第2章混凝土结构设计方法

第2章混凝土结构设计方法第2章混凝土结构设计方法第2章混凝土结构设计方法作用的定义：施加在结构上的力，以及引起结构外加变形或约束变形的因素。结构上的作用作用的分类：直接作用（如荷载）；间接作用（如温差、不均匀沉降）。第2章混凝土结构设计方法永久作用：在设计基准期内大小、方向、作用点及形式不随时间变化，或者其变化可忽略不计的作用。一般为直接作用，通常称为永久荷载或恒荷载，如结构自身重力、土压力、预应力等。可变作用：在设计基准期内大小、方向、作用点及形式等任意因素随时间变化的作用。如果为直接作用，通常称为可变荷载；如楼面活荷载、风荷载、雪荷载。偶然作用：在设计基准期内一般不出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的作用。如强烈地震、爆炸、撞击等。一般为间接作用。结构上作用的分类第2章混凝土结构设计方法作用效应S•这些作用作用在结构构件上而产生内力和变形，称为作用效应。当为直接作用时，其效应也称为荷载效应，用S表示。内力：轴力、弯矩、剪力、扭矩；变形：挠度、转角、裂缝。第2章混凝土结构设计方法结构的抗力R•结构抗力是指结构或构件承受作用效应的能力。•结构抗力的影响因素：材料性能的不确定性材料几何参数的不确定性计算模式的不确定性•结构的抗力具有随机性。第2章混凝土结构设计方法结构的功能FunctionsofStructure安全性（Safety）◎结构在预定的使用期间内（一般为50年），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、外加变形（如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束变形等的作用；◎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而造成生命财产的严重损失。适用性（Serviceability）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。耐久性（Durability）结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀），结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低，而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。第2章混凝土结构设计方法适用性耐久性安全性结构的可靠性结构可靠度是结构可靠性的概率度量结构设计就是实现可靠性与经济性的最佳平衡可靠度ReliabilityDegrees第2章混凝土结构设计方法结构的设计使用年限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第2章混凝土结构设计方法容许应力法：弹性理论，无明确可靠度的概念破坏阶段法：考虑了塑性性能，按破坏阶段计算，使用总安全系数，无明确可靠度的概念极限状态设计法：引入多种系数，是结构设计的重大突破。《钢筋混凝土结构设计规范》（BJG21-66）概率极限状态设计法水准I——半概率《钢筋混凝土结构设计规范》(TJ-74)水准II——近似概率《钢筋混凝土结构设计规范》(GBJ10-89)、(GB50010-2002)水准III——全概率混凝土结构构件设计计算方法第2章混凝土结构设计方法永久荷载G：符合正态分布。荷载的统计特性可变荷载Q：为时间的函数，可用随机过程来描述为极值Ⅰ型分布。第2章混凝土结构设计方法荷载的标准值：建筑结构按极限状态设计时采用的荷载基本代表值。荷载的标准值SmSm+1.645σf(P)PμpPK1.645kpPp第2章混凝土结构设计方法永久荷载标准值Gk：按结构设计规定的尺寸和《荷载规范》规定的材料容重平均值确定，一般相当于永久荷载概率分布的平均值。荷载的标准值可变荷载标准值Qk：办公楼、住宅楼面活荷载标准值Qk为2.0kN/m2；风荷载、雪荷载标准值。第2章混凝土结构设计方法材料强度的统计特性材料强度的变异性：材质及工艺、加载、尺寸等因素引起的材料强度的不确定性。钢筋和混凝土的强度基本均符合正态分布。第2章混凝土结构设计方法钢筋和混凝土的强度标准值是钢筋混凝土结构按极限状态设计时采用的材料强度基本代表值。材料强度的标准值fm-1.645σfmf(f)ffkμfkfff第2章混凝土结构设计方法对于结构设计而言，如何设计的安全呢？荷载取值越大，内力值就越大，构件截面尺寸也愈大，结构愈安全；材料强度取值越低，结构所需截面越大，结构愈安全)645.11(645.1ffkf)645.11(645.1ppkP荷载标准值：材料强度标准值：1.645——保证率系数。荷载标准值——实际荷载低于标准值的概率为95％；材料强度标准值——实际强度高于标准值的概率为95％；SmSm+1.645σf(P)PμpPKfm-1.645σfmf(f)ffkμf第2章混凝土结构设计方法是结构或其构件能够满足前述某一功能要求的临界状态。超过这一界限，结构或其构件就不能满足设计规定的该项功能要求而进入失效状态。2.3.1极限状态的定义：2.3结构极限状态第2章混凝土结构设计方法极限状态的分类：承载能力极限状态正常使用极限状态极限状态的表现形式：(承)：刚体失去平衡，材料强度不足，结构转变为机构，失稳(正)：过大的变形，影响正常使用或耐久性能的局部损坏，过大的振动通常按承载能力极限状态进行承载力的计算，然后根据正常使用极限状态进行变形、裂缝宽度或抗裂验算第2章混凝土结构设计方法（1）持久状况：一定出现，持续时间较长（2）短暂状况：出现概率较大，时间较短（3）偶然状况：出现概率较小，时间较短2.3.2结构的设计状况第2章混凝土结构设计方法结构或构件能否完成预定功能与结构的荷载效应S与结构的抗力R有关。Z=R–S由此可采用结构的功能函数来描述结构完成预定功能的状况。因抗力R和S均具有随机性，所以只能用功能函数Z的概率来描述。2.3.3结构功能函数和极限状态方程第2章混凝土结构设计方法Z0，即RS结构可靠Z=0，即R=S结构处于极限状态。即RS结构失效Z0，第2章混凝土结构设计方法图中阴影部分仍有可能出现RS的情况pSS-RsRR2.3.4结构失效概率pf•假设结构的效应S及结构的抗力R均符合正态分布第2章混凝土结构设计方法•如果结构的效应S及结构的抗力R均符合正态分布，因此结构的功能函数Z也符合正态分布。如图：图中Z0部分(阴影)面积即为失效概率Pf图2-1fz(Z)pfzzZ第2章混凝土结构设计方法•Pf计算复杂，但(由图看出)均值Z向右移Pf减小，可靠度加大。令ZZ越大，Pf越小，结构越可靠。故称为可靠度指标。图2-1fz(Z)pfzzzZ第2章混凝土结构设计方法在确定结构的可靠指标时，应该使结构的失效概率降低到人们可以接受的程度，做到既安全可靠又经济合理。《统一标准》规定：[]为规范规定的可靠度指标，称为设计可靠指标[][]的取值与构件的破坏类型及结构的重要性有关。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第2章混凝土结构设计方法0SR2.4.3实用设计表达式2.4.3.1承载能力极限状态设计表达式–––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第2章混凝土结构设计方法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…2-4kQc2QQ1kQ1GkGiiniiSSSS…2-5kQc1QGkGiiniiSSS基本组合第2章混凝土结构设计方法–––结构构件抗力设计值–––构件承载力函数；–––材料强度设计值；–––几何参数设计值，当无可靠数据时，可采用几何参数标准值，即设计文件规定值。Rdd(,)RRfa()Rdfdaka结构构件的承载力设计值第2章混凝土结构设计方法R=R(·)=R(fc,fs,k,…)是由材料强度的标准值fck除以砼材料分项系数c1.0所得。fc–––混凝土材料强度设计值。是由钢材强度的标准值fyk除以材料分项系数(s1.0)求得。fy–––钢材强度设计值。fck、fyk是由数理统计且具有95%保证率的材料强度。第2章混凝土结构设计方法混凝土：,钢筋：,cckcffctktffsykyffsykyff''建筑工程中：式中：–––混凝土的材料分项系数；建筑工程取1.4；–––钢筋的材料分项系数；建筑工程对热轧钢筋取1.1，对钢丝、钢绞线、热处理钢筋取1.2。cs