2012-CH03 结构设计原理、设计方法

第三章结构设计原理、设计方法§3.1结构设计的要求§3.2概率统计的一些基本概念§3.3概率极限状态设计法§3.4概率极限状态设计法的实用设计表达式设计、分析的定义•分析：是在结构截面尺寸、配筋和材料强度均为已知的情况下，研究在给定支承条件和荷载下的受力性能，进行截面的应力和变形分析，确定构件的极限内力（Nu、Mu）。研究的是“定值”问题。•设计：面向的问题是根据预计的荷载和材料性能，采用经理想化和简化假定的计算方法，确定结构构件尺寸及配筋，在经济合理的条件下满足结构功能的要求。是非确定性问题。但设计考虑的问题方面比分析要综合得多。§3.1结构设计的要求•3.1.1结构的功能要求•3.1.2结构的极限状态•3.1.3作用效应S与结构抗力R•3.1.4结构功能函数3.1.1结构的功能要求结构设计的目的是要使所设计的结构能够完成由其用途所决定的全部功能要求。–（1）安全性•要求结构能承受在正常施工、正常使用期出现的各种作用（荷载、强迫变形、约束变形）。并在偶然荷载（如强风、地震）作用或偶然事件（如火灾、爆炸）发生时和发生后，仍能保持整体稳定（仅产生局部破坏，不发生连续倒塌）。–（2）适用性•在正常使用荷载作用下具有良好的工作性能。不产生过大的变形、永久的变形和动力效应（过大的振幅和振动），或产生让使用者感到不安的裂缝。–（3）耐久性•结构在正常使用和正常维护条件下，在规定的环境中、在预定的使用期限内应有足够的耐久性。即在使用期限内不发生钢筋锈蚀、保护层碳化等这些影响使用寿命的因素。什么是结构的可靠性：把安全性、适用性、耐久性概括起来称为结构的可靠性。可靠性：结构在规定的时间内（如设计使用年限为50年），在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和正常维修不考虑人为过失）完成预定功能的能力。•结构能满足功能要求而良好地工作，称为结构“可靠”或“有效”。反之，则称为结构“不可靠”或“失效”。（即：整个结构物或结构物的一部分超过某一特定状态）•极限状态——区分结构工作状态的可靠与失效的标志是“极限状态”。它是结构或构件能够满足设计规定的某一功能要求的临界状态。有明确的标志及限值。3.1.2结构的极限状态•结构的极限状态包括：–承载能力极限状态–正常使用极限状态（1）承载能力极限状态①整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡，如倾覆、滑移；②结构构件或连接部位因材料强度超过限值而破坏，包括承受多次重复荷载构件产生的疲劳破坏；③结构构件或连接因产生过度的塑性变形而不适于继续承载（如受弯构件中的少筋梁）；④结构变为机动体而失去承载能力；⑤结构或构件丧失稳定（压屈、侧屈、翘屈）；⑥地基丧失承载力而破坏。（2）正常使用极限状态①影响正常使用或外观的变形（如梁产生超过了挠度限值的过大挠度）；②影响正常使用或耐久性的局部损坏（如不允许出现裂缝的构件开裂，或出现超过允许裂缝宽度的裂缝）；③影响正常使用的振动；④影响正常使用的其它特定状态（如钢筋锈蚀产生的沿钢筋的纵向裂缝。•1、作用效应S3.1.3作用效应S与结构抗力R•作用：是指施加在结构或构件上的力，以及引起结构强迫变形或约束变形的原因，如地面运动、地基不均匀沉降、温度变化、混凝土收缩、焊接变形等。•作用效应“S”：是上述作用引起的结构或构件的内力（如轴向力、剪力弯矩、扭矩等）和变形（如挠度、侧移、裂缝等）•1、作用效应S3.1.3作用效应S与结构抗力R•荷载效应：当作用力为集中力或分布力时，其效应可称为“荷载效应”•表示：荷载Q与荷载效应S之间，一般可近似按照线性关系考虑，因此•S=CQ•式中：C—为荷载效应系数3.1.4结构功能函数•结构构件完成预定功能的工作状况可以用作用效应S和结构抗力R的关系式来描述，称为结构功能函数，用Z来表示：),(SRgSRZSRZ0SRZ0SRZ0结构可靠状态（结构能完成预定的功能）结构处于临界的极限状态（将，称为“极限状态方程”）结构失效状态（结构不能完成预定的功能）0),(SRgSRZ§3.2概率统计的一些基本概念•3.2.1随机变量、概率分布函数•3.2.2平均值、标准差、变异系数•3.2.3正态分布•3.2.4随机变量函数的运算法则3.2.1随机变量、概率分布函数•随机现象：对于具有多种可能发生的结果，而究竟发生这些可能的哪一种结构实现不能确定的现象，称为随机现象。（可能发生也可能不发生的事件称为随机事件）•随机变量：随机现象的各种结果的对应的变量称为随机变量。•频率密度分布曲线：随机变量对应的发生频率值所组成的曲线为频率分布曲线。•概率分布函数：频率密度分布曲线在某个区间段内的积分称为概率分布函数。xdxxfxF)()()(xf3.2.2平均值、标准差、变异系数•平均值：表示随机变量的波动中心，也即代表随机变量值Xi平均水平的特征值。niiXn11nXnii12)(•标准差：表示随机变量X取值离散程度的一个特征值。定义为随机变量Xi与平均值的偏差的平方和除以n的开方。3.2.2平均值、标准差、变异系数•算术平均值：平均值X•变异系数：反映随机变量相对离散程度的特征值，即：/3.2.3正态分布•随机变量的密度函数为：•混凝土强度、钢材强度是服从正态分布的；•但荷载和结构抗力一般不服从正态分布。如楼面活荷载、风荷载等均服从极值I型分布，而结构抗力服从于对数正态分布。222)(exp21)(xxf§3.3概率极限状态设计法•3.3.1失效概率、可靠指标•3.3.2目标可靠指标、安全等级3.3.1失效概率、可靠指标•可靠概率：结构能完成预定功能的概率称为可靠概率Ps•失效概率：结构不能完成预定功能的概率称为失效概率Pf（failureprobability）。•可靠指标：随机变量函数的平均值与方差的比值。即：zz举例：R、S均按照正态分布来看待。2222),(SRSRzzSRzSRzSRgSRZ)()(1)/(12exp212)(exp21)0(2/220ZZZZZZfZZfdxxZPPdZZZPPZZ标准化目标可靠指标和变异系数之间的区别dxdZZxZZZ,令3.3.2目标可靠指标、安全等级•目标可靠指标：当有关变量的概率分布类型及统计参数已知时，就可按上述的计算公式求得现有的各种结构构件的可靠指标。•安全等级（1）一级：破坏后果很严重的重要建筑物（2）二级：破坏后果严重的一般工业与民用建筑物（3）三级：破坏后果不严重的次要建筑物§3.4概率极限状态设计法的实用设计表达式•3.4.1基本变量的标准值•3.4.2分项系数•3.4.3结构重要性系数•3.4.4只有一种可变荷载的结构构件的承载力极限状态设计表达式•3.4.5荷载组合系数，荷载效应的一般组合式•3.4.6正常使用极限状态3.4.1基本变量的标准值1、荷载标准值荷载标准值是指在结构的使用期间，在正常情况下出现的最大荷载值。也是《建筑结构荷载规范》（GB5009—2001）规定的荷载的基本代表值。最大值是随机变量；由最大荷载概率分布的某一分位数来确定；因荷载的不同标准值的取值分位数不同。2、材料强度标准值材料强度标准值的取值原则是在符合规定质量的材料强度实测值的总体中，标准强度应具有不小于95%的保证率，即按概率分布的0.05分位数取值。3.4.2分项系数为了将极限状态方程转化为以基本变量标准值和分项系数形式表达的形式，引入分项系数。这时可靠指标的计算公式可改写成：22SRSRRRR22SRZZSSZRR22)1()1(ZSSSZRRR1、分项系数3.4.2分项系数)1(SSSkS)1(RRRkR令：)1()1()1()1()1()1(SSZSSSSSRRZRRRRR则极限状态平衡方程式为：RkkSRS/RkQkQGkGRSS/ZRRRRR11SSZSSS11式中:3.4.2分项系数2、荷载分项系数分类永久荷载分项系数可变荷载分项系数可变荷载效应起控制作用一般情况下1.21.4大于4kN/m2楼面均布可变荷载1.21.3永久荷载效应起有利作用1.01.4永久荷载效应起控制作用1.351.4GQ3.4.2分项系数GQ3、材料分项系数（1）钢筋的材料分项系数通过轴心受拉构件进行可靠度分析求得的（轴心受拉构件的承载力与混凝土无关，只取决于钢筋的强度及其截面积）根据钢筋屈服延性破坏，取目标可靠指标=3.2，及给定的钢筋强度标准值，可求得钢筋的材料分项系数。常用的钢材=1.10。s钢筋强度设计值3.4.2分项系数3、材料分项系数（2）混凝土的材料分项系数通过轴心受压构件作可靠度分析求得的。轴心受压构件的承载力由钢筋和混凝土二部分共同负担，由于钢筋的强度设计值已经确定，所以钢筋的承载力为已知。根据混凝土受压破坏属脆性破坏，取目标可靠指标=3.7，再结合轴心受压构件试验给出的构件抗力统计参数，即可求得混凝土材料分项系数=1.4。为了应用方便本书附表可直接查得。c第三章按近似概率理论的极限状态设计法材料强度设计值RRB400(20MnSi)cckcffsykyff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fyyfHPB300210210HRB335(20MnSi)300300热轧钢筋HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)3603603.4.3结构重要性系数3、材料分项系数（3）钢筋混凝土构件的分项系数0,,,hAffRRsykcckRk3.4.3结构重要性系数为了反映结构设计中安全等级的不同，在实用设计表达式的荷载效应项上引入了系数，称为结构重要性系数。0RkQkQGkGRSS/)(0结构重要性系数取值安全等级破坏后果设计年限建筑物类型的取值一级很严重100重要的工业与民用建筑1.1二级严重50一般的工业与民用建筑1.0三级不严重5次要的建筑物0.93.4.4只有一种可变荷载的结构构件的承载力极限状态设计表达式对于只有一种可变荷载的简单情况的结构构件，其承载力极限状态设计表达式可归结为：RS0),()(0ksskcckkkQQkGGaffRQCGC或3.4.5荷载组合系数，荷载效应的一般组合式–当结构上同时作用有多种可变荷载时，如框架结构除了楼（屋）面活荷载外，一般还同时作用有风荷载；而排架结构上作用的可变荷载可能有吊车荷载、风荷载、雪荷载等。–为了使结构在两种或两种以上可变荷载参与组合的情况下，与仅有一种可变荷载的情况就有大体相同的可靠指标，引入可变荷载的组合系数。1）由可变荷载效应控制的组合：)(2110niQikciQikQQGkGSSSS2）由永久荷载效应控制的组合：)(10niQikciQiGkGSSS对于一般排架、框架结构，可采用下列简化组合式：)9.0(10niQikQiGkGSSS式中各个参数代表的意义。Gk—永久荷载；Qi—可变荷载。3.4.6正常使用极限状态–当正常使用极限状态的验算包括构件的变形、抗裂度及裂缝宽度验