結(jié)構(gòu)按極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)計(jì)算原則PPT課件

1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法: 由于結(jié)構(gòu)工程中的不確定性，為取得安全可靠與經(jīng)濟(jì)合理的均衡，在設(shè)計(jì)中需要考慮這些不確定性的影響。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法就是處理這種安全可靠與經(jīng)濟(jì)合理的矛盾。第1頁(yè)/共29頁(yè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能不是彈性的；結(jié)構(gòu)中一點(diǎn)達(dá)到容許應(yīng)力，結(jié)構(gòu)即認(rèn)為失效；沒有考慮結(jié)構(gòu)功能的多樣性要求；安全系數(shù)是憑經(jīng)驗(yàn)確定的，缺乏科學(xué)依據(jù)。 容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法:kf第2頁(yè)/共29頁(yè)按近似概率的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法: 由于結(jié)構(gòu)抗力和荷載效應(yīng)的隨機(jī)性，安全可靠應(yīng)該屬于概率的范疇，應(yīng)當(dāng)用結(jié)構(gòu)完成其預(yù)定功能的可能性（概率）的大小來衡量，而不是一個(gè)定值來衡量。材料強(qiáng)度 fy 和 fc 的離散截面尺寸h0和 b 的施工誤差應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

2、參數(shù) k1 和 k2uMM 不一定安全（可靠）第3頁(yè)/共29頁(yè)結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)法結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)法：把影響結(jié)構(gòu)可靠性的各種：把影響結(jié)構(gòu)可靠性的各種因素視為隨機(jī)變量，以大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料和試因素視為隨機(jī)變量，以大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料和試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)的方法，尋求各驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)的方法，尋求各變量的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，確定結(jié)構(gòu)的失效概率（或可變量的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，確定結(jié)構(gòu)的失效概率（或可靠度）來度量結(jié)構(gòu)的可靠性?？慷龋﹣矶攘拷Y(jié)構(gòu)的可靠性。 把可靠度設(shè)計(jì)方法運(yùn)用于結(jié)構(gòu)的極限狀把可靠度設(shè)計(jì)方法運(yùn)用于結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)，稱為概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，按精確度不同態(tài)，稱為概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，按精確度不同分為三個(gè)水準(zhǔn)：分

3、為三個(gè)水準(zhǔn)：水準(zhǔn)I半概率設(shè)計(jì)法：水準(zhǔn)II近似概率設(shè)計(jì)法：水準(zhǔn)II全概率設(shè)計(jì)法：第4頁(yè)/共29頁(yè)結(jié)構(gòu)的功能：安全性 （1） 結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期間內(nèi)（橋梁工程為100年），應(yīng)能承受在正常施工、正常使用情況下可能出現(xiàn)的各種荷載、外加變形（如超靜定結(jié)構(gòu)的支座不均勻沉降）、約束變形（如溫度和收縮變形受到約束時(shí)）等的作用。 （2）在偶然荷載和偶然事件（如地震、爆炸）發(fā)生時(shí)和發(fā)生后，結(jié)構(gòu)應(yīng)能保持整體穩(wěn)定性，不應(yīng)發(fā)生倒塌或連續(xù)破壞而造成生命財(cái)產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失。2.1 概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的基本概念第5頁(yè)/共29頁(yè)適用性 結(jié)構(gòu)在正常使用條件下，具有良好的工作性能。如不發(fā)生影響正常使用的過大的變形（撓度、側(cè)移）、振動(dòng)（

4、頻率、振幅），或產(chǎn)生讓使用者感到不安的過大的裂縫寬度。耐久性 結(jié)構(gòu)在正常使用和正常維護(hù)條件下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，具有足夠的耐久性。即在各種因素的影響下（混凝土碳化、鋼筋銹蝕），結(jié)構(gòu)的承載力和剛度不應(yīng)隨時(shí)間有過大的降低，而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在其預(yù)定使用期間內(nèi)喪失安全性和適用性，降低使用壽命，不出現(xiàn)過大的裂縫寬度，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部鋼筋的銹蝕。第6頁(yè)/共29頁(yè) 可靠性安全性、適用性和耐久性的總稱，可靠性的數(shù)量指標(biāo)即可靠度。結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)（設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期），在規(guī)定的條件下（正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用和維護(hù)），完成預(yù)定結(jié)構(gòu)功能的概率。結(jié)構(gòu)可靠性越高，建設(shè)造價(jià)投資越大。 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，考慮持久狀況時(shí)各項(xiàng)

5、基本變量（荷載、地基沉降等）與時(shí)間關(guān)系的時(shí)間參數(shù)。 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期不能等同于結(jié)構(gòu)的使用壽命。第7頁(yè)/共29頁(yè)2.1.2 2.1.2 結(jié)構(gòu)可靠度與極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)可靠度與極限狀態(tài) 結(jié)構(gòu)在使用期間的工作情況稱為結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)在使用期間的工作情況稱為結(jié)構(gòu)的工作狀工作狀態(tài)態(tài)。結(jié)構(gòu)能滿足各項(xiàng)功能要求而良好的工作，稱為。結(jié)構(gòu)能滿足各項(xiàng)功能要求而良好的工作，稱為結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)“可靠可靠”，反之稱為，反之稱為“失效失效”。 極限狀態(tài)：極限狀態(tài)：當(dāng)整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某當(dāng)整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)而不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求時(shí)，一特定狀態(tài)而不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求時(shí)，則此特定狀態(tài)稱為該功能的極限

6、狀態(tài)。則此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。第8頁(yè)/共29頁(yè)1、承載力能力極限狀態(tài) 定義：結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載力或不適于繼續(xù)承載的變形或變位的狀態(tài)。（1）結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接處因超過材料強(qiáng)度而破壞（包括疲勞破壞），或因塑性變形過大而不能繼續(xù)承載。（2）結(jié)構(gòu)整體或其中一部分作為剛體失去平衡（如傾覆、滑移）（3）結(jié)構(gòu)形成幾何可變體系（超靜定結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)足夠多塑性鉸）（4）結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如細(xì)長(zhǎng)受壓構(gòu)件的壓曲失穩(wěn)）第9頁(yè)/共29頁(yè)2、正常使用極限狀態(tài) 超過該極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不能滿足預(yù)定的適用性和耐久性的功能要求。（1）影響正常使用或外觀的過大的變形、側(cè)移（影響非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、不安全感、不能正常使用（吊車）

7、等）；（2）過大的裂縫（鋼筋銹蝕、不安全感、漏水等）；（3）過大的振動(dòng)（不舒適）；（4）影響正常使用的其他特定狀態(tài)。第10頁(yè)/共29頁(yè)3、“破壞安全”極限狀態(tài) 當(dāng)偶然事件發(fā)生時(shí)，要求結(jié)構(gòu)仍保持完整無損是不現(xiàn)實(shí)的，也是沒有必要和不經(jīng)濟(jì)的，只能要求結(jié)構(gòu)不致因此造成更嚴(yán)重的損失。第11頁(yè)/共29頁(yè)結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)表示：對(duì)應(yīng)的：Z=R-S0 時(shí)，結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；Z=R-S=0時(shí)，結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)；Z=R-S R)可靠概率frPP1第14頁(yè)/共29頁(yè) f(Z)zzPfZ = R - S結(jié)構(gòu)功能函數(shù) Z = R - SPf =P (S R) =P(Z 0)ZZfmP值2.73.23.74.2失效概率 Pf

8、3.510-36.910-41.110-41.310-5可靠指標(biāo)第15頁(yè)/共29頁(yè)2.1.4 可靠指標(biāo)的兩個(gè)常用公式極限狀態(tài)方程：Z = R S0可靠指標(biāo)：22SRsRZZmmm第16頁(yè)/共29頁(yè)2.1.5 目標(biāo)可靠指標(biāo)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)目標(biāo)可靠指標(biāo)：公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)的可靠指標(biāo)。 構(gòu)件破壞形式構(gòu)件破壞形式一級(jí)一級(jí) 二級(jí)二級(jí)三級(jí)三級(jí)延性破壞延性破壞4.74.74.24.23.73.7脆性破壞脆性破壞5.25.24.74.74.24.2延性破壞：結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞之前有明顯的變形或其它預(yù)兆；破壞歷時(shí)較長(zhǎng)。脆性破壞：結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞之前沒有明顯的變形或其它預(yù)兆；破壞在瞬間發(fā)生。第17頁(yè)/共29頁(yè)2.2 2.2

9、我國(guó)公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范（我國(guó)公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D62JTG D6220042004）的計(jì)算原則的計(jì)算原則2.2.1 2.2.1 三種設(shè)計(jì)狀況三種設(shè)計(jì)狀況 1 1 持久狀況持久狀況：橋涵建成后承受自重、車輛等作用時(shí)間：橋涵建成后承受自重、車輛等作用時(shí)間很長(zhǎng)的狀況。須進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)和正常使用進(jìn)行很長(zhǎng)的狀況。須進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)和正常使用進(jìn)行狀態(tài)的設(shè)計(jì)。狀態(tài)的設(shè)計(jì)。 2 2 短暫狀況短暫狀況：橋涵結(jié)構(gòu)在施工中承受臨時(shí)作用的狀況。：橋涵結(jié)構(gòu)在施工中承受臨時(shí)作用的狀況。一般只進(jìn)行承載能力進(jìn)行狀態(tài)設(shè)計(jì)，必要時(shí)進(jìn)行正常使一般只進(jìn)行承載能力進(jìn)行狀態(tài)設(shè)計(jì)，必要時(shí)進(jìn)行正常使用進(jìn)行狀態(tài)設(shè)計(jì)。用進(jìn)行狀態(tài)

10、設(shè)計(jì)。 3 3 偶然狀況偶然狀況：指橋梁可能承受的地震等作用的狀況。：指橋梁可能承受的地震等作用的狀況。偶然狀況的設(shè)計(jì)原則是：主要承重結(jié)構(gòu)不致因非主要承偶然狀況的設(shè)計(jì)原則是：主要承重結(jié)構(gòu)不致因非主要承重結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞而喪失承載能力；或允許主要承重結(jié)構(gòu)重結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞而喪失承載能力；或允許主要承重結(jié)構(gòu)發(fā)生局部破壞而剩余部分在一段時(shí)間內(nèi)不發(fā)生連續(xù)倒塌。發(fā)生局部破壞而剩余部分在一段時(shí)間內(nèi)不發(fā)生連續(xù)倒塌。第18頁(yè)/共29頁(yè)2.2.2 2.2.2 承載能力極限狀態(tài)計(jì)算表達(dá)式承載能力極限狀態(tài)計(jì)算表達(dá)式 公路橋涵承載能力極限狀態(tài)的計(jì)算公路橋涵承載能力極限狀態(tài)的計(jì)算以塑性理論為以塑性理論為基礎(chǔ)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)原

11、則是作用效應(yīng)的最不利組合（基本組合）是作用效應(yīng)的最不利組合（基本組合）的設(shè)計(jì)值必須小于或等于結(jié)構(gòu)抗力設(shè)計(jì)值。其基本表的設(shè)計(jì)值必須小于或等于結(jié)構(gòu)抗力設(shè)計(jì)值。其基本表達(dá)式為：達(dá)式為：安全等級(jí)安全等級(jí)破壞后果破壞后果橋涵類型橋涵類型結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)一級(jí)一級(jí)很嚴(yán)重很嚴(yán)重特大橋、重要大橋特大橋、重要大橋1.11.1二級(jí)二級(jí)嚴(yán)重嚴(yán)重大橋、中橋、重要小橋大橋、中橋、重要小橋1.01.0三級(jí)三級(jí)不嚴(yán)重不嚴(yán)重小橋、涵洞小橋、涵洞0.90.9 公路橋涵承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，為使橋涵具有合理的安全性，應(yīng)根據(jù)橋涵結(jié)構(gòu)破壞后所產(chǎn)生的后果的嚴(yán)重程度，劃分安全等級(jí)。RSd0第19頁(yè)/共29頁(yè)2.2.3 2.2

12、.3 正常使用極限狀態(tài)計(jì)算表達(dá)式：正常使用極限狀態(tài)計(jì)算表達(dá)式： 公路橋涵正常使用極限狀態(tài)是指橋涵及其構(gòu)件達(dá)到公路橋涵正常使用極限狀態(tài)是指橋涵及其構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性的某項(xiàng)限值的狀態(tài)。正常使用或耐久性的某項(xiàng)限值的狀態(tài)。1 1、持久狀態(tài)設(shè)計(jì)：、持久狀態(tài)設(shè)計(jì)： 以結(jié)構(gòu)彈性或彈塑性理論為基礎(chǔ)，采用荷載的短期以結(jié)構(gòu)彈性或彈塑性理論為基礎(chǔ)，采用荷載的短期效應(yīng)組合、長(zhǎng)期效應(yīng)組合或短期效應(yīng)組合并考慮長(zhǎng)期效效應(yīng)組合、長(zhǎng)期效應(yīng)組合或短期效應(yīng)組合并考慮長(zhǎng)期效應(yīng)組合的影響，對(duì)構(gòu)件的抗裂、裂縫寬度和撓度進(jìn)行驗(yàn)應(yīng)組合的影響，對(duì)構(gòu)件的抗裂、裂縫寬度和撓度進(jìn)行驗(yàn)算，并使各項(xiàng)計(jì)算值不超過算，并使各項(xiàng)計(jì)算值不超過公路橋規(guī)公路

13、橋規(guī)的限值。的限值。1CS 2、短暫狀況： 按短暫狀況設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算構(gòu)件在制作、運(yùn)輸及安裝等階段由構(gòu)件自重、施工荷載產(chǎn)生的應(yīng)力不超過規(guī)范規(guī)定的限值。2CS 第20頁(yè)/共29頁(yè)簡(jiǎn)支梁的各種極限狀態(tài)表達(dá)式結(jié)構(gòu)的功能結(jié)構(gòu)的功能表達(dá)式表達(dá)式承載能力極承載能力極限狀態(tài)限狀態(tài)安全性安全性受彎承載力受彎承載力受剪承載力受剪承載力正常使用極正常使用極限狀態(tài)限狀態(tài)適用性適用性撓度變形撓度變形耐久性耐久性裂縫寬度裂縫寬度udMM 0udVV 0 ffd wwd注： （1）正常使用極限狀態(tài)不計(jì)汽車荷載沖擊系數(shù)第21頁(yè)/共29頁(yè)2.3 材料強(qiáng)度的取值1、材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 ： 材料的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值是由標(biāo)準(zhǔn)試件按標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得的

14、，其保證率為95%的材料強(qiáng)度。2、材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：mkffkfm ：稱為材料性能分項(xiàng)系數(shù)，根據(jù)不同材料，進(jìn)行構(gòu)件分析的可靠指標(biāo)達(dá)到規(guī)定的目標(biāo)可靠指標(biāo)及工程經(jīng)驗(yàn)效準(zhǔn)來確定。2.3.2 混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值以及2.2.3鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值。 第22頁(yè)/共29頁(yè)2.4.1 公路橋涵結(jié)構(gòu)上的作用分類按作用時(shí)間的長(zhǎng)短和性質(zhì)，作用分為三類：1.永久荷載在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用期間，其量值不隨時(shí)間變化，或其變化值與平均值相比可以忽略不計(jì)，或其變化是單調(diào)的并能趨于限值的作用。2.可變荷載在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)其量值隨時(shí)間而變化，且其變化值與平均值相比較不可忽略的作用。3.偶然荷載在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)（出現(xiàn)的概率很小）

15、不一定出現(xiàn)，但一旦出現(xiàn)其值很大且作用時(shí)間很短的荷載。2.4 作用、作用的代表值和作用效應(yīng)的組合第23頁(yè)/共29頁(yè)編號(hào)編號(hào)作用分類作用分類作用名稱作用名稱1 1永久作用（恒載）永久作用（恒載）結(jié)構(gòu)重力結(jié)構(gòu)重力( (包括結(jié)構(gòu)附加重力包括結(jié)構(gòu)附加重力) )2 2預(yù)加力預(yù)加力3 3土的重力土的重力4 4土側(cè)壓力土側(cè)壓力5 5混凝土收縮及徐變作用混凝土收縮及徐變作用6 6水的浮力水的浮力7 7基礎(chǔ)變位作用基礎(chǔ)變位作用8 8可變作用可變作用汽車荷載汽車荷載9 9汽車沖擊力汽車沖擊力1010汽車離心力汽車離心力1111汽車引起的土側(cè)壓力汽車引起的土側(cè)壓力第24頁(yè)/共29頁(yè)編號(hào)編號(hào)作用分類作用分類作用名稱作用

16、名稱1212可變作用可變作用人群荷載人群荷載1313汽車制動(dòng)力汽車制動(dòng)力1414風(fēng)力風(fēng)力1515流水壓力流水壓力1616冰壓力冰壓力1717溫度（均勻溫度和梯度溫度）作用溫度（均勻溫度和梯度溫度）作用1818支座摩阻力支座摩阻力1919偶然作用偶然作用地震作用地震作用2020船舶或漂流物的撞擊作用船舶或漂流物的撞擊作用2121汽車撞擊力汽車撞擊力第25頁(yè)/共29頁(yè)2.5.2 作用的代表值： 作用的代表值包括：標(biāo)準(zhǔn)值、準(zhǔn)永久值和頻遇值。1、作用標(biāo)準(zhǔn)值： 永久作用標(biāo)準(zhǔn)值：構(gòu)件尺寸材料容重。2、可變荷載的頻遇值： 在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，可變作用超越的總時(shí)間為規(guī)定的較小比率或超越的次數(shù)為規(guī)定次數(shù)的作用值。3、可變荷載準(zhǔn)永久值： 在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，可變荷載超越的總時(shí)間約為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的一半的作用值。 可變荷載頻遇值可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值頻遇值系數(shù) 可變荷載準(zhǔn)永久值可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值準(zhǔn)永久值系數(shù)12第26頁(yè)/共29頁(yè) 承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況，分別選用基本組合和偶然組合?；窘M合表達(dá)式為：)(211100njQjkQjckQQmiGikGidSSSS2.4.3 作用效應(yīng)組合1、承載能力極限狀態(tài)計(jì)