第二章 建筑结构的设计标准和设计方法

第二章建筑结构的设计标准和设计方法2.1设计基准期和设计使用年限2.2结构的功能要求、作用和抗力2.3结构的可靠度理论和极限状态设计方法2.1设计基准期和设计使用年限一、设计基准期结构设计时为取用统计数据而选用的时间参数。我国采用的设计基准期为50年。二、设计使用年限结构设计所规定的一个时期。即在这一规定的时期内，房屋建筑在正常设计、正常施工和正常使用和维护下不需要进行大修就能按其预定的目的使用。设计使用年限分类类别1234设计使用年限（年）52550100示例临时性结构易于替换的结构构件普通房屋和构筑物纪念性建筑和特别重要的建筑结构2.2结构的功能要求、作用和抗力一、结构的功能要求（一）安全性（Safety）（二）适用性（Serviceability）（三）耐久性（Durability）二、作用和作用效应（一）作用（action）1.作用：使结构或结构构件产生内力和变形的原因。2.直接作用：即荷载，指施加在结构上的集中力或分布力。3.间接作用：引起结构外加变形和约束变形的其他作用。如地震作用、基础沉降、温度变化、混凝土的收缩和徐变等。（二）作用的分类按作用时间的长短和性质，作用可分为三类：永久作用：又称恒荷载。在设计基准期内，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。如结构自重、土压力等。可变作用：又称活荷载。在设计基准期内，其值随时间而变化，或其变化与平均值相比不可忽略的荷载。如楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等。偶然作用：在设计基准期内不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载。如地震、爆炸、撞击等。（三）作用效应S（Effectofanaction）1.定义：由作用引起的结构或构件的反应，如内力、变形和裂缝等。如作用为直接作用，则作用效应称为荷载效应。在线弹性材料中，荷载效应=荷载*荷载效应系数例如：ql其中即为荷载效应系数。跨中截面，支座截面，218Mql218lqlV21l21其中即为荷载效应系数。2.作用（荷载）效应S的随机性作用的随机性；内力计算假定和实际受力情况间的差异。三、抗力R（Resistance）1.定义：结构或结构构件承受作用效应的能力。结构抗力与结构的几何参数和材料性能有关，是结构的固有属性。2.结构抗力R的随机性制作、安装、测量误差引起结构几何参数的变异；材质和生产工艺的差异导致强度和刚度的变异。结构任意截面均满足S≤R时，结构安全可靠。由于S、R都是随机变量，因而结构是否安全可靠的事件也是随机事件，故需用概率理论来分析。绝对安全的建筑是不存在的，关于建筑安全可靠性更为科学的说法应是，该建筑处于S≤R状态下的概率是多大，或该建筑安全可靠的概率有多大。2.3结构的可靠度理论和极限状态设计方法一、结构的可靠性（Reliability）和可靠度•可靠性——指结构在规定的时间（设计使用年限）内，在规定的条件（正常设计、正常施工、正常使用和维护）下，完成预定结构功能的能力。•可靠度——对结构可靠性的定量描述，结构在规定的使用期限内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。二、结构设计总原则结构设计的总原则：S≤R，既可靠又经济。R与S之间的大小关系反映了结构可靠性水平的高低：R大过S越多，则结构的可靠度水平越高，而造价会上升；而R大过S不多时，虽然降低了造价，但可靠性或安全储备却降低。因此成功的结构设计应合理确定R与S之间的大小关系，即可靠性与经济性二者兼顾考虑。三、结构的极限状态LimitStateofstructure1、极限状态的概念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“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限状态”。结构在即将不能满足某项功能要求时的特定状态，称为该功能的极限状态。表3.1钢筋混凝土简支梁的可靠、失效和极限状态概念结构的功能可靠极限状态失效安全性受弯承载力MMuM=MuMMu挠度变形f[f]f=[f]f[f]适用性和耐久性裂缝宽度wmax[wmax]wmax=[wmax]wmax[wmax]SRS=RSR承载力能力极限状态UltimateLimitState这类极限状态对应于结构或结构构件达到了最大承载力，或者产生了不适于继续承载的过大变形,从而丧失了安全性功能的一种特定状态。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）2、极限状态的分类正常使用极限状态ServiceabilityLimitState这类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，从而丧失了适用性和耐久性功能的一种特定状态。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。四、结构设计方法——概率极限状态设计法失效概率越小，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。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：结构的功能函数：Z=R-S0fd0ZZfZPP可靠概率：Ps=1-Pf失效概率计算很复杂，用可靠指标β代替。可靠指标β与失效概率Pf有对应关系：β值越大，Pf值越小；β值越小，Pf值越大。实用设计表达式将[β]直接应用于设计比较繁琐，实用方法是利用[β]反算出各种系数，分别与S、R相乘，即人为地扩大S，缩小R，从而使具有一定可靠度，称为多系数法。RS承载能力极限状态实用设计表达式基本组合：（1）由可变荷载效应控制的组合：（2）由永久荷载效应控制的组合：0112(,,)nskckGGkQQkQiCiQikkiscffSSSR01(,,)nskckGGKQiciQikkiscffSSR正常使用极限状态的设计表达式：（1）标准组合（2）准永久组合（3）频遇组合12nGkQkciQikiSSSS1nGkqiQikiSSS112nGkfQkqiQikiSSSS材料强度的取值：1、材料强度是确定抗力的重要参数，材料强度标准值fk是材料强度的代表值，具有95%的保证率。2、在进行承载能力计算时，采用材料强度设计值，它是在标准值的基础上，除以大于1的材料分项系数得出的（如混凝土材料分项系数γc=1.4，普通钢筋材料分项系数γs=1.1），从而有更高的保证率。混凝土立方体抗压强度标准值•混凝土立方体抗压强度标准值用fcuk表示，为保证率不小于95％的材料强度。fcuk=ufcu-1.645f(x)xuu-u+u-2u+2u-3u+3根据实际设计的需要，常须区分荷载的短期作用（标准组合、频遇组合）和荷载的长期作用（准永久组合）下构件的变形大小和裂缝宽度的计算。荷载的取值：永久荷载：标准值可变荷载有四种代表值：标准值、组合值、准永久值和频遇值。分项系数和设计值（１）材料强度的分项系数《混凝土结构设计规范》对钢筋强度的分项系数s取为1.1～1.2，混凝±强度的分项系数c取为1.4。cckcffsykyff（２）荷载的分项系数永久荷载的分项系数，根据其效应对结构不利和有利分别取1.2（或1.35）和1.0，可变荷载的分项系数一般取1.4等。分项系数确定后即可确定材料强度和荷载设计值。按近似概率论的极限状态设计法极限状态按近似概率论的极限状态设计法实用设计表达式按极限状态设计时材料强度和荷载取值结构上的作用结构的功能要求极限状态极限状态方程（Z=R-S）结构的可靠度失效概率分项系数正常使用极限状态设计表达式承载能力极限状态设计表达式直接作用间接作用结构的安全等级使用年限建筑结构的功能承载能力极限状态正常使用极限状态[本章小结]习题：一简支梁，跨度l=4m，受永久均布线荷载标准值qGK=8kN/m，受可变均布线荷载标准值qQK=6kN/m，跨中受可变集中荷载，其标准值Pk=10kN，无风荷载参加组合。该梁是重要的建筑构件，安全等级为一级。求该梁跨中截面的设计弯矩值。