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1、第3章 按近似概率理论的极限状态设计法3.1极限状态3.1.1结构上的作用作用一一是结构产生内力或变形的原因。作用r直接作用：荷载1间接作用：砼收缩、温度变化、基础沉降、地震等 作用效应：结构上的作用使结构产生的内力、变形、裂缝等。1、荷载的分类 永久荷载可变荷载 偶然荷载2、荷载的标准值：荷载的基本代表值荷载的不定性一一随机变量统计一一具有一定概率的最大荷载值一一荷载的标准值3. 1. 2结构的功能要求1. 结构的安全等级建筑物的重要程度、破坏时可能产生的后果严重与否，为三个安全等级。2 结构的设计使用年限计算结构可靠度所依据的年限称为结构的设计使用年限。结构的设计使用年限，是指设计规定的结
2、构 或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。一般建筑结构的设计使用年限可为50年。总体而言，桥梁应比房屋的设计使用年限长，大坝的设计使用年限更长。3 .建筑结构的功能设计的结构和结构构件应该在规定的设计使用年限内，在正常维护条件下，应能保持其使用功能，而 不需进行大修加固。根据我国建筑结构可靠度设计统一标准，建筑结构应该满足的功能要求可概括为：安全性 建筑结构应能承受正常施工和正常使用时可能出现的各种荷载和变形，在偶然事件(如地震、爆炸等)发生时和发生后保持必需的整体稳定性，不致发生倒塌。(2) 适用性 结构在正常使用过程中应具有良好的工作性。例如，不产生影响使用的过大变形或振幅，
3、不发生足以让使用者不安的过宽的裂缝等。(3) 耐久性结构在正常维护条件下应有足够的耐久性，完好使用到设计规定的年限，即设计使用年限。例如，混凝土不发生严重风化、腐蚀、脱落构设计应能满足上述功能要求。这样设计的结构是安全可靠的。3. 1. 3结构功能的极限状态这一极限状态一一整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计指定的某一功能要求, 特定状态称为该功能的极限状态。极限状态是有效状态和失效状态的分界。是结构开始失效的界限。承载能力极限状态：结构、构件达到最大承载能力或不适宜继续承载的变形状态极限状态正常使用极限状态：结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项规定限度的状态3.1.4极限状
4、态方程结构的极限状态可以用极限状态函数来表达:Z= R 一 S（3 1）S荷载效应，它代表由各种荷载分别产生的荷载效应的总和；R结构构件抗力当构件每一个截面满足 S0时，结构处于可靠状态； 当Z = R-S =0时，结构达到极限状态；当Z = R-S 0时，结构处于失效（破坏）状态。若要考虑结构的适用性和耐久性的要求，则极限状态方程可推广为Z= g（X1,X2, ，xn）X1,X2, ， Xn为影响该结构功能的各种荷载效应以及材料尺寸、构件几何尺寸等。3.2按近似概率的极限状态设计法K说明老规范采用安全系数 K （大于1）来保证结构安全，即结构构件的抗力与荷载效应的比值大于 结构安全，其实并不
5、能反映结构的实际失效情况。由于抗力和荷载效应的随机性，安全可靠应该也属于概率的范畴，应当用结构完成其预定功能的可能 性（概率）的大小来衡量，而不是用一个定值来衡量。掌握其思想方法。3.2.1结构可靠度在规定的条件下，完成预定功能的能力。结构在规定的时间内,设计使用年限正常设计、正常施工、正常使用和维护的条件结构的可靠性Ps表示。结构的可靠度是结构可靠性的概率度量。 结构的可靠度是用可靠概率3.2.1可靠指标与失效概率1、失效概率Pf：R都是服从正态分布的随机变量且二者为线性关系。S、R的平均值分别（T R，荷载效应为S和抗力为R的概率密度曲线如图 32所示。R应该设构件的荷载效应 S、抗力 为
6、卩S、卩R，标准差分别为b S、in 3-3可捋#4矢黄廉貳朋按照结构设计的要求，显然 大于So重叠区是RS的区域，其大小反映 了抗力R和荷载效应S之间的概率关 系，即为结构的失效概率。重叠的范围 越小，结构的失效概率越低。均值相差越大，或方差（离散程度） 越小，则重叠越少，失效概率越小。对 结构，则提高结构构件的抗力，减小R和S的离散程度，可以提高结构构件的可靠程度。对Z=R-S，Z也是服从正态分布的随机变量的概率密度分布曲线。Z0事件的概率，也是构件的失效概率，可表示为0Pf P (Z)f(Z)dZ岸值有关，取其比值可反映失效概率情况即为可靠指标，故取按上式计算失效概率 Pf比较麻烦，故改
7、用一种可靠指标的计算方法。 2、可靠指标 3 因为失效概率 Pf与得和RPf 一样可作为衡量结构可靠度的一个指标，称为可靠指标。可以看出3大，则失效概率小。3和 Pf之间有一一对应关系。CM与夷效军丹的対査弟枷1J C的A1.02. r3-47：10 = !1L CSX 10 43, Qh 3&X3.1?X1O=2. 2. 28X10-3. 2 和 If “4-3l.i3X lO-s2. 56 21X10.5鶴X JOT3.19X11)-注意：应用上式计算3的前提是：(1) 随机变量(例如，结构抗力和荷载效应等 )应服从正态分布，(2) 极限状态方程是线性的。结构按承载能力极限状态设计时，应对
8、不同情况下的目标可靠指标3值作出规定。结构和结构构件的破坏类型分为J延性破坏有明3可稍低i脆性破坏破坏前没有明显的预兆，3高一些件力目樣可标ea 3-3安母戦- Si三aft性稚坏.3. ?九7個性越坏4.Z5.7J. 3.3实用设计表达式建筑结构设计统一标准提出了)视为随机变量，应用数理统计的 来表示的方式。计算可靠指标 3仍较复杂，考虑到多年来的设计习惯和实用上的简便， 实用设计表达式。将影响结构安全的因素 (如荷载、材料、截面尺寸、计算方法等 概率方法进行分析，采用以荷载和材料强度的标准值以及相应的“分项系数”3. 3. 1分项系数分项系数是按照目标可靠指标 3值，并考虑工程经验优选确定
9、后，将其隐含在设计表达式中，分项系 数已起着考虑目标可靠指标的等价作用。实用设计表达式是多系数的极限状态表达式，包括承载力分项系数和荷载分项系数等，其来源与目标 可靠指标3 有关，并都由3 值度量的，这样可保证结构的各个构件之间的可靠度水平或各种结构之间 的可靠度水平基本上比较一致。规范给出的实用设计表达式有承载能力极限状态设计表达式和正常使用极限状态表达式均由此原 理确定需要指出的是：表达式中虽然用了统计与概率的方法，但是在概率极限状态分析中只用到统计平均值 和均方差，并非实际的概率分布，并且在分离导出分项系数时还作了一些假定，运算中采用了一些近似的 处理方法，因而计算结果是近似的，所以只能
10、称为近似概率设计方法。结构重要性系数是考虑到结构安全等级的差异，其目标可靠指标应作相应的提高或降低而引入的。1、结构重要性系数 Y结构构件的重要性系数，与安全等级对应，(1)(2)(3)(4)对安全等级为一级或设计使用年限为 对安全等级为二级或设计使用年限为 对安全等级为三级或设计使用年限为1OO年及以上的结构构件不应小于 50年的结构构件不应小于1.0;5年及以下的结构构件不应小于0.9。在抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数2、荷载效应组合设计值实际上荷载效应中的荷载有永久荷载和可变荷载，为荷载组合，并且可变荷载不止一个，同时，可变荷 载对结构的影响有大有小，多个可变荷载也不一定会同时发
11、生，为此，考虑到两个或两个以上可变荷载同 时出现的可能性较小，引入荷载组合值系数对其标准值折减。作用效应有基本组合也有偶然组合。按承载能力极限状态设计时，一般考虑作用效应的基本组合，必 要时尚应考虑作用效应的偶然组合。建筑结构荷数规范规定：对于基本组合，荷载效应组合的设计值应从由可变荷载效应控制的组合 和由永久荷载效应控制的两组组合中取最不利值确定。(1)由可变荷载效应控制的组合设计值表达式为GCGGkQiCQiQikQi CQi Qiki 2(2)由永久荷载效应控制的组合设计值表达式为S GCGGkQii 1Ci CQiQikGk永久荷载标准值；Qlk最大的一个可变荷载的标准值；Qik其余可
12、变荷载的标准值；Y、Yi、Yi永久荷载、可变荷载的分项系数。Y =1.2 ；对由当永久荷载效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合一般取 永久荷载效应控制的组合一般取Y =1.35 ；当永久荷载效应对结构有利时，取Y = 1.0；可变荷载的分项系数Y1、Yi 一般取1.4；Cg、Cq1、CQi永久荷载、第一种可变荷载、其他可变荷载的荷载效应系数。证i 可变荷载组合值系数，有风且不是最大可变荷载时取0.6，其他取1.0。对于一般常遇的排架结构和框架结构，对由可变荷载效应控制的组合：SGCGGk Q1CQ1Q1knS gCgGr 0.9 QiCQiQiki 1对由永久荷载效应控制的组合公式不变
13、。3、结构抗力设计值 RR（电，旦ak）S C砼、钢筋强度标准值(feu, k、 a几何尺寸标准值；材料强度的分项系数。规定fCk、fSkfyk）;Y、 YY=1.4 ； y=1.11.5333正常使用极限状态设计表达式C结构构件达到正常使用要求的规定限制。按正常使用极限状态设计，主要是验算构件的变形和抗裂度或裂缝宽度。因其危害程度不及承载力引 起的结构破坏造成的损失那么大，所以适当降低对可靠度的要求，只取荷载标准值.不需乘分项系数，也 不考虑结构重要性系数。可变荷载的最大值并非长期作用于结构之上，所以应按具在设计基准期内作用时间的长短和可变荷载超越总时间或超越次数，对其标准值进行折减。建筑结
14、构可靠度设计统一标准采用个小于I的准永久值系数和频遇值系数来考虑这种折减。1、可变荷载准永久值系数荷载的准永久值系数是根据在设计基准期内荷载达到和超过该值的总持续时间与设计基准期内总持 续时间的比值而确定。荷载的准永久值系数乘以可变荷载标准值所得乘积称为荷载的准永久值。2、可变荷载的频遇值系数可变荷载的频遇值系数是根据在设计基准期间可变荷载超越的总时间或超越的次数来确定的。荷载的频遇值系数乘可变荷载标准值所得乘积称为荷载的频遇值。3、荷载组合P标准组合：主要用于当一个极限状态被超越时将产生严重的永久性伤害的情况损害的情况 荷载的短期作用T1频遇组合：主要用于当一个极限状态被超越时将产生局部损害、较大变形或短暂振动的情况荷载的长期作用一一准永久组合:(1)按荷载标准组合：主要用于当长期效应是决定性因素的情况S SkCGGkCQ1Q1kiCiCQiQik2(2)按荷载频遇组合:S SkCGGkf1CQ1Q1kqiCQiQiki 2式中2 f1 可变荷载的频遇值系数q1可变荷载值系数（3）按荷载的准永久组合：SSkCG G kqi CQi Q iki1