第九章 結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和橋梁設(shè)計規(guī)范

1、2021-11-11李亞東：橋梁工程概論第九章1橋梁設(shè)計規(guī)范橋梁設(shè)計規(guī)范（簡稱橋規(guī)）是一種標準，而這個是一種標準，而這個標準是專門用來判別各具體橋梁是否安全和適用的標準是專門用來判別各具體橋梁是否安全和適用的橋規(guī)特點之一橋規(guī)特點之一并不是一成不變的，它需要隨著橋并不是一成不變的，它需要隨著橋梁設(shè)計與施工水平的提高而時常修訂梁設(shè)計與施工水平的提高而時常修訂本章內(nèi)容本章內(nèi)容o結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的演進結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的演進o極限狀態(tài)設(shè)計極限狀態(tài)設(shè)計o對橋規(guī)的特征和內(nèi)容對橋規(guī)的特征和內(nèi)容 2021-11-11李亞東：橋梁工程概論第九章2結(jié)構(gòu)的功能要求結(jié)構(gòu)的功能要求o能承受正常施工和使用時可能出現(xiàn)的各種荷載能承受

2、正常施工和使用時可能出現(xiàn)的各種荷載（安安全性全性）o在正常使用期間具有良好的工作性能在正常使用期間具有良好的工作性能（適用性適用性）o在使用期內(nèi)材料不發(fā)生嚴重的損傷在使用期內(nèi)材料不發(fā)生嚴重的損傷（材料耐久性材料耐久性）o在偶然事件發(fā)生時，能保持必要的穩(wěn)定性而不至于在偶然事件發(fā)生時，能保持必要的穩(wěn)定性而不至于徹底破壞徹底破壞（特殊安全性特殊安全性）o可靠性可靠性安全性，適用性，耐久性安全性，適用性，耐久性o可靠度可靠度衡量結(jié)構(gòu)可靠性的指標衡量結(jié)構(gòu)可靠性的指標 o安全性安全性與與安全度安全度 2021-11-11李亞東：橋梁工程概論第九章3結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本內(nèi)容結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本內(nèi)容o作用與作用效應(yīng)（結(jié)構(gòu)

3、分析）作用與作用效應(yīng)（結(jié)構(gòu)分析） o材料與抗力設(shè)計材料與抗力設(shè)計o結(jié)構(gòu)可靠性分析結(jié)構(gòu)可靠性分析 作用作用作用效應(yīng)作用效應(yīng)構(gòu)件抗力構(gòu)件抗力材料材料結(jié)構(gòu)可靠性分析結(jié)構(gòu)可靠性分析2021-11-11李亞東：橋梁工程概論第九章4基于試驗和經(jīng)驗的方法基于試驗和經(jīng)驗的方法o19世紀中葉之前，結(jié)構(gòu)分析方法還處于萌芽階段世紀中葉之前，結(jié)構(gòu)分析方法還處于萌芽階段 o可以回答構(gòu)件在破壞時的荷載安全系數(shù)可以回答構(gòu)件在破壞時的荷載安全系數(shù)K1，即，即 o由于歷史條件和認識上的局限，不可能采用試驗方由于歷史條件和認識上的局限，不可能采用試驗方法解決所有可能出現(xiàn)的問題法解決所有可能出現(xiàn)的問題 工作荷載破壞荷載1K2021

4、-11-11李亞東：橋梁工程概論第九章5容許應(yīng)力法容許應(yīng)力法o傳統(tǒng)設(shè)計方法（傳統(tǒng)設(shè)計方法（1826年提出），已沿用了年提出），已沿用了100余年余年o視材料為理想彈性體，用線彈性理論方法，算出結(jié)構(gòu)在荷載視材料為理想彈性體，用線彈性理論方法，算出結(jié)構(gòu)在荷載下的應(yīng)力，要求構(gòu)件截面上任一點的應(yīng)力下的應(yīng)力，要求構(gòu)件截面上任一點的應(yīng)力 ，不超過材料的容，不超過材料的容許應(yīng)力許應(yīng)力 ，即，即 ； = y / K ；或；或 = b / K ；安全系數(shù)；安全系數(shù)K 1 o容許應(yīng)力法為促進橋梁工程的發(fā)展作出了巨大貢獻容許應(yīng)力法為促進橋梁工程的發(fā)展作出了巨大貢獻 o基礎(chǔ)：結(jié)構(gòu)分析理論，材料及構(gòu)件試驗，荷載測試基礎(chǔ)

5、：結(jié)構(gòu)分析理論，材料及構(gòu)件試驗，荷載測試o三點不足：三點不足：l難以僅用容許應(yīng)力來防止橋梁其它破壞狀態(tài)的出現(xiàn)難以僅用容許應(yīng)力來防止橋梁其它破壞狀態(tài)的出現(xiàn) l用單一安全系數(shù)來考慮不同性質(zhì)的荷載是不合適的用單一安全系數(shù)來考慮不同性質(zhì)的荷載是不合適的 l安全系數(shù)主要是憑經(jīng)驗和判斷確定的安全系數(shù)主要是憑經(jīng)驗和判斷確定的 2021-11-11李亞東：橋梁工程概論第九章6破壞階段法破壞階段法o20世紀世紀30年代由前蘇聯(lián)學(xué)者提出年代由前蘇聯(lián)學(xué)者提出o設(shè)計原則結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到破壞階段時的設(shè)計承載能設(shè)計原則結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到破壞階段時的設(shè)計承載能力不低于荷載產(chǎn)生的構(gòu)件內(nèi)力力不低于荷載產(chǎn)生的構(gòu)件內(nèi)力S乘以安全系數(shù)乘以安全

6、系數(shù)K，即，即 KS Ro以截面內(nèi)力（而不是截面應(yīng)力）為考察對象以截面內(nèi)力（而不是截面應(yīng)力）為考察對象o憑計算確定荷載安全系數(shù)憑計算確定荷載安全系數(shù)o具有補充性質(zhì)，未能自成體系具有補充性質(zhì)，未能自成體系 2021-11-11李亞東：橋梁工程概論第九章7極限狀態(tài)的定義和分類極限狀態(tài)的定義和分類o定義定義（前蘇聯(lián)學(xué)者（前蘇聯(lián)學(xué)者50年代初提出）：若整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一年代初提出）：若整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)，就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要部分超過某一特定狀態(tài)，就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要求，則此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)求，則此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)o承載能力（或破壞）極限狀

7、態(tài)承載能力（或破壞）極限狀態(tài)l結(jié)構(gòu)或其一部分作為剛體失去平衡（傾覆、滑移）；結(jié)構(gòu)或其一部分作為剛體失去平衡（傾覆、滑移）； l構(gòu)件或其連接因材料強度不足而破壞（包括疲勞破壞），構(gòu)件或其連接因材料強度不足而破壞（包括疲勞破壞），或因過度的塑性變形而不適于繼續(xù)承載；或因過度的塑性變形而不適于繼續(xù)承載； l結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動機構(gòu)；結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動機構(gòu)； l結(jié)構(gòu)或其構(gòu)件喪失穩(wěn)定（壓潰）結(jié)構(gòu)或其構(gòu)件喪失穩(wěn)定（壓潰） 2021-11-11李亞東：橋梁工程概論第九章8極限狀態(tài)的定義和分類極限狀態(tài)的定義和分類o正常使用（或運營）極限狀態(tài)正常使用（或運營）極限狀態(tài)l影響正常使用或外觀的變形；影響正常使用或外觀的變形；

8、l影響正常使用或材料耐久性能的局部破壞（包括裂縫）；影響正常使用或材料耐久性能的局部破壞（包括裂縫）；l影響正常使用的振動；影響正常使用的振動；l影響正常使用的其它特定狀態(tài)影響正常使用的其它特定狀態(tài)o破壞破壞 安全極限狀態(tài)安全極限狀態(tài)l局部破壞轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系；局部破壞轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系；l局部破壞結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位（因材料強度超限）；局部破壞結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位（因材料強度超限）；l局部破壞結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，喪失彈性平衡的穩(wěn)定性，或作為剛體局部破壞結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，喪失彈性平衡的穩(wěn)定性，或作為剛體失穩(wěn)；失穩(wěn)；l局部破壞構(gòu)件的一部分或整體，喪失剛體平衡的穩(wěn)定性局部破壞構(gòu)件的一部分或整體，喪失剛體平衡的穩(wěn)定性2021-11

9、-11李亞東：橋梁工程概論第九章9極限狀態(tài)法的特點極限狀態(tài)法的特點o第一次明確提出結(jié)構(gòu)第一次明確提出結(jié)構(gòu)“極限狀態(tài)極限狀態(tài)”的概念，并規(guī)定了各種極的概念，并規(guī)定了各種極限狀態(tài)及其內(nèi)涵限狀態(tài)及其內(nèi)涵o將單一的安全系數(shù)轉(zhuǎn)化成多個（一般為將單一的安全系數(shù)轉(zhuǎn)化成多個（一般為3個）系數(shù)，分別用于個）系數(shù)，分別用于考慮荷載、荷載組合和材料等的不定性影響考慮荷載、荷載組合和材料等的不定性影響o在某些設(shè)計參數(shù)的取值上引入概率和統(tǒng)計數(shù)學(xué)的方法在某些設(shè)計參數(shù)的取值上引入概率和統(tǒng)計數(shù)學(xué)的方法o例子（公路橋規(guī)）例子（公路橋規(guī)） d L o只解決了容許應(yīng)力法的前兩點不足只解決了容許應(yīng)力法的前兩點不足SGQRRRdggb

10、dccss;2021-11-11李亞東：橋梁工程概論第九章10發(fā)展發(fā)展o20世紀世紀20 30年代，德國和前蘇聯(lián)學(xué)者就曾提出過將概率論用年代，德國和前蘇聯(lián)學(xué)者就曾提出過將概率論用于闡述結(jié)構(gòu)安全性的建議；于闡述結(jié)構(gòu)安全性的建議；40年代，美國學(xué)者提出了結(jié)構(gòu)失效年代，美國學(xué)者提出了結(jié)構(gòu)失效概率這一概念；概率這一概念；50年代，前蘇聯(lián)提出以極限狀態(tài)法為特征的結(jié)年代，前蘇聯(lián)提出以極限狀態(tài)法為特征的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范；構(gòu)設(shè)計規(guī)范；70年代，國際標準化組織（年代，國際標準化組織（ISO）和國際結(jié)構(gòu)安）和國際結(jié)構(gòu)安全度聯(lián)合委員會各自發(fā)表了旨在作為范本的基于結(jié)構(gòu)可靠性理全度聯(lián)合委員會各自發(fā)表了旨在作為范本的基于結(jié)構(gòu)

11、可靠性理論的設(shè)計原則；從論的設(shè)計原則；從70年代末起，世界上許多國家均采用結(jié)構(gòu)可年代末起，世界上許多國家均采用結(jié)構(gòu)可靠性理論來指導(dǎo)新一輪結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的修訂?？啃岳碚搧碇笇?dǎo)新一輪結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的修訂。o從從70年代后期起，我國土木工程界也逐步開始了結(jié)構(gòu)可靠性理年代后期起，我國土木工程界也逐步開始了結(jié)構(gòu)可靠性理論研究和設(shè)計規(guī)范修訂工作。論研究和設(shè)計規(guī)范修訂工作。1992年發(fā)布了年發(fā)布了工程結(jié)構(gòu)可靠度工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準設(shè)計統(tǒng)一標準o概率（極限狀態(tài)）設(shè)計法代表著結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的發(fā)展趨勢和當概率（極限狀態(tài)）設(shè)計法代表著結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的發(fā)展趨勢和當代水平。代水平。o三個層次工程結(jié)構(gòu)：第一層次；行業(yè)統(tǒng)一標

12、準：第二層次；三個層次工程結(jié)構(gòu)：第一層次；行業(yè)統(tǒng)一標準：第二層次；行業(yè)內(nèi)各具體標準：第三層次行業(yè)內(nèi)各具體標準：第三層次 2021-11-11李亞東：橋梁工程概論第九章11方法特征方法特征以極限狀態(tài)作為結(jié)構(gòu)的設(shè)計狀態(tài)，以概率論方法處理以極限狀態(tài)作為結(jié)構(gòu)的設(shè)計狀態(tài)，以概率論方法處理結(jié)構(gòu)的可靠性問題結(jié)構(gòu)的可靠性問題設(shè)計準則設(shè)計準則對于規(guī)定的極限狀態(tài)，荷載引起的荷載效應(yīng)大于抗力對于規(guī)定的極限狀態(tài)，荷載引起的荷載效應(yīng)大于抗力的概率（稱為失效概率的概率（稱為失效概率PF）不應(yīng)超過規(guī)定的限值）不應(yīng)超過規(guī)定的限值PF，即，即 PF 采用了統(tǒng)一的的指標（采用了統(tǒng)一的的指標（PF或或 ）來描述結(jié)構(gòu)的安全水平，具有

13、可）來描述結(jié)構(gòu)的安全水平，具有可比性，避免了容許應(yīng)力法的第比性，避免了容許應(yīng)力法的第3點不足點不足 目標可靠度指標目標可靠度指標 與社會的、經(jīng)濟的和技術(shù)的眾多因素有關(guān)，與社會的、經(jīng)濟的和技術(shù)的眾多因素有關(guān)，形式上或名義上的，不能看作是結(jié)構(gòu)真實的失效概率形式上或名義上的，不能看作是結(jié)構(gòu)真實的失效概率 2021-11-11李亞東：橋梁工程概論第九章12水準水準I半概率法半概率法。特點是：對某些參數(shù)的取值進行數(shù)理統(tǒng)計分。特點是：對某些參數(shù)的取值進行數(shù)理統(tǒng)計分析對結(jié)構(gòu)的可靠指標或可靠概率，還不能作出定量估計。簡單，析對結(jié)構(gòu)的可靠指標或可靠概率，還不能作出定量估計。簡單，實用，符合于工程習(xí)慣，容易在工程

14、界推廣實用，符合于工程習(xí)慣，容易在工程界推廣水準水準II近似概率法近似概率法。特點是：用結(jié)構(gòu)失效概率。特點是：用結(jié)構(gòu)失效概率PF或可靠度指或可靠度指標標 來度量結(jié)構(gòu)的可靠度，用數(shù)理統(tǒng)計方法確定各基本變量的概來度量結(jié)構(gòu)的可靠度，用數(shù)理統(tǒng)計方法確定各基本變量的概率分布及其參數(shù)；通過校準以確定目標可靠指標率分布及其參數(shù)；通過校準以確定目標可靠指標 ；因在可靠度；因在可靠度計算中引入了一些近似、假定和簡化，故稱之為近似概率法計算中引入了一些近似、假定和簡化，故稱之為近似概率法水準水準III全概率法全概率法。特點是：對基本變量采用隨機變量或隨機。特點是：對基本變量采用隨機變量或隨機過程描述，對全結(jié)構(gòu)都采

15、用精確的概率分析，求得結(jié)構(gòu)的最優(yōu)失過程描述，對全結(jié)構(gòu)都采用精確的概率分析，求得結(jié)構(gòu)的最優(yōu)失效概率作為可靠度的直接度量。限于對影響結(jié)構(gòu)可靠性的因素和效概率作為可靠度的直接度量。限于對影響結(jié)構(gòu)可靠性的因素和規(guī)律的掌握還不夠充分，對基本變量的統(tǒng)計信息掌握還不夠充足，規(guī)律的掌握還不夠充分，對基本變量的統(tǒng)計信息掌握還不夠充足，目前全概率法離實用還有相當距離，仍處于研究階段目前全概率法離實用還有相當距離，仍處于研究階段 2021-11-11李亞東：橋梁工程概論第九章13橋規(guī)的特點橋規(guī)的特點o具體性具體性，其，其內(nèi)容是與人的認識和經(jīng)驗分不開的內(nèi)容是與人的認識和經(jīng)驗分不開的o局限性局限性，適用范圍有限，適用范

16、圍有限o發(fā)展性發(fā)展性，隨著科技的進步和橋梁工程的發(fā)展，其內(nèi)，隨著科技的進步和橋梁工程的發(fā)展，其內(nèi)容也是在不斷發(fā)展和更新容也是在不斷發(fā)展和更新o成熟與精煉成熟與精煉，其條文是在總結(jié)已有成熟經(jīng)驗（包括，其條文是在總結(jié)已有成熟經(jīng)驗（包括理論和試驗成果）的基礎(chǔ)上，進行簡化并提煉出來理論和試驗成果）的基礎(chǔ)上，進行簡化并提煉出來的的o嚴肅性嚴肅性，一經(jīng)批準頒布執(zhí)行，就成為政府文件，必，一經(jīng)批準頒布執(zhí)行，就成為政府文件，必須嚴肅對待須嚴肅對待 2021-11-11李亞東：橋梁工程概論第九章14橋規(guī)的基本內(nèi)容橋規(guī)的基本內(nèi)容o荷載及荷載組合荷載及荷載組合o結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析方法結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析方法o材料和工藝材料和工藝o

17、桿件及連接的抗力桿件及連接的抗力o桿件及連接的驗算方法桿件及連接的驗算方法o構(gòu)造規(guī)定構(gòu)造規(guī)定o其他其他 2021-11-11李亞東：橋梁工程概論第九章15三次修訂三次修訂第一次修訂（第一次修訂（1971 74年）；第二次修訂年）；第二次修訂（1979 83年）；第三次修訂（從年）；第三次修訂（從1985年起）年起）內(nèi)容內(nèi)容1. 總則、總則、2. 橋涵布置、橋涵布置、3. 設(shè)計荷載、設(shè)計荷載、4. 鋼結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、5. 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、6. 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、7. 混凝土混凝土和石結(jié)構(gòu)、和石結(jié)構(gòu)、8. 墩臺、墩臺、9. 拱橋、拱橋、10. 涵洞、涵洞、11. 既

18、有線頂既有線頂進橋涵、進橋涵、12. 地基和基礎(chǔ)等十二章和地基和基礎(chǔ)等十二章和21個附錄組成個附錄組成 2021-11-11李亞東：橋梁工程概論第九章16在在70年代和年代和80年代有過兩次大的修訂工作年代有過兩次大的修訂工作5本規(guī)范（本規(guī)范（85 89年先后頒布執(zhí)行）組成的規(guī)范合訂本年先后頒布執(zhí)行）組成的規(guī)范合訂本o公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范（公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范（JTJ021-89） o公路磚石及混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范（公路磚石及混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范（JTJ022-85） o公路鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范公路鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范（JTJ023-85） o公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計

19、規(guī)范（公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（JTJ024-85） o公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范按概率極限狀態(tài)法修訂規(guī)范的工作仍在進行之中按概率極限狀態(tài)法修訂規(guī)范的工作仍在進行之中 2021-11-11李亞東：橋梁工程概論第九章17BS5400（鋼橋、混凝土橋及結(jié)合橋）是世界上有代表性的一本橋（鋼橋、混凝土橋及結(jié)合橋）是世界上有代表性的一本橋梁設(shè)計規(guī)范（半概率法），整套文件由下列各篇組成：梁設(shè)計規(guī)范（半概率法），整套文件由下列各篇組成：o第一篇第一篇 總則（總則（1978年公布）年公布）o第二篇第二篇 荷載規(guī)范（荷載規(guī)范（1978年公布）年公布）o第三篇第三篇 鋼橋設(shè)計實用規(guī)則（鋼橋設(shè)計實用規(guī)則（1982年公布）年公布）o第四篇第四篇 混凝土橋設(shè)計實用規(guī)則（混凝土橋設(shè)計實用規(guī)則（78年公布，年公布，84年第二版）年第二版）o第五篇第五篇 結(jié)合橋設(shè)計實用規(guī)則（結(jié)合橋設(shè)計實用規(guī)則（1979年公布）年公布）o第六篇第六篇 鋼材及工藝規(guī)范（鋼材及工藝規(guī)范（1980年公布）年公布）o第七篇第七篇 混凝土、鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋材料及工藝規(guī)范（混凝土、鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋材料及工藝規(guī)范（1978年年公布）公布）o第八篇第八篇 關(guān)于混凝土、鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋材料及工藝的意見關(guān)于混凝土、鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋材料及工藝的意見（1978年公布）年公布）o第九篇第九篇 橋梁支座（橋梁支座（1