任务1-2-结构按极限状态设计的方法

项目一:基础知识1-1：课程介绍1-2：结构按照极限状态设计的方法1-3：钢筋混凝土结构的材料要求三、作用及作用代表值四、极限状态法设计计算原则1-2:结构按极限状态设计的方法一、结构功能和可靠性二、极限状态和设计状况一、结构可靠性的概念1.结构的功能要求结构设计的目的：使所设计的结构，在规定的时间内能够达到在具有足够可靠性的前提下，满足全部功能的要求。规定的时间：分析结构的可靠度时考虑各项基本变量与时间关系所取用的时间参数，通常称为设计基准期；一般桥梁结构的设计基准期为100年建筑结构的设计基准期为50年规定条件：正常施工、设计、使用，不考虑人为过失结构的设计基准期与使用寿命•设计基准期——考虑持久设计状况下各项基本变量与时间关系所采用的基准时间参数。•使用寿命——为结构或构件在正常维护条件下，不需要大修即可按其设计规定的目的正常使用的时间。•结构的使用年限超过设计基准期时，表明它的失效概率可能会增大，但不等于结构丧失所有要求功能甚至报废，通常使用寿命大于设计基准期。可靠性——结构在规定的时间（设计基准期）内，在规定的条件（结构设计时所确定的正常设计、正常施工和正常使用条件）下，完成预定功能的能力。可靠度——结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。2、结构的可靠性一、结构功能和可靠性安全性适用性耐久性结构的可靠性企业结构功能◎如（M≤Mu）◎结构在预定的使用期间内（设计基准期，一般为100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。1.安全性（Safety）◎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。2.适用性（Serviceability）◎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。3.耐久性（Durability）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”。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]二、极限状态和设计状况结构的极限状态承载能力极限状态正常使用极限状态概念对应情况概念对应情况三、结构的极限状态1．定义：当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态而不能满足设计规定的某一功能要求时，则此特定状态称为该结构的极限状态。结构的极限状态也是结构处于可靠状态与失效状态的临界状态。正常使用极限状态承载能力极限状态极限状态2、极限状态的分类欧洲混凝土协会国际预应力混凝土协会国际标准化组织我国的可靠度标准、各种规范承载能力极限状态——对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。承载能力极限状态结构构件或连接处因超过材料强度而破坏结构转变成机动体系整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（滑动、倒塌）结构或结构构件丧失稳定（柱的压曲失稳）4321正常使用极限状态——对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。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它特定状态正常使用极限状态设计状况持久状况（桥梁使用阶段）短暂状况（桥梁施工阶段）偶然状况承载能力极限状态设计正常使用极限状态设计承载能力极限状态设计必要时，正常使用极限状态设计仅作承载能力极限状态设计3.结构设计状况4.结构安全等级持久状况承载能力极限状态设计，应根据桥涵破坏时可能产生的后果的严重程度，按三个安全等级进行设计。公路桥涵结构的设计安全等级安全等级桥涵类型结构重要性系数一级特大桥、重要大桥1.1二级大桥、中桥、重要小桥1.0三级小桥、涵洞0.9桥梁涵洞分类桥涵分类多孔跨径总长L（m）单孔跨径LK（m）特大桥＞1000＞150大桥100L100040LK150中侨30L10020LK40小桥8L305LK20涵洞LK5三、作用及作用代表值分类概念永久作用偶然作用可变作用作用概念效应概念代表值标准值准永久值频遇值作用及作用效应一、作用的概念：使结构产生内力或变形的原因，分直接作用和间接作用两种。直接作用：是指施加在结构上的集中力或分布力，即荷载。间接作用：是指引起结构外加变形或约束变形的原因（混凝土收缩、温度变化、基础差异沉降、地震等）。作用及作用代表值（按随时间的变异性可分为三类）1.永久作用：在结构使用期间，其量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用。二、作用的分类：如结构自重、土压力、预应力、地基沉降、水浮力等。2.可变作用：在结构使用期间，其量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。如楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、汽车荷载、温度变化等。3.偶然作用：在结构使用期间不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用。如爆炸力、撞击力、罕遇的地震等。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、频遇值。1.作用标准值：将荷载视为随机变量，采用数理统计的方法加以处理而得到的具有一定概率的最大荷载值。◎确定方法：a.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；b.可变荷载（按照《桥规》规定采用）。2.作用代表值（2）作用准永久值：按正常使用极限状态长期效应组合设计时，可变作用的一种代表值。准永久值的大小为可变作用的标准值乘以准永久值系数。（3）作用频遇值：按正常使用极限状态短期效应组合设计时，可变作用的一种代表值。频遇值的大小为可变作用的标准值乘以频遇值系数。（4）作用效应设计值：作用标准值效应与作用分项系数的乘积。（1）永久作用：采用标准值作为代表值。（2）可变作用：承载能力极限状态设计及按弹性阶段计算结构强度时应采用标准值作为可变作用的代表值。正常使用极限状态按短期效应组合设计时，应采用频遇值作为其代表值；按长期效应组合设计时，应采用准永久值作为其代表值。（3）偶然作用：取其标准值作为代表值。3.作用代表值的选用提出任务：钢筋混凝土简支梁桥主梁在结构重力、汽车荷载和人群荷载作用下，分别得到在主梁的跨径处截面的弯矩标准值为：结构重力产生的弯矩MGK=552kN.m；汽车荷载弯矩MQ1K=459.7kN.m（已计入冲击系数）；人群荷载弯矩MQ2k=40.6kN.m。进行设计时的作用效应组合计算。复习、结构可靠性的概念1.结构的功能要求结构设计的目的：使所设计的结构，在规定的时间内能够达到在具有足够可靠性的前提下，满足全部功能的要求。规定的时间：分析结构的可靠度时考虑各项基本变量与时间关系所取用的时间参数，通常称为设计基准期；一般桥梁结构的设计基准期为100年建筑结构的设计基准期为50年规定条件：正常施工、设计、使用，不考虑人为过失复习、结构功能和可靠性安全性适用性耐久性结构的可靠性企业结构功能结构的极限状态承载能力极限状态正常使用极限状态概念对应情况概念对应情况三、作用及作用代表值分类概念永久作用偶然作用可变作用作用概念效应概念代表值标准值准永久值频遇值作用及作用效应四、极限状态设计计算原则◎基本组合：永久作用设计值效应与可变作用设计值效应的组合。◎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的组合。（1）按承载能力极限状态设计上述各种作用不会在同样条件下同时出现在桥涵结构中，发生的几率也不同。因此，公路桥涵结构在设计计算时应考虑可能同时出现的作用，按照承载能力和正常使用极限状态组合，取最不利效应组合进行设计。1.作用效应组合或001112()mnudGiGikQQkcQjQjkijSSSS00112()mnudGidQdcQjdijSSSS结构重要性系数汽车荷载效应分项系数永久作用效应分项系数其他可变作用组合系数其他可变作用效应分项系数◎基本组合表达式：新的题目：钢筋混凝土梁的支点截面处，结构重力产生的剪力标准值VGK=187.01kN；汽车荷载产生的剪力标准值VQ1K=261.76kN，冲击系数（1+μ）=1.19；人群荷载产生的剪力标准值VQ2k=57.2kN；温度梯度作用产生的剪力标准值VQ2k=41.5kN。进行设计时的作用效应组合计算。正常使用极限状态时的效应组合短期组合，永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应的组合njQjkjmiGiksdSSS111Ssd—作用短期效应组合设计值；Ψ1j—第j个可变作用效应的频遇值系数；Ψ1jSQjk—第j个可变作用效应的频遇值正常使用极限状态时的效应组合长期组合，永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应的组合njQjkjmiGikldSSS121Sld—作用长期效应组合设计值Ψ2j—第j个可变作用效应的准永久值系数Ψ2jSQjk—第j个可变作用效应的准永久值2.承载能力极限状态设计计算原则0SR实用计算公式：物理意义：作用效应设计值不超过抗力的设计值。注意：汽车荷载应计入冲击力系数。3.正常使用极限状态设计计算原则采用作用的短期效应组合、长期效应组合或短期效应组合并考虑长期效应组合的影响，对构件的裂缝宽度和挠度进行验算，使各项计算值不超过规范规定的限值。注意：汽车荷载不计入冲击力系数。解决问题：1.承载能力极限状态设计时作用效应的基本组合mkNSSSMminjQjkQjckQQGikiGd.45.1351)6.404.180.07.4594.15522.1(0.1)(1211002.正常使用极限状态设计时作用效应组合（1）作用短期效应组合不计入冲击系数的汽车荷载弯矩标准值作用短期效应组合设计值为mkNMMMMMMkQkQGkminjQjkjGiksd.79.8626.400.198.3857.0552)21211111114597138598QKM./().kNm（2）作用长期效应组合mkNMMMMMMkQkQGkminjQjkjGikld.63.7226.404.098.3854.0552222121112138598QKM.kNm•作用长期效应组合设计值为:新的题目：钢筋混凝土梁的支点截面处，结构重力产生的剪力标准值VGK=187.01kN；汽车荷载产生的剪力标准值VQ1K=261.76kN，冲击系数（1+μ）=1.19；人群荷载产生的剪力标准值VQ2k=57.2kN；温度梯度作用产生的剪力标准值VQ2k=41.5kN。进行设计时的作用效应组合计算。本学习任务讲解完毕再见