第十一章 混凝土結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)原理

第十一章建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理

第一節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括以下內(nèi)容：1．結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，包括結(jié)構(gòu)選型、構(gòu)件布置與傳力途徑；2．作用及作用效應(yīng)分析；3．結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)；4．結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的構(gòu)造、連接措施；耐久性及施工的要求；5．滿足特殊要求結(jié)構(gòu)的專門性能設(shè)計(jì)。一、結(jié)構(gòu)的功能要求安全性——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，即結(jié)構(gòu)僅產(chǎn)生局部的損壞而不致發(fā)生連續(xù)倒塌。適用性——結(jié)構(gòu)在正常使用時(shí)具有良好的工作性能。耐久性——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。

結(jié)構(gòu)可靠性——結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性的總稱。結(jié)構(gòu)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定條件下，完成預(yù)定功能的要求，則結(jié)構(gòu)是安全的。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)誤施工和違反原來規(guī)定的使用情況。二、結(jié)構(gòu)方案結(jié)構(gòu)方案對(duì)建筑物的安全有著決定性的影響，因此要選用合理的結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件形式和布置。在與建筑方案協(xié)調(diào)時(shí)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的平、立面布置規(guī)則，各部分的質(zhì)量和剛度宜均勻、連續(xù)。為了保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)固性，結(jié)構(gòu)的傳力途徑應(yīng)簡捷、明確，豎向構(gòu)件宜連續(xù)貫通、對(duì)齊，宜采用超靜定結(jié)構(gòu)，對(duì)于重要的構(gòu)件和關(guān)鍵傳力部位應(yīng)增加冗余約束或有多條傳力途徑，并且采取措施減小偶然作用的影響，避免因局部破壞引發(fā)結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌。三.結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(tài)（1）定義整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部份，超過某一特定狀態(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)。極限狀態(tài)承載力極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)（2）分類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?！窠Y(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過材料強(qiáng)度而破壞，或因過度變形而不適于繼續(xù)承載；●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)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）。●結(jié)構(gòu)因局部破壞而發(fā)生連續(xù)倒塌；●地基喪失承載力而破壞（如失穩(wěn)等）；●結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞破壞。當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時(shí)，即認(rèn)為超過了承載能力極限狀態(tài)：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。

當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時(shí)，即認(rèn)為超過了正常使用極限狀態(tài)：●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。四、結(jié)構(gòu)的耐久性耐久性的設(shè)計(jì)包括以下內(nèi)容：1．確定結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境類別；2．提出對(duì)混凝土材料的耐久性基本要求；3．確定構(gòu)件中鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度；4．不同環(huán)境條件下的耐久性技術(shù)措施；5．提出結(jié)構(gòu)使用階段的檢測(cè)與維護(hù)要求。五、結(jié)構(gòu)的防連續(xù)倒塌混凝土結(jié)構(gòu)防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)宜符合以下要求：1．采取減小偶然作用效應(yīng)的措施；2．采取使重要構(gòu)件及關(guān)鍵傳力部位避免直接遭受偶然作用的措施；3．在結(jié)構(gòu)容易遭受偶然作用影響的區(qū)域增加冗余約束，布置備用的傳力途徑；4．增強(qiáng)疏散通道、避難空間等重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件及關(guān)鍵傳力；5．配置貫通水平、豎向構(gòu)件的鋼筋，并與周邊構(gòu)件可靠地錨固；6．設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，控制可能發(fā)生連續(xù)倒塌的范圍。建筑結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌是指由于偶然作用（如煤氣爆炸、炸彈襲擊、車輛撞擊、火災(zāi)等）造成結(jié)構(gòu)局部破壞，并引發(fā)連鎖反應(yīng)導(dǎo)致破壞向結(jié)構(gòu)的其它部分?jǐn)U散，最終造成結(jié)構(gòu)的大范圍坍塌。一、作用與荷載施加在結(jié)構(gòu)上的集中荷載或分布荷載（包括永久荷載、可變荷載等），以及引起結(jié)構(gòu)外加變形的原因或約束變形的原因，稱為結(jié)構(gòu)上的作用。直接作用：以力的形式直接施加在結(jié)構(gòu)上的荷載；間接作用：不是以力的形式直接出現(xiàn)。

第二節(jié)結(jié)構(gòu)上的荷載和荷載代表值按隨時(shí)間的變異，結(jié)構(gòu)上的荷載可分為以下三類：1.永久荷載——恒荷載，是指在結(jié)構(gòu)使用期間，其值不隨時(shí)間變化，或者其變化與平均值相比可忽略不計(jì)的荷載。如結(jié)構(gòu)自重、土壓力、預(yù)應(yīng)力等。2.可變荷載——活荷載，是指在結(jié)構(gòu)使用期間，其值隨時(shí)間變化，且其變化值與平均值相比不可忽略的荷載。3.偶然荷載在結(jié)構(gòu)使用期間不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)，其量值很大且持續(xù)時(shí)間很短的荷載稱為偶然荷載。二.荷載代表值定義：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于不同的荷載和不同的設(shè)計(jì)情況，應(yīng)賦予荷載不同的量值，該量值即荷載代表值。1.荷載標(biāo)準(zhǔn)值定義：荷載標(biāo)準(zhǔn)值就是結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)具有一定概率的最大荷載值,它是荷載的基本代表值。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期——為確定可變荷載代表值而選定的時(shí)間參數(shù)，一般取為50年。（1）永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值永久荷載主要是結(jié)構(gòu)自重及粉刷、裝修，固定設(shè)備的重量。一般可按結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)尺寸和材料或結(jié)構(gòu)構(gòu)件單位體積（或面積）的自重標(biāo)準(zhǔn)值確定。（2）可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值1）可變荷載準(zhǔn)永久值定義：在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)經(jīng)常達(dá)到或超過的那部份荷載值（總的持續(xù)時(shí)間不低于25年），稱為可變荷載準(zhǔn)永久值?？勺兒奢d準(zhǔn)永久值可表示為ψqＱk，其中Ｑk為可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值，ψq為可變荷載準(zhǔn)永久值系數(shù)。2）可變荷載組合值定義：兩種或兩種以上可變荷載同時(shí)作用于結(jié)構(gòu)上時(shí)，除主導(dǎo)荷載（產(chǎn)生最大效應(yīng)的荷載）仍可以其標(biāo)準(zhǔn)值為代表值外，其他伴隨荷載均應(yīng)以小于標(biāo)準(zhǔn)值的荷載值為代表值，此即可變荷載組合值?？勺兒奢d組合值可表示為ψcＱk。其中ψc為可變荷載組合值系數(shù)。3）可變荷載頻遇值 定義：對(duì)可變荷載，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，其超越的總時(shí)間為規(guī)定的較小比率或超越頻率為規(guī)定頻率的荷載值（總的持續(xù)時(shí)間不低于50年），稱為可變荷載頻遇值。可變荷載頻遇值可表示為ψfＱk。其中ψf為可變荷載頻遇值系數(shù)。第三節(jié)荷載效應(yīng)和結(jié)構(gòu)的抗力一、結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抗力

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)抗力是結(jié)構(gòu)內(nèi)部固有的，其大小主要取決于材料性能、構(gòu)件幾何參數(shù)及計(jì)算模式的精確性等。二、作用效應(yīng)與荷載效應(yīng)作用效應(yīng)：由作用產(chǎn)生的內(nèi)力和變形。(如軸力、彎矩、剪力、扭矩、撓度、轉(zhuǎn)角和裂縫等)。荷載效應(yīng)：若作用為直接作用，即荷載產(chǎn)生的力和變形稱為荷載效應(yīng)。荷載與荷載效應(yīng)在一般情況下是線性關(guān)系，故而荷載效應(yīng)可用荷載值乘以荷載效應(yīng)系數(shù)來表達(dá)。r三、材料強(qiáng)度材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用的材料強(qiáng)度的基本代表值。當(dāng)材料強(qiáng)度服從正態(tài)分布時(shí)，材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值按其概率分布的5%確定。用?K表示。材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值?k除以材料分項(xiàng)系數(shù)即為材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值?。材料強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)，主要是考慮了材料或構(gòu)件的強(qiáng)度出現(xiàn)從不安全方面偏離標(biāo)準(zhǔn)值的可能性而引入的一個(gè)分項(xiàng)系數(shù)。Z——結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)R——結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力；S——結(jié)構(gòu)構(gòu)件的荷載效應(yīng)；

第四節(jié)概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法一、極限狀態(tài)方程Z=g(R,S)=R-S=0二、建筑結(jié)構(gòu)的可靠度

結(jié)構(gòu)可靠度的定義為：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。因此，結(jié)構(gòu)的可靠性是用結(jié)構(gòu)完成預(yù)定功能的概率的大小來定量描述的。所謂的規(guī)定條件，是指設(shè)計(jì)、施工、使用、維護(hù)均屬正常的情況，不包括非正常的情況，例如人為的錯(cuò)誤等等。同時(shí)，結(jié)構(gòu)的可靠度與使用期有關(guān)，即上述定義中的規(guī)定時(shí)間，即指設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期（50年），所有的統(tǒng)計(jì)分析均以該時(shí)間區(qū)間為準(zhǔn)。一、承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式γ0S≤R（?c,?s,αk…）式中R——結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)值，即抗力設(shè)計(jì)值；?c、?s——混凝土、鋼筋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；αk——幾何參數(shù)；γ0——結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性系數(shù)，對(duì)安全等級(jí)為一、二、三級(jí)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)分別取1.1、1.0、0.9S——內(nèi)力組合設(shè)計(jì)值；即荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值。第五節(jié)概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式二、正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式