3.建筑结构课件第3章建筑结构设计准则和设计方法_(新修订)

主讲丰振俭建筑结构3第3章建筑结构的设计准则和设计方法P17-31基础知识构架随时间的变异作用永久作用可变作用偶然作用作用效应效应组合基本组合标准組合频遇组合准永久组合永久作用.可变作用设计状况.极限状态建筑结构.构件可靠性安全性适用性耐久性可靠度失效概率Pf可靠指标β目标可靠指标[β]分项系数表达式概率论极限状态概念设现有结构是安全的多大才安全？校准法简化简化安全等级设计基准期设计使用年限本章提要我国现行的建筑结构设计方法是：以概率理论为基础的极限状态设计方法，以可靠指标β度量结构和构件的可靠性，采用分项系数表达式进行设计。因此，本章内容围绕结构设计的总目标，对结构的功能要求、结构上的作用、荷载代表值、作用效应及结构抗力,结构可靠度理论和极限状态设计方法,满足可靠度要求的材料强度分项系数及荷载分项系数等均提出了明确的要求，得岀以概率理论为基础的两种极限状态实用设计表达式，并以此作为结构设计的依据。提示:构造措施与理论计算同等重要;构造措施是理论计算的前提:计算简图　构造理论计算。能力目标:l掌握结构功能要求、极限状态以及可靠度的基本概念；l理解结构上的作用、作用效应和结构抗力的概念；l掌握荷载的取值方法；l理解按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行结构设计的实用表达式；抓住思路:结构的可靠性可靠度可靠指标目标可靠指标分项系数实用设计表达式构造措施l理解地震的基本概念、建筑结构抗震设防的相关概念及要求。此部分后述.3.1结构设计方法的发展3.2极限状态设计法的基本概念3.3结构可靠度的基本概念3.5混凝土结构耐久性设计简介3.4极限状态设计实用表达式3.6混凝土结构防连续倒塌设计结构设计预定的作用+材料性能功能要求截面形状和尺寸、配筋及构造要求矛盾安全可靠经济合理最佳平衡u结构设计的核心心任务就是实现结构的可靠性与经济性的最佳平衡。3.1结构设计方法的发展1.经验承载力法：《营造法式》2.容许应力法3.破损阶段法4.极限状态设计法5.以概率论为基础的极限状态设计法非定值设计法以概率理论为基础的极限状态设计方法，以可靠指标β度量结构和构件的可靠性，采用分项系数表达式进行设计。定值设计法，以经验为主的安全系数来度量结构的可靠度2.容许应力法•在规定的标准荷载下，按弹性理论计算得到的构件截面任一点的应力不大于容许应力值•σ≤[σ]=f/K•f—结构材料的极限应力(强度)，由实验而定；•K—安全系数，根据工程经验主观判断•优点：简单实用,把所有影响结构安全的不利因素用K1表示。•缺点：缺乏明确的结构可靠度概念，没有反映材料的塑性特征，•计算结果偏于保守。3.破损阶段法•20世纪30年代由前苏联学者首先考虑砼塑性特征的破坏阶段计算方法。•kS≤R•R---考虑材料塑性性能的整个截面的极限承载力，由试得出的经验公式计算；•S---最不利荷载产生的最大内力效应；•k---安全系数，由经验确定；•优点:反映了材料的塑性特征；单一安全系数，简单实用；•缺点：缺乏明确的结构可靠度概念，没有考虑正常使用条件；4.极限状态设计法•20世纪50年代由前苏联学者提出，是破损阶段法的延伸。•fck，fsk---材料强度标准值，根据大量试验数据统计后，按一定保证率确定的下限分位值，反映材料的变异性；•q---根据各种荷载的实测统计资料，按一定保证率的上限分位值；•As,b---截面几何尺寸；•优点：材料和荷载由统计方法确定，采用不同的分项系数；•缺点：没有整体考虑可靠度；，b)，Ak/，fk/f(R)qk(Sssskcckikqi5.以概率论为基础的极限状态设计法l水准I---半概率法以荷载和抗力作为基本量，没有整体可靠度概念；l水准II---近似概率法，非定值设计法；用概率论和数理统计给可靠度下定义，建立可靠度和极限方程的关系；l水准III---全概率设计法结构的各种基本变量采用随机变量和随机过程，整个结构进行概率分析。Ø我国现行的建筑结构设计方法是：以概率理论为基础的极限状态设计方法水准II，以可靠指标β度量结构和构件的可靠性，采用分项系数表达式进行设计。3.2极限状态设计法的基本概念一.结构的功能u建筑结构在规定的设计使用年限内应满足安全性、适用性和耐久性三项功能要求。u结构的安全性、适用性和耐久性是结构可靠的标志,总称为结构的可靠性。u结构可靠性的定义是:结构在规定时间内，在规定条件下，完成预定功能的能力。Ø安全性---表示结构抵御各种作用的能力•指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.外加变形(如超靜定结构支座不均匀沉降).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（如强烈地震、爆炸、车辆撞击等）发生时和发生后，结构应能保持整体稳定性，不能发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。如M≤Mu　　一.结构的功能Ø适用性---以人为主观的适宜的工作性能指结构在正常使用期间,具有良好的工作性能。例如，不发生影响正常使用的过大变形(挠度.侧移)或振动(频率.振幅)；不会产生让使用者感到不安的过大的裂缝等。如fmax≤[f]Ø耐久性---结构抵御性能劣化的能力指结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。即在各种因素影响下(如砼碳化.钢筋锈蝕),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内丧失安全性和适用性,降低使用寿命。如Wmax≤[Wmax]二.结构的极限状态　结构能满足功能要求，称结构“可靠”或“有效”，否则称结构“不可靠”或“失效”。划分结构工作状态“可靠”与“失效”的界限是“极限状态”。满足上述各项功能要求状态---可靠状态临界状态极限状态不满足上述各项功能要求状态---失效状态1.结构极限状态的定义：整个结构或结构的一部份，超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能（安全性、适用性、耐久性）要求，该特定状态称为该功能的极限状态。2.结构极限状态分类：(1).承载能力极限状态:这种极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。承载能力极限状态主要考虑关于结构安全性的功能。超过这一状态，便不能满足安全性的功能。当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态：•1）结构构件或连接因超过材料强度而破坏，或因过度变形而不适于继续承载。•2）整个结构或其一部分作为刚体失去平衡。•3）结构转变为机动体系。•4）结构或结构构件丧失稳定。•5）结构因局部破坏而发生连续倒塌。•6）地基丧失承载力而破坏。•7）结构或结构构件的疲劳破坏。结构或结构构件一旦超过承载能力极限状态，将造成结构全部或部分破坏或倒塌，导致人员伤亡或重大经济损失，因此，在设计中对所有结构和构件都必须按承载力极限状态进行计算，并保证具有较高的可靠度。(2).正常使用极限状态　　正常使用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。超过这一状态，便不能满足适用性或耐久性的功能。当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态:1）影响正常使用或外观的变形。2）影响正常使用或耐久性能的局部损坏。3）影响正常使用的振动。4）影响正常使用的其他特定状态。虽然超过正常使用极限状态的后果一般不如超过承载能力极限状态那样严重，但也不可忽视。例如过大的变形会造成房屋内粉刷层剥落，门窗变形，屋面积水等后果；水池和油罐等结构开裂会引起渗漏等等。　　工程设计时，一般先按承载力极限状态设计结构构件，再按正常使用极限状态验算。正常使用极限状态可靠度可较低。A、雨棚出现倾覆B、出现了很大的裂缝C、结构变成了机动体系D、发生了失稳破坏E、出现了很大的振动F、超过了构件强度而破坏属于什么极限状态破坏？2009年上海楼倒倒特大安全事故3.2极限状态设计法的基本概念设计准则和方法承载能力极限状态(必作)正常使用极限状态设计方法设计方法寻求结构的可靠性与经济性的最佳平衡点v但在各种随机因素的影响下，结构完成预定功能的能力不能事先确定，只能用概率来描述。为此，我们引入结构可靠度的概念，即结构在规定时间内，在规定条件下，完成预定功能的概率。在这里，规定时间指设计使用年限；规定条件指正常设计、正常施工、正常使用和正常维护，不包括错误设计、错误施工和违反原来规定的使用情况；预定功能指结构的安全性、适用性和耐久性。v结构的可靠度是结构可靠性的概率度量，即对结构可靠性的定量描述。引入可靠指标，进而建立可靠指标与失效概率一一对应关系，再将可靠指标转化为分项系数，得到两种极限状态实用设计表达式。3.2极限状态设计法的基本概念1.结构上的作用和抗力u作用Q:使结构产生内力或变形的各种原因,一般用Q表示。分直接作用和间接作用两种。1).直接作用：通常称为荷载。指施加在结构上的集中力或分布力，如结构自重、楼（屋）面活荷载、风荷载等。2).间接作用：指能够引起结构外加变形或约束变形的原因，如温度变化、混凝土收缩与徐变、地基变形、地震等原因引起的作用。间接作用不仅与外界因素有关，还与结构本身的特性有关。例如，地震对结构物的作用，不仅与地震加速度有关，还与结构自身的动力特性有关，所以不能把地震作用称为“地震荷载”。三.结构的功能函数和极限状态方程u作用效应S：指由各种作用引起的结构或构件的反应,如內力(弯矩、剪力、轴向力、扭矩）.变形和裂缝等，用Ｓ表示。作用是随机变量,作用效应也是随机变量。根据结构构件的连接方式.跨度.截面几何特性以及结构上的作用,可以用结构力学方法计算出作用效应。一般结构上的荷载效应Ｓ与荷载Q之间可近似按线性关系考虑，即Ｓ＝S(Q)=CQ；结构力学任务C为荷载效应系数，例如对承受均布荷载作用的简支梁跨中弯矩M=1/8ql2,则C=。作用和作用效应是一种因果关系,故作用效应也具有随机性。201/8lu结构抗力R：指结构或构件承受作用效应的能力，用R表示。例如，构件的承载能力、刚度、抗裂度等。结构抗力也是随机变量。影响结构抗力的因素：结构的材料性能、几何参数、配筋情况和抗力的计算假定、计算公式等。通常，结构抗力主要取决于几何参数和材料性能。一旦材料.截面及尺寸确定,抗力即确定,为构件固有。R=R(fc,fy,h0,As...)---本课程的任务材料强度标准值：材料性能的基本代表值。一般取符合规定质量的具有不小于95%保证率的材料强度下分位值作为材料强度标准值，即fk­=fm（1－1.645δf）式中fk­——材料强度标准值；fm——材料强度平均值；δf——材料强度变异系数，δf=σf/fm；σf——材料强度标准差。u钢筋强度标准值取钢材质量控制标准的废品限值。因废品限值具有97.73%的保证率，已满足保证率不小于95%的要求。普通钢筋的屈服强度标准值fyk.极限强度标准值fstk按附表５采用；预应力钢丝、预应力螺纹钢筋和钢绞线的屈服强度标准值fpyk、极限强度标准值fptk按附表８采用。混凝土立方体抗压强度标准值fcu,k的保证率是95%，即fcu,k=fcu,m（1－1.645δf）式中fcu,m——混凝土立方体抗压强度平均值；δf——混凝土立方体抗压强度变异系数，对C40级以下的混凝土δf=0.12；对C60级，δf=0.10；对C80级，δf=0.08。《规范》给出各级混凝土轴心抗压强度标准值fck和轴心抗拉强度标准值ftk见附表2。结构上的作用、作用效应和结构抗力逻辑关系作用永久荷载(如自重)可变荷载直接作用(如风载.雪载)(荷载)　内力偶然荷载　变形(如撞击力.爆炸力)结构效应S裂缝　振动地基变形抗力R-砼收缩.徐变　-地震间接作用　---S≤R结构安全可靠2.结构设计问题的不确定性在各种随机因素的影响下，结构完成预定功能的能力不能事先确定，只能用概率来描述。如右图受均布载g+q(g+q)作用的简支梁S:M=1/8(g+q)L2；恒载g、活载q、构件尺寸等都有变异性；R:Mu=材料强度fcfy具有离散性，rd也是随机的；既使M≤Mu,结构不一定绝对安全可靠！)bfAf5.0h(Afr1csy0syd3.结构的功能函数和极限状态方程结构的工作性