中南大学混凝土结构设计原理课件 第二章混凝土结构设计的基本原则

第二章钢筋混凝土结构按近似概率理论极限状态设计法设计的基本原则主要内容及要求1．掌握工程结构极限状态的基本概念，包括结构上的作用、对结构的功能要求、设计基准期、两类极限状态等。2．了解结构可靠度的基本原理。3．熟悉近似概率极限状态设计法在混凝土结构设计中的应用。第二章混凝土结构基本计算原则2.1结构的功能要求与极限状态概念2.2结构的作用、作用效应与结构抗力2.3结构可靠度的基本原理2.4近似概率极限状态设计法的实用表达式。后退前进END返回主目录2.1结构的功能要求与极限状态概念一、结构的功能要求二、结构的可靠性与可靠度三、结构功能的极限状态。2.1结构的功能要求与极限状态概念后退前进END返回主目录什么是结构（结构定义）用来形成一定空间及造型，并具有抵御人为和自然界施加的各种作用力，得以安全使用的骨架。结构设计的目的1、满足使用的要求（可靠）2、经济返回上级目录2.1结构的功能要求与极限状态概念后退前进END返回主目录1、共性问题：结构应具备何种功能，结构安全可靠的标准是什么，如何保证实现以上标准，设计过程中如何对荷载、材料强度计算取值等。2、不同受力构件的计算：对各种不同构件进行具体设计和计算，以及采取什么构造措施保证具体构件的可靠性。本章涉及的问题以后章节涉及的问题结构设计遇到两类问题：返回上级目录2.1结构的功能要求与极限状态概念后退前进END返回主目录一、结构的功能要求1、安全性结构在预定的使用期间内，应能承受在正常施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载、变形等的作用而不产生破坏。在偶然事件（如地震、爆炸）发生时和发生后，结构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏。一、结构的功能要求2、适用性结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。如不发生影响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振动（频率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。3、耐久性结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。不致因材性变化（如混凝土碳化、钢筋锈蚀），降低结构的使用寿命。返回上级目录2.1结构的功能要求与极限状态概念后退前进END返回主目录可靠性就是指结构在规定的使用期限内（设计使用年限，一般为50年），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（安全性、耐久性、适用性）的能力。■结构可靠性越高，建设造价投资越大。■如何在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计方法要解决的问题。二、结构的可靠性与可靠度二、结构的可靠性与可靠度：安全性、适用性和耐久性的总称可靠度：结构在规定的时间内、规定的条件下，完成预定功能的概率返回上级目录2.1结构的功能要求与极限状态概念后退前进END返回主目录■可靠与经济的均衡受到多方面的影响，如国家经济实力、设计工作寿命、维护和修复等。■规范规定的设计方法，是这种均衡的最低限度，也是国家法律。■设计人员可以根据具体工程的重要程度、使用环境和情况，以及业主的要求，提高设计水准，增加结构的可靠度。■经济的概念不仅包括第一次建设费用，还应考虑维修，损失及修复的费用返回上级目录2.1结构的功能要求与极限状态概念二、结构的可靠性与可靠度后退前进END返回主目录三、结构功能的极限状态结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠”的或“有效”的。反之，则结构为“不可靠”或“失效”。区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限状态”不同的功能要求，有不同的极限状态。分为两类：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）三、结构功能的极限状态定义：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，此特定状态称为该功能的极限状态。返回上级目录2.1结构的功能要求与极限状态概念后退前进END返回主目录1）承载力能力极限状态是判别结构是否满足安全性要求的标准。超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求达到承载能力极限状态的标志◆结构或构件达到最大承载力（包括疲劳）◆结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移）◆结构塑性变形过大而不适于继续使用◆结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰）◆结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）三、结构功能的极限状态返回上级目录2.1结构的功能要求与极限状态概念后退前进END返回主目录2）正常使用极限状态是判别结构是否满足正常使用和耐久性要求的标准。超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久性的功能要求。达到正常使用极限状态的标志◆过大的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、不能正常使用（吊车）等）；◆过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）；◆过大的振动（不舒适）；◆其他正常使用要求。三、结构功能的极限状态返回上级目录2.1结构的功能要求与极限状态概念后退前进END返回主目录2.2结构的作用、作用效应与结构抗力一、结构上的作用和作用效应四、材料强度标准值与设计值2.2结构的作用、作用效应与结构抗力二、荷载标准值与荷载设计值三、结构的抗力及其不定因素后退前进END返回主目录一、结构上的作用和作用效应定义：结构在施工和使用期间引起结构内力和变形的一切原因。1、结构上的作用分类按作用形式以力的形式作用于结构上的因素，一般又称为结构的荷载。如结构自重、楼面活载、屋面的雪载有及墙面的风荷载、桥面车辆荷载、土的重力及侧压力等间接作用直接作用以变形形式作用于结构上的因素，习惯上又称为结构的外加变形或约束变形：如地震、地基沉降、砼收缩、温度变化、焊接变形等。一、结构上的作用和作用效应返回上级目录2.2结构的作用、作用效应与结构抗力后退前进END返回主目录按承受时间的变异性在设计基准期内，其值不一定出现，而一旦出现，其量值则很大，且持续时间很短的作用：地震、爆炸、冲击等。一、结构上的作用和作用效应永久作用在设计基准期内，其值不随时间变化或变化与平均值相比可以忽略不计的作用：有结构自重、土压力、预加应力、地基沉降以及焊接变形等。可变作用在设计基准期内，其值随时间变化、且其变化值与平均值相比不可忽略的作用安装荷载、楼面活荷载、风荷载、温度变化等偶然作用返回上级目录2.2结构的作用、作用效应与结构抗力后退前进END返回主目录按空间位置变异固定作用可动作用按结构的反应分静态作用动态作用一、结构上的作用和作用效应在结构空间位置上具有固定的分布在结构空间位置一定范围内可以任意分布对结构不产生动力效应，或小的可以忽略对结构产生动力效应，且不可以忽略返回上级目录2.2结构的作用、作用效应与结构抗力后退前进END返回主目录2、作用效应施加在结构上的各种作用对结构构件产生的效果。如内力（N、V、M、T）、变形（挠度、侧移）、裂缝等，常用“S”表示。当作用力为直接作用时，称荷载效应作用效应是随机变量（作用的不确定）一、结构上的作用和作用效应返回上级目录2.2结构的作用、作用效应与结构抗力后退前进END返回主目录1、荷载代表值(1)实质：以确定值（代表值）表达不确定的随机变量，便于设计时，定量描述和运算。设计要求不同，荷载代表值不同。(2)取值原则：根据荷载概率分布特征,控制保证率。0μσf(Q)Q二、荷载标准值与设计值二、荷载标准值与荷载设计值返回上级目录2.2结构的作用、作用效应与结构抗力后退前进END返回主目录1、荷载代表值荷载规范中给出4种代表值：标准值、组合值、频遇值、准永久值。永久荷载代表值：应该用标准值作为代表值，可变荷载代表值：应根据设计要求用标准值、组合值、频遇值、准永久值作为代表值。荷载标准值是荷载的基本代表值，其他代表值都可以在标准值的基础上乘以相应的系数后得出。二、荷载标准值与荷载设计值二、荷载标准值与设计值返回上级目录2.2结构的作用、作用效应与结构抗力后退前进END返回主目录永久荷载的标准值取分布的平均值，保证率50%；结构的自重可根据结构的设计尺寸和材料的重力密度确定可变荷载的标准值是可变荷载的基本代表值，保证率尚未统一。楼面活荷载标准值：最大荷载概率分布的某一分位值风荷载标准值：基本风压，当地比较空旷平坦地面上空10m处统计50年一遇的10min平均最大风速确定雪荷载标准值：空旷平坦地面上统计50年一遇最大雪压确定2、荷载的标准值指在结构使用期间正常情况下可能出现的最大荷载。取值：由设计基准期（统一规定为50年）最大荷载概率分布的某一分位值确定。二、荷载标准值与设计值返回上级目录2.2结构的作用、作用效应与结构抗力后退前进END返回主目录频遇值：在设计基准期内，超越频率为规定频率的荷载值。准永久值：可变荷载在设计基准期内经常遇到或超过的荷载值。用超越总时间为设计基准期一半的概率确定。用标准值乘准永久值系数确定；组合值：两种或（以上）可变荷载作用时，都以标准值出现的概率小，因此对标准值乘以组合系数进行折减。3、可变荷载的准永久值、组合值、频遇值二、荷载标准值与设计值返回上级目录2.2结构的作用、作用效应与结构抗力后退前进END返回主目录在承载力极限状态设计时采用的荷载值。为荷载标准值与荷载分项系数的乘积。不同的荷载标准值的保准率不同，按荷载标准值设计，不同结构可靠度有差异，有些结构实际可靠度达不到目标可靠度的要求。所以引入荷载分项系数予以调整。4、荷载设计值二、荷载标准值与设计值返回上级目录2.2结构的作用、作用效应与结构抗力后退前进END返回主目录1、定义：结构抵抗作用效应的能力，常用“R”表示。结构的抗力为随机变量三、结构的抗力及其不定因素材料性能的不定性几何参数的不定性计算模式的不定性2、抗力不定性主要因素：三、结构抗力及其不定因素返回上级目录2.2结构的作用、作用效应与结构抗力后退前进END返回主目录(1)实质：以确定值（标准值）表达不确定值，便于应用。(2)标准值取值：根据材料强度概率分布的0.05分位值，即95%保证率的要求确定。四、材料强度的标准值与设计值0μσf(f)f返回上级目录1、材料强度的标准值2、材料强度设计值在承载力极限状态设计时采用的强度值。为材料强度标准值除以材料分项系数得到。四、材料强度标准值与设计值返回上级目录2.2结构的作用、作用效应与结构抗力后退前进END返回主目录2.3近似概率极限状态设计法的基本原理一、结构设计方法概述二、结构功能函数与极限状态方程三、失效概率及可靠指标四、正态分布曲线的特点概率极限状态设计法举例。2.3结构可靠度的基本原理后退前进END返回主目录一、结构设计方法概述结构设计方法经历了：容许应力法破损阶段法极限状态法以概率理论为基础的极限状态法返回上级目录2.3结构可靠度的基本原理一、结构设计方法概述后退前进END返回主目录容许应力设计法kf][存在问题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。返回上级目录2.3结构可靠度的基本原理一、结构设计方法概述后退前进END返回主目录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。破损阶段设计法返回上级目录2.3结构可靠度的基本原理一、结构设计方法概述后退前进END返回主目录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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。极限状态设计法返回上级目录2.3结构可靠度的基本原理一、结构设计方法概述后退前进END返回主目录由于实际结构中的不确定性，