第10章混凝土结构设计的一般原则和方法

第10章混凝土结构设计的一般原则和方法我国现行的建筑结构设计方法是：以概率理论为基础的极限状态设计方法，以可靠指标度量结构构件的可靠度，采用以分项系数的设计表达式进行设计。因此，本章内容围绕结构设计的总目标，对结构的功能要求、结构的极限状态、结构上的作用、荷载的代表值、各种作用的效应及结构的抗力和满足结构设计可靠度要求的材料强度分项系数及荷载分项系数等均提出了明确的要求，明确以概率理论为基础的各种极限状态表达方法，并以此作为结构设计的依据。本章提要§10.1建筑结构设计的一般原则10.1.1建筑结构的组成和类型1.组成(1)上部结构：水平结构体系竖向结构体系(2)下部结构：主要由地下室和基础等组成。2.类型(1)按结构材料分：砌体结构、混凝土结构、钢结构、组合结构和混合结构等。（2）按竖向结构体系分：排架结构、框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙结构和筒体结构等。§10.1建筑结构设计的一般原则10.1.2建筑结构设计的阶段和内容1.工程建设三个主要环节(1)工程勘察：(2)工程设计：(3)工程施工：程序：先勘察后设计，先设计后施工2.建筑结构设计的三个阶段(1)初步设计：(2)技术设计：(3)施工图设计：§10.1建筑结构设计的一般原则10.1.3建筑结构设计的一般原则1.一般原则安全、适用、耐久和经济合理。三性：安全性、适用性、耐久性考虑：功能要求与经济性之间的均衡2.具体的结构设计原则§10.2建筑结构荷载10.2.1结构上的作用、作用效应1.结构上的作用使结构产生内力或变形的原因称为“作用”，分直接作用和间接作用两种。(1)直接作用：荷载(2)间接作用：混凝土的收缩、温度变化、基础的差异沉降、地震等。间接作用不仅与外界因素有关，还与结构本身的特性有关。例如，地震对结构物的作用，不仅与地震加速度有关，还与结构自身的动力特性有关，所以不能把地震作用称为“地震荷载”。2.作用效应S结构上的作用使结构产生的内力（如弯矩、剪力、轴向力、扭矩等）、变形、裂缝等统称为作用效应或荷载效应。荷载与荷载效应之间通常按某种关系相联系。按作用时间的长短和性质，荷载可分为三类：1)永久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不计，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。例如，结构的自身重力、土压力、预应力等荷载，永久荷载又称恒荷载。2)可变荷载在结构设计使用期内其值随时间而变化，其变化与平均值相比不可忽略的荷载。例如，楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等，可变荷载又称活荷载。3)偶然荷载在结构设计使用期内不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载。例如，爆炸力、撞击力等。10.2.2荷载的分类按随空间位置的变异，荷载可分为二类：1)固定荷载固定设备、水箱等2)移动荷载楼面上的人群荷载、吊车荷载、车辆荷载等按结构对荷载的反应性质，荷载可分为二类：1)静定荷载结构自重、楼面活荷载、雪荷载等2)动力荷载设备振动、吊车荷载、风荷载、车辆刹车、撞击力和爆炸力等《建筑结构荷载规范》设计基准期的规定10.2.2荷载的分类荷载的标准值具有一定概率（一般为95%）的最大荷载值称为荷载标准值。荷载标准值是荷载的基本代表值。对于结构自重可以根据结构的设计尺寸和材料的重力密度确定；可变荷载标准值由设计使用年限内最大荷载概率分布的某个分位值确定。10.2.3荷载代表值《建筑结构荷载规范》给出了四种荷载代表值：标准值、组合值、频遇值和准永久值。规范表4.1.1（续）10.2.4竖向荷载1.楼、屋面的荷载：竖向恒荷载和竖向活荷载两种类型（1）民用建筑楼面均布活荷载（表10-1）（2）工业建筑楼面活荷载（3）屋面活荷载（表10-2）2.雪荷载：ｓｋ＝μｒｓ０基本雪压的规定10.2.5风荷载1.风荷载的特点：压力、吸力和横风向干扰力及其合力构成了建筑物上的风荷载。2.风荷载的标准值：wｋ＝βzμSμzw０基本风压的规定3.风压高度变化系数4.风荷载体型系数10.3.1结构的功能要求1.结构的安全等级我国根据建筑结构破坏时可能产生的后果严重与否，分为三个安全等级：一级——破坏后果很严重、重要的建筑物；二级——破坏后果严重、一般的建筑物；三级——破坏后果不严重、次要建筑物。对人员比较集中使用频繁的影剧院、体育馆等，安全等级宜按一级设计；建筑物中梁、柱等各类构件的安全等级一般应与整个建筑物的安全等级相同。§10.3结构的功能要求和极限状态2.结构的设计使用年限结构的设计使用年限，是指设计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。各类工程结构的设计使用年限是不应统一的。例如，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。注意：结构的设计使用年限虽与其使用寿命有联系，但不等同。超过设计使用年限的结构并不是不能使用，而是指它的可靠度降低了。3.建筑结构的功能要求设计的结构和结构构件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。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。3.建筑结构的功能要求(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，钢筋不发生锈蚀等。10.3.2结构功能的极限状态能完成预定的各项功能时，结构处于有效状态；反之，则处于失效状态，有效状态和失效状态的分界，称为极限状态，是结构开始失效的标志。极限状态可分为二类。1.承载能力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，称为承载能力极限状态。超过承载能力极限状态后，结构或构件就不能满足安全性的要求。10.3.2结构功能的极限状态出现下列情形之一，超过了承载能力极限状态：(1)材料强度不够而破坏；(2)因疲劳而破坏；(3)产生过大的塑性变形而不能继续承载；(4)结构或构件丧失稳定；(5)结构转变为机动体系。2.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称为正常使用极限状态。超过了正常使用极限状态，结构或构件就不能保证适用性和耐久性的功能要求。例如：结构或构件出现影响正常使用的过大变形、过宽裂缝、局部损坏和振动。结构或构件按承载能力极限状态进行计算后，还应该按正常使用极限状态进行验算。10.3.3极限状态方程1.承载能力极限状态函数结构的极限状态可以用极限状态函数来表达。承载能力极限状态函数可表示为Z=R–S（3-1）式中S—表示荷载效应，它代表由各种荷载分别产生的荷载效应的总和；R—表示结构构件抗力。2.结构状态根据S、R的取值不同，Z值可能出现三种情况（图3-1）：10.3.3极限状态方程图3-1极限状态方程取值示意图Z=R-S＞0时,结构处于可靠状态；Z=R-S＝0时,结构处于极限状态；Z=R-S＜0时,结构处于失效状态。3.功能函数结构设计中经常考虑的不仅是结构的承载能力，多数场合还需要考虑结构对变形或开裂等的抵抗能力，也就是说要考虑结构的适用性和耐久性的要求。由此，上述的极限状态方程可推广为Z=g(x1，x2，…，xn)（3-2）式中，g(…)是函数记号，在这里称为功能函数。g(…)由所研究的结构功能而定，可以是承载能力，也可以是变形或裂缝宽度等。x1，x2，…，xn为影响该结构功能的各种荷载效应以及材料强度、构件的几何尺寸等。§10.4按近似概率的极限状态设计法10.4.1结构的可靠度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称为结构的可靠性（规定时间是指结构的设计使用年限，规定条件，是指正常设计、正常施工、正常使用和维护的条件，不包括非正常的，例如人为的错误等）。结构的可靠度是结构可靠性的概率度量，即结构在设计工作寿命内，在正常条件下，完成预定功能的概率。因此，结构的可靠度是用可靠概率Ps来描述的。10.4.2可靠指标与失效概率1.结构的失效概率结构在规定的时间和条件下不能完成预定功能的概率Pf，Pf为失效概率。Ps+Pf=1.02.失效概率Pf的计算方法(1)S和R的概率密度曲线设构件的荷载效应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，S和R的概率密度曲线如图3一2所示。10.4.2可靠指标与失效概率图3-2R、S的概率密度分布曲线(1)S和R的概率密度曲线按照结构设计的要求，显然μR应该大于μS。从图中的概率密度曲线可以看到，在多数情况下构件的抗力R大于荷载效应S。但是，由于离散性，在S、R的概率密度曲线的重叠区（阴影部分），仍有可能出现构件的抗力R小于荷载效应S的情况。重叠区的大小与μS、μR以及σS、σR有关。所以，加大平均值之差μR-μS，减小标准差σS和σR可以使重叠的范围减小，失效概率降低。（2）Z的概率密度分布曲线同前，若令Z=R–S，Z也应该是服从正态分布的随机变量。图3-3表示Z的概率密度分布曲线。图中的阴影部分表示出现Z＜0事件的概率，也就是构件失效的概率Pf，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。图3-3可靠指标与失效概率关系示意图（3）可靠指标从图3-3可以看到，阴影部分的面积与μZ和σZ的大小有关：增大μZ，曲线右移，阴影面积将减少；减小σZ，曲线变得高而窄，阴影面积也将减少。如果将曲线对称轴至纵轴的距离表示成σZ的倍数，取则22/)(/SRSRzzzz.（3）可靠指标可以看出β大，则失效概率小。所以，β和失效概率一样可作为衡量结构可靠度的一个指标，称为可靠指标。（4）β与失效概率Pf的对应关系《建筑结构可靠度设计统一标准》根据结构的安全等级和破坏类型，规定了按承载能力极限状态设计时的目标可靠指标[β]，见表10-8。β≥[β]结构和结构构件的破坏类型分为延性破坏和脆性破坏两类。延性破坏有明显的预兆，可及时采取补救措施，所以目标可靠指标可定得稍低些。脆性破坏常常是突发性破坏，破坏前没有明显的预兆，所以目标可靠指标就应该定得高一些。用可靠指标β进行结构设计和可靠度校核，可以较全面地考虑可靠度影响因素的客观变异性，使结构满足预期的可靠度要求。3.目标可靠指标3.目标可靠指标§10.5实用设计表达式10.5.1分项系数对于一般常见的工程结构，采用可靠指标进行设计工作量大，有时会遇到统计资料不足而无法进行的困难。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》提出了便于实际使用的设计表达式，称为实用设计表达式。例如，永久荷载和可变荷载组合下的设计表达式为:（3-8）(1)抗力分项系数——γR(2)永久荷载分项系数——γG(3)可变荷载分项系数——γQQQGGRR/10.5.2荷载效应组合1.承载能力极限状态(基本组合和偶然组合）γ0S≤R2.正常使用极限状态（标准组合、频遇组合和准永久组合）S≤C10.5.3承载能力极限状态设计表达式1.承载能力极限状态设计简单表达式γ0S≤R（3-22）Sk→γsSk→γ0S≤R←Rk/γR←Rk荷载效应荷载效应荷载效应承载能力结构抗力结构抗力标准值设计值组合值设计值设计值标准值式中γ0——结构构件的重要性系数。2.荷载效应组合的设计值S实际上荷载效应中的荷载有永久荷载和可变荷载，并且可变荷载不止一个，多个可变荷载也不一定会同时发生，例如，高层建筑各楼层可变荷载全部满载且遇到最大风荷载的可能性就不大。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。按承载能力极限状态设计时，应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。2.荷载效应组合的设计值S对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从由可变荷载效应控制