第3章钢筋混凝土结构设计计算原理

第3章钢筋混凝土结构基本计算原则3.1混凝土结构设计理论的发展和结构可靠度的概念3.2荷载的代表值与荷载分项系数3.3材料强度设计指标的取值3.4概率极限状态设计法的分项系数设计表达式3.1混凝土结构设计理论发展和结构可靠度的概念1.允许应力设计法cc材料考虑为理想弹性材料，允许应力为材料强度平均值除以安全系数K。2.破损阶段设计方法结构的最大内力＝使用荷载求得的内力乘以安全系数K。开始考虑钢筋和混凝土的塑性性质，安全系数根据经验确定，材料强度采用平均值。RKS3.1.1混凝土结构设计理论的发展ss3.半经验半概率的极限状态设计法,...),.,(,....).(kkkafkmRQnS验确定）工作条件系数（根据经率统计分析确定）材料强度系数（根据概定）荷载系数（根据经验确几何参数标准值材料强度标准值荷载标准值mknafQkkk4.概率极限状态设计法荷载和材料强度值根据概率统计计算得到，安全系数（分项系数）根据结构的可靠度值确定。衡量结构是否安全采用失效概率pf（或可靠指标）。][ffpp][fRS),,(kkQkGQGSS),,(),,(kyckcykcckaffRaffRR3.1.2结构可靠度的有关概念1.结构的功能要求◆安全性Safety结构在正常施工、正常使用情况下能承受可能出现的各种各种作用，以及在偶然事件发生时和发生后，结构仍能保持必需整体稳定性。◆适用性Serviceability在正常使用时，结构或结构构件应具有良好的工作性。不出现过大变形和过宽的裂缝。◆耐久性Durability结构在正常维护条件下应有足够的耐久性。2.结构的可靠性与可靠度◆结构的可靠性reliability■可靠性——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，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。◆结构的可靠度指结构在规定的使用期限内，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概率。◆设计基准期：它是为确定可变作用等的取值而选用的一个时间参数3.设计使用年限与设计基准期◆设计使用年限：设计规定的结构或构件不需要进行大修即可按预定目的使用的年限，即工程结构在正常使用和正常维护条件下应达到的使用年限。4.结构的极限状态及分类定义：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规定的某一功能要求，这个特定状态称为该功能的极限状态。结构或构件达到最大承载能力或者达到不适于继续承载的变形状态。（1）承载力能力极限状态UltimateLimitState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的状态。（2）正常使用极限状态ServiceabilityLimitState承载力能力极限状态结构的安全性正常使用极限状态结构的适用性和耐久性可靠水平高可靠水平低3.2荷载和结构抗力R3.2.1、作用、荷载、直接作用、间接作用1、作用：使结构或结构构件产生内力和变形的原因。2、荷载：施加在结构上的集中力或分布力3、直接作用：荷载属于直接作用4、间接作用：除荷载以外的引起结构外加变形或约束变形的原因。2、作用效应、荷载效应S1、作用效应：由作用引起的结构或构件的反应。2、荷载效应：由于荷载的作用引起的结构或构件的反应,如内力、变形。（举例说明）3.2.2荷载的分类按荷载随时间的变异性分类：结构或结构构件承受作用效应的能力。与结构的几何参数和材料性能有关。抗力R永久荷载、可变荷载、偶然荷载按空间位置的变化分类：固定荷载、自由荷载按结构的反应特点分类：静态荷载、动态荷载荷载标准值是荷载的基本代表值。指结构构件在使用期间的正常情况下可能出现的最大荷载值，采用数理统计的方法确定的具有一定概率的最大荷载值称为荷载的标准值Sk。1.荷载的标准值QkCharacteristicValue3.2.3荷载代表值当结构构件承受两种或两种以上的可变荷载时，各种可变荷载不可能同时以其最大值（标准值）出现，除一个主要可变荷载外，其余可变荷载应在标准值上乘以小于1的组合系数对可变荷载标准值进行折减。2.荷载组合值kcQCombinationValue《水工规范》不考虑可变荷载组合时的折减。可变荷载的最大值并非长期作用于结构之上，在考虑荷载长期效应组合时，应对其标准值进行折减。荷载的准永久值指可变荷载在结构设计基准期内经常作用的那部分荷载。r-准永久值系数3.荷载准永久值Quasi-permanentValuekQr结构构件设计时，实际荷载可能大于标准值，须乘以放大系数－分项系数(G、Q)3.2.4.荷载设计值与荷载分项系数kGGGkGQQ结构的失效概率与可靠指标1、结构的功能函数SRZZ=R-S0,或SR可靠Z=R-S=0,或S=R极限状态Z=R-S0,或SR失效极限状态方程Z=0或R-S=0RSZ0失效区Z0可靠区2、可靠概率、失效概率、可靠指标f(Z)mzpfZ=R-SZ0pf=P(Z0)=P(RS)0)(dzZfZZfpm22SRSRmm22SRZSRZmmm设计结构时预先设定结构的失效概率，其对应了一定的可靠指标－目标可靠指标。3、目标可靠指标β≥βt4.结构安全级别1Ⅰ水工建筑物级别水工建筑物结构安全级别2，3Ⅱ4，5Ⅲ3.3材料强度设计指标的取值ffμf5％fk1.645fffkkfm1。材料强度的保证率系数差；－材料强度的统计标准；材料强度的统计平均值1kffm分位值。保证率的相当于具有，此时材料强度标准值05.0%95645.11k3.3.1材料强度标准值与设计值的取值原则1.材料强度的标准值fk2、材料强度的设计值fdmkdff3.3.2.混凝土的强度设计指标1、混凝土立方体抗压强度标准值fcukcucuffcukfm645.1度的统计标准差；－混凝土立方体抗压强的统计平均值；混凝土立方体抗压强度cucuffm2.混凝土轴心抗压强度标准值fck，轴心抗拉强度fct轴心抗压强度标准值fckcukcckff67.0cucffmm67.03/226.0fcuftmm轴心抗拉强度标准值fct3/13/2)645.11(23.0fcuctcukff3.混凝土设计值cckcffctktff4.1c3.3.3钢筋强度设计指标1、钢筋强度标准值热轧钢筋抗拉强度标准值用fyk表示。《规范》取国家冶金局标准规定的钢筋出厂检验的废品限制作为钢筋强度的标准值，其保证率约为97.73%。预应力钢绞线、钢丝和热处理钢筋的强度标准值根据极限抗拉强度fptk确定（0.8fptk，0.85fptk）。2.钢筋强度设计值sykyffykykffykfm2sptkpyff8.0sptkpyff85.0或3.4概率极限状态设计法的分项系数设计表达式3.4.1结构设计状况与荷载组合⑴持久状况：在结构使用过程中，一定出现且持续时间很长。（进行承载能力极限状态、正常使用极限状态设计）⑵短暂状况：施工、安装、检修过程，短暂出现。（进行承载能力极限状态、根据需要进行正常使用极限状态设计）⑶偶然状况:使用过程中，出现概率很小，持续期很短。（一般只进行承载能力极限状态设计）3.4.2承载能力极限状态设计表达式1、设计表达式RSd10结构重要性系数设计状况系数结构系数kQQkQQGGSSSS22112、荷载组合效应设计值确定（两种组合方式）基本组合偶然组合AkAkQQkQQGGSSSSS22113.4.3正常使用极限状态设计表达式按正常使用极限状态设计时，变形过大或裂缝过宽虽影响正常使用，但危害程度不及承载力引起的结构破坏造成的损失那么大，所以可适当降低对可靠度的要求。材料强度、荷载均采用其标准值，即分项系数一律取为1.0，结构系数d和设计状况系数也取为1.0。荷载的标准组合：包括短期作用在内的全部可变荷载的效应与永久荷载的效应的组合。10),,,(cafQGSkkkkkniQikGKkSSS1荷载组合方式：标准组合和长期组合荷载的长期组合：持久状况下，可变荷载中长期作用的那部分荷载（即荷载的准永久值）的效应与永久荷载的效应的组合。20),,,(cafQGSkkkklrniQikiGKlSSS1r结构构件设计的一般内容•1、确定计算简图；•2、用力学方法进行荷载效应计算SGK，SQK；•3、利用荷载效应组合公式进行组合，得到S•4、根据SR/d进行构件设计（确定配筋等）。构件抗力R按相应公式进行抗力计算；•5、进行构件变形和裂缝控制等级进行验算。荷载的分类又称恒荷载，在结构设计使用期间，其值不随时间而变化，或其变化与平均值相比可以忽略的荷载，如结构的自重、土压力，固定设备等；又称活荷载，在结构设计使用期间其值随时间而变化，如楼面堆放荷载、吊车荷载、静水压力、风荷载、雪荷载等；在结构设计基准期内不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载，如爆炸力、撞击力等；永久荷载GPermanentload可变荷载QVariableload偶然荷载Accidentalload