結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法

結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法設(shè)計、分析的定義分析：是在結(jié)構(gòu)截面尺寸、配筋和材料強度均為已知的情況下，研究在給定支承條件和荷載下的受力性能，進行截面的應(yīng)力和變形分析，確定構(gòu)件的極限內(nèi)力（Nu、Mu）。研究的是“定值”問題。設(shè)計：面向的問題是根據(jù)預(yù)計的荷載和材料性能，采用經(jīng)理想化和簡化假定的計算方法，確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸及配筋，在經(jīng)濟合理的條件下滿足結(jié)構(gòu)功能的要求。是非確定性問題。但設(shè)計考慮的問題方面比分析要綜合得多。結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法§3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求

結(jié)構(gòu)的功能要求

結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)作用效應(yīng)S與結(jié)構(gòu)抗力R結(jié)構(gòu)功能函數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法結(jié)構(gòu)的功能要求結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的是要使所設(shè)計的結(jié)構(gòu)能夠完成由其用途所決定的全部功能要求。（1）安全性

要求結(jié)構(gòu)能承受在正常施工、正常使用期出現(xiàn)的各種作用（荷載、強迫變形、約束變形）。并在偶然荷載（如強風(fēng)、地震）作用或偶然事件（如火災(zāi)、爆炸）發(fā)生時和發(fā)生后，仍能保持整體穩(wěn)定（僅產(chǎn)生局部破壞，不發(fā)生連續(xù)倒塌）。（2）適用性

在正常使用荷載作用下具有良好的工作性能。不產(chǎn)生過大的變形、永久的變形和動力效應(yīng)（過大的振幅和振動），或產(chǎn)生讓使用者感到不安的裂縫。（3）耐久性

結(jié)構(gòu)在正常使用和正常維護條件下，在規(guī)定的環(huán)境中、在預(yù)定的使用期限內(nèi)應(yīng)有足夠的耐久性。即在使用期限內(nèi)不發(fā)生鋼筋銹蝕、保護層碳化等這些影響使用壽命的因素。結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法什么是結(jié)構(gòu)的可靠性：

把安全性、適用性、耐久性概括起來稱為結(jié)構(gòu)的可靠性。

可靠性：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)（如設(shè)計使用年限為50年），在規(guī)定的條件下（正常設(shè)計、正常施工、正常使用和正常維修不考慮人為過失）完成預(yù)定功能的能力。結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法結(jié)構(gòu)能滿足功能要求而良好地工作，稱為結(jié)構(gòu)“可靠”或“有效”。反之，則稱為結(jié)構(gòu)“不可靠”或“失效”。（即：整個結(jié)構(gòu)物或結(jié)構(gòu)物的一部分超過某一特定狀態(tài)）極限狀態(tài)——區(qū)分結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的可靠與失效的標(biāo)志是“極限狀態(tài)”。它是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件能夠滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要求的臨界狀態(tài)。有明確的標(biāo)志及限值。3.1.2結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)包括：承載能力極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法（1）承載能力極限狀態(tài)整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡，如傾覆、滑移；結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接部位因材料強度超過限值而破壞，包括承受多次重復(fù)荷載構(gòu)件產(chǎn)生的疲勞破壞；結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因產(chǎn)生過度的塑性變形而不適于繼續(xù)承載（如受彎構(gòu)件中的少筋梁）；結(jié)構(gòu)變?yōu)闄C動體而失去承載能力；結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定（壓屈、側(cè)屈、翹屈）；地基喪失承載力而破壞。結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法（2）正常使用極限狀態(tài)影響正常使用或外觀的變形（如梁產(chǎn)生超過了撓度限值的過大撓度）；影響正常使用或耐久性的局部損壞（如不允許出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件開裂，或出現(xiàn)超過允許裂縫寬度的裂縫）；影響正常使用的振動；影響正常使用的其它特定狀態(tài)（如鋼筋銹蝕產(chǎn)生的沿鋼筋的縱向裂縫。結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法1、作用效應(yīng)S3.1.3作用效應(yīng)S與結(jié)構(gòu)抗力R作用：是指施加在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上的力，以及引起結(jié)構(gòu)強迫變形或約束變形的原因，如地面運動、地基不均勻沉降、溫度變化、混凝土收縮、焊接變形等。作用效應(yīng)“S”：是上述作用引起的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的內(nèi)力（如軸向力、剪力彎矩、扭矩等）和變形（如撓度、側(cè)移、裂縫等）結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法1、作用效應(yīng)S3.1.3作用效應(yīng)S與結(jié)構(gòu)抗力R荷載效應(yīng)：當(dāng)作用力為集中力或分布力時，其效應(yīng)可稱為“荷載效應(yīng)”表示：荷載Q與荷載效應(yīng)S之間，一般可近似按照線性關(guān)系考慮，因此S=CQ式中：C—為荷載效應(yīng)系數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法3.1.4結(jié)構(gòu)功能函數(shù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件完成預(yù)定功能的工作狀況可以用作用效應(yīng)S和結(jié)構(gòu)抗力R的關(guān)系式來描述，稱為結(jié)構(gòu)功能函數(shù)，用Z來表示：結(jié)構(gòu)可靠狀態(tài)（結(jié)構(gòu)能完成預(yù)定的功能）結(jié)構(gòu)處于臨界的極限狀態(tài)（將，稱為“極限狀態(tài)方程”）結(jié)構(gòu)失效狀態(tài)（結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定的功能）結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法§3.2概率統(tǒng)計的一些基本概念

3.2.1隨機變量、概率分布函數(shù)3.2.2平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)3.2.3正態(tài)分布3.2.4隨機變量函數(shù)的運算法則結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法3.2.1隨機變量、概率分布函數(shù)隨機現(xiàn)象：對于具有多種可能發(fā)生的結(jié)果，而究竟發(fā)生這些可能的哪一種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)不能確定的現(xiàn)象，稱為隨機現(xiàn)象。（可能發(fā)生也可能不發(fā)生的事件稱為隨機事件）隨機變量：隨機現(xiàn)象的各種結(jié)果的對應(yīng)的變量稱為隨機變量。頻率密度分布曲線：隨機變量對應(yīng)的發(fā)生頻率值所組成的曲線為頻率分布曲線。概率分布函數(shù)：頻率密度分布曲線在某個區(qū)間段內(nèi)的積分稱為概率分布函數(shù)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法3.2.2平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)平均值：表示隨機變量的波動中心，也即代表隨機變量值Xi平均水平的特征值。標(biāo)準(zhǔn)差：表示隨機變量X取值離散程度的一個特征值。定義為隨機變量Xi與平均值的偏差的平方和除以n的開方。

結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法3.2.2平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)算術(shù)平均值：平均值變異系數(shù)：反映隨機變量相對離散程度的特征值，即：結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法3.2.3正態(tài)分布隨機變量的密度函數(shù)為：混凝土強度、鋼材強度是服從正態(tài)分布的；但荷載和結(jié)構(gòu)抗力一般不服從正態(tài)分布。如樓面活荷載、風(fēng)荷載等均服從極值I型分布，而結(jié)構(gòu)抗力服從于對數(shù)正態(tài)分布。結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法§3.3概率極限狀態(tài)設(shè)計法失效概率、可靠指標(biāo)目標(biāo)可靠指標(biāo)、安全等級結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法失效概率、可靠指標(biāo)可靠概率：結(jié)構(gòu)能完成預(yù)定功能的概率稱為可靠概率Ps失效概率：結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定功能的概率稱為失效概率Pf（failureprobability）?？煽恐笜?biāo)：隨機變量函數(shù)的平均值與方差的比值。即：結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法舉例：R、S均按照正態(tài)分布來看待。目標(biāo)可靠指標(biāo)和變異系數(shù)之間的區(qū)別結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法3.3.2目標(biāo)可靠指標(biāo)、安全等級目標(biāo)可靠指標(biāo)：當(dāng)有關(guān)變量的概率分布類型及統(tǒng)計參數(shù)已知時，就可按上述的計算公式求得現(xiàn)有的各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠指標(biāo)。安全等級（1）一級：破壞后果很嚴(yán)重的重要建筑物（2）二級：破壞后果嚴(yán)重的一般工業(yè)與民用建筑物（3）三級：破壞后果不嚴(yán)重的次要建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法§3.4概率極限狀態(tài)設(shè)計法的實用設(shè)計

表達式3.4.1基本變量的標(biāo)準(zhǔn)值3.4.2分項系數(shù)3.4.3結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)3.4.4只有一種可變荷載的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力極限狀態(tài)設(shè)計表達式3.4.5荷載組合系數(shù)，荷載效應(yīng)的一般組合式3.4.6正常使用極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法3.4.1基本變量的標(biāo)準(zhǔn)值1、荷載標(biāo)準(zhǔn)值荷載標(biāo)準(zhǔn)值是指在結(jié)構(gòu)的使用期間，在正常情況下出現(xiàn)的最大荷載值。也是《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB5009—2001）規(guī)定的荷載的基本代表值。最大值是隨機變量；由最大荷載概率分布的某一分位數(shù)來確定；因荷載的不同標(biāo)準(zhǔn)值的取值分位數(shù)不同。2、材料強度標(biāo)準(zhǔn)值材料強度標(biāo)準(zhǔn)值的取值原則是在符合規(guī)定質(zhì)量的材料強度實測值的總體中，標(biāo)準(zhǔn)強度應(yīng)具有不小于95%的保證率，即按概率分布的分位數(shù)取值。結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法3.4.2分項系數(shù)為了將極限狀態(tài)方程轉(zhuǎn)化為以基本變量標(biāo)準(zhǔn)值和分項系數(shù)形式表達的形式，引入分項系數(shù)。這時可靠指標(biāo)的計算公式可改寫成：1、分項系數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法3.4.2分項系數(shù)令：則極限狀態(tài)平衡方程式為：

式中:結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法3.4.2分項系數(shù)

2、荷載分項系數(shù)分類永久荷載分項系數(shù)可變荷載分項系數(shù)可變荷載效應(yīng)起控制作用一般情況下1.21.4大于4kN/m2樓面均布可變荷載1.21.3永久荷載效應(yīng)起有利作用1.01.4永久荷載效應(yīng)起控制作用1.351.4結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法3.4.2分項系數(shù)

3、材料分項系數(shù)（1）鋼筋的材料分項系數(shù)

通過軸心受拉構(gòu)件進行可靠度分析求得的（軸心受拉構(gòu)件的承載力與混凝土無關(guān)，只取決于鋼筋的強度及其截面積）根據(jù)鋼筋屈服延性破壞，取目標(biāo)可靠指標(biāo)，及給定的鋼筋強度標(biāo)準(zhǔn)值，可求得鋼筋的材料分項系數(shù)。常用的鋼材

。鋼筋強度設(shè)計值結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法3.4.2分項系數(shù)

3、材料分項系數(shù)（2）混凝土的材料分項系數(shù)通過軸心受壓構(gòu)件作可靠度分析求得的。軸心受壓構(gòu)件的承載力由鋼筋和混凝土二部分共同負擔(dān)，由于鋼筋的強度設(shè)計值已經(jīng)確定，所以鋼筋的承載力為已知。根據(jù)混凝土受壓破壞屬脆性破壞，取目標(biāo)可靠指標(biāo)，再結(jié)合軸心受壓構(gòu)件試驗給出的構(gòu)件抗力統(tǒng)計參數(shù)，即可求得混凝土材料分項系數(shù)。為了應(yīng)用方便本書附表可直接查得。結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法第三章按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計法材料強度設(shè)計值RRB400(20MnSi)表4.2混凝土強度設(shè)計值（N/mm2）混

凝

土

強

度

等

級強度種類符號C15C20C25C30C35C40軸心抗壓強度fc7.29.611.914.316.719.1軸心抗拉強度ft0.911.101.271.431.571.71混

凝

土

強

度

等

級C45C50C55C60C65C70C75C8021.223.125.327.529.731.833.835.91.801.891.962.042.092.142.182.22表4.3普通鋼筋強度設(shè)計值（N/mm2）種

類符號fyyfHPB235(Q235)210210HRB335(20MnSi)300300熱軋鋼筋HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)360360結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法3.4.3結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)

3、材料分項系數(shù)（3）鋼筋混凝土構(gòu)件的分項系數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法3.4.3結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)

為了反映結(jié)構(gòu)設(shè)計中安全等級的不同，在實用設(shè)計表達式的荷載效應(yīng)項上引入了系數(shù)，稱為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取值安全等級破壞后果設(shè)計年限建筑物類型的取值一級很嚴(yán)重100重要的工業(yè)與民用建筑1.1二級嚴(yán)重50一般的工業(yè)與民用建筑1.0三級不嚴(yán)重5次要的建筑物0.9結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法只有一種可變荷載的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力極限狀態(tài)設(shè)計表達式

對于只有一種可變荷載的簡單情況的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其承載力極限狀態(tài)設(shè)計表達式可歸結(jié)為：或結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理以及設(shè)計方法荷載組合系數(shù)，荷載效應(yīng)的一般組合式

當(dāng)結(jié)構(gòu)上同時作用有多種可變荷載時，如框架結(jié)構(gòu)除了樓（屋）面活荷載外，一般還同時作用有風(fēng)荷載；而排架結(jié)構(gòu)上作用的可變荷載可能有吊車荷載、風(fēng)荷載、雪荷載等。