混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

3.1極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的基本概念3.2可靠度分析的基本概念3.3極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的實(shí)用表達(dá)式第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則本章目錄目錄3.1

3.23.33.1極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的基本概念

3.1.1結(jié)構(gòu)的功能要求1.安全性:正常設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)條件下，能承受可能出現(xiàn)的各種作用而不發(fā)生破壞；當(dāng)發(fā)生爆炸、撞擊、人為錯(cuò)誤等偶然事件時(shí)，結(jié)構(gòu)能保持必需的整體穩(wěn)固性，不出現(xiàn)與起因不相稱(chēng)的破壞后果，防止出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌；當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)可保持足夠的承載力。

2.適用性:結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中應(yīng)保持良好的使用性能。

（不產(chǎn)生過(guò)大的變形、裂縫、振動(dòng)等）；3.耐久性:在正常維護(hù)條件下，結(jié)構(gòu)應(yīng)在預(yù)定的設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)滿(mǎn)足各項(xiàng)功能的要求，即應(yīng)具有足夠的耐久性能。（不致因混凝土的老化、鋼筋銹蝕等影響使用年限）；安全性、適用性、耐久性概括稱(chēng)為結(jié)構(gòu)的可靠性目錄3.13.2

3.33.1.2結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)

*極限狀態(tài)是區(qū)分結(jié)構(gòu)“可靠”、“有效”；或“不可靠”、“失效”的標(biāo)志（界限）。極限狀態(tài)（Limitstate）：整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過(guò)某一特定狀態(tài)就不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能

（安全、適用、耐久）的要求，此特定狀態(tài)為該功能的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)分類(lèi)（1）承載能力極限狀態(tài)（Ultimatelimitstate）對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)達(dá)到最大承載能力或達(dá)到不適于繼續(xù)承載的變形。（安全性的界限）（2）正常使用極限狀態(tài)（Serviceabilitylimitstate）對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性的某項(xiàng)規(guī)定限值。（適用性、耐久性的界限）

目錄3.1

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3.3結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過(guò)材料強(qiáng)度而破壞（包括疲勞破壞），或因過(guò)度變形而不適于繼續(xù)承載；整個(gè)結(jié)構(gòu)或其中一部分作為剛體失去平衡（如傾覆等）；結(jié)構(gòu)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系；結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如壓屈等）；結(jié)構(gòu)因局部破壞而發(fā)生連續(xù)倒塌；地基喪失承載力而破壞；結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的疲勞破壞。承載能力極限狀態(tài)標(biāo)志目錄3.1

3.2

3.3

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；影響正常使用的振動(dòng)；影響正常使用的其它特定狀態(tài)。正常使用極限狀態(tài)標(biāo)志目錄3.1

3.2

3.33.1.3結(jié)構(gòu)上的作用、結(jié)構(gòu)抗力1.結(jié)構(gòu)上的作用施加在結(jié)構(gòu)上的集中力或分布力和引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因。直接作用：永久作用可變作用偶然作用固定作用自由作用靜態(tài)作用動(dòng)態(tài)作用有界作用無(wú)界作用間接作用：目錄3.1

3.2

3.32.作用效應(yīng)“作用效應(yīng)”S

和“作用”Q

可近似表示為線性關(guān)系：

S=CQ

由作用引起的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的反應(yīng)，內(nèi)力和變形等(如軸力、彎矩、剪力、扭矩、撓度、轉(zhuǎn)角和裂縫等）。3.結(jié)構(gòu)抗力結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受作用效應(yīng)的能力，即結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件抵抗內(nèi)力和變形的能力。結(jié)構(gòu)抗力是材料性能、幾何參數(shù)以及計(jì)算模式的函數(shù)，可用下式表式：

式中f為所采用的結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度指標(biāo)，a為結(jié)構(gòu)尺寸的幾何參數(shù)。Back目錄

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3.33.2可靠度分析的基本概念3.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題的不確定性荷載本身的變異性。內(nèi)力計(jì)算假定與實(shí)際受力情況之間的差異。1.S的不確定性結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料性能的變異性結(jié)構(gòu)構(gòu)件幾何參數(shù)的變異性。結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力計(jì)算模式的不確定性。2.

R的不確定性如果S和R都是確定的量，要滿(mǎn)足S≤R是容易做到的。但由于S和R的不確定性，這就使問(wèn)題變得復(fù)雜了。???目錄

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3.33.2.2數(shù)理統(tǒng)計(jì)的基本概念1.隨機(jī)變量及其統(tǒng)計(jì)特征值作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力都具有不確定性。具有不確定性的現(xiàn)象稱(chēng)為隨機(jī)現(xiàn)象，表示隨機(jī)出現(xiàn)各種結(jié)果的變量稱(chēng)隨機(jī)變量。（1）算術(shù)平均值m

--------（2）標(biāo)準(zhǔn)差s----（3）變異系數(shù)d----代表隨機(jī)變量平均水平的特征值衡量隨機(jī)變量離散程度的特征值

s越大表示隨機(jī)變量的分布越分散，即離散性越大s越小，表示隨機(jī)變量的分布越集中，即離散性較小。反映隨機(jī)變量相對(duì)離散程度的特征值目錄

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3.32.正態(tài)分布分布函數(shù)：密度函數(shù)：、越小，xF(x)’’f(x)—密度函數(shù)變異越小，隨機(jī)變量越集中。目錄

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3.33.保證率率隨機(jī)變變量的的值不不小于于（或或不大大于））某一一定值值的概概率，，稱(chēng)為為關(guān)于于這一一定值值的保保證率率。X不大于于特征征值u的概率率:X大于特特征值值u的概率率:目錄3.13.23.33.2.3結(jié)構(gòu)的的失效概概率和和可靠靠指標(biāo)標(biāo)Z=R–S≥0即S≤R的概率率稱(chēng)為為可靠靠概率率，用用Ps表示Z<0的概率率即R≤≤S的概率率稱(chēng)為為失效效概率率，用用Pf表示Pf+Ps=1目錄3.13.23.3可靠指指標(biāo)ββ值越大大失效概概率Pf越小，，可靠靠概率率Ps越大β值越小小失效概概率Pf越大，，可靠靠概率率Ps越小β和Pf（或Ps）存在在一一一對(duì)應(yīng)應(yīng)的關(guān)關(guān)系β稱(chēng)為可靠指指標(biāo)目錄3.13.23.3根據(jù)建建筑物物重要要性的的不同同，即即一旦旦結(jié)構(gòu)構(gòu)失效效時(shí)對(duì)對(duì)生命命財(cái)產(chǎn)產(chǎn)的危危害程程度以以及對(duì)對(duì)社會(huì)會(huì)影響響的不不同，，還將將建筑筑結(jié)構(gòu)構(gòu)分為為三個(gè)安全等等級(jí)安全等級(jí)破壞后果建筑物類(lèi)型一

級(jí)很?chē)?yán)重重要的房屋二

級(jí)嚴(yán)重一般的房屋三

級(jí)不嚴(yán)重次要的房屋結(jié)構(gòu)的的安全全等級(jí)級(jí)目標(biāo)可可靠度度指標(biāo)標(biāo)Back目錄3.13.23.33.3極限狀狀態(tài)設(shè)設(shè)計(jì)的實(shí)用用表達(dá)達(dá)式重點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)為保保證所所設(shè)計(jì)計(jì)的結(jié)結(jié)構(gòu)安安全可可靠，，應(yīng)使使結(jié)構(gòu)構(gòu)的可可靠概概率Ps即S<R的概率率足夠夠大，，或使使失效效概率率Pf即S>R的概率率足夠夠小。。Smax≤Rmin對(duì)荷載載乘以以大于于1的荷載載分項(xiàng)項(xiàng)系數(shù)數(shù)，對(duì)對(duì)材料料按照照規(guī)定定的保保證率率確定定一個(gè)個(gè)較低低的材材料強(qiáng)強(qiáng)度設(shè)設(shè)計(jì)值值，使使得按按極限限狀態(tài)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)表達(dá)達(dá)式計(jì)計(jì)算的的各種種結(jié)構(gòu)構(gòu)所具具有的的可靠靠指標(biāo)標(biāo)與規(guī)規(guī)定的的目標(biāo)標(biāo)可靠靠指標(biāo)標(biāo)之間間在總總體上上誤差差最小小。為為使設(shè)設(shè)計(jì)表表達(dá)式式滿(mǎn)足足不同同安全全等級(jí)級(jí)的要要求，，還引引入結(jié)構(gòu)重重要性性系數(shù)數(shù)g0以概率率理論論為基基礎(chǔ)的的極限限狀態(tài)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)方法法的設(shè)設(shè)計(jì)表表達(dá)式式，是是通過(guò)過(guò)荷載的的取值值、材料強(qiáng)強(qiáng)度的的取值值以及分項(xiàng)系系數(shù)三方面面來(lái)保保證相相應(yīng)可可靠度度的。。目錄3.13.23.33.3.1荷載代表值值永久荷荷載：2.荷載分分項(xiàng)系系數(shù)1.荷載標(biāo)準(zhǔn)值值一般情情況下應(yīng)取取gG=1.0；對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)的傾覆、滑移或漂浮驗(yàn)驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)應(yīng)取gG=0.9。（2）可變變荷載載的分分項(xiàng)系系數(shù)（1）永久久荷載載分項(xiàng)項(xiàng)系數(shù)數(shù)一般情情況下下應(yīng)取取gQ=1.4；對(duì)于于標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值大于或等于于4kN/m2的工業(yè)房屋屋樓面結(jié)構(gòu)構(gòu)的活荷載載，因其變變異性相對(duì)對(duì)較小，應(yīng)應(yīng)取gQ=1.3。當(dāng)其效應(yīng)對(duì)對(duì)結(jié)構(gòu)不利利時(shí)：對(duì)由可變荷載效應(yīng)控制的的組合，永永久荷載分分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)應(yīng)取gG=1.2；對(duì)由永久荷載效應(yīng)控制的的組合，應(yīng)應(yīng)取gG=1.35。當(dāng)其效應(yīng)對(duì)對(duì)結(jié)構(gòu)有利利時(shí)：按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)尺寸和標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)容重計(jì)計(jì)算而得根據(jù)設(shè)計(jì)基基準(zhǔn)期內(nèi)最最大荷載概概率分布的的某一分位位值確定，，即取比統(tǒng)統(tǒng)計(jì)平均值值要大的某某一荷載值值。見(jiàn)《建筑結(jié)構(gòu)荷荷載規(guī)范》GB50009-2001；可變荷載：目錄3.13.23.33.可變荷載的的準(zhǔn)永久值值考慮荷載長(zhǎng)長(zhǎng)期作用效效應(yīng)而對(duì)可可變荷載標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的折折減記為ΨqQk4.荷載（效應(yīng)應(yīng)）組合為使結(jié)構(gòu)在在兩種或兩兩種以上可可變荷載同同時(shí)作用的的情況與僅僅有一種可可變荷載作作用的情況況具有大致致相同的可可靠指標(biāo)，，對(duì)同時(shí)作作用的多種種可變荷載載的標(biāo)準(zhǔn)值值進(jìn)行折減減。1）由可變荷載效應(yīng)控制的的組合2）由永久荷載效應(yīng)控制的的組合對(duì)于一般排架、、框架結(jié)構(gòu)構(gòu)由可變荷載效效應(yīng)控制的組合，可簡(jiǎn)化為：當(dāng)僅有一個(gè)個(gè)可變荷載載作用時(shí)當(dāng)有多個(gè)可變荷荷載作用時(shí)對(duì)于承載能能力極限狀狀態(tài)目錄3.13.23.3正常使用極極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合準(zhǔn)永久組合合3.3.2材料強(qiáng)度取取值1．材料強(qiáng)度度的標(biāo)準(zhǔn)值值在符合規(guī)定定質(zhì)量的材材料強(qiáng)度實(shí)實(shí)測(cè)總體中中，具有不不小于95％的保證率率的強(qiáng)度值值在承載能力力極限狀態(tài)態(tài)的設(shè)計(jì)中中所采用的的材料強(qiáng)度度代表值2.材料強(qiáng)度的的設(shè)計(jì)值gc=1.4gs=1.10，1.15，1.20目錄3.13.23.33.3.3結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)狀況地震設(shè)計(jì)狀狀況是指在結(jié)構(gòu)構(gòu)使用過(guò)程程中一定出出現(xiàn)，且持持續(xù)期很長(zhǎng)長(zhǎng)的設(shè)計(jì)狀狀況，其持持續(xù)期一般般與設(shè)計(jì)使使用年限為為同一數(shù)量量級(jí)。持久久設(shè)計(jì)狀況況適用于結(jié)結(jié)構(gòu)使用時(shí)時(shí)的正常情情況。持久設(shè)計(jì)狀狀況短暫設(shè)計(jì)狀狀況是指在結(jié)構(gòu)構(gòu)施工和使使用過(guò)程中中出現(xiàn)概率率較大，而而與設(shè)計(jì)使使用年限相相比，其持持續(xù)期很短短的設(shè)計(jì)狀狀況。短暫暫設(shè)計(jì)狀況況適用于結(jié)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的的臨時(shí)情況況，包括結(jié)結(jié)構(gòu)施工和和維修時(shí)的的情況等。。偶然設(shè)計(jì)狀狀況是指在結(jié)構(gòu)構(gòu)使用過(guò)程程中出現(xiàn)概概率較小，，且持續(xù)期期很短的設(shè)設(shè)計(jì)狀況。。偶然設(shè)計(jì)計(jì)狀況適用用于結(jié)構(gòu)出出現(xiàn)的異常常情況，包包括結(jié)構(gòu)遭遭受火災(zāi)、、爆炸、撞撞擊時(shí)的情情況等。是指結(jié)構(gòu)遭遭受地震時(shí)時(shí)的設(shè)計(jì)狀狀況。地震震設(shè)計(jì)狀況況適用于結(jié)結(jié)構(gòu)遭受地地震時(shí)的情情況，在抗抗震設(shè)防地地區(qū)必須考考慮地震設(shè)設(shè)計(jì)狀況目錄3.13.23.33.3.4承載能力極極限狀態(tài)的的設(shè)計(jì)表達(dá)式式—結(jié)構(gòu)重要性性系數(shù)—承載能力極極限狀態(tài)下下作用效應(yīng)應(yīng)的設(shè)計(jì)值值R—結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力力設(shè)計(jì)值3.3.5正常使用極極限狀態(tài)設(shè)設(shè)計(jì)表達(dá)式式1.變形驗(yàn)算2．裂縫寬度驗(yàn)驗(yàn)算一級(jí)二級(jí)三級(jí)嚴(yán)格要求一般要求允許目錄3.13.23.3[例3.1]如圖3.7所示，某簡(jiǎn)簡(jiǎn)支梁的計(jì)計(jì)算跨度l0=4m，承受永久