3混凝土结构的设计方法

第三章混凝土结构的设计方法2013级建筑工程工程管理本章重点第一节极限状态第二节按近似概率的极限状态设计法第三节实用设计表达式第一节基本概念1安全性2适用性3耐久性4可靠性5可靠度第一节基本概念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。在设计规定的偶然事件（如地震、爆炸）发生时及发生后，结构仍能保持必需的整体稳定性，即要求仅产生局部损坏，不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。如（M≤Mu）1安全性第三章混凝土结构的设计方法2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。如（f≤[f]）、（wmax≤[wmax]）3耐久性结构在正常使用和维护下，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。功能要求在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用。在正常使用时具有良好的工作性能。在正常维护下有足够的耐久性能。在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性，即要求仅产生局部损坏而不致发生整体倒塌。安全性安全性适用性耐久性结构设计的目的：在一定的经济条件下，使结构在预定的使用期限内能满足设计所预期的各种功能要求（安全性、适用性、耐久性，总称为可靠性）。第三章混凝土结构的设计方法定义：安全性、适用性和耐久性的总称；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。结构设计的主要目的：尽量均衡可靠性与经济指标4可靠性第三章混凝土结构的设计方法定义：结构在规定时间内(设计使用年限50年）、规定条件下完成预定功能的概率，是结构可靠性的概率度量。5可靠度第一节极限状态1承载能力极限状态2正常使用极限状态3结构的设计状况4作用、荷载效应5结构抗力容许应力法钢筋砼结构按弹性理论计算的应力不大于规定的容许应力。破坏阶段设计法考虑材料塑性性能，按材料平均强度计算的承载力必须大于计算的最大荷载产生的内力。极限状态设计法明确结构按各个极限状态进行计算设计。概率极限状态设计法在极限状态设计法的基础上考虑结构的可靠概率，按发展阶段，该法可分为三个水准。第一节极限状态极限状态定义：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，这个特定的临界状态称之为该功能的极限状态。承载能力极限状态正常使用极限状态第一节极限状态1承载能力极限状态定义：结构或结构构件达到最大承载力或达到不适于继续承载的变形。超过这一极限状态时结构将发生破坏、倒塌或失稳等现象。具体表现：（1）结构或结构的一部分丧失稳定；（2）结构形成机动体系丧失承载能力；（3）结构发生滑移、上浮或倾覆；（4）构件截面因材料强度不足而破坏；（5）结构或构件产生过大的塑性变形而不适于继续承载。第一节极限状态2正常使用极限状态定义：结构或构件达到影响正常使用或耐久性能的某项规定限值。超过这一极限状态时结构将出现过大的变形，开裂或过宽裂缝，钢筋严重锈蚀，混凝土腐蚀、风化、剥落等现象。具体表现：（1）产生过大的变形，影响正常使用或外观；（2）产生过宽的裂缝，影响正常使用（渗水）或外观；产生人们心理上不能接受的感觉；对耐久性也有一定的影响；（3）产生过大的振动，影响正常使用。第一节极限状态安全性适用性耐久性结构的功能要求结构的极限状态承载能力极限状态正常使用极限状态设计验算第一节极限状态建筑结构设计时，应根据结构在施工和使用中的环境条件和影响，区分下列三种设计状况：持久状况短暂状况偶然状况在结构使用过程中一定出现，持续时间较长的状况在结构施工和使用过程中出现概率较大，而与设计使用年限相比持续时间很短的状况在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的状况———承载能力极限状态设计正常使用极限状态设计第一节极限状态3结构的设计状况凡是施加在结构上的集中或分布荷载，以及引起结构外加变形或约束的原因，总称为作用。作用直接作用（荷载）间接作用施加在结构上的集中或分布荷载如混凝土收缩、温度变化、基础沉降、地震等。荷载是作用，但作用未必是荷载。从工程习惯和叙述简便起见，两者不作区分，一律称为荷载。第一节极限状态4作用、荷载效应（1）作用永久荷载可变荷载偶然荷载在设计基准期内其量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。结构自重、土压力、地基沉降、焊接等。在设计基准期内不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用。在设计基准期内其量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用。楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、温度变化等。如爆炸力、撞击力、罕遇的地震等。a.按随时间的变异可分为三类：——————第一节极限状态4作用、荷载效应（2）荷载的分类固定荷载自由荷载在结构上具有固定分布的作用。其特点是在结构上出现的空间位置固定不变，但其量值可能具有随机性。在结构上一定范围内可以任意分布的作用。如房屋建筑楼面上位置固定的设备荷载、屋盖上的水箱等。如楼面的人员荷载、吊车荷载等。————————b.按随空间位置的变异可分为三类：第一节极限状态4作用、荷载效应（2）荷载的分类静态荷载动态荷载使结构产生的加速度可以忽略不计的作用。使结构产生的加速度不可忽略不计的作用。在结构分析时一般均应考虑其动力效应。如结构自重、住宅或办公楼的楼面活荷载如吊车荷载、地震作用、大型动力设备的作用、高耸结构上的风荷载等。————c.按结构反应的特点可分为三类：第一节极限状态4作用、荷载效应（2）荷载的分类作用效应S：各种作用作用在结构或结构构件上，由此在结构内产生的内力和变形（如轴力、剪力、弯矩以及挠度、转角和裂缝等）。荷载效应系数C：单位荷载的作用效应。PCS荷载荷载效应系数荷载效应第一节极限状态4作用、荷载效应（3）作用效应及作用效应系数ql简支梁在均布荷载q作用下，跨中弯矩的作用效应为，作用效应系数为；支座剪力的作用效应为，作用效应系数为。跨中承受集中荷载P，跨中弯矩的作用效应为，作用效应系数为；支座剪力的作用效应为，作用效应系数为。Pl281ql281lql21l21Pl41l41P2121PCS荷载荷载效应系数荷载效应第一节极限状态4作用、荷载效应（3）作用效应及作用效应系数结构抗力R：指整个结构或结构构件承受作用效应（即内力和变形）的能力。影响因素：材料性能的不确定性几何参数的不确定性计算模式的不确定性强度、变形模量等——构件尺寸等——抗力计算所采用的基本假设和计算公式不够精确等——第一节极限状态5结构抗力GB50068-2001规定的设计基准期为50年。作用作用效应结构抗力三者均为随机变量与时间有关为确定与时间有关的设计参数的取值而选用的时间参数，称为设计基准期。第一节极限状态第二节近似概率的极限状态设计法1功能函数和极限状态方程式2荷载代表值3材料强度代表值4分项系数5结构重要性系数按极限状态方法设计建筑结构时，要求所设计的结构具有一定的预定功能，这可用包括各有关变量在内的结构功能函数来表达，即12(,,,)nZgXXX12(,,,)0nZgXXX——极限状态方程当功能函数中仅包括作用效应S和结构抗力R两个基本变量时，可得(,)ZgRSRS——功能函数第二节近似概率的极限状态设计法1功能函数和极限状态方程式Z=R-S＞0Z=R-S=0Z=R-S＜0结构处于可靠状态结构处于极限状态结构处于失效状态当功能函数中仅包括作用效应S和结构抗力R两个基本变量时，可得(,)ZgRSRS第二节近似概率的极限状态设计法1功能函数和极限状态方程式这种可能性的大小用概率来表示就是失效概率pf。S和R的概率密度曲线第二节近似概率的极限状态设计法1功能函数和极限状态方程式（1）失效概率在多数情况下，R大于S。但在它们概率密度曲线的重叠区（阴影段内）仍有可能出现R小于S的情况。即：失效概率指出现Z=R-S0的概率，用pf表示。pff(Z)Z=R-Sps=1-pf0当结构功能函数中仅有两个独立的随机变量R和S，且都服从正态分布时，功能函数Z的概率密度曲线如图所示。20Zf2ZZz1expd22zzpz第二节近似概率的极限状态设计法1功能函数和极限状态方程式（1）失效概率ZfZ()p由上式可见，β与pf具有数值上的对应关系，也具有与pf相对应的物理意义。β越大，pf就越小，即结构越可靠，故β称为可靠指标。pff(Z)Z=R-Sps=1-pf0第二节近似概率的极限状态设计法1功能函数和极限状态方程式（2）可靠指标RS22RSZZfp可靠度增大令ZZ则（可靠指标的定义）β与pf的对应关系βpfβpfβpf1.01.59×10-12.73.47×10-33.71.08×10-41.56.68×10-23.01.35×10-34.03.17×10-52.02.28×10-23.26.87×10-44.21.33×10-52.56.21×10-33.52.33×10-44.53.40×10-6第二节近似概率的极限状态设计法1功能函数和极限状态方程式（3）可靠指标与失效概率的对应关系设计规范所规定的、作为设计结构或结构构件时所应达到的可靠指标，称为设计可靠指标，它是根据设计所要求达到的结构可靠度而取定的，所以又称为目标可靠指标。设计可靠指标，一般采用“校准法”确定。所谓“校准法”，就是通过对原有规范可靠度的反演计算和综合分析，确定以后设计时所采用的结构构件的可靠指标。ff[]ppTT：目标可靠指标第二节近似概率的极限状态设计法1功能函数和极限状态方程式（4）目标可靠指标建筑结构的安全级别破坏后果建筑物类型承载能力极限状态的目标可靠指标延性破坏脆性破坏1(1)很严重重要建筑3.74.22(2,3)严重一般建筑3.23.73(4,5)不严重次要建筑2.73.2《建筑结构可靠度设计统一标准》将建筑物划分为三个安全级别，规定了它们各自的承载能力极限状态的目标可靠指标1.结构的安全级别越高，βt越大2.延性破坏的βt小于脆性破坏的βt3.承载能力极限状态的βt大于正常使用极限状态的βt第二节近似概率的极限状态设计法1功能函数和极限状态方程式（4）目标可靠指标β的计算非常复杂，实际工作中不可能直接计算。《工程结构可靠性设计统一标准》及《建筑结构可靠度设计统一标准》的规定，采用概率极限状态设计方法，以分项系数的形式表达实用的设计公式。包括结构重要性系数、荷载分项系数、材料性能分项系数(材料分项系数，有时直接以材料的强度设计值表达)、抗力模型不定性系数(构件承载力调整系数)等。设计人员只要采用按实用设计表达式对结构构件进行设计，则认为设计出的结构构件所隐含的β值就可满足要求。第二节近似概率的极限状态设计法2荷载代表值在实用设计表达式中，首先要定出荷载的代表值和材料的强度值。荷载代表值——设计时使用的荷载量值。荷载标准值荷载组合值荷载准永久值荷载频遇值第二节近似概率的极限状态设计法2荷载代表值定义：荷载标准值就是结构在设计基准期内具有一定概率的最大荷载值,它是荷载的基本代表值。荷载标准值的表示：下标k如：集中恒载分布恒载集中活载分布活载kGkgkQkq荷载标准值的确定：对于具有统计规律的荷载，运用数理统计方法确定具有一定保证率的统计特征值。对于没有充分统计资料的荷载，根据工程经验或理论公式确定荷载标准值。第二节近似概率的极限状态设计法2荷载代表值（1）荷载标准值4.1.1民用建筑楼面均布活荷载的标准值：（1）住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院、托儿所、幼儿园、教室、实验室、会