二章溷凝土结构设计方法ppt课件.ppt

《二章溷凝土结构设计方法ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《二章溷凝土结构设计方法ppt课件.ppt（33页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、第二章 混凝土结构设计方法,Design Methods of Concrete Structures,2.1 结构可靠度 2.2 荷载和材料强度 2.3 极限状态设计法 2.4 极限状态设计表达式, 结构上的作用、作用效应和结构抗力； 荷载和材料强度取值； 可靠度理论结构设计方法的理论基础； 极限状态设计法规范推荐的设计方法；,本章知识要点,2.1 结构可靠度（reliability degrees）,2.1.1 结构上的作用、作用效应及结构抗力 (action、action effect、resistance),第2章 混凝土结构设计方法,1. 结构上的作用和作用效应,结构上的作用施加在结

2、构上的集中力或分布力（直接作用，也称为荷载，如恒荷载等）和引起结构外加变形或约束变形的原因（间接作用，如温度变化、基础沉降等）。, 按随时间的变异分类： 永久作用在设计基准期内其量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用；如自重，土压力、预压力等。,可变作用在设计基准期内其量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用；如楼面活荷载、风荷载、雪荷载等。,偶然作用在设计基准期内出现或不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用；如地震、爆炸、撞击等。,第2章 混凝土结构设计方法,结构抗力 结构或结构构件承受作用效应（内力和变形）的能力（如构件的承载能力、刚度等）。 结构

3、上的作用、作用效应、结构抗力均是随机变量。,2. 结构抗力,结构抗力的影响因素：,材料性能的不确定性,材料几何参数的不确定性,计算模式的不确定性,设计基准期为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数。我国GB50068-2001建筑结构可靠度设计统一标准规定的设计基准期为50年。,1.安全性 建筑结构在其设计使用年限内应能够承受可能出现的各种作用。且在设计规定的偶然事件发生时及发生后，结构应能保持必需的整体稳定性，不致倒塌。,结构的功能要求,2.适用性 建筑结构在其设计使用年限内应能满足预定的使用要求，有良好的工作性能，其变形、裂缝或振动等性能均不超过规定的限度等。,3.耐久性

4、 建筑结构在其设计使用年限内应有足够的耐久性。例如保护层厚度不得过薄、裂缝不得过宽而引起钢筋锈蚀等。,2.1.2 结构的预定功能及结构可靠度 (required performance functions and Reliability Degrees of Structures),第2章 混凝土结构设计方法,结构可靠性结构在规定的时间内（即设计使用年限），在规定的条件下（结构正常的设计、施工、使用和维修条件），完成预定功能（如承载力、刚度、稳定性、抗裂性、耐久性和动力性能等）的能力。,第2章 混凝土结构设计方法,结构可靠度结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率，即结构可靠度是

5、结构可靠性的概率度量。,“结构的可靠性是安全性、适用性和耐久性的统一”。,设计使用年限(design working life) ： 定义：为设计规定的结构或构件不需要进行大修加固即可按其预定目的使用的时期。 设计使用年限是房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用和维护下所能达到的使用年限，如达不到这一年限，意味着在设计、施工、使用和维护的某一环节出现了非正常情况。所谓正常维护包括必要的检测、防护及维修。,建筑结构的安全等级在进行建筑结构的设计时，应根据结构破坏可能产生的各种后果(危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等)的严重性，采用不同的安全等级。,2.1.3 结构的安全等级 (safet

6、y classes of structures),第2章 混凝土结构设计方法,2.2 荷载和材料强度（loads and material strengths ）,2.2.1 荷载标准值得确定,第2章 混凝土结构设计方法,1. 荷载的统计特性, 永久荷载G 在结构设计基准期内，其值随时间因素的变化不大，或其变化与其平均值相比可以忽略的荷载，如自重，通常称为恒荷载。永久荷载这一随机变量符合正态分布。,可变荷载Q 在结构设计基准期内，其值随时间变化，且其变化与其平均值相比不可以忽略的荷载，如楼面活荷载、风荷载、雪荷载等。可变荷载的概率分布可认为是极值型分布。,(3) 偶然荷载,2. 荷载代表值,第

7、2章 混凝土结构设计方法,荷载代表值是结构或构件设计时采用的荷载取值，它包括标准值、准永久值和组合值等。设计时应根据不同极限状态的设计要求来确定采用哪一种荷载值。,规范给出的荷载代表值,荷载标准值,荷载组合值,荷载频遇值,荷载准永久值,3. 荷载标准值,第2章 混凝土结构设计方法,荷载标准值是建筑结构按极限状态设计时采用的荷载基本代表值。荷载标准值可由设计基准期（一般统一规定为50年）最大荷载概率分布的某一分位值确定。, 永久荷载标准值Gk 可按结构设计规定的尺寸和荷载规范规定的材料容重（或单位面积的自重）平均值确定，一般相当于永久荷载概率分布的平均值。对于自重变异性较大材料，可根据荷载对结构

8、不利或有利，分别取其自重的上限值或下限值。,可变荷载标准值Q k 荷载规范规定：办公楼、住宅楼面均布活荷载标准值均为2.0kN/m2。,永久荷载只有标准值作为它的唯一代表值。,对于结构设计而言，如何设计的安全呢？ 荷载取值越大，内力值就越大，构件截面尺寸也愈大，结构愈安全； 材料强度取值越低，结构所需截面越大，结构愈安全,荷载标准值： 材料强度标准值：,1.645保证率系数。 荷载标准值实际荷载低于标准值的概率为95； 材料强度标准值实际强度高于标准值的概率为95；,荷载标准值的概率含义,材料强度标准值的概率含义,第2章 混凝土结构设计方法,2.2.2材料强度标准值的确定,材料强度的变异性主要

9、是指材质以及工艺、加载、尺寸等因素引起的材料强度的不确定性。,钢筋强度 正态分布,混凝土强度 正态分布,某钢厂钢材屈服强度统计资料,某预制构件厂对某工程所作使块的统计资料,1.材料强度的变异性及统计特性,第2章 混凝土结构设计方法,2.材料强度标准值 (Characteristic Values of Material Strengths),钢筋和混凝土的强度标准值是钢筋混凝土结构按极限状态设计时采用的材料强度基本代表值。材料强度标准值应根据符合规定质量的材料强度的概率分布的某一分位值确定。,材料强度标准值的概率含义,混凝土强度标准值,钢筋强度标准值,材料强度标准值可统一表示为：,2.3 极限

10、状态设计法,2.3.1 结构的极限状态,第2章 混凝土结构设计方法,结构的极限状态是指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规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。 结构的极限状态分为两类：,承载能力极限状态（安全性） 结构或结构构件达到最大承载能力、出现疲劳破坏、或不适于继续承载的变形。,正常使用极限状态 （适用性、耐久性） 结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。,通常对结构构件先按承载能力极限状态进行承载能力计算，然后根据使用要求按正常使用极限状态进行变形、裂缝宽度或抗裂等验算。,超过承载能力极限状态的情形：,第2章 混凝土结构设计方法, 整个结构或

11、结构的一部分作为刚体失去平衡，如雨篷压重不足而倾覆、烟囱抗风不足而倾倒、挡土墙抗滑不足在土压力作用下而整体滑移等。, 结构构件或其连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），如轴心受压构件中混凝土达到了轴心抗压强度、构件的钢筋因锚固长度不足而被拔出等；或因变形过大而不适于继续承受荷载。, 结构转变为机动体系，如构件发生三铰共线而形成机动体系，丧失承载能力。, 结构或构件丧失稳定，如细长柱到达临界荷载后压屈失稳而破坏。,超过正常使用极限状态的情形：,第2章 混凝土结构设计方法, 影响正常使用或外观的变形，如吊车梁变形过大导致吊车不能正常行驶、梁挠度过大影响外观等。, 影响正常使用或耐久性能的局部损

12、坏，如水池池壁开裂漏水不能正常使用、如裂缝过宽导致钢筋锈蚀等。, 影响正常使用的其它特定状态，如相对沉降量过大等。, 影响正常使用的振动，如由于机器振动而导致结构的振幅超过按正常使用要求所规定的限位等。,第2章 混凝土结构设计方法,2.3.2 结构的设计状况（Design Situations of Structures）,设计状况：,持久状况：在结构使用过程中一定出现，其持续期很久的状况。持续期一般与设计使用年限为同一数量级，如房屋结构承受家具和正常人员荷载的状况。,短暂状况：在结构施工和使用过程中出现概率较大，而与设计使用年限相比，持续时间很短的状况。如结构施工和维修时承受堆料和施工荷载的

13、状况。,偶然状况：在结构使用过程中出现概率很小，其持续期很短的状况。如结构遭受火灾、爆炸、撞击、罕遇地震等作用的状况。,第2章 混凝土结构设计方法,2.3.3 结构的功能函数和极限状态方程 （Performance Function and Limit State Equations of Structures）,结构或构件能否完成预定功能与结构的荷载效应S和结构的抗力R有关。,结构的功能函数：Z=R-S,当Z0时， 结构处于可靠状态， 当Z0时， 结构处于极限状态， 当Z0时， 结构处于失效状态。,第2章 混凝土结构设计方法,2.3.4 结构可靠度的计算 （Calculation of Re

14、liability Degrees of Structures）,结构的功能函数Z=R-S0的概率称为结构构件的失效概率pf 。,1. 结构的失效概率 pf,当结构的效应S及结构的抗力R均符合正态分布时，结构的功能函数Z=R-S也符合正态分布， 其平均值 Z= R-S ， 标准差,结构可靠度是指结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率，即结构可靠度是结构可靠性的概率度量，用ps表示，则有ps +pf =1 。,第2章 混凝土结构设计方法,（）为标准正态分布函数。,第2章 混凝土结构设计方法,2. 结构构件的可靠度指标, 可靠指标,令, 越大，pf 就越小，即结构越可靠。,可靠指标

15、 与失效概率 pf 的对应关系,第2章 混凝土结构设计方法, 设计可靠指标 ,结构构件承载能力极限状态的设计可靠指标 ,设计可靠指标 设计规范规定的、作为设计结构或结构构件时所应达到的可靠指标，亦称为目标可靠指标。一般采用“校准法”确定。,校准法通过对原有规范可靠度的反演计算和综合分析，确定以后设计时所采用的结构构件的可靠指标。,统一标准规定 ：, ,2.4 极限状态设计表达式,2.4.1 承载能力极限状态设计表达式,第2章 混凝土结构设计方法,1. 基本表达式,对于承载能力极限状态，结构构件应按荷载效应的基本组合进行计算，必要时尚应按荷载效应的偶然组合进行计算。,0 S R,式中 S 荷载效

16、应组合设计值,0 结构重要性系数，对安全等级分别为一级（或设计使用年限100年）、二级（50年）、三级（5年以下）的结构构件分别取1.1， 1.0，0.9,R 结构构件的承载力设计值,承载能力极限状态设计表达式：,2. 荷载效应组合设计值S,式中 G 永久荷载分项系数；,SGk 按永久荷载标准值Gk计算的荷载效应值；,第2章 混凝土结构设计方法,由可变荷载效应控制的组合,由永久荷载效应控制的组合,SQik 按可变荷载标准值Qik计算的荷载效应值；其 中SQ1k为诸可变荷载效应中起控制作用者；,ci 第i个可变荷载Qi的组合系数。,Qi 第i个可变荷载分项系数；,当考虑以竖向永久荷载效应控制的组

17、合时，参与组合的可变荷载仅限于竖向荷载。,对于一般排架、刚架结构，基本组合可采用简化规则，按下列组合值中最不利确定。,第2章 混凝土结构设计方法,由可变荷载效应控制的组合,由永久荷载效应控制的组合,结构设计时，应根据所考虑的设计状况，选用不同的组合；对持久和短暂设计状况，应采用基本组合；对偶然设计状况，应采用偶然组合。,对于偶然组合，荷载效应组合的设计值按下列规定确定：偶然荷载的代表值不乘分项系数；与偶然荷载同时出现的其他荷载可根据观测资料和工程经验采用适当的代表值。,1.荷载标准值荷载的基本代表值，是指结构在其使用期间, 正常情况下可能出现的最大荷载值。 2.荷载频遇值正常使用极限状态按频遇

18、组合设计采用的一种可变荷载代表值 。 3.荷载准永久值 正常使用极限状态按准永久组合和频遇组合设计采用的一种可变荷载代表值。 4. 荷载组合值 当结构承受两种或两种以上可变荷载时，承载能力极限状态按基本组合设计和正常使用极限状态按标准组合设计采用的可变荷载代表值。,2.4.2 正常使用极限状态设计表达式,第2章 混凝土结构设计方法,1. 可变荷载的频遇值和准永久值,标准组合Sk ：,频遇组合Sf：,式中， f1 、qi 可变荷载Q1的频遇值系数，第i个可变荷载Qi的准永久值系数，由荷载规范查取。,第2章 混凝土结构设计方法,2. 正常使用极限状态设计表达式,S 正常使用极限状态的荷载效应组合值

19、（如变形、裂缝宽度、应力等的组合值）； C 结构构件达到正常使用要求所规定的变形、裂缝宽度和应力等的限值。,准永久组合Sq：,(短期效应组合),(长期效应组合),规范按使用阶段对结构构件裂缝的不同要求，将裂缝控制等级分为三级：,一级：严格要求不裂，使用阶段不允许出现拉应力。,二级：一般要求不裂，使用阶段允许出现拉应力，但应作限制。,三级：允许开裂，应验算裂缝宽度。,w wlim,3. 正常使用极限状态验算规定,第2章 混凝土结构设计方法,变形验算,挠度验算,f flim,式中 f 受弯构件按荷载短期效应组合并考虑长期效应组合影响计算的最大挠度。 flim 规范允许挠度。,第2章 混凝土结构设计

20、方法,本章小结,一. 作用,作用效应,结构抗力,设计基准期（可变荷载）,设计使用年限（设计、使用）,二. 结构功能、可靠性、可靠度,结构功能：安全性、适用性、耐久性；,可靠性：三者的统一；,可靠度：可靠性的概率度量；,三. 荷载和材料强度的取值,荷载：标准值、组合值、频遇值(t/T0.5),结构的安全等级；,荷载的设计值=荷载的标准值*荷载分项系数（G 、Q） 。,材料：一定保证率；,材料强度的设计值=荷载强度标准值/材料分项系数（c 、s） 。,荷载越大，材料强度越小，安全强度越高。,第2章 混凝土结构设计方法,本章小结,四. 极限状态设计法,极限状态,五. 极限状态表达式,承载能力极限状态：安全性,正常使用极限状态：适用性、耐久性,结构的功能函数：Z=R-S 0 的概率-结构构件的失效概率pf,可靠指标 越大，pf 就越小，即结构越可靠。,设计可靠指标 ：延性破坏、脆性破坏,承载能力极限状态：,正常使用极限状态：,0 S R,w wlim,f flim,验算,用以 为基础 ，以 度量结构可靠度，采用以 的设计表达式进行设计。,第2章 混凝土结构设计方法,混凝土结构设计方法：,概率理论,极限状态设计法,可靠指标,分项系数,