水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)課件第二章

第二章鋼筋砼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算原理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)按極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的基本概念荷載的標(biāo)準(zhǔn)值材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用表達(dá)式安全性

◎結(jié)構(gòu)在正常施工和使用情況下能承受可能出現(xiàn)的各種荷載和變形?！?/p>

在偶然事件（如校核洪水位、地震）發(fā)生時(shí)和發(fā)生后，結(jié)構(gòu)應(yīng)能保持整體承載力和穩(wěn)定性。適用性

◎

結(jié)構(gòu)在正常使用荷載下，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）、振幅，或產(chǎn)生過大的裂縫寬度。耐久性

◎

結(jié)構(gòu)的承載力和剛度不應(yīng)隨時(shí)間有過大的減小，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在其預(yù)定使用期間內(nèi)降低安全性和適用性，縮短使用壽命。結(jié)構(gòu)的功能要求：

(1)安全性。(2)適用性。(3)耐久性。（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要保證其可靠性。可靠性——安全性、適用性和耐久性的總稱。結(jié)構(gòu)可靠性越高，建設(shè)造價(jià)投資越大。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。

結(jié)構(gòu)的可靠度：是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)（我國(guó)規(guī)定50年），在規(guī)定的條件下（如正常的設(shè)計(jì)、施工、使用和維修），完成預(yù)定功能要求的概率。（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)1）結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的定義結(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(jì)規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。2）極限狀態(tài)的分類承載能力極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)校核結(jié)構(gòu)能夠滿足功能要求且能良好地工作，則結(jié)構(gòu)是“可靠”或“有效”的。反之，則結(jié)構(gòu)為“不可靠”或“失效”。結(jié)構(gòu)“可靠”與“失效”的臨界狀態(tài)稱為“極限狀態(tài)”。（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)

超過該極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不能滿足預(yù)定的安全性要求。結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分喪失結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；

（如細(xì)長(zhǎng)受壓構(gòu)件的壓曲失穩(wěn)）結(jié)構(gòu)形成機(jī)動(dòng)體系而喪失承載能力；

（超靜定結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)足夠多塑性鉸)結(jié)構(gòu)發(fā)生滑移、上浮或傾覆等不穩(wěn)定情況；構(gòu)件的截面因強(qiáng)度不足而發(fā)生破壞；（包括疲勞破壞）結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生過大的塑性變形而不適于繼續(xù)承載。承載能力極限狀態(tài)（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先要滿足承載能力的要求，以保證結(jié)構(gòu)安全使用；然后按正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行校核，以保結(jié)構(gòu)的適用性及耐久性。正常使用極限狀態(tài)超過該極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不滿足預(yù)定的適用性和耐久性要求。產(chǎn)生過大的變形，影響正常使用和外觀；

（不安全感、不能正常使用等）產(chǎn)生過寬的裂縫，對(duì)耐久性有影響或者產(chǎn)生人們心理上不能接受的感覺；（鋼筋銹蝕、不安全感、漏水等）產(chǎn)生過大的振動(dòng)影響使用。2.1作用效應(yīng)及結(jié)構(gòu)抗力2.作用效應(yīng)“S”

是指在各種作用因素的作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)所產(chǎn)生的內(nèi)力和變形(如軸力、彎矩、扭矩、撓度、裂縫等)。

3.結(jié)構(gòu)抗力“R”

是指整個(gè)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受內(nèi)力和變形的能力(如構(gòu)件的承載能力、抗裂度和剛度等)。1.結(jié)構(gòu)的作用：使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力和變形的所有原因。

分類：直接作用、間接作用（二）概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的基本概念2.2極限狀態(tài)方程結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)是用極限狀態(tài)函數(shù)（或功能函數(shù)）來描述的，即：Z=g（R，S）=R–S當(dāng)Z=0時(shí)，結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)。顯然：當(dāng)Z＞0時(shí)，結(jié)構(gòu)可靠；當(dāng)Z＜0時(shí)，結(jié)構(gòu)失效；故：Z=g（R，S）=R–S=0稱為極限狀態(tài)方程圖2-1結(jié)構(gòu)所處的狀態(tài)失效是指結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分不能滿足設(shè)計(jì)所規(guī)定的某一功能要求。失效概率pf和可靠指標(biāo)β

不能完成預(yù)定功能(R＜S)的概率為“失效概率”

pf。結(jié)構(gòu)能夠完成預(yù)定功能(R＞S)的概率即為“可靠概率”

ps，pf+ps＝1，pf小，ps就大，pf能夠反映結(jié)構(gòu)的可靠程度。失效概率，Z＝R-S＜0的事件出現(xiàn)的概率就等于原點(diǎn)以左曲線下面與橫坐標(biāo)所包圍的陰影面積，圖2-2功能函數(shù)Z的概率分布曲線1.失效概率R、S為隨機(jī)變量，假定服從正態(tài)分布，所以Z也是隨機(jī)變量.Z的概率分布曲線也服從正態(tài)分布。Z的平均值μZ和標(biāo)準(zhǔn)差σZ為：失效概率：

可見：β大則Pf小，β小則Pf大。因此，β和Pf一樣，可作為衡量結(jié)構(gòu)可靠性的一個(gè)指標(biāo)。

β越大，結(jié)構(gòu)可靠性越高，所以β稱為結(jié)構(gòu)的“可靠指標(biāo)”。

2.可靠指標(biāo)β圖中陰影部分的面積與z、z的大小有關(guān)，增大z

，曲線右移，陰影面積將減少，減小z

，曲線變高變窄，陰影面積將減少，引入，將曲線對(duì)稱軸至縱軸的距離表示成z

的倍數(shù)，z=z水工砼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)水工建筑物的級(jí)別，采用不同的水工建筑物結(jié)構(gòu)安全級(jí)別。不同安全級(jí)別可靠度水平要求不同。水工建筑物級(jí)別水工建筑物安全級(jí)別1Ⅰ2，3Ⅱ4，5Ⅲ水工建筑物結(jié)構(gòu)安全級(jí)別2.3結(jié)構(gòu)安全級(jí)別2.4目標(biāo)可靠指標(biāo)Pf≤[Pf]或β≥[β]要使結(jié)構(gòu)和構(gòu)件在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，在規(guī)定的條件下，失效概率低于一個(gè)允許的水平（允許失效概率或目標(biāo)可靠指標(biāo)）即目標(biāo)可靠指標(biāo)[β]遵循下面幾項(xiàng)原則確定：

(1)在原規(guī)范“校準(zhǔn)”的基礎(chǔ)上，考慮安全級(jí)別、破壞性質(zhì)和極限狀態(tài)的不同進(jìn)行調(diào)整。確定合理且統(tǒng)一的目標(biāo)可靠指標(biāo)βT。

(2)[β]與結(jié)構(gòu)安全級(jí)別有關(guān)。安全級(jí)別要求愈高時(shí)目標(biāo)可靠指標(biāo)就應(yīng)愈大。

(3)[β]與構(gòu)件破壞性質(zhì)有關(guān)。延性破壞構(gòu)件的目標(biāo)可靠指標(biāo)可低于脆性破壞構(gòu)件的目標(biāo)可靠指標(biāo)。

(4)[β]與極限狀態(tài)有關(guān)。承載能力極限狀態(tài)下的目標(biāo)可靠指標(biāo)應(yīng)高于正常使用極限狀態(tài)下的目標(biāo)可靠指標(biāo)。

安全第一，當(dāng)然承載能力極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)的βT就應(yīng)高些。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)的目標(biāo)可靠指標(biāo)[β]可靠指標(biāo)β安全等級(jí)一級(jí)二級(jí)三級(jí)延性破壞3.73.22.7脆性破壞4.23.73.2（三三）荷三載的三標(biāo)準(zhǔn)三值作用三與荷三載直接三作用三：荷載間接三作用三：混凝三土收三縮、三溫度三變化三、基三礎(chǔ)差三異沉三降、三地震三等結(jié)構(gòu)三在外三作用三下產(chǎn)三生的三變化三，如三內(nèi)力三、變?nèi)巍⑷芽p三等稱三為結(jié)三構(gòu)的三作用三效應(yīng)三或荷三載效三應(yīng)。荷載三分類結(jié)構(gòu)三上的三荷載三，按三其作三用時(shí)三間的三長(zhǎng)短三和性三質(zhì)，三可分三為三三類：(1三)永久三荷載G：在結(jié)三構(gòu)設(shè)三計(jì)使三用年三限內(nèi)三，其三值不三隨時(shí)三間而三變化（其三變化三與平三均值三相比三可以三忽略三不計(jì)三），三或其三變化三是單三調(diào)的三并能三趨于三限值三的荷三載。(2三)可變?nèi)奢dQ：在結(jié)三構(gòu)設(shè)三計(jì)基三準(zhǔn)期三內(nèi)其三值隨三時(shí)間三而變?nèi)ㄆ淙兓c平三均值三不可三忽略三的荷三載）三。(3三)偶然三荷載Q：在結(jié)三構(gòu)設(shè)三計(jì)基三準(zhǔn)期三內(nèi)不三一定三出現(xiàn)，但三一旦三出現(xiàn)三其值三很大三且作三用時(shí)三間很三短的三荷載三。荷載三的取三值有標(biāo)準(zhǔn)三值、準(zhǔn)永三久值、組合三值三種三。1.荷載標(biāo)準(zhǔn)值Sk荷載的概率分布曲線圖定義:指結(jié)三構(gòu)構(gòu)三件在三使用三期間三正常三情況三下可三能出三現(xiàn)的最大三荷載三值。將三荷載三視為三隨機(jī)三變量三，采三用數(shù)三理統(tǒng)三計(jì)的三方法三加以三處理三而得三到的三具有95％保三證率的最三大荷三載值三。Sk由設(shè)三計(jì)基三準(zhǔn)期三內(nèi)荷三載最三大值三概率三分布三的某一三分位三值來確三定。Sk=μs+asσs=μs(1三+asδs)2.荷載三準(zhǔn)永三久值在按三正常三使用三極限三狀態(tài)三計(jì)算三時(shí)，三應(yīng)考三慮荷三載效三應(yīng)的三長(zhǎng)期三作用三影響三，《建筑三結(jié)構(gòu)三可靠三度設(shè)三計(jì)統(tǒng)三一標(biāo)三準(zhǔn)》引入三荷載“準(zhǔn)永三久值”三作為三它的三代表三值。所謂三準(zhǔn)永三久值三（Qq）是指三可變?nèi)奢d三在結(jié)三構(gòu)設(shè)三計(jì)基三準(zhǔn)期三內(nèi)經(jīng)三常作三用的三那一三部分三荷載三，《建筑三結(jié)構(gòu)三可靠三度設(shè)三計(jì)統(tǒng)三一標(biāo)三準(zhǔn)》規(guī)定三取被三超越三的總?cè)龝r(shí)間三為設(shè)計(jì)三基準(zhǔn)三期一三半的三荷載值。Qq=Qk(長(zhǎng)期三組合三系數(shù)≤1)荷載三準(zhǔn)永三久值三實(shí)際三上是三考慮三荷載三效應(yīng)三的長(zhǎng)三期組三合而三對(duì)可三變荷三載標(biāo)三準(zhǔn)值三的一三種折三減。3.荷載三組合三值當(dāng)結(jié)三構(gòu)構(gòu)三件承三受兩三種或三兩種三以上三的可變?nèi)奢d時(shí)，三考慮三到各三種可三變荷三載不三可能三同時(shí)三以其三最大三值(標(biāo)準(zhǔn)三值)出現(xiàn)三，因三此，三除了三一個(gè)三主要三可變?nèi)奢d三（是三指效三應(yīng)最三大的三一種三荷載三）外三，其三余可三變荷三載應(yīng)在其三標(biāo)準(zhǔn)三值上三乘以小于1.三0的組三合系三數(shù)對(duì)可三變荷三載標(biāo)三準(zhǔn)值三進(jìn)行折減，可變?nèi)奢d三組合三值記三為：Qc=ψcQk，ψc為組三合系三數(shù)。三其值三取為三小于三等于1.三0。2.三4材料三強(qiáng)度三的標(biāo)三準(zhǔn)值材料三強(qiáng)度三標(biāo)準(zhǔn)三值是指三使用三期間三正常三情況三下可三能出三現(xiàn)的三最小三值。三也就三是強(qiáng)三度標(biāo)三準(zhǔn)值三具有95％的三保證三率。設(shè)計(jì)三時(shí)，材料三強(qiáng)度三盡可三能取三低些，才三能保三證結(jié)三構(gòu)的三可靠三性。圖2-三4材料三強(qiáng)度三標(biāo)準(zhǔn)三值的三取值保證三率系三數(shù)a=三16三45fk=μf(1三-1三.6三45δf)材料三強(qiáng)度三標(biāo)準(zhǔn)三值：（一三）砼三強(qiáng)度三標(biāo)準(zhǔn)三值1.砼立三方體三抗壓三強(qiáng)度三標(biāo)準(zhǔn)三值fcu三k2.砼軸三心抗三壓強(qiáng)三度標(biāo)三準(zhǔn)值fck3.砼軸三心抗三拉強(qiáng)三度標(biāo)三準(zhǔn)值ftk（二三）鋼三筋強(qiáng)三度標(biāo)三準(zhǔn)值受拉三熱軋三鋼筋三采用三國(guó)家三標(biāo)準(zhǔn)三規(guī)定三的屈服三強(qiáng)度（出三廠檢三驗(yàn)的三廢品三限值三）作三為標(biāo)三準(zhǔn)值fyk，其保三證率三不小三于95三%。對(duì)于三無明三顯屈三服點(diǎn)三的鋼三筋，三采用三國(guó)標(biāo)三規(guī)定三的極限三抗拉三強(qiáng)度作為三標(biāo)準(zhǔn)三值fst三k，其保三證率三也不三小于95三%。1)三《規(guī)范》采用三的分三項(xiàng)系三數(shù)通過γ0來調(diào)三整荷三載效三應(yīng)S，從三而實(shí)三現(xiàn)建三筑物三的重三要性三不同三，可三靠度三水準(zhǔn)三的要三求不三同。計(jì)算三荷載三效應(yīng)三時(shí)，三將其三值乘三以結(jié)三構(gòu)重三要性三系數(shù)γ0?！兑?guī)范》確定三了不三同結(jié)三構(gòu)安三全級(jí)三別時(shí)三的系三數(shù)γ0值1.三1結(jié)構(gòu)三重要三性系三數(shù)γ02.三5結(jié)構(gòu)三設(shè)計(jì)三實(shí)用三設(shè)計(jì)三表達(dá)三式結(jié)構(gòu)三重要三性系三數(shù)的三取值水工建筑級(jí)別安全級(jí)別重要性系數(shù)1Ⅰ級(jí)1.12、3Ⅱ級(jí)1.04、5Ⅲ級(jí)0.9安全等級(jí)破壞后的影響程度建筑物的類型Ⅰ級(jí)很嚴(yán)重重要的建筑物Ⅱ級(jí)嚴(yán)重一般的建筑物Ⅲ級(jí)不嚴(yán)重次要的建筑物結(jié)構(gòu)三的安三全等三級(jí)的三劃分1.2設(shè)計(jì)三狀況三系數(shù)結(jié)構(gòu)三在施三工、三安裝三、運(yùn)三行、三檢修三等不三同時(shí)三期可三能出三現(xiàn)不三同的三結(jié)構(gòu)三體系三、荷三載及三環(huán)境三條件三。考三慮下三列三三種設(shè)三計(jì)狀三況：（1）持三久狀三況：=1三.0（2）短三暫狀三況：=0三.9三5（3）偶三然狀三況：=0三.8三51.三3結(jié)構(gòu)三系數(shù)d在承三載力三極限三狀態(tài)三設(shè)計(jì)三中，三考慮三到各三種變?nèi)惖热蛩厝y(tǒng)三一用三結(jié)構(gòu)三系數(shù)三來考三慮。結(jié)構(gòu)三系數(shù)三的取三值素砼結(jié)構(gòu)鋼筋砼結(jié)構(gòu)與預(yù)應(yīng)力鋼筋砼結(jié)構(gòu)受拉破壞受壓破壞2.01.31.21.三4荷載三分項(xiàng)三系數(shù)γG、γQ《規(guī)范》（SL三/T三19三1-三96）規(guī)三定，三一般三情況三下：永久三荷載三：γG=1三.0；可變?nèi)奢d三：γQ=1三.2三0。荷載三標(biāo)準(zhǔn)三值乘三以相三應(yīng)的三荷載三分項(xiàng)三系數(shù)三后即三為荷載三設(shè)計(jì)三值。永久三荷載三設(shè)計(jì)三值：G=γGGk可變?nèi)奢d三設(shè)計(jì)三值：Q=γQQk，其中γG、γQ分別三為永三久荷三載和三可變?nèi)奢d三的荷三載分三項(xiàng)系三數(shù)。實(shí)際三荷載仍有三可能超三過預(yù)三定的三標(biāo)準(zhǔn)三值?？既龖]這三一最三不利三情況三，在三承載三能力三極限三狀態(tài)三設(shè)計(jì)三表達(dá)三式中三還引三入一三個(gè)荷三載分三項(xiàng)系三數(shù)。1.三5材料三強(qiáng)度三分項(xiàng)三系數(shù)γcγs材料三的實(shí)際三強(qiáng)度低于三其強(qiáng)度三標(biāo)準(zhǔn)三值，因此三，在三承載三能力三極限三狀態(tài)三計(jì)算三中材三料強(qiáng)三度分三項(xiàng)系三數(shù)γc、γs來考三慮這三一不三利影三響。材料三強(qiáng)度三分項(xiàng)三系數(shù)三取值三：混凝三土：γc＝1.三35。鋼筋三：γs＝1.三11.三2。材料三強(qiáng)度三標(biāo)準(zhǔn)三值除三以相三應(yīng)的三材料三強(qiáng)度三分項(xiàng)三系數(shù)三后，三即為三材料三強(qiáng)度三設(shè)計(jì)三值。fc＝fck/γc，fs=fsk/γs2)三.承載三能力三極限三狀態(tài)三設(shè)計(jì)三表達(dá)三式1.基本三組合基本三組合三是持三久狀三況或三短暫三狀況三下永三久荷三載與三可變?nèi)奢d三的效三應(yīng)組三合。其中三：CGi、CQj——永久三荷載三和可三變荷三載的三荷載三效應(yīng)三系數(shù)三，Gk、Qk——永久三荷載三、可三變荷三載的三標(biāo)準(zhǔn)三值；2.偶然三組合偶然三組合三是偶三然狀三況下三永久三荷載三、可三變荷三載與三一種三偶然三荷載三的效三應(yīng)組三合。三對(duì)三于偶三然組三合，三承載三能力三極限三狀態(tài)三設(shè)計(jì)三表達(dá)三式按三下列三原則三確定三：(1三)偶然三荷載三的分項(xiàng)三系數(shù)三取為1.三0；(2