混凝土結構設計的基本原則.ppt

學習目標,掌握極限狀態(tài)的基本概念； 了解結構可靠度的基本原理； 熟悉近似概率極限狀態(tài)設計法 在混凝土結構設計中的應用。,第三章 混凝土結構設計的基本原則,教學提示 首先應明確建筑結構可靠度設計統一 標準和建筑結構荷載規(guī)范是結構 設計宜遵守的基本原則。 本章應重點介紹結構上的作用、對結構 的功能要求、設計基準期、兩類極限狀 態(tài)以及極限狀態(tài)的實用設計表達式。,第三章 混凝土結構基本設計原則, 工程結構需要安全適用、經濟合理；這只有技術先進才能實現。 實際工程結構中存在多種不確定性； 工程結構的基本設計原則就是研究各種不確定性問題，實現可靠性與經濟性的最佳平衡。,一、作用的概念： 使結構產生內力或變形的原因，分直接作用和 間接作用兩種。 直接作用：是指施加在結構上的集中力或分布力， 即荷載。 間接作用：是指引起結構外加變形或約束變形的原 因（混凝土收縮、溫度變化、基礎差異 沉降、地震等）。,第三章 混凝土結構基本設計原則,3.1極限狀態(tài)和設計狀況 3.1.1結構上的作用,3.1極限狀態(tài)和設計狀況,（按隨時間的變異性可分為三類）,1、永久作用：在結構使用期間，其量值不隨時間變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計的作用。,二、作用的分類：,如結構自重、土壓力、預應力、地基沉降、焊接等。,第三章 混凝土結構基本設計原則,3.1極限狀態(tài)和設計狀況,第三章 混凝土結構基本設計原則,三、荷載標準值 是荷載的基本代表值，為設計基準期內最大荷載概率分布的某個分位值。 1、 永久荷載標準值：按設計尺寸與材料重力密度的乘積計算。一般相當于設計基準期內最大荷載概率分布的0.5分位值。 2、可變荷載標準值： 為設計基準期內最大荷載概率分布的某個分位值。 對于建筑結構，查荷載規(guī)范GB50009。 對于道橋結構，查公路橋涵通用規(guī)范JTG D60。,3.1極限狀態(tài)和設計狀況,3.1極限狀態(tài)和設計狀況,3.1.2 結構的功能 （包括安全性、適應性和耐久性）,一、 結構的安全等級,第三章 混凝土結構基本設計原則,根據結構破壞后果的影響程度分為三級。,建筑結構的安全等級,第三章 混凝土結構基本設計原則,橋梁結構的安全等級,3.1極限狀態(tài)和設計狀況,第三章 混凝土結構基本設計原則,1、結構的設計使用年限是指設計規(guī)定的結構或結構構件不需進行大修即可按其預定目的使用的時期。,2、結構的設計使用年限不同于實際壽命和設計基準期。,二、結構的設計使用年限和設計基準期,建筑結構設計使用年限分類,3.1極限狀態(tài)和設計狀況,3、設計基準期：指為確定可變作用及與時間有關的材料性能等取值而選用的時間參數。 建筑結構的設計基準期為50年。 橋梁結構的設計基準期為100年。,第三章 混凝土結構基本設計原則,3.1極限狀態(tài)和設計狀況,三、 結構的功能 （包括安全性、適應性和耐久性）,1、 安全性 結構在設計規(guī)定的使用年限內，能承受在正常施工和正常使用時可能出現的各種作用。在設計規(guī)定的偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性。,第三章 混凝土結構基本設計原則,設計使用年限：一般為50年。 各種作用：指荷載、外加變形和約束變形（如溫度和收縮變形受到約束時）； 偶然事件：如地震、爆炸、火災、撞擊等； 整體穩(wěn)定性：指建筑結構僅產生局部的損壞而不致發(fā)生連續(xù)倒塌。,結構在設計規(guī)定的使用年限內，在正常使用時具有良好的工作性能。 良好的工作性能：指不發(fā)生影響正常使用的過大的變形、振動，或產生讓使用者感到不安的過大的裂縫寬度等。,第三章 混凝土結構基本設計原則,2、 適用性,3、 耐久性 結構在設計規(guī)定的使用年限內，在正常維護下具有足夠的耐久性能。 耐久性能：指在各種因素（混凝土碳化、鋼筋銹蝕等）的影響下，結構的承載力和剛度不應隨時間有過大的降低，而降低使用壽命。,3.1極限狀態(tài)和設計狀況,第三章 混凝土結構基本設計原則,3.1極限狀態(tài)和設計狀況,（1）概念：承載能力極限狀態(tài)對應于結構或結構構件達到最大承載力或不適于繼續(xù)承載的變形。-安全性。,第三章 混凝土結構基本設計原則,1、承載能力極限狀態(tài) Ultimate Limit State,（2）標志 整個結構或結構的一部分作為剛體失去平衡。 結構構件或連接因超過材料強度而破壞（包括疲勞破壞）或因過度變形而不適于繼續(xù)承載。 結構轉變?yōu)闄C動體系（超靜定結構中出現足夠多塑性鉸）。 結構或結構構件喪失穩(wěn)定（如細長受壓構件的壓曲失穩(wěn)）。 地基喪失承載能力而破壞。,3.1極限狀態(tài)和設計狀況,（2）標志： 影響正常使用或外觀的變形； 影響正常使用或耐久性能的局部損壞（包括裂縫、鋼筋銹蝕、漏水等）； 影響正常使用的振動； 影響正常使用的其他特定狀態(tài)。,第三章 混凝土結構基本設計原則,2、正常使用極限狀態(tài) Serviceability Limit State,（1）概念：正常使用極限狀態(tài)對應于結構或結構構件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值。對應于結構的適應性和耐久性。,3.1極限狀態(tài)和設計狀況,第三章 混凝土結構基本設計原則,3.1.4 極限狀態(tài)方程,第三章 混凝土結構基本設計原則,二、極限狀態(tài)方程,Z=0 即 R-S0,3.1極限狀態(tài)和設計狀況,第三章 混凝土結構基本設計原則,3.1.5 工程結構的設計狀況,一、持久狀況：在結構使用過程中一定出現，且持續(xù)期與使用期為同一數量級的狀況。 應進行承載能力、正常使用極限狀態(tài)的設計,二、短暫狀況：在結構施工和使用過程中出現概率較大，而持續(xù)期較短的狀況。 一般只進行承載能力極限狀態(tài)計算，必要時才做正常使用極限狀態(tài)計算。,三、偶然狀況：在結構使用過程中出現概率很小，且持續(xù)期很短的狀況。 只進行承載能力極限狀態(tài)計算，不必考慮正常使用極限狀態(tài)計算。,3.1極限狀態(tài)和設計狀況,3.2 極限狀態(tài)設計法,一、可靠性 結構在設計規(guī)定的使用年限內，在規(guī)定的條件下（正常設計、正常施工、正常使用和維護），完成預定功能（安全性、適用性和耐久性）的能力。即是安全性、適用性和耐久性的總稱。,第三章 混凝土結構基本設計原則,3.2.1結構的可靠度,3.2 按近似概率的極限狀態(tài)設計法,一、 R和S的概率密度曲線-正態(tài)分布,可見，在多數情況下，RS。 但在重疊區(qū)（陰影段內）仍有可能出現RS是不可能的。,3.2.2 可靠指標與失效概率,第三章 混凝土結構基本設計原則,3.2 極限狀態(tài)設計法,二、 Z的概率密度曲線、失效概率、可靠指標,第三章 混凝土結構基本設計原則,失效概率,可見，Pf 越小， 越大,3.2 極限狀態(tài)設計法,第三章 混凝土結構基本設計原則,三、容許失效概率,四、失效概率pf與可靠指標的關系,當Pf 小于某個值時，人們不再擔心。該失效概率稱為容許失效概率Pf 。,3.2 極限狀態(tài)設計法,第三章 混凝土結構基本設計原則,五、建筑結構的目標可靠指標,六、橋梁結構的目標可靠指標,3.2 極限狀態(tài)設計法,3.3 實用設計表達式,第三章 混凝土結構基本設計原則,3.3.1 設計驗算點的確定、分項系數,3.3 實用設計表達式,第三章 混凝土結構基本設計原則,二、設計驗算點的確定,3.3 實用設計表達式,第三章 混凝土結構基本設計原則,二、設計驗算點的確定,3.3 實用設計表達式,第三章 混凝土結構基本設計原則,二、設計驗算點的確定,3.3 實用設計表達式,第三章 混凝土結構基本設計原則,二、設計驗算點的確定,3.3 實用設計表達式,第三章 混凝土結構基本設計原則,3.3.2 承載能力極限狀態(tài)設計表達式,一、結構重要性系數0,3.3 實用設計表達式,第三章 混凝土結構基本設計原則,基本組合-由可變荷載效應控制,基本組合-由永久荷載效應控制,三、建規(guī)-承載能力極限狀態(tài)的 荷載效應組合設計值S,3.3 實用設計表達式,第三章 混凝土結構基本設計原則,基本組合,四、橋規(guī)-承載能力極限狀態(tài)的 荷載效應組合設計值Sud,3.3 實用設計表達式,3.3.3 正常使用極限狀態(tài)設計表達式,第三章 混凝土結構基本設計原則,一、建規(guī)正常使用極限狀態(tài)設計表達式：,S C,2、S-正常使用極限狀態(tài)的荷載效應組合值,1、C-正常使用極限狀態(tài)所規(guī)定的變形、裂縫寬度和應力等的限值。具體見教材P322附表4-1和4-3,標準組合,3.3 實用設計表達式,第三章 混凝土結構基本設計原則,-分別為頻遇值系數和準永久系數。具體查JTG D60第4.1.7。,3.3 實用設計表達式,第三章 混凝土結構基本設計原則,第三章 混凝土結構基本設計原則,3.3.4、材料強度和荷載的取值,材料強度有實測值、標準值和設計值,一、材料強度,3.3 實用設計表達式,第三章 混凝土結構基本設計原則,3.3 實用設計表達式,第三章 混凝土結構基本設計原則,1、材料強度標準值 根據材料強度概率分布的某個分位值確定。 混凝土的分位值取0.05（即95%的保證率）； 鋼筋的分位值取0.0227（即97.73%的保證率）。,2、材料強度設計值 等于材料強度標準值除以材料分項系數。,第三章 混凝土結構基本設計原則,3、混凝土強度標準值,3.3 實用設計表達式,第三章 混凝土結構基本設計原則,4、混凝土強度設計值,3.3 實用設計表達式,第三章 混凝土結構基本設計原則,建規(guī),橋規(guī),5、鋼筋強度標準值、設計值,3.3 實用設計表達式,第三章 混凝土結構基本設計原則,1、荷載標準值前面已講,二、荷載,荷載也有實測值、標準值和設計值,2、荷載設計值,（1）概念：等于荷載代表值與荷載分項系數的乘積。,（2）荷載分項系數取值,3.3 實用設計表達式,（2）頻遇值結構上時而出現的較大作用值,但小于 標準值。,頻遇值 =頻遇值系數標準值,t/T 0.1,（1） 組合值當有兩個或兩個以上可變荷載同時作 用時的代表值 。,組合值=組合值系數標準值,第三章 混凝土結構基本設計原則,3.3 實用設計表達式,第三章 混凝土結構基本設計原則,建規(guī)G 、Qi 、Ci的取值,橋規(guī)見JTG D62第4.1.6條,3.3 實用設計表達式,小結,本章的主要內容 1、結構的功能：安全性、適用性和耐久性；可靠