第3章 按近似概率理论的极限状态设计法

第3章按近似概率理论的极限状态设计法3.1极限状态3.1.1结构上的作用作用——是结构产生内力或变形的原因。作用直接作用：荷载间接作用：砼收缩、温度变化、基础沉降、地震等作用效应：结构上的作用使结构产生的内力、变形、裂缝等。1、荷载的分类永久荷载可变荷载偶然荷载2、荷载的标准值：荷载的基本代表值荷载的不定性——随机变量统计——具有一定概率的最大荷载值——荷载的标准值3．1．2结构的功能要求1．结构的安全等级建筑物的重要程度、破坏时可能产生的后果严重与否，为三个安全等级。2．结构的设计使用年限计算结构可靠度所依据的年限称为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进行大修即可按其预定目的使用的时期。一般建筑结构的设计使用年限可为50年。总体而言，桥梁应比房屋的设计使用年限长，大坝的设计使用年限更长。3．建筑结构的功能设计的结构和结构构件应该在规定的设计使用年限内，在正常维护条件下，应能保持其使用功能，而不需进行大修加固。根据我国《建筑结构可靠度设计统一标准》，建筑结构应该满足的功能要求可概括为：(1)安全性建筑结构应能承受正常施工和正常使用时可能出现的各种荷载和变形，在偶然事件(如地震、爆炸等)发生时和发生后保持必需的整体稳定性，不致发生倒塌。(2)适用性结构在正常使用过程中应具有良好的工作性。例如，不产生影响使用的过大变形或振幅，不发生足以让使用者不安的过宽的裂缝等。(3)耐久性结构在正常维护条件下应有足够的耐久性，完好使用到设计规定的年限，即设计使用年限。例如，混凝土不发生严重风化、腐蚀、脱落构设计应能满足上述功能要求。这样设计的结构是安全可靠的。3．1．3结构功能的极限状态极限状态——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，这一特定状态称为该功能的极限状态。极限状态是有效状态和失效状态的分界。是结构开始失效的界限。承载能力极限状态：结构、构件达到最大承载能力或不适宜继续承载的变形状态极限状态正常使用极限状态：结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项规定限度的状态3.1.4极限状态方程结构的极限状态可以用极限状态函数来表达：Z＝R一S(3—1)S——荷载效应，它代表由各种荷载分别产生的荷载效应的总和；R——结构构件抗力当构件每一个截面满足S≤R时，认为构件是可靠的，否则认为是失效的。根据概率统计理论，设S、R都是随机变量，则Z＝R—S也是随机变量，Z值可能出现三种情况：当Z＝R-S0时，结构处于可靠状态；当Z＝R-S=0时，结构达到极限状态；当Z＝R-S0时，结构处于失效(破坏)状态。若要考虑结构的适用性和耐久性的要求，则极限状态方程可推广为Z＝g(x1,x2,……，xn)x1,x2,……，xn为影响该结构功能的各种荷载效应以及材料尺寸、构件几何尺寸等。3.2按近似概率的极限状态设计法老规范采用安全系数K（大于1）来保证结构安全，即结构构件的抗力与荷载效应的比值大于K说明结构安全，其实并不能反映结构的实际失效情况。由于抗力和荷载效应的随机性，安全可靠应该也属于概率的范畴，应当用结构完成其预定功能的可能性(概率)的大小来衡量，而不是用一个定值来衡量。掌握其思想方法。3.2.1结构可靠度结构的可靠性——结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。结构的可靠度是结构可靠性的概率度量。结构的可靠度是用可靠概率Ps表示。3.2.1可靠指标与失效概率1、失效概率Pf：设构件的荷载效应S、抗力R都是服从正态分布的随机变量且二者为线性关系。S、R的平均值分别为μs、μR，标准差分别为σs、σR，荷载效应为S和抗力为R的概率密度曲线如图3—2所示。按照结构设计的要求，显然R应该大于S。重叠区是RS的区域，其大小反映了抗力R和荷载效应S之间的概率关系，即为结构的失效概率。重叠的范围越小，结构的失效概率越低。均值相差越大，或方差（离散程度）设计使用年限正常设计、正常施工、正常使用和维护的条件越小，则重叠越少，失效概率越小。对结构，则提高结构构件的抗力，减小R和S的离散程度，可以提高结构构件的可靠程度。对Z=R-S，Z也是服从正态分布的随机变量的概率密度分布曲线。Z0事件的概率，也是构件的失效概率，可表示为0fdZ)Z(f)Z(PP按上式计算失效概率Pf比较麻烦，故改用一种可靠指标的计算方法。2、可靠指标β：因为失效概率Pf与μZ和σZ值有关……，取其比值可反映失效概率情况即为可靠指标，故取zz则22SRSRzz可以看出β大，则失效概率小。β和Pf一样可作为衡量结构可靠度的一个指标，称为可靠指标。β与Pf之间有一一对应关系。注意：应用上式计算β的前提是：（1）随机变量(例如，结构抗力和荷载效应等)应服从正态分布，（2）极限状态方程是线性的。结构按承载能力极限状态设计时，应对不同情况下的目标可靠指标β值作出规定。结构和结构构件的破坏类型分为延性破坏有明显的预兆β可稍低脆性破坏破坏前没有明显的预兆，β高一些3.3实用设计表达式计算可靠指标β仍较复杂，考虑到多年来的设计习惯和实用上的简便，《建筑结构设计统一标准》提出了实用设计表达式。——将影响结构安全的因素(如荷载、材料、截面尺寸、计算方法等)视为随机变量，应用数理统计的概率方法进行分析，采用以荷载和材料强度的标准值以及相应的“分项系数”来表示的方式。3．3．1分项系数分项系数是按照目标可靠指标β值，并考虑工程经验优选确定后，将其隐含在设计表达式中，分项系数已起着考虑目标可靠指标的等价作用。实用设计表达式是多系数的极限状态表达式，包括承载力分项系数和荷载分项系数等，其来源与目标可靠指标[β]有关，并都由[β]值度量的，这样可保证结构的各个构件之间的可靠度水平或各种结构之间的可靠度水平基本上比较一致。《规范》给出的实用设计表达式有承载能力极限状态设计表达式和正常使用极限状态表达式均由此原理确定需要指出的是：表达式中虽然用了统计与概率的方法，但是在概率极限状态分析中只用到统计平均值和均方差，并非实际的概率分布，并且在分离导出分项系数时还作了一些假定，运算中采用了一些近似的处理方法，因而计算结果是近似的，所以只能称为近似概率设计方法。3.3.2承载能力极限状态设计表达式承载能力极限状态设计表达式为RS0结构重要性系数是考虑到结构安全等级的差异，其目标可靠指标应作相应的提高或降低而引入的。1、结构重要性系数γ0结构构件的重要性系数，与安全等级对应，（1）对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件不应小于1.1；（2）对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件不应小于1.0；（3）对安全等级为三级或设计使用年限为5年及以下的结构构件不应小于0.9。（4）在抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数2、荷载效应组合设计值实际上荷载效应中的荷载有永久荷载和可变荷载，为荷载组合，并且可变荷载不止一个，同时，可变荷载对结构的影响有大有小，多个可变荷载也不一定会同时发生，为此，考虑到两个或两个以上可变荷载同时出现的可能性较小，引入荷载组合值系数对其标准值折减。作用效应有基本组合也有偶然组合。按承载能力极限状态设计时，一般考虑作用效应的基本组合，必要时尚应考虑作用效应的偶然组合。《建筑结构荷数规范》规定：对于基本组合，荷载效应组合的设计值应从由可变荷载效应控制的组合和由永久荷载效应控制的两组组合中取最不利值确定。（1）由可变荷载效应控制的组合设计值表达式为niikQiQikQQkGGQCQCGCS2111（2）由永久荷载效应控制的组合设计值表达式为niikQiCiQikGGQCGCS1Gk——永久荷载标准值；Q1k——最大的一个可变荷载的标准值；Qik其余可变荷载的标准值；荷载效应的设计值kSSS抗力设计值RkRR荷载分项系数(≥1)荷载效应的标准值抗力分项系数(1)结构重要性系数结构抗力的标准值γG、γQ1、γQi——永久荷载、可变荷载的分项系数。当永久荷载效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合一般取γG=1.2；对由永久荷载效应控制的组合一般取γG=1.35；当永久荷载效应对结构有利时，取γG＝1.0；可变荷载的分项系数γQ1、γQi一般取1.4；CG、CQ1、CQi——永久荷载、第一种可变荷载、其他可变荷载的荷载效应系数。ψCi——可变荷载组合值系数，有风且不是最大可变荷载时取0.6，其他取1.0。对于一般常遇的排架结构和框架结构，对由可变荷载效应控制的组合：kQQkGGQCGCS111niikQiQikGGQCGCS19.0对由永久荷载效应控制的组合公式不变。3、结构抗力设计值R),,(kCCkSSkaffRRfCk、fSk——砼、钢筋强度标准值（fcu，k、fyk）；αk——几何尺寸标准值；γS、γC——材料强度的分项系数。规定γC=1.4；γS=1.1~1.53.3.3正常使用极限状态设计表达式CSC——结构构件达到正常使用要求的规定限制。按正常使用极限状态设计，主要是验算构件的变形和抗裂度或裂缝宽度。因其危害程度不及承载力引起的结构破坏造成的损失那么大，所以适当降低对可靠度的要求，只取荷载标准值．不需乘分项系数，也不考虑结构重要性系数。可变荷载的最大值并非长期作用于结构之上，所以应按具在设计基准期内作用时间的长短和可变荷载超越总时间或超越次数，对其标准值进行折减。《建筑结构可靠度设计统一标准》采用个小于l的准永久值系数和频遇值系数来考虑这种折减。1、可变荷载准永久值系数荷载的准永久值系数是根据在设计基准期内荷载达到和超过该值的总持续时间与设计基准期内总持续时间的比值而确定。荷载的准永久值系数乘以可变荷载标准值所得乘积称为荷载的准永久值。2、可变荷载的频遇值系数可变荷载的频遇值系数是根据在设计基准期间可变荷载超越的总时间或超越的次数来确定的。荷载的频遇值系数乘可变荷载标准值所得乘积称为荷载的频遇值。3、荷载组合标准组合：主要用于当一个极限状态被超越时将产生严重的永久性伤害的情况损害的情况荷载的短期作用频遇组合：主要用于当一个极限状态被超越时将产生局部损害、较大变形或短暂振动的情况荷载的长期作用——准永久组合：主要用于当长期效应是决定性因素的情况（1）按荷载标准组合：niikQiCikQkGkQCQCGCSS211（2）按荷载频遇组合：niikQiqikQfkGkQCQCGCSS2111式中ψf1——可变荷载的频遇值系数ψq1——可变荷载值系数（3）按荷载的准永久组合：niikQiqikGkQCGCSS1