混凝结构基本原理教学课件-第二章-混凝土结构基本计算原理

2.1结构的功能要求和极限状态2.1.1结构的功能要求◆安全性①．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。②．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。第二章混凝土结构基本计算原理◆适用性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。◆耐久性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。第二章混凝土结构基本计算原理◆结构的可靠性●可靠性——安全性、适用性和耐久性的总称●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。第二章混凝土结构基本计算原理2.1.2结构功能的极限状态◆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“失效”的临界工作状态称为“极限状态”第二章混凝土结构基本计算原理※承载力能力极限状态超过该极限状态，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）第二章混凝土结构基本计算原理※正常使用极限状态超过该极限状态，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。第二章混凝土结构基本计算原理2.2结构上的作用2.2.1作用和作用效应◆直接作用：荷载◆间接作用：混凝土的收缩温度变化基础的差异沉降地震等作用在结构上并使结构产生内力（如弯矩、剪力、轴向力、扭矩等）、变形、裂缝等作用称为作用效应或荷载效应。第二章混凝土结构基本计算原理◆荷载的分类按作用时间的长短和性质，荷载分为三类：1.永久荷载在结构设计使用年限内，其值不随时间而变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。2.可变荷载在结构设计基准期内其值随时间而变化，其变化与平均值不可忽略的荷载。3.偶然荷载在结构设计基准期内不一定出现，但一旦出现其值很大且作用时间很短的荷载。第二章混凝土结构基本计算原理2.2.2荷载代表值◆荷载的标准值1.定义将荷载视为随机变量，采用数理统计的方法加以处理而得到的具有一定概率的最大荷载值2.确定⑴.结构的自重可根据结构的设计尺寸和材料的重力密度确定；⑵.可变荷载常与时间有关，在缺少大量统计材料的条件下，可近似按随机变量来考虑；第二章混凝土结构基本计算原理可变荷载组合值：所谓荷载组合值是将多种可变荷载中的第一个可变荷载（产生荷载效应为最大的荷载，取其标准值）以外的其它可变荷载标准值乘以荷载组合值系数，它是承载力极限状态设计和正常使用极限状态标准组合设计时的荷载代表值。可变荷载准永久值：可变荷载准永久值是按正常使用极限状态设计时采用的荷载代表值，它是在结构预定使用期内经常作用达到和超过的可变荷载值，它对结构的影响，在性质上类似于永久荷载。第二章混凝土结构基本计算原理可变荷载频遇值：对可变荷载，在基准期内，其超越的总时间为规定的比较小比率或超越频数为规定频率的荷载值为可变荷载频遇值。2.2.3荷载分项系数及荷载设计值表4.1承载能力极限状态分项系数分项系数我国MC90恒载分项系数G1.201.0(G有利时)1.35活载分项系数Q1.401.30(q≥4kN/m2)1.50砼材料分项系数c1.401.50钢筋材料分项系数s1.10~1.51.15第二章混凝土结构基本计算原理2.2.4荷载效应组合1.承载能力极限状态的荷载效应组合（1）基本组合由可变荷载效应控制的组合由永久荷载效应控制的组合（2）偶然组合2.正常使用极限状态的荷载效应组合（1）荷载的标准组合（2）荷载的频遇组合（3）荷载的准永久组合第二章混凝土结构基本计算原理结构的设计使用年限结构的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达到其预定功能的使用时期。设计年限可按《建筑结构可靠度设计统一标准》确定，也可经过主管部门的批准按业主的要求确定。一般建筑结构的设计使用年限为50年。注意：区别建筑物的设计使用年限与建筑物的使用寿命。2.3结构构件的抗力和材料强度2.3.1结构构件的抗力是指结构构件承受外加荷载的能力。结构构件的抗力是材料性能（强度、弹性模量等）、构件截面积和特征及计算模式的函数。其中材料性能是决定结构抗力的主要因素。第二章混凝土结构基本计算原理材料强度设计值RKff表4.2混凝土强度设计值（N/mm2）混凝土强度等级强度种类符号C15C20C25C30C35C40轴心抗压强度fc7.29.611.914.316.719.1轴心抗拉强度ft0.911.101.271.431.571.71混凝土强度等级C45C50C55C60C65C70C75C8021.223.125.327.529.731.833.835.91.801.891.962.042.092.142.182.22表4.3普通钢筋强度设计值（N/mm2）种类符号fyyfHPB235(Q235)210210HRB335(20MnSi)300300热轧钢筋HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)3603602.3.2结构构件材料强度第二章混凝土结构基本计算原理2.4概率极限状态设计法SR可靠状态S——荷载效应结构上的各种作用（如荷载、不均匀沉降、温度变形、收缩变形、地震等）产生的效应总和R——结构抗力结构抵抗作用效应的能力S=R极限状态SR失效状态Ｚ＝Ｒ－Ｓ＝g(R，S)称为结构功能函数2.4.1极限状态方程第二章混凝土结构基本计算原理结构的极限状态可用下面的极限状态函数表示：Z=R-S＝g(R，S)其中：Z=R-S0时，结构处于可靠状态；Z=R-S=0时，结构处于极限状态；Z=R-S0时，结构处于失效（破坏）状态。Z＝g(R，S)=R-S＝０称为极限状态方程．第二章混凝土结构基本计算原理★由于结构抗力和荷载效应的随机性，安全可靠应该属于概率的范畴，应当用结构完成其预定功能的可能性（概率）的大小来衡量，而不是一个定值来衡量。★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第二章混凝土结构基本计算原理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kf][钢筋混凝土结构的受力性能不是弹性的；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。第二章混凝土结构基本计算原理2.4.2建筑结构的可靠度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。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Pf=P(SR)第二章混凝土结构基本计算原理f(Z)bzmzPfZ=R-S结构功能函数Z=R-SPf=P(SR)=P(Z0)ZZmbb2.73.23.74.2Pf3.5×10-36.9×10-41.1×10-41.3×10-5b—可靠指标第二章混凝土结构基本计算原理安全等级破坏后的影响程度建筑物的类型一级很严重重要的建筑物二级严重一般的建筑物三级不严重次要的建筑物2.4.3实用设计表达式第二章混凝土结构基本计算原理作用效应标准值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，Ｓ≤Ｃ第二章混凝土结构基本计算原理2.5混凝土结构的耐久性★混凝土结构的耐久性是指在设计使用年限内，在正常维护条件下，维持其适用性的能力。★混凝土的碳化和钢筋侵蚀是影响混凝土结构耐久性的综合原因。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，第二章混凝土结构基本计算原理减少混凝土碳化的措施：合理设计混凝土配合比，合理采用掺合料提高混凝土的密实性、抗渗性规定钢筋保护层的最小厚度采用覆盖面防止钢筋锈蚀的重要措施：1、混凝土降低水灰比，保证密实度，具有足够的保护层厚度，严格控制含氯量2、采用覆盖层，防止CO2、O2、CL-侵入3、采用物理方法使钢筋表面氧化膜更完整，更稳定第二章混凝土结构基本计算原理