第二章混凝土结构设计方法

混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章第2章混凝土结构设计方法混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章本章重点本章重点结构上的作用、作用效应和结构抗力的概念及其随机特性；混凝土结构设计方法的理论基础——可靠度理论；我国规范的设计方法——概率极限状态设计法。混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章2.1.1结构上的作用1.定义：凡能使结构产生内力、应力、位移、应变、裂缝的因素，都称之为结构上的作用。直接作用：荷载；2.分类：间接作用：温度、收缩、徐变、地基不均匀沉降、地震等。§2.1结构上的作用、作用效应与结构抗力结构上的作用、作用效应与结构抗力混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章2.1.2作用效应定义：直接作用或间接作用作用在结构构件上，由此产生的内力（M、V、N、T）和变形（挠度、转角、裂缝），称为作用效应。2.1.3结构抗力定义：结构抵抗作用效应的能力。qSEffectofactionRResistant混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章§2.2结构的预定功能及结构可靠度结构的预定功能及结构可靠度所设计的结构应满足什么要求？用什么手段满足这些要求？足够的混凝土强度。足够多的钢筋。钢筋的强度足够高。构件的截面尺寸足够大。安全性。Safety适用性。Serviceability耐久性。Durability可靠性经济性合理混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章设计基准期：Designreferenceperiod是为确定可变作用及时间有关的材料性能而选用的时间参数。设计使用年限：Designworkinglife是设计规定的结构或构件不需进行大修即可按其规定目的使用的年限。例：普通房屋和构筑物：50年特别重要的建筑结构：100年混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章类别结构类型结构的设计使用年限（年）１临时性结构5２易于替换的结构构件25３普通房屋和构筑物50４纪念性建筑和特别重要建筑100结构的安全等级按结构的重要性划分一级：重要建筑二级：一般建筑三级：次要建筑设计使用年限分类混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章结构的预定功能要求：结构的可靠性：在正常使用时，具有良好的工作性能；在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用；在正常维护下具有足够的耐久性；在偶然事件发生时及发生后，仍能保持必要的整体稳定性。适用性耐久性安全性结构在规定的时间内，规定的条件下，完成预定功能的性质。设计使用年限正常设计、正常施工、正常使用混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章结构的可靠度：结构在规定的时间内，规定的条件下，完成预定功能的概率。外部内部产生弯矩、剪力、轴力、变形等混凝土强度、钢筋强度、截面尺寸、配筋数量等自重、使用荷载、风、雪、地震等作用：作用效应：结构抗力作用、作用效应及结构抗力均具有随机性，只能用概率来度量。为什么要用概率来衡量？混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章结构的极限状态：结构由可靠转向失效的临界状态。还会有一些什么极限状态？？？混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章结构的极限状态是对应于一定功能的。所以极限状态的分类为：承载力极限状态：正常使用极限极限状态：失去平衡、强度破坏、丧失稳定、变为机构等。过大的变形，过宽的裂缝等。任何结构构件都应进行承载力极限状态下的计算。结构构件可根据使用功能的要求进行正常使用极限状态下的验算。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，此特定状态称为该功能的极限状态。混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章以结构的失效概率或可靠指标为度量结构的可靠度，并且建立结构可靠度与结构极限状态之间的数学关系，这就是概率极限状态设计法。以极限状态作为结构设计的依据称为极限状态设计法。容许应力设计法经验系数法破损阶段设计法极限状态设计法以概率理论为基础的极限状态设计法设计方法的变迁混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章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。混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章◆破损阶段设计法KMMu整个截面达到极限承载力才认为失效，考虑了材料塑性和强度的充分发挥，极限荷载可以直接由试验验证，构件的总安全度较为明确。◎但安全系数K仍然凭经验确定，◎没有考虑结构功能的多样性要求的问题。混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章◆极限状态设计法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.)()(0，，，，，hbAkfkfMqkMssskcckuikqi混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章◎材料强度fck和fsk是根据统计后按一定保证率取其下限分位值，反映的材料强度的变异性。◎荷载值qik也尽可能根据各种荷载的统计资料，按一定保证率取其上限分位值。◎荷载系数kqi，材料强度系数kc和ks仍按经验确定，但对于不同荷载的变异大小，可取不同的荷载系数。)()(0，，，，，hbAkfkfMqkMssskcckuikqi混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章将结构作用效应与结构抗力结合起来引入功能函数：平均值μzf(z)反弯点zpspr可靠概率失效概率Z＞0Z＜0失效可靠标准差正态分布Ｚ=Ｒ－Ｓ…2－３Ｚ＞0，结构可靠；Ｚ=0，极限状态；Ｚ＜0，结构失效。变异系数δz=μz/σz混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章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reliabilitydegree。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probabilityoffailurePf=P(SR)混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章f(Z)zzPfZ=R-S结构功能函数Z=R-SPf=P(SR)=P(Z0)ZZfP值2.73.23.74.2失效概率Pf3.5×10-36.9×10-41.1×10-41.3×10-5—可靠指标reliabilityindex混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章◆根据统计，触电的年死亡率为6×10-6◆=3.7时，Pf=1.1×10-4，按设计基准期50年考虑，年失效概率为1.1×10-4/50=2.2×10-6◆50年后并不是结构就失效，而是失效概率增加。同时，结构失效也并不表示结构倒塌，结构倒塌也不一定造成人员伤亡。◆我国对于一般工程结构，当为延性破坏时，其可靠指标取=3.2，对脆性破坏取=3.7。◆对于重要的工程结构，应提高可靠指标。混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章式中：–––结构抗力的平均值和标准差；–––作用效应的平均值和标准差。RR、ss、§2.3结构的可靠指标结构的可靠指标现行设计方法以概率理论为基础，用可靠指标度量，采用多个分项系数表达。设，则zz…2－42s2RsRzz混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章按承载能力极限状态设计时按正常使用极限状态设计时破坏类型安全等级一级二级三级塑性破坏3.73.22.7脆性破坏4.23.73.2根据其可逆程度可取0~1.5。要使所设计的构件既安全、可靠又经济合理。通过结构设计使结构的可靠指标满足：在实际设计中，通过基本变量统计特性，以可靠度的概率分析为基础，通过分项系数表达——实用表达式。混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章2.4.1承载能力极限状态设计表达式§2.4极限状态的设计表达式极限状态的设计表达式…2－5RS0式中：–––结构重要性系数；安全等级为一级或使用年限为100年时，安全等级为二级或使用年限为50年时，安全等级为三级或使用年限为5年时，–––荷载效应组合的设计值，用基本组合或偶然组合；–––结构构件抗力设计值。01.100.109.00SR混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章2.4.2荷载效应组合一般结构构件：选下列计算中较大者。由可变荷载控制时由永久荷载控制时…2－6kQc2QQ1kQ1GkGiiniiSSSS…2－7kQc1QGkGiiniiSSS1.基本组合混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章式中：–––荷载分项系数，当其效应对结构不利时，公式（6）中的，公式（7）中的；当其效应对结构有利时，一般情况下取1.0，验算倾覆、滑移或漂浮时取0.9；–––活载分项系数，一般情况下取1.4，当活载标准值大于的工业房屋楼面结构取1.3；–––恒载标准值所产生的内力；–––活载标准值所产生的内力，i=1的活荷载为主导活荷载；–––第i个可变荷载的组合系数。2.1G35.1G2kN/m4iQGGkSkQiSci混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章一般排架、框架结构：选下列计算中较大者由可变荷载控制时由永久荷载控制时…2－8kQ1QGkGiniiSSS…2－9kQc1QGkGiiniiSSS式中：–––简化式中的荷载组合系数；一般情况下取，只有一个活荷载取。和的取值与式（6）（7）相同。9.00.1GiQ混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章6.0mk5.0kN/mgk25.0kN/mq已知一钢筋混凝土梁，跨度6.0m，其上作用有恒载标准值；活荷载标准值；结构的安全等级为二级；恒载分项系数为1.2；活荷载分项系数为1.4；试求该梁的荷载效应组合设计值（内力设计值）。k5.0kN/mgk25.0kN/mq混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章解题思路提示：1.这是一个什么构件？其作用效应用什么表示？2.荷载标准值及分项系数是否知道？3.结构力学中如何求这种构件的内力？梁。弯矩M及剪力V知道恒载及活载的标准值及分项系数简支梁在均布荷载作用下的跨中弯矩及支座剪力混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章GGkQ1Q1kQck2(1)niiQiiSSSSGGkQck1(2)niiQiiSSS[解]：已知：k5.0kN/mgk25.0kN/mqG1.201.0Q1.406.0ml求跨中弯矩：GkS2200211881(1.251.425)68184.5kNmGkQkMglqlQkS混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章GkS2200211881(1.251.425)68184.5kNmGkQkMglqlQkS2200211881(1.251.425)68184.5kNmGkQkMglqlkGGkGCS◆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混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章f(p)ppk荷载标准值理论上应为结构在使用期间，在正常情况下，可能出现的