第三章混凝土结构设计的基本原则.

第三章混凝土结构设计的基本原则第一节混凝土结构设计理论发展简史1、以弹性理论为基础的容许应力设计法；与材料力学方法相同；安全系数•弹性假定；平截面假定；混凝土不受拉而受压区的应力为线性分布/ccccfk/ssssfk①钢筋及混凝土均为非完全弹性材料；②材料具有塑形变形，按弹性理论不能充分发挥；③安全系数凭经验。2、20世纪30年代，破坏阶段计算方法；•考虑材料的塑形，材料用平均强度，放弃平截面假定，采用单一的安全系数。•整个截面的内力到达某极限内力时失效，以受弯构件为例/uMMk•计算极限弯矩时，压区混凝土的应力分布为曲线，简化为矩形处理。①单一系数无法考虑不同情况；②非极限荷载时的应力，应变及变形估算困难。3、20世纪50年代，极限状态设计法；•构件的极限状态不仅为荷载，也包括挠度（变形）及裂缝宽度的极限状态；•对于承载力极限状态，采用多系数法,,,iikussccMnqmMkfkfaLm－工作条件系数，反映施工质量和环境的影响；n－荷载的超载系数；a－截面的几何特性；ks－钢筋的均质系数；•对于材料强度，用统计后具有一定保证率的值4、基于可靠性理论的极限状态设计法；•以概率论为基础的①半概率方法－水准Ⅰ74规范②近似概率法－水准Ⅱ89，02及10规范③全概率法－水准Ⅲ•主要介绍近似概率法第二节结构的功能要求和极限状态一、结构的功能要求①安全性：能承受正常施工及正常使用时的各种作用而不破坏；②适用性：在正常使用时具有良好的工作性能；③耐久性：在正常维护下具有在使用年限内满足各种要求的耐久性能；④稳定性：在偶然荷载发生及发生后，保持必要的整体稳定性。•①和④合称为广义的安全性。二、结构的极限状态•极限状态介于可靠与失效之间。•包括承载力极限状态和正常使用极限状态（一）承载力极限状态•结构出现下列状态之一时，超过承载力极限①整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡；②结构构件或连接因达到材料强度而破坏，或因过大的变形而不适于继续承载；③结构变成机动体系；④结构或结构构件丧失稳定；（二）正常使用极限状态•结构出现下列状态之一时，超过正常使用极限①影响正常使用或外观的变形；②影响正常使用或耐久性的局部损坏；③影响正常使用的振动；④影响正常使用的其他特定状态；三、结构的设计状况•根据施工和环境条件，分为下列三种设计状况①持久状况；持续期与设计使用年限同一量级。②短暂状况；在结构使用过程中发生概率较大，与设计使用年限相比，持续时间较短的状况。③偶然状况；在结构使用过程中发生概率很小，持续时间很短的状况•三种设计状况均应进行承载力极限状态设计，持久状况还应进行正常使用极限状态设计。短暂状况可根据需要进行正常使用极限状态设计。第三节结构的可靠度和极限状态方程一、作用效应和结构抗力（一）结构作用和作用效应S•结构作用分为直接作用和间接作用；•作用效应指对结构产生的效应，内力、变形、裂缝等。1、作用的分类（1）按随时间的变异分①永久作用；值不变或变化与平均值比可忽略。②可变作用；变化与平均值比不可忽略。③偶然作用；量值很大，但持续时间很短。（2）按随空间位置的变异分①固定作用；具有固定分布的作用。②自由作用；一定范围内任意分布。（3）按结构的反映分①静态作用；使结构产生的加速度可以忽略；②动态作用；使结构产生的加速度不可以忽略；2、荷载代表值•荷载代表值有标准值、组合值、准永久值及频遇值等。•荷载标准值：由设计基准期内最大荷载概率分布的某一个分位数确定.•可变荷载的组合值：当结构承受两种以上的可变荷载作用时，同时取得最大值的机率较小，考虑组合；•可变荷载的准永久值：正常使用极限状态按长期效应组合设计时采用的可变荷载的代表值；•可变荷载的频遇值：结构上比标准值更常出现的较大荷载值。（二）荷载效应组合S•基本组合：是属于承载力极限状态设计的荷载效应组合，它包括以永久荷载效应控制组合和可变荷载效应控制组合，荷载效应设计值取两者的大者。•永久荷载效应控制组合1nGGKQiLiciQikiSSSγG—永久荷载的荷载分项系数：取1.35γQi—第i个可变荷载的荷载分项系数：一般取1.4γLi—第i个可变荷载考虑使用年限的调整系数ψci—第i个可变荷载的组合系数；对于一般民用建筑的楼面可变荷载取0.7。•可变荷载效应控制组合1112nGGKQLQkQiLiciQikiSSSSγG—永久荷载的荷载分项系数：取1.2γQi—第i个可变荷载的荷载分项系数：一般取1.4γQ1—主导可变荷载的荷载分项系数：一般取1.4γL1—主导可变荷载考虑使用年限的调整系数ψci—第i个可变荷载的组合系数；对于一般民用建筑的楼面可变荷载取0.7。（三）结构抗力R•结构或构件承受荷载及变形的能力，承载力、刚度、抗裂等。1、材料的性能指标•包括强度、弹性模量、极限应变和黏结力等等（1）材料强度的取值原则•材料的强度分为标准值和设计值两种。•材料的强度的标准值：不小于95％保值率的值1.64511.645kmmfffσ，δ—分别为材料强度的标准差和变异系数•材料的强度的设计值，考虑材料强度的分项系数后，混凝土与钢筋的强度设计值取为/cckcff—分别混凝土和钢筋材料强度的设计值/ssksff,csff—分别混凝土和钢筋材料强度的标准值,ckskff—分别混凝土和钢筋材料的分项系数,cs（2）混凝土强度•混凝土强度等级，取150mm边长立方体抗压强度，标准方法制作，标准养护，标准试验方法测得具有95％保证率的抗压强度值,,,1.64511.645cukcumcucumcufff•以5MPa为分段，取下限值作为混凝土强度等级评定标准。•从C15到C80共14级（2）混凝土强度•混凝土强度标准值：得到混凝土立方体抗压强度值后，修正得混凝土抗压强度标准值和抗拉强度标准值。,12,1.6450.8811.645ckcmccccumcufff12,0.88ckcccukff•混凝土抗拉强度标准值。,0.55,211.6450.34811.645cumtktmcuccufff,0.450.5520.34811.645cuktkccuff（2）混凝土强度•混凝土强度设计值：混凝土强度的材料分项系数取1.4。以C40为例,40cukfMPa12,,0.880.880.7626.8ckcccukcukfffMPa/26.8/1.419.1cckcffMPaC15C20C25C30C35C40C45C40C55C60~C80δ0.210.180.160.140.130.120.120.110.110.10,0.450.5520.450.550.34811.6450.3484011.6450.122.397cuktkccuffMPa/2.397/1.41.71ttkcffMPa（2）钢筋强度•钢筋强度标准值取钢筋屈服强度（或σ0.2）具有95％保证率的值。•钢筋强度的设计值：钢筋的材料分项系数，对热轧钢筋取1.1，对500MPa级钢筋取1.15，对预应力钢筋取1.2.2、几何参数•以测试数据为基础，用数理统计的方法得到。•标准值与设计值相同。二、设计基准期和设计使用年限（一）设计基准期•即结构的设计使用期，规范用来确定结构的荷载、材料性能及可靠度等的标准，我国规范的设计基准期为50年。（二）设计使用年限•结构或构件无需进行大修即可按其预定目的使用的时间。按表3－1采用三、结构的可靠性与可靠度•结构和构件在规定的时间内、规定的条件下完成预定功能的可能性称为结构的可靠性•作用效应小于结构抗力时结构处于可靠工作状态，其出现的概率称为可靠概率，记为Ps。结构的可靠概率又称为可靠度。•作用效应大于结构抗力时结构处于失效状态，其出现的概率称为失效概率，记为Pf。•Ps＋Pf＝1四、结构的极限状态方程URS•当U0结构可靠；当U0结构失效；•U＝0为极限状态，U为极限状态函数0URS为极限状态方程结构的失效概率为00fPPURSfUdU第四节结构的可靠指标和设计可靠指标一、可靠指标•目前直接求解失效概率尚困难，标准采用可靠指标β来代替失效概率Pf。两者的对应关系见表3－2•可靠指标β指U的平均值与标准差的比值。UU•R，S均为正态分布函数，U也是正态分布函数。因此：URS22RSU22URSURS•β越大，失效概率越小，结构越可靠；•R及S的平均值相差越大β越大，结构越可靠：•在R及S的平均值一定的条件下，标准差越小β越大，结构越可靠：22URSURS二、设计可靠指标和安全等级•目前《统一标准》采用校准法使得可靠度水平与原规范一致。有如下设计可靠指标的取法•一般建筑，当构件设计为延性破坏时，设计可靠指标β取值3.2；当构件设计为脆性破坏时，设计可靠指标β取值3.7；•另外根据建筑物的重要性，将建筑物分为三个安全等级，分别给出设计可靠指标β的取值，见表3-3第五节结构的极限状态设计表达式一、承载能力极限状态的计算内容和设计表达式（一）计算内容①结构构件应进行承载能力计算；②直接承受反复荷载的构件应进行疲劳验算；③有抗震设防要求时，应进行抗震承载力计算；④必要时应进行结构倾覆、滑移、漂浮验算；⑤对于可能遭受偶然作用，而且一旦倒塌后果严重的重要结构，宜进行防连续倒塌设计。911•伦敦RonanPoint公寓连续倒塌事故22层的装配式钢筋混凝土板式结构体系。1968年5月16日，住在18层一单元住户在厨房清晨点火时因夜间煤气泄漏引起爆炸。爆炸压力破坏了该单元二侧的外墙板和局部楼板，上一层的墙板在失去支承后也同时坠落，坠落的构件依次撞击下层造成连续破坏，使得22层高楼的一个角区从上到下一直坍到底层的现浇结构为止。由此确立了结构设计的一个重要原则，即结构内发生一处破坏不应造成整体的连续倒塌。熊熊燃起的大火使部分楼层的钢结构烧熔，并开始失稳、外臌。中间某个楼层的柱失去承载力后，上部楼层的巨大质量就像打夯一样向下砸去，大楼立即一塌到底。（二）极限状态的设计表达式•对于持久设计状况、短暂设计状况和地震设计状况，构件设计采用下列极限状态的表达式0SR,,/cskRdRRffaLγ0－结构重要性系数，安全等级为一、二、三级的结构构件分别取1.1、1.0、0.9；对于地震取1.0。γRd－抗力模型的不稳定系数，静力计算，一般建筑取1.0；重要建筑大于1.0，对于抗震取地震承载力调整系数γRE二、正常使用极限状态设计表达式（一）验算内容①对需要控制变形的构件应进行变形验算；②对使用上限制出现裂缝的构件应进行混凝土拉应力验算；③对允许出现裂缝的构件，应进行裂缝宽度验算；④对有舒适度要求的楼盖结构，应进行竖向自振频率验算。（二）使用极限状态设计表达式•分别按荷载的准永久组合、标准组合、考虑长期作用的准永久组合进行验算。SR（三）验算要求1、变形验算；•混凝土受弯构件的挠度不应影响其使用功能和外观要求。2、裂缝控制验算•构件正截面裂缝控制等级分为三级①一级：严格要求不出现裂缝，按荷载标准组合计算，构件受拉边混凝土不出现拉应力；②二级：一般要求不出现裂缝，按荷载标准组合计算，构件受拉边混凝土应力不大于混凝土抗拉强度；③三级：允许出现裂缝，限制裂缝宽度；（三）验算要求3、自振频率验算•对大跨度混凝土楼盖结构应进行竖向自振频率验算，其自振频率宜符合下列要求：①住宅和公寓不宜低于5Hz；②办公楼和旅馆不宜低于4Hz；③大跨度公共建筑不宜低于3Hz；④工业建筑及有特殊要求的建筑应根据使用功能提出要求。第六节混凝土结构耐久性设计•混凝土结构应根据设计使用年限和环境作用下进行耐久性的设计一、耐久性设计内容①确定结构所处的环境类别；②提出对材料的耐久性要求；③确定构件中钢筋的混凝土保护层厚度；④不同环境