混凝土設(shè)計(jì)方法

第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

TheDesignApproach◆

工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要保證安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理◆

由于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中存在多種不確定性◆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法就是研究工程設(shè)計(jì)中的各種不確定性問題，取得安全可靠與經(jīng)濟(jì)合理之間的均衡◆容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法

allowablestress◆安全系數(shù)K是一個(gè)大于1.0的數(shù)值◆K

越大，結(jié)構(gòu)安全度就越高，同時(shí)結(jié)構(gòu)材料用量也越多◆為取得安全可靠與經(jīng)濟(jì)合理的均衡，在綜合考慮各種不確定性因素影響后，可選取一個(gè)合適的安全系數(shù)。第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法◆

材料力學(xué)中研究的是：單一材料、線彈性、簡單結(jié)構(gòu)◆實(shí)際工程結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比它復(fù)雜◆

如鋼筋混凝土梁的受彎，從安全角度考慮，需要確定其極限受彎承載力；◆

而為控制正常使用階段的裂縫和撓度變形，需要確定帶裂縫工作階段的受力情況?！?/p>

采用容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法，無法統(tǒng)一這兩方面的要求。第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法◆

因此，首先根據(jù)工程結(jié)構(gòu)需要，滿足實(shí)際使用的各種要求（結(jié)構(gòu)的功能），對(duì)安全可靠有更具體的科學(xué)定義◆另一方面，需要盡可能詳細(xì)了解結(jié)構(gòu)在不同情況下（施工、使用、破壞）可能受到的各種外界影響的大小和變化情況◆

外界影響：各種荷載、溫度變化、沉降、收縮徐變、地震、侵蝕、凍融等◆以及結(jié)構(gòu)尺寸、材料強(qiáng)度等的變異情況，以便科學(xué)合理的選定結(jié)構(gòu)可靠度。第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法3.1結(jié)構(gòu)的功能3.1結(jié)構(gòu)的功能

FunctionsofStructure◎

如（M≤Mu）◎

結(jié)構(gòu)在預(yù)定的使用期間內(nèi)（一般為50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?！蛟谂既皇录ㄈ绲卣?、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?！舭踩?/p>

Safety

第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法3.1結(jié)構(gòu)的功能◎

如（f≤[f]）◎

結(jié)構(gòu)在正常使用期間，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)（頻率、振幅），或產(chǎn)生讓使用者感到不安的過大的裂縫寬度?！裟途眯?/p>

Durability

◎

如（wmax≤[wmax]）◎

結(jié)構(gòu)在正常使用和正常維護(hù)條件下，應(yīng)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?！?/p>

適用性

Serviceability

第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法3.1結(jié)構(gòu)的功能■

可靠性——安全性、適用性和耐久性的總稱。■

就是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期限內(nèi)（設(shè)計(jì)工作壽命=50年），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)功能的能力?！?/p>

結(jié)構(gòu)可靠性越高，建設(shè)造價(jià)投資越大?！?/p>

如何在結(jié)構(gòu)可靠與經(jīng)濟(jì)之間取得均衡，就是設(shè)計(jì)方法要解決的問題?！?/p>

結(jié)構(gòu)的可靠性

reliability第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法3.1結(jié)構(gòu)的功能■

顯然這種可靠與經(jīng)濟(jì)的均衡受到多方面的影響，如國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力、設(shè)計(jì)工作壽命、維護(hù)和修復(fù)等?！鲆?guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)方法，是這種均衡的最低限度，也是國家法律。■

設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)具體工程的重要程度、使用環(huán)境和情況，以及業(yè)主的要求，提高設(shè)計(jì)水準(zhǔn)，增加結(jié)構(gòu)的可靠度?！?/p>

經(jīng)濟(jì)的概念不僅包括第一次建設(shè)費(fèi)用，還應(yīng)考慮維修，損失及修復(fù)的費(fèi)用第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法3.2極限狀態(tài)3.2極限狀態(tài)

LimitState◆

結(jié)構(gòu)能夠滿足功能要求而良好地工作，則稱結(jié)構(gòu)是“可靠”的或“有效”的。反之，則結(jié)構(gòu)為“不可靠”或“失效”?！魠^(qū)分結(jié)構(gòu)“可靠”與“失效”的臨界工作狀態(tài)稱為“極限狀態(tài)”第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法承載力能力極限狀態(tài)

UltimateLimitState3.2極限狀態(tài)超過該極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不能滿足預(yù)定的安全性功能要求◆

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載力（包括疲勞）◆

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）◆

結(jié)構(gòu)塑性變形過大而不適于繼續(xù)使用◆

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）◆

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如細(xì)長受壓構(gòu)件的壓曲失穩(wěn)）第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法3.2極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)

ServiceabilityLimitState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?！?/p>

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）等）；◆

過大的裂縫（鋼筋銹蝕、不安全感、漏水等）；◆

過大的振動(dòng)（不舒適）；◆

其他正常使用要求。第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法3.2極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)功能的表達(dá)S<R

可靠S——作用效應(yīng)

ActionEffect

結(jié)構(gòu)上的作用（使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力和變形的原因，如荷載、不均勻沉降、溫度變形、收縮變形、地震等）引起的效應(yīng)如彎矩M、軸力N、剪力V、扭矩T、撓度f、裂縫寬度w等

S=S(Q)R——結(jié)構(gòu)抗力

Resistant

結(jié)構(gòu)抵抗作用效應(yīng)的能力，如受彎承載力Mu、受剪承載力Vu、容許撓度[f]、容許裂縫寬度[w]R=R(fc,fy,A,h0,As,…)S=R

極限狀態(tài)S>R

失效結(jié)構(gòu)力學(xué)的主要內(nèi)容本課程的主要內(nèi)容第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法3.3結(jié)構(gòu)中的不確定性3.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的不確定性UndeterminedFactorsinDesign★恒載g與構(gòu)件尺寸、材料容重等有關(guān)★

活載q（樓面活載、雪荷載）的數(shù)值是隨時(shí)在變化的★計(jì)算跨度l的不準(zhǔn)確★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)系參數(shù)k1和k2不一定安全（可靠）第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法3.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法3.4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。◆

容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法◎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)。第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法3.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法◆破損階段設(shè)計(jì)法◎整個(gè)截面達(dá)到極限承載力才認(rèn)為失效，◎考慮了材料塑性和強(qiáng)度的充分發(fā)揮，◎極限荷載可以直接由試驗(yàn)驗(yàn)證，構(gòu)件的總安全度較為明確?！虻踩禂?shù)K仍然憑經(jīng)驗(yàn)確定，◎沒有考慮結(jié)構(gòu)功能的多樣性要求的問題。第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法3.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法◆極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法除要求對(duì)承載力極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)外，還包括撓度和裂縫寬度（適用性）的極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)。對(duì)于承載力極限狀態(tài)，針對(duì)荷載、材料的不同變異性，不再采用單一的安全系數(shù)，而采用的多系數(shù)表達(dá)，◎材料強(qiáng)度

fck和fsk

是根據(jù)統(tǒng)計(jì)后按一定保證率取其下限分位值，反映的材料強(qiáng)度的變異性?！?/p>

荷載值

qik也盡可能根據(jù)各種荷載的統(tǒng)計(jì)資料，按一定保證率取其上限分位值。◎

荷載系數(shù)

kqi，材料強(qiáng)度系數(shù)

kc和

ks仍按經(jīng)驗(yàn)確定，但對(duì)于不同荷載的變異大小，可取不同的荷載系數(shù)。第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法3.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法◆以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法由于實(shí)際結(jié)構(gòu)中的不確定性，因此無論如何設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，都會(huì)有失效的可能性存在，只是可能性大小不同而已。為了科學(xué)定量的表示結(jié)構(gòu)可靠性的大小，采用概率方法是比較合理的。失效概率越小，表示結(jié)構(gòu)可靠性越大。因此，可以用失效概率來定量表示結(jié)構(gòu)可靠性的大小。結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量稱為結(jié)構(gòu)可靠度reliabilitydegree。

當(dāng)失效概率Pf小于某個(gè)值時(shí)，人們因結(jié)構(gòu)失效的可能性很小而不再擔(dān)心，即可認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可靠的。該失效概率限值稱為容許失效概率[Pf]。失效概率probabilityoffailurePf=P(S>R)第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法3.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)功能函數(shù)

Z=R-

SPf=P(S>R)=P(Z<0)b—可靠指標(biāo)reliabilityindex第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法3.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法◆

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，觸電的年死亡率為6×10-6◆b=3.7時(shí)，Pf=1.1×10-4，按設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年考慮，年失效概率為1.1×10-4/50=2.2×10-6◆50年后并不是結(jié)構(gòu)就失效，而是失效概率增加。同時(shí)，結(jié)構(gòu)失效也并不表示結(jié)構(gòu)倒塌，結(jié)構(gòu)倒塌也不一定造成人員傷亡?！?/p>

我國對(duì)于一般工程結(jié)構(gòu)，當(dāng)為延性破壞時(shí)，其可靠指標(biāo)取b=3.2，對(duì)脆性破壞取b=3.7?！?/p>

對(duì)于重要的工程結(jié)構(gòu)，應(yīng)提高可靠指標(biāo)。第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法3.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值Sk◆作用效應(yīng)S的不確定性就主要取決于結(jié)構(gòu)上作用Q的不確定性★永久荷載G★可變荷載Q★偶然荷載（作用）◆

不同的荷載，其變異情況不同。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可以確定一個(gè)具有一定保證率（如95%）的上限荷載分位值，該特征值稱為荷載標(biāo)準(zhǔn)值（符號(hào)Gk，Qik）。◆按荷載標(biāo)準(zhǔn)值確定的荷載效應(yīng)，稱為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值Sk◆

有多個(gè)可變荷載同時(shí)作用的情況，考慮到它們同時(shí)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的可能性較小，考慮荷載組合系數(shù)y，第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法3.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)抗力標(biāo)準(zhǔn)值Rkfck、fsk分別為混凝土和鋼筋的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，截面尺寸b、h0和配筋A(yù)s取設(shè)計(jì)值。Rk的具體表達(dá)形式是本課程的主要內(nèi)容。

f(S)SSk

f(R)RRk第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法3.5結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法Skf(S)，f(R)S，RRk實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法3.5結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式Skf(S)，f(R)S，RRk第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法3.5結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式Skf(S)，f(R)S，RRk第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法3.5結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)驗(yàn)算點(diǎn)S