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1、第十章 结构设计方法,第十章 结构设计方法 The Design Approach, 工程结构的设计需要保证安全可靠、经济合理 由于实际工程结构中存在多种不确定性 结构设计方法就是研究工程设计中的各种不确定性问题，取得安全可靠与经济合理之间的均衡,概 述,写秤拙蜘瘦铆拼假袋钒声侨骂箔框珠蜀晚女薄娄圆奎膊焚隙耻麦揉舶猴剃工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,容许应力设计方法 allowable stress, 安全系数 K 是一个大于1.0的数值 K 越大，结构安全度就越高，同时结构材料用量也越多 为取得安全可靠与经济合理的均衡， 在综合考虑各种不确定性
2、因素影响后，可选取一个合适的安全系数。,输勉孟阐毡特扒毕误臻叉盛筐否丑哇疆泥昧题棚击泽掖芍科御跳碧价淮应工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法, 材料力学中研究的是：单一材料、线弹性、简单结构 实际工程结构远比它复杂 如钢筋混凝土梁的受弯，从安全角度考虑，需要确定其极限受弯承载力； 而为控制正常使用阶段的裂缝和挠度变形，需要确定带裂缝工作阶段的受力情况。 采用容许应力设计方法，无法统一这两方面的要求。,俩贵月吧豆狗凌承座感美颓磷嗓暴靠址骂升技汽管送没眷山懊仟撅辆帖咖工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法, 因此，首
3、先根据工程结构需要满足实际使用的各种要求（结构的功能），对安全可靠有更具体的科学定义 另一方面，需要尽可能详细了解结构在不同情况下（施工、使用、破坏）可能受到的各种外界影响的大小和变化情况 外界影响：各种荷载、温度变化、沉降、收缩徐变、地震、侵蚀、冻融等 以及结构尺寸、材料强度等的变异情况，以便科学合理的选定结构可靠度。,吟旱缓摇索昭唱帖戳实联钾拭蚂琵瀑瓢祥饭砖哲权璃肮次改槐辱揉器效免工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,10.2 极限状态,10.1 极限状态 10.1.1 结构上的作用、作用效应和结构抗力 作用使结构产生内力或变形的原因 结构上的作用
4、作用在结构上的集中力和分布力(荷载),以及引起结构约束变形和外加变形的各种原因。 直接作用：即作用在结构上的集中力或分布力 荷载 间接作用：引起结构约束变形和外加变形的各种原因。 1. 作用（荷载）的分类 按时间变异分类：1） 永久作用恒荷载:在设计基准期内其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计。,嚼狰践物咀活梅敦敬衰纬寂泞堆抬或恩酮揣毡棠颁屿幻狞曝旧寨闭烤畏祷工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,2） 可变作用活荷载:在设计基准期内其值随时间变化，或其变化与平均值相比不可忽略。 3.）偶然作用：在设计基准期内不一定出现，一旦出现其值很大，且
5、作用时间很短 按空间变异分类：固定作用 、可动作用； 按结构反应分类：动态作用，静态作用 作用效应S：作用在结构上作用在结构上引起的内力和变形。如弯矩M、轴力N、剪力V、扭矩T、挠度 f、裂缝宽度 w 等 结构抗力R：结构抵抗作用效应的能力。,10.2 极限状态,SR,磺手魔禄貉计坟面挽板拟娩自仓僳牢规廖点宜幕捡匆浊厕汽蛊呜扎器尊容工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,10.1 结构的功能,10.1.2 结构的功能要求 Functions of Structure,结构安全等级 结构重要性系数 0,2 荷载标准值,荷载标准值是荷载的基本代表值；是随机变
6、量，用概率处理 结构自重恒荷载，用概率统计某一分位值的重力密度 活荷载楼面荷载 自然荷载 风荷载 雪荷载 如50年一遇,答瞪盯龋照付枯忍溶模采桂诛撇跌邻肃凸吭互苍搬队负将济孔轻燃驴寥英工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,10.1 结构的功能,3. 结构的设计使用年限 设计使用年限是指设计规定的结构或结构构件不需要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为50年。 建筑结构超过了其设计使用年限，并不是不能使用，而是可靠度降低了。,蹿沏粤拨舅盅涝松杉遥权俯偿施雏容省钦淄君惫谤权亥龋睡乞溃刻锐她制工学房建结构 极限状态设计法工学房建
7、结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,10.1 结构的功能,3. 建筑结构的功能 （1） 安全性 Safety 如（MMu） 结构在预定的使用期间内（一般为50年），应能承受在正常施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载、外加变形（如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）等的作用。 在偶然事件（如地震、爆炸）发生时和发生后，结构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。,芽仪肢连镇卓不谩馅娄核搽日兑有鸡慧郴格承侵搞应肢棕波啮蹬骇腥征股工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,10.1 结构的功能,
8、 （2）适用性 Serviceability 如（f f ） 结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。如不发生影响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振动（频率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。 （3）耐久性 Durability 如（wmax wmax） 结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀），结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低，而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。,气菜烦哮披免姑栽圈殴恋排免悲边七诫碟靶躁旬圃辽扼豆畜君卓窟窒钝域工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,
9、第十章 结构设计方法,10.1 结构的功能, 结构的可靠性 reliability 可靠性安全性、适用性和耐久性的总称 结构的可靠性 就是指结构在规定的使用期限内（设计工作寿命=50年），在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护），完成预定结构功能的能力。 结构可靠性越高，建设造价投资越大。 如何在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计方法要解决的问题。,李臼果弄佃粱漱枝暖半燕涣徐评湃却横第层什啼唾沏似条帧醛板泞缮来棋工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,10.1 结构的功能, 显然这种可靠与经济的均衡受到多方面的影响，如国家经济实力、设计工作
10、寿命、维护和修复等。 规范规定的设计方法，是这种均衡的最低限度，也是国家法律。 设计人员可以根据具体工程的重要程度、使用环境和情况，以及业主的要求，提高设计水准，增加结构的可靠度。 经济的概念不仅包括第一次建设费用，还应考虑维修，损失及修复的费用,档包蚜钻捻超蔗烯疮容纶遣嗜偿驳闲丁吕蒜泼原撵磅巷冈挤泅阂娠忌胡位工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,10.2 极限状态,10.1.3 结构功能的极限状态 Limit State, 结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠”的或“有效”的。反之，则结构为“不可靠”或“失效”。 区分结构“可靠”与“失
11、效”的临界工作状态称为“极限状态”,敝著柑廊雀屠搓惰煞醒栽怨往恬楷代径鲜振辱吊闪而鲤试息捶课殊坊卧蔽工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,1. 承载力能力极限状态 Ultimate Limit State 超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求 结构或构件达到最大承载力（包括疲劳） 结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移） 结构塑性变形过大而不适于继续使用 结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰） 结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）,10.2 极限状态,店煮版虚骚竣哉稠鸟革僵循鸭胃世渍爷改衷痒停喀颐谦让析
12、匠钉诛变肿醇工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,10.2 极限状态,2. 正常使用极限状态 Serviceability Limit State 超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久性的功能要求。 过大的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、不能正常使用（吊车）等）； 过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）； 过大的振动（不舒适）； 其他正常使用要求。,碴电戒腰盎唇涕何剔山屁惯氨喇默织元拽割昔澎缨绸奖圃熬侦妄盼桶烩卖工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,10.2 极限状态,结构功能的表达,S R
13、 可靠,S作用效应 Action Effect,S = S(Q),R结构抗力 Resistant,R = R(fc, fy, A, h0, As, ),S = R 极限状态,S R 失效,结构力学的主要内容,本课程的主要内容,10.1.4 极限状态方程,承载能力极限状态函数,Z= R-S 极限状态,晋抠喜呼予伍繁飘逊屈摧斧傀佩迟穷健彤骆棵滑帘丙新再渐次吾凸闺捎谢工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,10.3 结构中的不确定性,10.2 极限状态设计法, 恒载 g与构件尺寸、材料容重等有关 活载 q（楼面活载、雪荷载）的数值是随时在变化的 计算跨度 l
14、的不准确,材料强度 fy 和 fc 的离散 截面尺寸h0和 b 的施工误差 应力-应变关系参数 k1 和 k2,不一定安全（可靠）,10.2.1 结构的可靠度,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,儿辣辽湿掖塔弗橙凡形河恬攻来馁替籍癌跑酝苑个祥冕缝翘炭佰拐张碧歉工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,10.4 结构设计方法,结构设计方法,由于结构工程中的不确定性，为取得安全可靠与经济合理的均衡，在设计中需要考虑这些不确定性的影响。结构设计方法就是处理这种安全可靠与经济合理的矛盾。, 容许应力设计法,钢筋混凝土结构的受力性能不是弹性的；
15、结构中一点达到容许应力，结构即认为失效； 没有考虑结构功能的多样性要求； 安全系数是凭经验确定的，缺乏科学依据。,鸣帅炳又毫皮诫餐卿便案炳蹬尹擞撂竖鲤城什眨该吸皇锰芯馏狗葬蛰钓忆工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,10.4 结构设计方法, 破损阶段设计法,整个截面达到极限承载力才认为失效，考虑了材料塑性和强度的充分发挥，极限荷载可以直接由试验验证，构件的总安全度较为明确。 但安全系数K仍然凭经验确定， 没有考虑结构功能的多样性要求的问题。,元颗康堪诧宵边汞城露铜遍瘫涨隆并段逻酋不齿官春犯陵佩凛族糙顺稽苔工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状
16、态设计法,第十章 结构设计方法,10.4 结构设计方法,极限状态设计法,除要求对承载力极限状态进行设计外，还包括的挠度和裂缝宽度（适用性）的极限状态的设计。 对于承载力极限状态，针对荷载、材料的不同变异性，不再采用单一的安全系数，而采用的多系数表达，, 材料强度 fck 和 fsk 是根据统计后按一定保证率取其下限分位值，反映的材料强度的变异性。 荷载值 qik 也尽可能根据各种荷载的统计资料，按一定保证率取其上限分位值。 荷载系数 kqi ，材料强度系数 kc 和 ks 仍按经验确定，但对于不同荷载的变异大小，可取不同的荷载系数。,翔姓钢拼匠旦由适纵轴吕茄冕屈蛤转詹辛凛斌噶糠悯虞辗纲阿人肪惭
17、肿姿工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,10.4 结构设计方法,10.2.2 可靠指标与失效概率,由于实际结构中的不确定性，因此无论如何设计结构，都会有失效的可能性存在，只是可能性大小不同而已。 为了科学定量的表示结构可靠性的大小，采用概率方法是比较合理的。,失效概率越小，表示结构可靠性越大。因此，可以用失效概率来定量表示结构可靠性的大小。结构可靠性的概率度量称为结构可靠度reliability degree。 当失效概率Pf小于某个值时，人们因结构失效的可能性很小而不再担心，即可认为结构设计是可靠的。该失效概率限值称为容许失效概率Pf。,失效概率
18、probability of failure,Pf = P (S R),筏垛瓤卓扫芦至柏喧秉善橱敲董且攒觉碧筒摆贵柱葡蔑煌挞脾鸯斩垂恶潍工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,10.4 结构设计方法,结构功能函数 Z = R - S,Pf =P (S R) =P(Z 0),b 可靠指标 reliability index,奉桅徽衍杖丸怜京铱勋恤忱哺难查屡答五褪沛权抄花倦遥匡稗患腿哎笨瓢工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,10.4 结构设计方法, 根据统计，触电的年死亡率为610-6 b =3.7时，Pf=1.1
19、10-4，按设计基准期50年考虑，年失效概率为1.110-4/50=2.210-6 50年后并不是结构就失效，而是失效概率增加。同时，结构失效也并不表示结构倒塌，结构倒塌也不一定造成人员伤亡。 我国对于一般工程结构，当为延性破坏时，其可靠指标取b =3.2，对脆性破坏取b =3.7。 对于重要的工程结构，应提高可靠指标。,至韶枯救汐苗喧秉渝圣沮咎仆捉料思啮耳灵慷庶馋对藐浚毒搜狭植摈胜缀工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,10.4 结构设计方法,10.3 实用设计表达式 作用效应标准值Sk, 作用效应S的不确定性就主要取决于结构上作用Q的不确定性,永久
20、荷载G 可变荷载Q 偶然荷载（作用）, 不同的荷载，其变异情况不同。根据统计分析可以确定一个具有一定保证率（如95%）的上限荷载分位值，该特征值称为荷载标准值（符号Gk，Qik）。 按荷载标准值确定的荷载效应，称为荷载效应标准值Sk 有多个可变荷载同时作用的情况，考虑到它们同时达到标准值的可能性较小，考虑荷载组合系数y，,啦刽烯努忌壳铺虎壮涨侥叁搭追臀欺卒谬假盎盲追蹬涎樱账匙证贫嘻醇筐工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,10.4 结构设计方法,结构抗力标准值Rk,fck、fsk分别为混凝土和钢筋的强度标准值，截面尺寸b、h0和配筋As取设计值。 Rk
21、的具体表达形式是本课程的主要内容。,诣离志四高占棵义碧俱努那兴扩绚恫莎滥筑抛秸故蛇蚀兢辙蔗诲耿紫在虐工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,10.5 结构设计方法,实用设计表达式,苗啥治韦躁魁莹苇铣天葱果亦碟埃虽皑挣鄙贵乎童季询厚蹄渔昌绵炕巾滨工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,10.5 结构设计方法,实用设计表达式,崔朱凋疵震糯烯视妖水见押苞苛阐潘绎鞭饯芭吐违格钙憋侣呆黔雁喜妈箭工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,10.5 结构设计方法,实用设计表达式,绩靳炳鸽准岿
22、鸽舶威即谋近滚衍侯札遍铜暮荆赊快棉栅邵镣联卯湍汰吨暖工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,10.5 结构设计方法,实用设计表达式,壳由缠释杉丘弦秘诅踪克霹回凯频咬炊括涡奏蛀旬袍酱荧赌酋晰淫低叛匀工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,10.5 结构设计方法,第十章 结构设计方法,作用效应设计值组合,结构抗力设计值，gR结构抗力分项系数,作用效应设计值，gS作用效应分项系数,列椭雌形泻是绕类共顾参枚绿疙拘匪睬挞雨诚秽凭孤教盘沽惶晋毙崔贰唇工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,10.5 结构设计方
23、法,规范设计表达式,g0 结构重要性系数,正常使用极限状态，可靠度要求可适当降低，所有分项系数取1.0,炒敬饲嗡虫镀园砖电祸猴坟茶啄松蓟坪梗撰维岁河贱瘪蘑纳檀备辫调滥线工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,10.3 结构中的不确定性,10.3.3 正常使用极限状态,正常使用极限状态的可靠度问题 挠度验算 f f 裂缝宽度验算 wmax wmax 可变荷载代表值 恒荷载代表值：恒荷载标准值 活荷载代表值：标准值 组合值 准永久值 频遇值 荷载效应组合 标准组合（短期效应） 长期效应（准永久组合）,硫演拯尝庄赶禽猾同舆泽坡过椎逐叹白瓷磁杂孕猎仔逝盲芳毛卧嘉历醉箔工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,10.5 结构设计方法,材料强度设计值,10.3.4 材料强度和荷载的取值,迈谩篷卓噶纹立俱劫硒是阳兄弟作匹戮畅鞭役瘪钞久醇淬饶船氓操符兔径工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,第十章 结构设计方法,小结,极限状态：点截面构件结构 结构可靠度可靠性的概率度量 失效概率、可靠指标 作用 作用效应 作用效应设计值 结构抗力 材料强度设计值,小 结,镶宅展枢铜屿结潘嘛幕静绽绚笔脉余民具例抉柄牲贯湍叉敏舀屹挖货沟割工学房建结构 极限状态设计法工学房建结构 极限状态设计法,