（1）破壞木后果很持嚴重的離重要建蓮筑物為僅一級；（2）破吧壞后毯果嚴件重的蛙一般刑工業(yè)揭與民稀用建序筑物府為二賴級；（3）破乏壞后辟果不艇嚴重兵的次漂要建勺筑物誘為三聚級。34概率州極限節(jié)狀態(tài)慌設計斥法的邪實用陸表達拼式作用效吳應標準夸值Sk◆作用效左應S的不少確定統(tǒng)性就鎮(zhèn)主要橡取決社于結如構上殿作用Q的不確藝定性★永久照荷載G★可變知荷載Q◆不同的辜荷載，理其變異鐘情況不播同。根就據(jù)統(tǒng)計亦分析可功以確定陽一個具石有一定色保證率（如95對%）的上限彎荷載分及位值，家該特征繼值稱為輕荷載標庫準值（符號Gk，Qik）?！舭春上ポd標寨準值腔確定雨的荷違載效零應，晃稱為綁荷載寧效應位標準袋值Sk35結構抗睬力標準僅值Rkfck、fsk分別賤為混段凝土衡和鋼鎮(zhèn)筋的攜強度遷標準壞值，艷截面乓尺寸b、h0和配秧Rk的具體表達形式是本課程的主要內(nèi)容。

f(S)SSk

f(R)RRk36Skf(S)，f(R)S，RRk37Skf(S)，f(R)S，RRk38Skf(S)，f(R)S，RRk39設計驗算點S*=R*Pf=[Pf]Skf(S)，f(R)S，RRk40作用效乏應設計童值，gS作用梅效應們分項蒼系數(shù)結構刑抗力應設計狼值，gR結構每抗力務分項步系數(shù)41分項系野數(shù)42材料打強度傷設計鄭值43g0——結構重夕要性系輸數(shù)：在狂持久設樂計狀況紙和短暫辛設計狀國況下，書對安全失等級為盯一級的苗結構構前件不應久小于1.閑1，對安轟全等級藝為二級統(tǒng)的結構架構件不呀應小于1.0，對厭安全鄙等級提為三舉級的環(huán)結構提構件飯不應炮小于0.希9；對地阻震設計暫狀況應龜取1.摸0；按承瞧載能膠力極寸限狀處態(tài)計吃算實拋用設郊計表富達式對持久設計漸狀況督，短暫設計邊狀況蠢和地震設計巨狀況，γRd為結構構件的抗力模型不定性系數(shù)；靜力設計取1.0，抗震設計取承載力抗震調(diào)整系數(shù)γRE

44荷載效涂應組合當組合欺荷載效糟應由可變傘荷載隊控制時基本祥組合當組合祝荷載效促應由永久頃荷載獲控制時45類別設計使用年限（年）γL150.9225_3501.041001.1荷載宮調(diào)整夸系數(shù)γL46例1一簡里支梁際，跨膏度l=4m，受永常久線均軌布荷載柴標準值8kN毫/m，受艇可變餃線均腦布荷層載標績準值6k萍N/難m，跨中尾受可變防集中荷騰載，其這標準值10k課N。該右梁是辦重要主的建詳筑構撇件，繡安全慚等級石為一襪級，痰設計務使用黑年限50年，求容該梁跨帖中截面太的設計明彎矩值島。47【練習】對某償非地僚震區(qū)綠的某榆框架筆頂層興橫梁遠進行賢內(nèi)力檢分析鐘，經(jīng)遇計算沫知在歐永久忘荷載貿(mào)標準聞值、惠屋面活活荷趨載標妻準值庭、風沫荷載闊標準坑值的速分別補作用嚷下，疼該橫撞梁梁爪端彎粗矩標層準值壁分別貿(mào)為：MGK=2躬0k夜Nm，MLK=6均KN腸m(