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1、膈第3章 按近似概率理论的极限状态设计法 膅3.1 极限状态膅3.1.1 结构上的作用肅作用是结构产生内力或变形的原因。袃作用 直接作用：荷载膀 间接作用：砼收缩、温度变化、基础沉降、地震等芅作用效应：结构上的作用使结构产生的内力、变形、裂缝等。膂1、荷载的分类芁永久荷载衿可变荷载莄偶然荷载薃2、荷载的标准值：荷载的基本代表值羃荷载的不定性随机变量 统计具有一定概率的最大荷载值荷载的标准值蚈 312 结构的功能要求蚈1结构的安全等级羄 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。蒁 2结构的设计使用年限蚁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，
2、是指设计规定的结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。螈一般建筑结构的设计使用年限可为50年。蒅总体而言，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。膃 3建筑结构的功能蒀 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：袈 (1)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。袆 (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
3、产生影响使用的过大变形或振幅，不发生足以让使用者不安的过宽的裂缝等。蚁(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。艿 313 结构功能的极限状态羈极限状态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，这一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。羃莂羈承载能力极限状态：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肈极限状态莃正常使用极限状态：结构或构件达到正常使用或耐久性能
4、中某项规定限度的状态螀 3.1.4 极限状态方程肀结构的极限状态可以用极限状态函数来表达：膈 ZR一S (31)螄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；薂R结构构件抗力蝿 当构件每一个截面满足SR时，认为构件是可靠的，否则认为是失效的。芈 根据概率统计理论，设S、R都是随机变量，则ZRS也是随机变量，Z值可能出现三种情况：膅当ZR-S 0时，结构处于可靠状态；羀当ZR-S =0时，结构达到极限状态；薈当ZR-S 0时，结构处于失效(破坏)状态。芈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节 Zg(x1,x2,，xn) 蚂 x1,x2,，xn为影响该结构功能的各种
5、荷载效应以及材料尺寸、构件几何尺寸等。 莇3.2 按近似概率的极限状态设计法莇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K说明结构安全，其实并不能反映结构的实际失效情况。蚃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。膀掌握其思想方法。莀3.2.1 结构可靠度 蒇 结构的可靠性 结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。肄袂正常设计、正常施工、正常使用和维护的条件腿薇设计使用年限蒅莀袈结构的可靠度是结构可靠性的概率度量。蚇结构的可靠度是用可靠概率Ps表
6、示。袆3.2.1 可靠指标与失效概率 肁1、失效概率Pf：羁蒂设构件的荷载效应S、抗力R都是服从正态分布的随机变量且二者为线性关系。S、R的平均值分别为s、R，标准差分别为s、R，荷载效应为S和抗力为R的概率密度曲线如图32所示。螇按照结构设计的要求，显然R应该大于S。蒈重叠区是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。蒄薂均值相差越大，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。膈对Z=R-S，Z也是服从正态分布的随机变量的概率密度分布
7、曲线。Z1)肅荷载分项系数(1)蚅肂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。肈1、结构重要性系数0膅结构构件的重要性系数，与安全等级对应，肆（1）对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件不应小于1.1；蕿（2）对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件不应小于 1.0；肁（3）对安全等级为三级或设计使用年限为5年及以下的结构构件不应小于0.9。芅（4）在抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数膂2、荷载效应组合设计值芁 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
8、小，多个可变荷载也不一定会同时发生，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。衿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。莅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。薃（1）由可变荷载效应控制的组合设计值表达式为羃薈（2）由永久荷载效应控制的组合设计值表达式为莅羄 Gk永久荷载标准值；蒁Q1k最大的一个可变荷载的标准值；莇Qik其余可变荷载的标准值；蒄G、Q1、Qi永久荷载、可变荷
9、载的分项系数。莅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 G =1.2；对由永久荷载效应控制的组合一般取G =1.35；膃当永久荷载效应对结构有利时，取G1.0；蒀可变荷载的分项系数Q1、Qi一般取1.4；荿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。芇Ci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。莆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： 羄荿蚈对由永久荷载效应控制的组合公式不变。肈3、结构抗力设计值R蚃螃fCk、fSk砼、钢筋强度标准值（fcu，k、fyk）；聿k几何尺寸标准值；蒆S、C材料强
10、度的分项系数。规定C=1.4；S=1.11.5螆袃3.3.3 正常使用极限状态设计表达式蒀芇C结构构件达到正常使用要求的规定限制。蒄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。羃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。建筑结构可靠度设计统一标准采用个小于l的准永久值系数和频遇值系数来考虑这种折减。袀1、可变荷载准永久值系数蚅荷载的准永久值系数是根据在设
11、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。芃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。肃2、可变荷载的频遇值系数羇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。蒆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。肁3、荷载组合膂 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蒇荷载的短期作用虿 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衿羇荷载的长期作用准永久组合：主要用于当长期效应是决定性因素的情况薃（1）按荷载标准组合：莁蚈（2）按荷载频遇组合：肆羄式中f1可变荷载的频遇值系数蝿q1可变荷载值系数莇（3）按荷载的准永久组合：膆肁蒁膆膆蒂罿腿肁蚈蒆蚃膁聿袃蒂膁葿薅蒄芁薆莇芃莁羇螅肂蒃