第二章：混凝土結構設計方法

1、給水排水工程結構給水排水工程結構第 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫 助助下一下一章章第第 2 章章 混凝土結構設計方法混凝土結構設計方法（Design Method of Concrete Structure） 給水排水工程結構給水排水工程結構第 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫 助助下一下一章章本章重點本章重點 了解結構上的作用、作用效應和結構抗力了解結構上的作用、作用效應和結構抗力的概念及其隨機特性；的概念及其隨機特性； 了解了解混凝土結構設計方法的理論基礎混凝土結構設計方法的理論基礎 可靠度理論；可靠度理論； 掌握掌握我國規(guī)范的設計方法我國規(guī)范的設計方法概率極限狀概

2、率極限狀 態(tài)設計法。態(tài)設計法。給水排水工程結構給水排水工程結構第 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫 助助下一下一章章2.1.1 結構上的作用（結構上的作用（action）1. 定義：定義：凡能使結構產(chǎn)生內(nèi)力、應力、位移、應變、凡能使結構產(chǎn)生內(nèi)力、應力、位移、應變、 裂縫的因素，都稱為結構上的作用。裂縫的因素，都稱為結構上的作用。 直接作用：荷載（集中荷載與分布荷載）；直接作用：荷載（集中荷載與分布荷載）；2. 分類：分類： 間接作用：溫度、收縮、徐變、地基不均勻沉降、間接作用：溫度、收縮、徐變、地基不均勻沉降、 地震等。地震等。2.1基本概念基本概念給水排水工程結構給水排水工程結構第

3、 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫 助助下一下一章章2.1.2 作用效應（作用效應（action effect）S 定義：定義：作用在結構上產(chǎn)生的反應，如內(nèi)力、應力、位作用在結構上產(chǎn)生的反應，如內(nèi)力、應力、位 移、應變、裂縫等，稱為作用效應。移、應變、裂縫等，稱為作用效應。2.1.3 結構抗力（結構抗力（structural resistance）R 定義：定義：結構抵抗作用效應的能力，稱為結構抗力結構抵抗作用效應的能力，稱為結構抗力。給水排水工程結構給水排水工程結構第 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫 助助下一下一章章2.2荷荷 載載2.2.1 荷載分類荷載分類永久荷載永

4、久荷載(恒載恒載)： 大小、方向、作用點不隨時間改變大小、方向、作用點不隨時間改變 （dead load） 的荷載為永久荷載，如自重、土壓的荷載為永久荷載，如自重、土壓 力、預應力等；力、預應力等；可變荷載可變荷載(活載活載) ： 大小、方向或作用點隨時間改變而大小、方向或作用點隨時間改變而 （live load） 變化的荷載為可變荷載，如樓面變化的荷載為可變荷載，如樓面 和屋面活載和屋面活載、風荷載、雪荷載、風荷載、雪荷載、 吊車荷載、車輛荷載等；吊車荷載、車輛荷載等； 偶然荷載：偶然荷載：結構使用期間可能不出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)，其作結構使用期間可能不出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)，其作 用時間短、效應大的荷載為

5、偶然荷載，如爆用時間短、效應大的荷載為偶然荷載，如爆 炸力，撞擊等。炸力，撞擊等。 load給水排水工程結構給水排水工程結構第 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫 助助下一下一章章2.2.2 荷載代表值荷載代表值( (representative values of load ) )1. 標準值標準值 由設計基準期內(nèi)最大荷載概率分布的某由設計基準期內(nèi)最大荷載概率分布的某(characteristic value) 一分位值確定的荷載值，是一分位值確定的荷載值，是永久荷載的永久荷載的 唯一代表值。唯一代表值。給水排水工程結構給水排水工程結構第 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫

6、助助下一下一章章2kN/m0 . 5 直升飛機坪：直升飛機坪： 樓面：樓面：2kN/m0 . 2 屋面：屋面：不上人屋面不上人屋面 上人屋面上人屋面 屋頂花園屋頂花園2kN/m5 . 02kN/m0 . 22kN/m0 . 3樓面和屋面荷載的標準值可查荷載規(guī)范得到。如：樓面和屋面荷載的標準值可查荷載規(guī)范得到。如：荷載規(guī)范中的荷載值不包括隔墻重量和二次裝修重量。荷載規(guī)范中的荷載值不包括隔墻重量和二次裝修重量。 給水排水工程結構給水排水工程結構第 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫 助助下一下一章章3. 頻遇值頻遇值結構上時而出現(xiàn)的較大值結構上時而出現(xiàn)的較大值,但小于標準但小于標準(fre

7、quency value) 值。計算裂縫變形時用。值。計算裂縫變形時用。頻遇值頻遇值 = f 標準值標準值 t/T0.14. 準永久值準永久值可變荷載中較穩(wěn)定的那一部分值。計可變荷載中較穩(wěn)定的那一部分值。計 (quasi-permanent value) 算裂縫變形時用算裂縫變形時用。準永久值準永久值 = q 標準值標準值 t/T=0.5（t為設計基準期內(nèi)荷載達到和超過該值的總持續(xù)時間，為設計基準期內(nèi)荷載達到和超過該值的總持續(xù)時間，T為設計基準期。為設計基準期。） 2. 組合值組合值 當有兩個或兩個以上可變荷載同時作用當有兩個或兩個以上可變荷載同時作用 (combination value)

8、時的代表值時的代表值 。組合值組合值 = c 標準值標準值 給水排水工程結構給水排水工程結構第 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫 助助下一下一章章2.2.3 荷載設計值荷載設計值( (design values of load ) )1. 荷載分項系數(shù)荷載分項系數(shù)（sub-item coefficient ） 為了調(diào)整由于各類荷載標準值的保證率不同而為了調(diào)整由于各類荷載標準值的保證率不同而造成結構的實際可靠度與目標可靠度的差異而優(yōu)選造成結構的實際可靠度與目標可靠度的差異而優(yōu)選確定確定。 1)1)永久荷載分項系數(shù)永久荷載分項系數(shù) 對結構不利時：對結構不利時： 可變荷載效應控制下可變荷載

9、效應控制下 1.21.2 永久荷載效應控制下永久荷載效應控制下 1.351.35 對結構有利時：對結構有利時： 一般情況下一般情況下 1.01.0 傾覆、滑移和抗浮驗算傾覆、滑移和抗浮驗算 0.90.9 2)2)可變可變荷載分項系數(shù)荷載分項系數(shù) 一般情況下取一般情況下取1.41.4 樓面活載樓面活載4kN/m2時，取時，取1.3 GQ給水排水工程結構給水排水工程結構第 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫 助助下一下一章章1. 荷載設計值荷載設計值 荷載分項系數(shù)荷載分項系數(shù)與荷載標準值的乘積，稱為荷載與荷載標準值的乘積，稱為荷載設計值。設計值。 kGGGkQQQ給水排水工程結構給水排水工

10、程結構第 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫 助助下一下一章章材料強度分標準值和設計值。材料強度分標準值和設計值。2.3.1 材料強度標準值材料強度標準值保證率：保證率：95 645. 1 f2.3材料強度材料強度 混凝土：混凝土： ，ckftkf 鋼筋：鋼筋： ，ykfykf給水排水工程結構給水排水工程結構第 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫 助助下一下一章章2.3.2 材料強度設計值材料強度設計值 混凝土：混凝土： , 鋼筋：鋼筋： ,cckc ff ctkt ff syky ff syky ff 建筑工程中：建筑工程中：式中：式中： 混凝土的材料分項系數(shù)，取混凝土的材料

11、分項系數(shù)，取1.4。 鋼筋的材料分項系數(shù)；對熱軋鋼筋取鋼筋的材料分項系數(shù)；對熱軋鋼筋取1.1， 對鋼絲、鋼絞線、熱處理鋼筋取對鋼絲、鋼絞線、熱處理鋼筋取1.2。 c s 給水排水工程結構給水排水工程結構第 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫 助助下一下一章章2.4結構的設計使用年限與安全等級結構的設計使用年限與安全等級2.4.1 結構的設計使用年限結構的設計使用年限類類別別結構類型結構類型結構的設計使用結構的設計使用年限（年）年限（年）臨時性結構臨時性結構5易于替換的結構構件易于替換的結構構件25普通房屋和構筑物普通房屋和構筑物50紀念性建筑和特別重要建筑紀念性建筑和特別重要建筑100

12、2.4.2 結構的安全等級結構的安全等級按結構的按結構的重要性重要性劃分劃分一級：一級：重要建筑重要建筑二級：二級：一般建筑一般建筑三級：三級：次要建筑次要建筑 給水排水工程結構給水排水工程結構第 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫 助助下一下一章章2.5.1 結構的可靠性結構的可靠性 安全性（安全性（security）、適用性（）、適用性（serviceability）、）、耐久性（耐久性（durability）。）。2.5.2 結構的可靠度結構的可靠度 指結構在指結構在規(guī)定時間規(guī)定時間內(nèi)、內(nèi)、規(guī)定條件規(guī)定條件下完成下完成預定功能預定功能的概率，是結構可靠性的概率度量。的概率，是結構

13、可靠性的概率度量。2.5結構的可靠度結構的可靠度Reliability of structure設計使用年限正常設計、施工、使用給水排水工程結構給水排水工程結構第 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫 助助下一下一章章2.5.3 結構結構功能函數(shù)功能函數(shù) = - 0 0，結構可靠；，結構可靠；= 0= 0，極限狀態(tài)。，極限狀態(tài)。0 0，結構失效；，結構失效；平均值zf (z)反彎點zpspr可靠概率失效概率Z0Z0失效 可靠標準差 正態(tài)分布給水排水工程結構給水排水工程結構第 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫 助助下一下一章章式中：式中： 結構抗力的平均值和標準差；結構抗力的平均

14、值和標準差； 作用效應的平均值和標準差。作用效應的平均值和標準差。RR 、ss 、現(xiàn)行設計方法以概率理論為基礎，用可靠指標度量，采現(xiàn)行設計方法以概率理論為基礎，用可靠指標度量，采用多個分項系數(shù)表達。設，則可靠指標為：用多個分項系數(shù)表達。設，則可靠指標為：zz 2s2RsRzz 2.5.4 結構的可靠指標結構的可靠指標 越大， Pf 越小 ，結構越可靠。工程中： 結構目標可靠指標給水排水工程結構給水排水工程結構第 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫 助助下一下一章章 按承載能力極限狀態(tài)設計時的按承載能力極限狀態(tài)設計時的 按正常使用極限狀態(tài)設計時的按正常使用極限狀態(tài)設計時的破壞類型破壞類型

15、安全等級安全等級一級一級二級二級三級三級塑性破壞塑性破壞3.73.22.7脆性破壞脆性破壞4.23.73.2根據(jù)其可逆程度可取根據(jù)其可逆程度可取0 1.5。根據(jù)可逆極限狀態(tài)和不可逆極限狀態(tài)而定。根據(jù)可逆極限狀態(tài)和不可逆極限狀態(tài)而定。給水排水工程結構給水排水工程結構第 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫 助助下一下一章章定義：定義：整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足 設計指定的某一功能要求，這個特定的狀態(tài)稱之為該功設計指定的某一功能要求，這個特定的狀態(tài)稱之為該功 能的能的極限狀態(tài)極限狀態(tài)。 承載能力極限狀態(tài)（承載能力極限狀態(tài)（

16、load capacity limit states） 超過該極限狀態(tài)時結構將發(fā)生破壞、倒塌或失穩(wěn)等現(xiàn)象，超過該極限狀態(tài)時結構將發(fā)生破壞、倒塌或失穩(wěn)等現(xiàn)象，不滿足安全性功能要求。不滿足安全性功能要求。2.6.1 結構極限狀態(tài)的分類結構極限狀態(tài)的分類 （limit stateslimit states） 正常使用極限狀態(tài)（正常使用極限狀態(tài)（serviceable limit states） 超過這一極限狀態(tài)時結構將出現(xiàn)過大的變形，開裂或過超過這一極限狀態(tài)時結構將出現(xiàn)過大的變形，開裂或過寬的裂縫，鋼筋嚴重銹蝕，混凝土腐蝕、風化、剝落等現(xiàn)象寬的裂縫，鋼筋嚴重銹蝕，混凝土腐蝕、風化、剝落等現(xiàn)象,不能滿

17、足適用性和耐久性功能要求。不能滿足適用性和耐久性功能要求。2.6結構的極限狀態(tài)設計法結構的極限狀態(tài)設計法給水排水工程結構給水排水工程結構第 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫 助助下一下一章章極限狀態(tài)設計表達式極限狀態(tài)設計表達式 采用基本變量的標準值和分項系數(shù)進行結構采用基本變量的標準值和分項系數(shù)進行結構設計。設計。 各種分項系數(shù)是以結構可靠度的概率分析為基各種分項系數(shù)是以結構可靠度的概率分析為基礎，經(jīng)優(yōu)選確定的，它們隱含著設計可靠指標礎，經(jīng)優(yōu)選確定的，它們隱含著設計可靠指標的要求。的要求。給水排水工程結構給水排水工程結構第 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫 助助下一下一章章

18、2.6.2 承載能力極限狀態(tài)設計承載能力極限狀態(tài)設計表達式表達式 RS 0 結構重要性系數(shù)；結構重要性系數(shù)； 安全等級為一級或使用年限為安全等級為一級或使用年限為100年時，年時， 安全等級為二級或使用年限為安全等級為二級或使用年限為50年時，年時， 安全等級為三級或使用年限為安全等級為三級或使用年限為5年時，年時， 荷載效應組合的設計值，用基本組合或偶荷載效應組合的設計值，用基本組合或偶 然組合；然組合； 結構構件抗力設計值。結構構件抗力設計值。0 1 . 10 0 . 10 9 . 00 SRn 計算公式計算公式給水排水工程結構給水排水工程結構第 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫

19、 助助下一下一章章 結構構件抗力設計值結構構件抗力設計值 構件承載力函數(shù)；構件承載力函數(shù)； 材料強度設計值；材料強度設計值； 幾何參數(shù)標準值。幾何參數(shù)標準值。 Rdd(,)RR f a ( )Rdfda給水排水工程結構給水排水工程結構第 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫 助助下一下一章章n 荷載效應組合設計值荷載效應組合設計值 一般結構構件：選下列計算中一般結構構件：選下列計算中較大較大者。者。 由可變荷載控制時由可變荷載控制時 由永久荷載控制時由永久荷載控制時 kQc2QQ1kQ1GkGiiniiSSSS kQc1QGkGiiniiSSS 1. 基本組合基本組合（持久和短暫設計狀況

20、）（持久和短暫設計狀況）給水排水工程結構給水排水工程結構第 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫 助助下一下一章章式中：式中： 恒載分項系數(shù)，當其效應對結構不利時，恒載分項系數(shù)，當其效應對結構不利時， 公式（公式（6）中的）中的 ，公式（，公式（7）中的）中的 ；當其效應對結構有利時，一般；當其效應對結構有利時，一般 情況下取情況下取1.0，驗算傾覆、滑移或漂浮時，驗算傾覆、滑移或漂浮時 取取0.9； 活載分項系數(shù)，一般情況下取活載分項系數(shù)，一般情況下取1.4，當活，當活 載標準值大于載標準值大于 的工業(yè)房屋樓面結的工業(yè)房屋樓面結 構取構取1.3； 恒載標準值所產(chǎn)生的內(nèi)力；恒載標準值所產(chǎn)

21、生的內(nèi)力； 活載標準值所產(chǎn)生的內(nèi)力，活載標準值所產(chǎn)生的內(nèi)力，i=1的活荷載的活荷載 為主導活荷載；為主導活荷載； 第第i個可變荷載的組合系數(shù)。個可變荷載的組合系數(shù)。2 . 1G 35. 1G 2kN/m4iQ G GkSkQiSci 給水排水工程結構給水排水工程結構第 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫 助助下一下一章章 一般排架、框架結構：選下列計算中一般排架、框架結構：選下列計算中較大較大者者 由可變荷載控制時由可變荷載控制時 由永久荷載控制時由永久荷載控制時 kQ1QGkGiniiSSS kQc1QGkGiiniiSSS 式中：式中： 簡化式中的荷載組合系數(shù)；一般情況下簡化式中的

22、荷載組合系數(shù)；一般情況下 取取 ，只有一個活荷載取，只有一個活荷載取 。 9 . 0 0 . 1 給水排水工程結構給水排水工程結構第 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫 助助下一下一章章 偶然荷載的代表值不乘分項系數(shù)；偶然荷載的代表值不乘分項系數(shù)；2. 偶然組合偶然組合（偶然設計狀況）（偶然設計狀況） 與偶然荷載同時出現(xiàn)的其它荷載采用適當?shù)拇碇?；與偶然荷載同時出現(xiàn)的其它荷載采用適當?shù)拇碇担?各種情況下荷載效應的設計值公式由有關規(guī)范另定。各種情況下荷載效應的設計值公式由有關規(guī)范另定。給水排水工程結構給水排水工程結構第 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫 助助下一下一章章2.6

23、.3 正常使用極限狀態(tài)的設計方法正常使用極限狀態(tài)的設計方法 結構或構件超過正常使用極限狀態(tài)時所造成的財產(chǎn)和生命損失要小于超過承載力極限狀態(tài)的后果，故其可靠度指標要低一些。在荷載效應及結構抗力計算中均采用標準值。標準值。 結構或構件在持荷作用下，其裂縫和變形會隨時間的推移而發(fā)展，因此討論其荷載組合時應考慮標準組合并考慮長期作用的影響標準組合并考慮長期作用的影響。給水排水工程結構給水排水工程結構第 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫 助助下一下一章章n 設計方法設計方法 CS 式中：式中： 正常使用極限狀態(tài)下荷載效應組合值正常使用極限狀態(tài)下荷載效應組合值; 達正常使用要求時的變形、裂縫、應

24、力達正常使用要求時的變形、裂縫、應力 等的限值；等的限值；SC給水排水工程結構給水排水工程結構第 2 章主主 頁頁目目 錄錄上一章上一章幫幫 助助下一下一章章n 荷載效應組合值荷載效應組合值1. 標準組合：標準組合：主要用于當一個極限狀態(tài)被超越時將主要用于當一個極限狀態(tài)被超越時將產(chǎn)生嚴重的永久性損壞的情況。產(chǎn)生嚴重的永久性損壞的情況。2. 頻遇組合：頻遇組合：主要用于當一個極限狀態(tài)被超越時將主要用于當一個極限狀態(tài)被超越時將產(chǎn)生局部損壞、較大變形或短暫震動等的情況。產(chǎn)生局部損壞、較大變形或短暫震動等的情況。3. 準永久組合：準永久組合：主要用于當長期效應是決定性因素主要用于當長期效應是決定性因素的一些情況。的一些情況。 kQ2cQ1kGkiniiSSSS kQ2qQ1kf1