02结构设计方法

第二章结构设计方法第2章结构设计方法TheDesignApproach◆工程结构的设计需要保证安全可靠、经济合理◆由于实际工程结构中存在多种不确定性◆结构设计方法就是研究工程设计中的各种不确定性问题，取得安全可靠与经济合理之间的均衡第二章结构设计方法◆容许应力设计方法allowablestressKf安全系数材料强度][◆安全系数K是一个大于1.0的数值◆K越大，结构安全度就越高，同时结构材料用量也越多◆为取得安全可靠与经济合理的均衡，在综合考虑各种不确定性因素影响后，可选取一个合适的安全系数。第二章结构设计方法◆材料力学中研究的是：单一材料、线弹性、简单结构◆实际工程结构远比它复杂◆如钢筋混凝土梁的受弯，从安全角度考虑，需要确定其极限受弯承载力；◆而为控制正常使用阶段的裂缝和挠度变形，需要确定带裂缝工作阶段的受力情况。◆采用容许应力设计方法，无法统一这两方面的要求。第二章结构设计方法◆因此，首先根据工程结构需要满足实际使用的各种要求（结构的功能），对安全可靠有更具体的科学定义◆另一方面，需要尽可能详细了解结构在不同情况下（施工、使用、破坏）可能受到的各种外界影响的大小和变化情况◆外界影响：各种荷载、温度变化、沉降、收缩徐变、地震、侵蚀、冻融等◆以及结构尺寸、材料强度等的变异情况，以便科学合理的选定结构可靠度。第二章结构设计方法2.1结构的功能结构的功能FunctionsofStructure◆安全性Safety◎如（M≤Mu）◎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（如温度和收缩变形受到约束时）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。第二章结构设计方法2.1结构的功能◆适用性Serviceability◎如（f≤[f]）◎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◎如（wmax≤[wmax]）◎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。第二章结构设计方法2.1结构的功能◆2.1结构的可靠度ReliabilityDegreesofStructures■可靠性——安全性、适用性和耐久性的总称■就是指结构在规定的使用期限内（设计工作寿命=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。第二章结构设计方法2.1结构的功能■显然这种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，损失及修复的费用第二章结构设计方法2.2极限状态2.2极限状态LimitState◆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”表4.1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适用性挠度变形f[f]f=[f]f[f]耐久性裂缝宽度wmax[wmax]wmax=[wmax]wmax[wmax]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特定功能。第二章结构设计方法承载力能力极限状态UltimateLimitState超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求◆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）2.2极限状态第二章结构设计方法2.2极限状态正常使用极限状态ServiceabilityLimitState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。◆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。第二章结构设计方法2.2极限状态结构功能的表达SR可靠S——作用效应ActionEffect结构上的作用（使结构产生内力和变形的原因，如荷载、不均匀沉降、温度变形、收缩变形、地震等）引起的效应如弯矩M、轴力N、剪力V、扭矩T、挠度f、裂缝宽度w等S=S(Q)281plMR——结构抗力Resistant结构抵抗作用效应的能力，如受弯承载力Mu、受剪承载力Vu、容许挠度[f]、容许裂缝宽度[w]R=R(fc,fy,A,h0,As,…)bfkAfkhAfMcsysyu120)1(S=R极限状态SR失效结构力学的主要内容本课程的主要内容第二章结构设计方法2.3结构中的不确定性2.3荷载和材料强度LoadsandMaterialStrengths★荷载标准值的确定1荷载统计特征：永久荷载G，可变荷载Q2荷载标准值取值★规范实际取值：1永久荷载：取实际材料容重的平均值2可变荷载：对不同荷载性质进行了调整ppkP645.1第二章结构设计方法2.3结构中的不确定性2.3荷载和材料强度LoadsandMaterialStrengths★荷载分项系数、荷载设计值荷载分项系数γG,γQ确定原则：给定的荷载标准值条件下，对各类结构构件在各种常遇的荷载效应比值和组合下，用不同的分项系数值，按极限设计方法计算所得的各种构件的可靠度指标，与规定的可靠指标总体差异最小。荷载设计值：荷载分项系数与荷载标准值的乘积称荷载设计值。第二章结构设计方法2.3结构中的不确定性2.3荷载和材料强度LoadsandMaterialStrengths1永久荷载分项系数可变荷载控制时，取1.2永久荷载控制时，取1.3永久荷载对结构有利时，取1.02可变荷载分项系数一般情况下，取1.4（由永久荷载控制时，取0.7×1.4）当活载标准值大于4kN/m2时，取1.3荷载分项系数的取值：第二章结构设计方法2.3结构中的不确定性2.3荷载和材料强度LoadsandMaterialStrengths当结构或构件上同时作用几个可变荷载时，各荷载同时达到最大的概率要小很多，采用组合系数的方式进行调整。荷载组合系数：在实际框架计算中，一般可采用下式组合：恒载＋活载；恒载＋风载；恒载＋0.9（活载＋风载）nikQiQikQkGkQiCQCGCS211第二章结构设计方法2.3结构中的不确定性2.3荷载和材料强度LoadsandMaterialStrengths可变荷载的频遇荷载和准永久荷载ixxxtTTT设称频遇荷载时，当1.0x称准永久荷载时，0.5μ当x第二章结构设计方法2.3结构中的不确定性荷载和材料强度LoadsandMaterialStrengths★材料强度标准值的确定1材料强度的变异性及统计特征2材料强度标准值钢筋α＝2，保证率97.73%（国家钢材质量标准）混凝土α＝1.6452保证率95%ffkf第二章结构设计方法2.3结构中的不确定性结构设计中的不确定性UndeterminedFactorsinDesign2)(81lqgM★恒载g与构件尺寸、材料容重等有关★活载q（楼面活载、雪荷载）的数值是随时在变化的★计算跨度l的不准确bfkAfkhAfMcsysyu120)1(★材料强度fy和fc的离散★截面尺寸h0和b的施工误差★应力-应变关系参数k1和k2uMM不一定安全（可靠）第二章结构设计方法2.4结构设计方法2.4结构设计方法由于结构工程中的不确定性，为取得安全可靠与经济合理的均衡，在设计中需要考虑这些不确定性的影响。结构设计方法就是处理这种安全可靠与经济合理的矛盾。第二章结构设计方法2.4结构设计方法◆极限状态设计法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。第二章结构设计方法2.4结构设计方法◆以概率理论为基础的极限状态设计法由于实际结构中的不确定性，因此无论如何设计结构，都会有失效的可能性存在，只是可能性大小不同而已。为了科学定量的表示结构可靠性的大小，采用概率方法是比较合理的。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reliabilitydegree。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probabilityoffailurePf=P(SR)f(Z)bzzPfZ=R-S第二章结构设计方法2.4结构设计方法结构功能函数Z=R-SPf=P(SR)=P(Z0)ZZfPbb值2.73.23.74.2失效概率Pf3.5×10-36.9×10-41.1×10-41.3×10-5b—可靠指标reliabilityindex第二章结构设计方法2.4结构设计方法◆根据统计，触电的年死亡率为6×10-6◆b=3.7时，Pf=1.1×10-4，按设计基准期50年考虑，年失效概率为1.1×10-4/50=2.2×10-6◆50年后并不是结构就失效，而是失效概率增加。同时，结构失效也并不表示结构倒塌，结构倒塌也不一定造成人员伤亡。◆我国对于一般工程结构，当为延性破坏时，其可靠指标取b=3.2，对脆性破坏取b=3.7。◆对于重要的工程结构，应提高可靠指标。第二章结构设计方法2.4结构设计方法作用效应标准值Sk◆作用效应S的不确定性就主要取决于结构上作用Q的不确定性QCS11QCGCSQG★永久荷载G★可变荷载Q★偶然荷载（作用）◆不同的荷载，其变异情况不同。根据统计分析可以确定一个具有一定保证率（如95%）的上限荷载分位值，该特征值称为荷载标准值（符号Gk，Qik）。◆按荷载标准值确定的荷载效应，称为荷载效应标准值Sk◆有多个可变荷载同时作用的情况，考虑到它们同时达到标准值的可能性较小，考虑荷载组合系数，nikQiQikQkGkQiCQCGCS211第二章结构设计方法2.4结构设计方法结构抗力标准值Rk)(0，，，，，hbAffRRsskckkfck、fsk分别为混凝土和钢筋的强度标准值，截面尺寸b、h0和配筋As取设计值。Rk的具体表达形式是本课程的主要内容。f(S)SSkf(R)RRk第二章结构设计方法2.5结构设计方法Skf(S)，f(R)S，RRk实用设计表达式第二章结构设计方法2.5结构设计方法实用设计表达式Skf(S)，f(R)S，RRk第二章结构设计方法2.5结构设计方法实用设计表达式Skf(S)，f(R)S，RRk