工程结构设计原理讲稿

第二讲：绪论（9/12）二、混凝土结构（4/4）2、钢筋和混凝土结合成一体，共同发挥作用。发挥材料优势（混凝土的压、钢筋的拉），取长补短。是一种复合材料构件，工作过程相对复杂。优点：耐久性好；耐火性好；可模性好、整体性好。可就地取材。缺点：自重大；抗裂差；施工环节多周期长；拆除、改造难度大。第二讲：绪论（10/12）三、钢结构（1/1）1、钢结构的构成是用钢板、角钢、工字钢、槽钢、钢管和圆钢等钢材通过焊接等有效的连接方式，所形成的结构。单一材料构件，材料理想，工作原理简单。2、优点：强度和强度质量比高；材质均匀、性能好，结构可靠性高。施工简便、工期短。延性好、抗震能力强。易于改造和加固。缺点：耐腐蚀性差；耐火性差；钢材价格相对较高。第二讲：绪论（11/12）四、砌体结构（1/1）1、砌体结构的组成砌体结构是用砖、石或砌块，用砂浆等胶结材料砌筑的结构。是一种复合材料构件，工作过程相对复杂。2、优点：耐久性好；耐火性好；就地取材；施工技术要求低；造价低廉。缺点：强度低，砂浆与砖石之间的粘接力较弱；自重大；砌筑工作量大，劳动强度高。粘土用量大，不利于持续发展。0μσf(Q)Q第三讲：计算原则（5/28）一、结构上的作用（4/5）4荷载的代表值(1)实质：以确定值（代表值）表达不确定的随机变量，便于设计时，定量描述和运算。(2)取值原则：根据荷载概率分布特征,控制保证率。第三讲：计算原则（6/28）一、结构上的作用（5/5）(2)代表值取值永久荷载的代表值标准值：取分布的平均值，保证率50%；可变荷载的代表值标准值：基本代表值，保证率尚未统一；准永久值：对可变荷载稳定性的描述，等于标准值乘准永久值系数；组合值：两种或（以上）可变荷载作用时，都以标准值出现的概率小，因此对标准值乘以组合系数进行折减。第三讲：计算原则（1）下一讲的主要内容1、抗力的不定因素及取值2、结构的功能3、极限状态第四讲：计算原则（2）上一讲的主要内容1、作用及作用效应作用：引起结构内力和变形的一切原因。作用效应：作用在结构上产生的内力和变形等。2、作用的分类按时间分：永久作用；可变作用；偶然作用。按位置分：固定作用、可动作用。按反应分：静态作用、动态作用：3、荷载的随机性及代表值目的：以确定值（代表值）表达不确定的随机变量；种类：标准值、准永久值、组合值。第四讲：计算原则（7/28）二、结构的抗力（1/2）1、抗力及其不定因素抗力：抵抗作用效应的能力性质：与时间有关的随机过程材料的性能，结构尺寸等都是随机变量；有些材料的力学性能是随时间变化的。简化：忽略随时间的变化，用随机变量模型描述。抗力不定性主要因素：材料性能的不定性几参数的不定性计算模式的不定性0μσf(f)f第四讲：计算原则（8/28）二、结构的抗力（2/2）2、材料强度的标准值(1)实质：以确定值（标准值）表达不确定值，便于应用。(2)标准值取值：根据材料强度概率分布的0.05分位值，即95%保证率的要求确定。3、抗力的概率分布模式(假设)对数正态分布第四讲：计算原则（9/28）三、结构功能和极限状态（1/2）1、结构的功能（1）安全性：要求结构承担正常施工和正常使用条件下，可能出现的各种作用，而不产生破坏。并且在偶然事件发生时以及发生后，能保持必需的整体稳定性，不至于因局部损坏而产生连续破坏。（2）适用性：要求结构在正常使用时满足正常的要求，具有良好的工作性能。（3）耐久性要求结构在正常使用和维护下，在规定的使用期内，能够满足安全和使用功能要求。如材料的老化、腐蚀等不能超过规定的限制等。第四讲：计算原则（10/28）三、结构功能和极限状态（2/2）2、极限状态(1)定义：极限状态是判别结构是否能够满足其功能要求的标准，指结构或结构一部分处于失效边缘的状态。(2)分类：承载能力极限状态是判别结构是否满足安全性要求的标准，指结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续加载的变形。正常使用极限状态：是判别结构是否满足正常使用和耐久性要求的标准，指结构或构件达到正常使用或耐久性的某些规定限值。第五讲：计算原则（3）上一讲的主要内容1、抗力及其不定因素及材料强度的标准值标准值的实质：以确定值表达不确定值，便于应用。标准值取值：具有95%保证率的强度值。2、结构的功能安全性、适用性和耐久性3、极限状态目的：判别结构是否能够满足功能要求；分类：承载能力极限状态和正常使用极限状态。第五讲：计算原则（11/28）四、设计计算原则（1/11）1、功能函数与极限状态方程(1)功能函数Z=R-S=g(X1,X2,X3….Xn)(2)结果分析Z=R-S0：处于可靠状态；Z=R-S0：处于不可靠状态，即失效；Z=R-S=0：处于极限状态，此方程称极限状态方程2、结构的可靠性(1)关于结构设计本质：对比、控制R和S，即保证R-S0问题：R和S为随机变量，功能函数值Z是随机变量绝对保证R大于S不可能！0)()0(dzzfZPpZffspZPp1)0(Zfz(z)pfμz0zσ第五讲：计算原则（12/28）四、设计计算原则（2/11）解决方法：控制可靠度，绝大多数情况下：RS允许极少数情况下：RS(2)结构可靠度和失效概率可靠度(可靠概率)：是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，以Ps表示。失效概率：结构不能完成预定功能的概率，以Pf表示。0Z(z)zf第五讲：计算原则（13/28）四、设计计算原则（3/11）(3)可靠度三个水准水准I：是用随机变量的一阶矩（平均值）加以概括;水准II：用随机变量的一阶矩和二阶矩来描述;水准III：也称为全概率法，是以真实分布进行计算。SRZ22SRZzzfZZxZZ,21)(222)(第六讲：计算原则（14/28）四、设计计算原则（4/11）3、可靠度的计算方法及可靠指标(1)可靠指标简单分析：假设只有两个随机变量R和S，相互独立，均服从正态分布，已知平均值和均方差。功能函数Z:dzdzzfZPpZZzZZf02)(02221)()0()(2122ZZtfdtpZZ22SRSRZZ)(1)(fp第六讲：计算原则（15/28）四、设计计算原则（5/11）计算结构失效概率进行数学变换得（把Z由正态分布变换成标准正态分布）定义可靠度指标：则：第六讲：计算原则（16/28）四、设计计算原则（6/11）分析：可靠指标与可靠度（失效概率）相关，可靠指标越大，结构越可靠；可靠指标越小，结构越不可靠。优点：用统计特征值来反映可靠度，不直接用概率。可靠度指标取值确定方法：校核法、类比法协商给定法取值：与安全等级、截面破坏形态、极限状态有关：安全等级越高，可靠指标越大（0.5）；脆性破坏高于延性破坏（0.5）；承载力极限状态高于正常使用极限状态。kKRKSRKKQQKGGRQCGC/第十讲：计算原则（8）上一讲的主要内容1、安全系数法经过变化设计表达式可以表示成：安全系数K与可靠指标和随机变量的数字特征有关2、分项系数法经过变化设计表达式可以表示成：分项系数法与可靠指标和随机变量的数字特征有关。RS0,.....),(.....),,(kkKRafRafRR)(2111niiKCiQiQiKQQKGGQCQCGCS第十讲：计算原则（25/28）五、近似概率法设计表达式(4/6)2、我国现行规范采用的基本设计表达式(1)承载能力极限状态设计表达式组合情况：基本组合：永久荷载和最大的可变荷载以标准值作为代表值，其它可变荷载以组合值为代表值。偶然组合基本组合承载能力设计采用下列设计表达式：][.......),,(skksssUafSUUniiKQiCikQKGsQCQCGCS211][.......),,(lkklllUafSUUniiKQiqiKGlQCGCS1第十讲：计算原则（26/28）五、近似概率法设计表达式(5/6)(2)正常使用极限状态设计表达式组合情况：短期效应组合长期效应组合在作用的短期效应组合作用下的设计表达式：在作用的长期效应组合作用下的设计表达式：***RSSQGRQKQGKGRSS/0GQ第十讲：计算原则（27/28）五、近似概率法设计表达式(6/6)3、分项系数的确定(1)确定的原则：以验算点法为基础(2)方法：在验算点处将极限状态方程转化为分项系数表达的方程对于验算点法对于分项系数法等价求分项系数。确定原则：对不同材料、荷载和结构，取统一值；在各项标准值等给定的前提下，误差最小。(3)优化结果荷载分项系数=1.2,=1.4结构抗力分项系数:进一步分离成材料强度分项系数结构重要性系数=1.1,1.0,0.9第11讲：材料的性能(2/34)一、钢材的物理力学性能（1/13）1、简单应力下钢材的性能(1)钢材的应力-应变关系曲线形式：有明显流幅的：弹性、屈服、强化和颈缩阶段没有明显流幅的：没有明显的屈服阶段曲线简化：屈服前：完全弹性的；屈服后：完全塑性的。第11讲：材料的性能(3/34)一、钢材的物理力学性能（2/13）(2)钢材的强度指标屈服强度：设计时钢材允许达到的最大应力有明显流幅的钢材：取屈服点的应力；无有明显流幅的钢材：取条件屈服强度。条件屈服强度：残余应变为0.2%对应的应力。极限强度：材料能承受的最大应力反映安全储备屈强比：屈服强度/极限强度(3)钢材的塑性指标伸长率：拉断后构件伸长率截面收缩率：拉断后面积缩小率冷弯性能：以冷弯的角度来衡量第11讲：材料的性能(5/34)一、钢材的物理力学性能（4/13）分析结果：主应力同号时，不易屈服，塑性下降，越接近越明显。主应力异号时，易屈服，破坏呈塑性，差别越大越明显。(2)反复荷载下钢材的疲劳疲劳破坏：在低于强度的应力反复作用下，所发生破坏。疲劳破坏特点：包括裂纹形成，缓慢发展和迅速断裂三个过程没有明显的变形，脆性破坏第12讲：材料的性能（2）上一讲的主要内容1、钢材的应力-应变关系有明显流幅的钢材和没有明显流幅的钢材2、钢材的强度指标屈服强度、极限强度和屈强比3、钢材的塑性指标伸长率、截面收缩率和冷弯性能4、复杂应力状态下的屈服条件第12讲：材料的性能(5/34)一、钢材的物理力学性能（4/13）分析结果：主应力同号时，不易屈服，塑性下降，越接近越明显。主应力异号时，易屈服，破坏呈塑性，差别越大越明显。(2)反复荷载下钢材的疲劳疲劳破坏：在低于强度的应力反复作用下，所发生破坏。疲劳破坏特点：包括裂纹形成，缓慢发展和迅速断裂三个过程没有明显的变形，脆性破坏第12讲：材料的性能(6/34)一、钢材的物理力学性能（5/13）影响因素：荷载的的性质：拉、压、剪等应力循环特征：(应力比)静载（=1）同号循环（0）脉冲循环(=0)异号循环(0)完全对称循环（-1）循环次数:应力比一定时，疲劳强度与荷载的循环次数有关。maxmin/第12讲：材料的性能(7/34)一、钢材的物理力学性能（6/13）疲劳极限：当最大应力小于某一数值，反复荷载循环无穷次，材料也不会破坏。疲劳曲线(试验结果)循环N次包络线ABCD简化疲劳曲线ABCD的方程BCD(拉为主)AB(压为主)6102Nmin0maxkkp10maxkp0min第12讲：材料的性能(8/34)一、钢材的物理力学性能（7/13）3影响钢材性能的一般因素(1)化学成分碳：提高强度；但塑性，可焊性、耐锈蚀性等劣化。锰：提高强度，改善脆性；但对可焊性和耐锈力不利。硅：提高强度，但含量过高，对塑性可焊性耐锈力不利。