工程结构第二章.

第一节结构概述第二节极限状态设计的基本概念第三节承载能力极限状态设计原则第四节正常使用极限状态设计原则本章目录第二章钢筋混凝土结构设计基本原理第一节结构概述一、结构的功能、可靠性和可靠度二、设计基准期了解结构的功能、可靠性和可靠度点本节目录基本要求1.结构的功能安全性——结构在正常施工和正常使用的条件下，能承受可能出现的各种作用；在设计规定的偶然事件（如强烈地震、爆炸、车辆撞击等）发生时和发生后，仍能保持必需的整体稳定性，即结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。适用性——结构在正常使用时具有良好的工作性能。例如，不会出现影响正常使用的过大变形或振动；不会产生使使用者感到不安的裂缝宽度等。耐久性——结构在正常维护条件下具有足够的耐久性能，即在正常维护条件下结构能够正常使用到规定的设计使用年限。例如，结构材料不致出现影响功能的损坏，钢筋混凝土构件的钢筋不致因保护层过薄或裂缝过宽而锈蚀等。结构可靠性：结构在规定时间内，规定条件下，完成预定功能的能力。结构可靠度是结构可靠性的概率。–规定时间：设计基准期–规定条件：正常设计、正常施工和正常使用–预定功能：承载能力和正常使用功能2.结构的可靠性和可靠度二、设计基准期设计基准期:可变荷载及与时间有关的材料性能等随机过程的时域。《公路统一标准》：桥梁设计基准期100年。–区分概念：设计使用年限，实际寿命第二节极限状态设计的基本概念一、极限状态的定义和分类定义：整体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，此特定状态为该功能的极限状态。极限状态实质上是结构可靠与失效的界限。分类：–承载能力极限状态——安全性–正常使用极限状态——适用性、耐久性二、承载能力极限状态承载能力极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载力或出现不适于持续承载的变形或变位。下列及认为超过了承载能力极限状态：–结构或结构一部分作为刚体失去平衡（倾覆，滑移等）–结构构件或者连接，因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），或因过度的塑性变形而不能继续承载–结构转变为机动体系–结构或结构构件丧失稳定（压屈等）结构安全等级：三级设计可靠度：高低正常使用极限状态–影响正常使用或外观的变形–影响正常使用或耐久性的局部损坏（过大裂缝等）–影响正常使用的振动–影响正常使用的其他特定状态三、正常使用极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定的限值。下列情况可认为超过了正常使用极限状态：-影响正常使用或外观的变形-影响正常使用或耐久性能的局部损坏-影响正常使用的振动-影响正常使用的其他特定状态。四、作用与作用分类作用----指施加在结构上的集中力和分布力，如汽车、结构自重等，或引起结构外形或约束、变形的原因如地震、基础不均匀层降、温度变化等。前者为直接作用，也可以称为荷载，后者称为间接作用（不宜称为荷载）1.永久作用在设计使用期内，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计的荷载。2.可变作用在结构使用期间，其值随时间变化，且变化值与平均值比较不可忽略的作用。3.偶然作用在结构使用期间，出现的概率很小，一旦出现，其值很大且持续时间很短的作用。（其表见教材P21）五、作用代表值、作用效应及作用效应设计值1.作用代表值结构或结构构件设计时，针对不同设计目的所采用的各种作用规定值，包括作用标准值、准永久值和频遇值等。2）作用准永久值结构与构件正常使用极限状态长期效应组合设计时，采用的另一种可变作用代表值，其值根据在足够长观测期内作用任意时点概率分布的0.5（或高于0.5）分位值确定。3）作用频遇值结构或构件按正常使用极限状态短期效应组合设计时，采用的一种可变作用代表值，其值根据在足够长观测期内作用任意时点概率分布的0.95分位值确定。2.作用效应与作用效应设计值作用效应指结构对所受作用的反应，如弯矩、扭矩、位移等。作用效应设计值指作用标准值效应与作用分项系数的乘积。3.作用效应组合1）基本组合承载能力极限状态设计时，永久作用设计值效应与可变作用设计值效应组合。2）偶然作用承载能力极限状态设计时，永久作用标准值效应与可变作用某种代表值效应、一种偶然作用标准值效应的组合。3）作用短期效应组合正常使用极限状态设计时，永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应的组合。4）作用长期效应组合正常使用极限状态设计时，永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应的组合。第三节承载能力极限状态设计原则一、荷载标准值及分项系数1.荷载标准值荷载标准值Fk–永久荷载：设计尺寸×标准重力密度–可变荷载：车道荷载，车辆荷载–汽车荷载计入冲击系数汽车荷载分为公路Ⅰ级和公路Ⅱ级。汽车荷载分车道荷载和车辆荷载。2.荷载分项系数γm：–目的：调整荷载标准值使结构可靠度趋于一致–原则：以定标准值，使可靠指标与目标值间误差最小–永久荷载分项系数γG–可变荷载效应分项系数γQ3.荷载设计值Fd结构按承载能力极限状态设计时，作用（或荷载）设计值为荷载标准值乘以相应的作用荷载分项系数。Fd＝γmFk二、作用效应组合（1）基本组合：或式中Sud——承载能力极限状态下作用基本组合设计值；γ0——结构重要性系数，按本规范表1.0.9规定的结构设计安全等级采用，对应于设计安全等级一级、二级和三级分别取1.1、1.0和0.9；γGi——第i个永久作用效应的分项系数，应按表4.1.6的规定采用；SGik、SGid——第i个永久作用效应的标准值和设计值；•γQ1——汽车荷载效应(含汽车冲击力、离心力)的分项系数，取γQl=1.4。当某个可变作用在效应组合中其值超过汽车荷载效应时，则该作用取代汽车荷载，其分项系数应采用汽车荷载的分项系数；对专为承受某作用而设置的结构或装置，设计时该作用的分项系数取与汽车荷载同值；计算人行道板和人行道栏杆的局部荷载，其分项系数也与汽车荷载取同值；•SQ1k、SQ1d——汽车荷载效应(含汽车冲击力、离心力)的标准值和设计值；•γQj——在作用效应组合中除汽车荷载效应(含汽车冲击力、离心力)、风荷载外的其他第j个可变作用效应的分项系数，取1.4，但风荷载的分项系数取1.l；•SGjk、SGjd——在作用效应组合中除汽车荷载效应(含汽车冲击力、离心力)外的其他第j个可变作用效应的标准值和设计值；•ψc——在作用效应组合中除汽车荷载效应(含汽车冲击力、离心力)外的其他可变作用效应的组合系数，当永久作用与汽车荷载和人群荷载(或其他一种可变作用)组合时，人群荷载(或其他一种可变作用)的组合系数取ψc=0.8；当除汽车荷载(含汽车冲击力、离心力)外尚有两种其他可变作用参与组合时，其组合系数取ψc=0.70；尚有三种可变作用参与组合时，其组合系数取ψc=0.60；尚有四种及多于四种的可变作用参与组合时，取ψc=0.50。•设计弯桥时，当离心力与制动力同时参与组合时，制动力标准值或设计值按70%取用。编号作用类别永久作用效应分项系数对结构的承载能力不利时对结构的承载能力有利时1混凝土和圬工结构重力（包括附加重力）1.21.0钢结构重力（包括结构附加重力）1.1或1.22预加力1.21.03土的重力1.21.04混凝土的收缩及徐变作用1.01.05土侧压力1.41.06水的浮力1.01.07基础变位作用混凝土和圬工结构0.50.5钢结构1.01.0注：本表编号1中，当钢桥采用钢桥面板时，永久作用效应分项系数取1.1；当采用混凝土桥面板时，取1.2。永久作用效应的分项系数（2）偶然组合。永久作用标准值效应与可变作用某种代表值效应、一种偶然作用标准值效应相组合。偶然作用的效应分项系数取1.0；与偶然作用同时出现的可变作用，可根据观测资料和工程经验取用适当的代表值。地震作用标准值及其表达式按现行《公路工程抗震设计规范》规定采用。三、材料强度分项系数1.混凝土强度的分项系数rc=1.452.钢筋强度的分项系数rs≈1.2预应力钢筋的钢丝和钢绞线的抗拉强度分项系数为rs≈1.25/0.85=1.47第四节正常使用极限状态设计原则一、荷载及其效应组合正常使用极限状态——正常使用极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。这一状态对应于适用性或耐久性的功能。在公路桥梁结构中，对于需要进行正常使用极限状态设计的结构，需要考虑可变作用的短期效应组合和长期效应组合，其可变作用代表值采用频遇值和准永久值。众所周知，正常使用极限状态设计仅涉及结构及构件的抗裂，裂缝宽度和挠度，其结构可靠度要比承载能力极限状态低得多。1.活载的频遇值•可变作用的频遇值是指结构上较频繁出现的且量值较大的作用取值，但它比可变作用的标准值小，实际上由标准值乘以小于1的频遇值系数φ1得到。•可变作用的准永久值是指在结构上经常出现的作用取值，但它比可变作用的频遇值又要小一些，实际上是由标准值乘以小于φ1的准永久值系数φ2的得到。通用规范JTGD62规定，公路桥涵结构按正常使用极限状态设计时，应根据不同的设计要求，采用以下两种效应组合；2.荷载的效应组合•（1）作用短期效应组合。永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相组合，其效应组合表达式为：•(2-4)•式中Ssd——作用短期效应组合设计值；•φ1j——第j个可变作用效应的频遇值系数，汽车荷载（不计冲击力）φ1=0.7，人群荷载φ1=1.0，风荷载φ1=0.75，温度梯度作用φ1=0.8，其他作用φ1=1.0；•φ1jSQjk——第j个可变作用效应的频遇值。•（2）作用长期效应组合。永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应相组合，其效应组合表达式为：••(2-5)式中Sld——作用长期效应组合设计值；φ2j——第j个可变作用效应的准永久值系数，汽车荷载（不计冲击力）φ2=0.4，人群荷载φ2=0.4，风荷载φ2=0.75，温度梯度作用φ2=0.8，其他作用φ2=1.0；φ2jSQjk——第j个可变作用效应的准永久值。二、结构抗力指结构构件截面功效限值，分裂缝宽度限值、挠度限值或抗裂限值等1.裂缝控制：•抗裂验算（预A）：荷载短期效应组合，混凝土拉应力•裂缝宽度（钢砼和预B）：限值裂缝宽度按荷载短期效应组合并考虑长期效应组合的影响2.变形控制：•最大挠度：荷载短期效应组合并考虑长期效应组合的影响，结构力学，刚度考虑裂缝影响，允许挠度值