第2荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法--設(shè)計原則與設(shè)計方法.ppt

1、結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則和方法,1 結(jié)構(gòu)的功能要求及極限狀態(tài) 2 按近似概率極限狀態(tài)的設(shè)計法 3 實用設(shè)計表達(dá)式 4 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計的一般內(nèi)容,主要內(nèi)容,1.1 結(jié)構(gòu)的功能要求(書P180 第9.1.1節(jié) ) （1）結(jié)構(gòu)的安全性：在正常施工和正常使用時，能承受可能出現(xiàn)的各種作用；在設(shè)計規(guī)定的偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后，仍然能保持必要的整體穩(wěn)定性。 （2）結(jié)構(gòu)的適用性：結(jié)構(gòu)在正常使用時具有良好的工作性能，包括裂縫與撓度的控制等。 （3）結(jié)構(gòu)的耐久性：結(jié)構(gòu)在正常的維護(hù)下具有足夠的耐久性。（即結(jié)構(gòu)能正常使用到規(guī)定的設(shè)計使用年限）。它根據(jù)環(huán)境類別和設(shè)計使用年限進(jìn)行設(shè)計。,1 結(jié)構(gòu)的功能要求及極限狀態(tài),結(jié)構(gòu)的適用性,結(jié)

2、構(gòu)的耐久性,結(jié)構(gòu)的安全性,結(jié)構(gòu)的可靠性,規(guī)定的時間內(nèi)（如設(shè)計使用年限為50年），規(guī)定的條件下（正常設(shè)計，正常施工，正常使用維護(hù)）,1 結(jié)構(gòu)的功能要求及極限狀態(tài),1.2 結(jié)構(gòu)的功能極限狀態(tài)(書P180 第9.1.1節(jié) ) （1）極限狀態(tài)的一般定義 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)計規(guī)定的某一功能要求，此極限狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)； 能完成預(yù)定的功能時，結(jié)構(gòu)該功能處于有效狀態(tài)；反之，則處于失效狀態(tài)，有效狀態(tài)和失效狀態(tài)的分界，稱為極限狀態(tài)，是結(jié)構(gòu)該功能開始失效的標(biāo)志。,結(jié)構(gòu)的功能要求及極限狀態(tài),（2） 承載力能力極限狀態(tài) Ultimate Limit State 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承

3、載能力或者達(dá)到不適于繼續(xù)承載的變形狀態(tài) （3） 正常使用極限狀態(tài) Serviceability Limit State 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到影響正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值的狀態(tài),結(jié)構(gòu)的功能要求及極限狀態(tài),1.3 結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)(書P181 9.1.3) Z=R-S Z=R-S0, 或S R 失效,結(jié)構(gòu)的功能要求及極限狀態(tài),結(jié)構(gòu)的功能要求及極限狀態(tài),3.2 極限狀態(tài),M是外荷載作用引起的構(gòu)件截面彎矩（即S） ，Mu是結(jié)構(gòu)的受彎承載力（即R） f是外荷載作用引起的構(gòu)件撓度（即S） ，f是構(gòu)件容許出現(xiàn)的撓度值（即R）,2.1 結(jié)構(gòu)的可靠度 （P182 9.1.4） 結(jié)構(gòu)的可靠性 reliabilit

4、y安全性、適用性和耐久性的總稱 指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期限內(nèi)，在規(guī)定的條件下（正常設(shè)計、正常施工、正常使用和維護(hù)），完成預(yù)定結(jié)構(gòu)功能的能力,結(jié)構(gòu)的可靠度 指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期限內(nèi)，在規(guī)定的條件下（正常設(shè)計、正常施工、正常使用和維護(hù)），完成預(yù)定結(jié)構(gòu)功能的概率。,2 按近似概率的極限狀態(tài)設(shè)計法,由于實際結(jié)構(gòu)中的不確定性，因此無論如何設(shè)計結(jié)構(gòu)，都會有失效的可能性存在，只是可能性大小不同而已。 為了科學(xué)定量的表示結(jié)構(gòu)可靠性的大小，采用概率方法是比較合理的。,失效概率越小，表示結(jié)構(gòu)可靠性越大。因此，可以用失效概率來定量表示結(jié)構(gòu)可靠性的大小。 當(dāng)失效概率Pf小于某個值時，人們因結(jié)構(gòu)失效的可能性很小而不再擔(dān)心，

5、即可認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計是可靠的。該失效概率限值稱為容許失效概率Pf。,失效概率 probability of failure,Pf = P (S R),2 按近似概率的極限狀態(tài)設(shè)計法, 根據(jù)統(tǒng)計，觸電的年死亡率為610-6；飛機(jī)失事概率0.33 10-6；被閃電擊中的概率110-6。 根據(jù)設(shè)計要求，部分情況下結(jié)構(gòu)在50年內(nèi)的安全性容許失效概率為Pf=1.110-4，按使用年限為50年考慮，年失效概率為1.110-4/50=2.210-6；,2 按近似概率的極限狀態(tài)設(shè)計法,2.2 可靠概率、失效概率、可靠指標(biāo)（P182 9.1.4） 結(jié)構(gòu)的可靠概率p： 失效概率：pf=1-ps 可靠指標(biāo)：,2 按近似

6、概率的極限狀態(tài)設(shè)計法,2.3 結(jié)構(gòu)的安全等級(P207 10.1.1 ) （1）確定原則：根據(jù)破壞后果的嚴(yán)重性； （2）等級標(biāo)準(zhǔn)如下表所示：,2 按近似概率的極限狀態(tài)設(shè)計法,2.4 設(shè)計使用年限(P208 10.1.2) 設(shè)計規(guī)定的一個時期。在該時間內(nèi)，建筑在正常設(shè)計、正常施工、正常使用和維護(hù)下不需要進(jìn)行大修就能按其預(yù)定目的使用。即結(jié)構(gòu)在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)應(yīng)保證其可靠性達(dá)到要求。,按近似概率的極限狀態(tài)設(shè)計法,應(yīng)注意 設(shè)計使用年限與設(shè)計基準(zhǔn)期的區(qū)別,設(shè)計使用年限是結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計規(guī)定要求的可靠性的期限。,設(shè)計基準(zhǔn)期是關(guān)于可變作用（與S相關(guān)）以及材料性能（與R相關(guān)）參數(shù)取值時的時間參數(shù)。,2 按近似概率的極

7、限狀態(tài)設(shè)計法,2.5 結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠指標(biāo) ( P209 10.1.4),結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力極限狀態(tài)的可靠指標(biāo),設(shè)計結(jié)構(gòu)時預(yù)先設(shè)定結(jié)構(gòu)的失效概率，其對應(yīng)了一定的可靠指標(biāo)目標(biāo)可靠指標(biāo),目標(biāo)可靠指標(biāo), ,2按近似概率的極限狀態(tài)設(shè)計法,3.1 荷載的代表值（P 166 第7.4節(jié)）,（1）荷載的標(biāo)準(zhǔn)值Qk,（2）荷載的組合值cQk,（3）荷載的準(zhǔn)永久值qQk,（4）荷載的頻遇值fQk,3 實用設(shè)計表達(dá)式,Q,QK,（1）荷載的標(biāo)準(zhǔn)值Qk 荷載標(biāo)準(zhǔn)值是荷載的基本代表值。指設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)最大荷載統(tǒng)計分布的特征值。由于荷載值是隨機(jī)變量，荷載標(biāo)準(zhǔn)值是采用數(shù)理統(tǒng)計的方法確定的具有一定概率的最大荷載值。,a,3 實用設(shè)計

8、表達(dá)式,（2）荷載組合值cQk 當(dāng)結(jié)構(gòu)上作用幾個可變作用時，各可變作用最大值同時出現(xiàn)的概率很小，因而引入組合值系數(shù) c，荷載標(biāo)準(zhǔn)值Qk與組合系數(shù)的乘積被稱為荷載的組合值。 僅可變荷載存在組合值系數(shù)。 除風(fēng)荷載外，大部分可變荷載的組合值系數(shù)取為0.7。,3 實用設(shè)計表達(dá)式,（3）荷載準(zhǔn)永久值qQk 是指可變荷載中比較呆滯的部分，在規(guī)定的時間內(nèi)具有較長的總持續(xù)時間?？勺兒奢d的準(zhǔn)永久值記為qQk 。 q為準(zhǔn)永久值系數(shù)。,“對可變作用，在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)被超越總時間為設(shè)計基準(zhǔn)期一半的作用值?！?摘自GB 50068-2001 建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),3 實用設(shè)計表達(dá)式,（4）荷載頻遇值fQk,“是針對

9、可變荷載而言的，指在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)被超越的總時間為設(shè)計基準(zhǔn)期一小部分的作用值；或在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)其超越頻率為某一給定頻率的作用值。” 摘自GB 50068-2001 建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),可變荷載的準(zhǔn)永久值記為fQk 。 f為頻遇值系數(shù)。,3 實用設(shè)計表達(dá)式,荷載的代表值回顧,（1）荷載的標(biāo)準(zhǔn)值Qk,（2）荷載的組合值cQk,（3）荷載的準(zhǔn)永久值qQk,（4）荷載的頻遇值fQk,3 實用設(shè)計表達(dá)式,3.2 荷載設(shè)計值與荷載分項系數(shù)（P213 10.3.1節(jié)） 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計時，實際荷載可能大于標(biāo)準(zhǔn)值，設(shè)計表達(dá)式中關(guān)于荷載作用部分須乘以大于1的放大系數(shù)，也就是分項系數(shù)(G、 Q),3 實用設(shè)計表

10、達(dá)式,承載能力極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式,3.3 基本組合（P213 10.3.1節(jié)）,（1）由可變荷載效應(yīng)控制的組合（ G=1.2）,（2）由永久荷載效應(yīng)控制的組合（ G=1.35）,（ 3-1）,（ 3-2）,樓面或屋面考慮設(shè)計使用年限的調(diào)整系數(shù) L,偶然組合參見GB 50009-2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范P11第3.2.6條。 地震組合參見GB 50011-2010 建筑抗震設(shè)計規(guī)范P42 第5.4.1條。在工程結(jié)構(gòu)抗震課上將會對此做詳盡介紹。,承載能力極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式,正常使用極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式,按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計時，變形過大或裂縫過寬雖影響正常使用，但危害程度不及承載力引起的結(jié)構(gòu)破壞造

11、成的損失那么大，所以可適當(dāng)降低對可靠度的要求。,荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合：,（ 3-3）,（P215 10.3.2節(jié)）,荷載的準(zhǔn)永久組合：,注意：組合值系數(shù)與準(zhǔn)永久值系數(shù)以及頻遇值系數(shù)雖然都小于1.0，但其概念不同，應(yīng)用的范圍也不同。,式中， q為準(zhǔn)永久值系數(shù)， f為頻遇值系數(shù)。均小于1.0。,荷載的頻遇組合：,（ 3-4）,（ 3-5）,正常使用極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式,荷載組合的取用注意事項,1 確認(rèn)是需要進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)驗算還是正常使用極限狀態(tài)驗算。如為前者，則通常采用基本組合；如為后者，則根據(jù)要求采用標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合或準(zhǔn)永久組合。,2 如需采用基本組合，在未明確那種作用類型起控制作用的前提下，應(yīng)

12、按照永久作用與可變作用分別起控制作用時的作用組合計算作用效應(yīng)值，設(shè)計中應(yīng)取兩種組合中作用效應(yīng)較大者。此外應(yīng)注意分項系數(shù)的選取以及組合值系數(shù)的選取。分項系數(shù)一般要求學(xué)生記住，組合值系數(shù)題目會給出。,4 如需采用標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合或準(zhǔn)永久組合，應(yīng)注意組合值系數(shù)，頻遇值系數(shù)以及準(zhǔn)永久值系數(shù)的取用（通常題目會給出，結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)通過GB 50009-2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 查?。?。特別注意的是頻遇組合中當(dāng)可變荷載多于一種時還將用到準(zhǔn)永久值和準(zhǔn)永久值系數(shù)。,3 如需采用基本組合，應(yīng)確定結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限是多少，如果為50年，則對樓面或屋面活荷載取考慮設(shè)計使用年限的調(diào)整系數(shù) L=1.0，如為5年，則取L

13、=0.9，如為100年，則取L=1.0。注意風(fēng)荷載、雪荷載不考慮此項調(diào)整。,荷載組合的取用注意事項,例1：一簡支梁，跨度為6米，永久荷載引起的梁跨中截面彎矩標(biāo)準(zhǔn)值 MGk=10kNm，可變荷載引起的梁跨中截面彎矩標(biāo)準(zhǔn)值 MQk=6kNm，由可變荷載效應(yīng)起控制作用，分別計算梁跨中截面彎矩在基本組合、標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合（活荷載頻遇值系數(shù)f = 0.6）和準(zhǔn)永久組合(活荷載準(zhǔn)永久系數(shù) q = 0.4)下的彎矩值。設(shè)計使用年限為50年,解：基本組合,標(biāo)準(zhǔn)組合：,頻遇組合：,例題,基本組合 S1=20.4kNm,標(biāo)準(zhǔn)組合 S2=16kNm,頻遇組合 S3=13.6kNm,準(zhǔn)永久組合S4=12.4kNm,

14、準(zhǔn)永久組合：,例題,例2.已知，一屋面板，在各種荷載作用下的跨中彎矩如下所示：恒載產(chǎn)生的彎矩 MG=20kNm，上人屋面活荷載產(chǎn)生的彎矩為MQ=12kNm , 風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩Mw=3kNm, 雪荷載產(chǎn)生的彎矩為Ms=2kNm。設(shè)計使用年限為50年。,其中屋面活荷載的c=0.7 , f=0.5 ,q=0.4 ， 風(fēng)荷載的c=0.6, f=0.4, q=0;雪荷載的c=0.7 , q=0.6, q=0.2 ，求在承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)下的彎矩設(shè)計值內(nèi)力值。,例題,M1=1.220+ 1.4 1.0 12+1.4 0.6 3 + 1.4 0.7 2 = 45.28kNm,M2=1.35

15、20+ 1.4 （1.0 12 0.7 + 0.6 3 + 0.7 2） = 43.24kNm,由于M1M2,故而是由可變荷載效應(yīng)控制的，設(shè)計時以M1為準(zhǔn)。,永久荷載效應(yīng)控制的組合為,可變荷載效應(yīng)控制的組合為,例題,M1=20+ 12+0.6 3 + 0.7 2 = 35.2kNm,荷載效應(yīng)的頻遇組合,荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合為,例題,荷載效應(yīng)的準(zhǔn)永久組合,M2=20+ 12 0.5 +0 3 + 0.7 2 = 27.4kNm,M3=20+ 12 0.4 +0 3 + 0.7 2 = 26.2kNm,例3.已知，一屋面板，在各種荷載作用下的跨中彎矩如下所示：恒載產(chǎn)生的彎矩 MG=20kNm，不上人

16、屋面活荷載產(chǎn)生的彎矩為MQ=12kNm , 積灰荷載產(chǎn)生的彎矩Mw=3kNm, 雪荷載產(chǎn)生的彎矩為Ms=2kNm。設(shè)計使用年限為50年。,其中屋面活載的c=0.7 , f=0.5 ,q=0.4 ， 積灰荷載的c=0.9, f=0.9, q=0.8;雪荷載的c=0.7 , q=0.6, q=0.2 ，求在承載能力極限狀態(tài)下的彎矩設(shè)計值內(nèi)力值。,例題,M1=1.220+ 1.4 1.0 12+1.4 0.9 3 + 1.4 0.7 2 = 46.54kNm,M2=1.3520+ 1.4 （ 1.0 12 0.7 + 0.9 3 + 0.7 2） = 44.5kNm,由于M1M2,故而是由可變荷載效

17、應(yīng)控制的，設(shè)計時以M1為準(zhǔn)。,永久荷載效應(yīng)控制的組合為,可變荷載效應(yīng)控制的組合為,例題,GB 50009-2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范P19第5.3.3條指出：不上人的屋面均布活荷載，可不與雪荷載和風(fēng)荷載同時組合。 GB 50009-2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 P21第5.4.3條指出：積灰荷載應(yīng)與雪荷載或不上人的屋面均布活荷載兩者中的較大值同時考慮。,例題,M1=1.220+ 1.0 1.4 12+1.4 1.0 0.9 3 = 44.58kNm,M2=1.3520+ 1.4 1.0 （12 0.7 + 0.9 3 ） = 42.54kNm,由于M1M2,故而是由可變荷載效應(yīng)控制的，設(shè)計時以M1為準(zhǔn)。,永久荷載效應(yīng)控制的組合為,可變荷載效應(yīng)控制的組合為,例題,例4.已知，一屋面板，在各種荷載作用下的跨中彎矩如下所示：恒載產(chǎn)生的彎矩 MG=20kNm，不上人屋面活荷載產(chǎn)生的彎矩為MQ=12kNm , 積灰荷載產(chǎn)生的彎矩Mw=3kNm, 雪荷載產(chǎn)生的彎矩為Ms=2kNm。設(shè)計使用年限為100年。,其中屋面活載的c=0.7 , f=0.5 ,q=0.