荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課件

結(jié)構(gòu)上的作用及作用效應(yīng)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論演變簡(jiǎn)況術(shù)語(yǔ)和概率極限狀態(tài)的實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式思考題本章內(nèi)容一、結(jié)構(gòu)上的作用

結(jié)構(gòu)上的作用是指施加在結(jié)構(gòu)上的集中或分布力，以及引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因。1、作用就其形式而言，可分為以下兩類。

(1)直接作用。當(dāng)以力的形式作用于結(jié)構(gòu)上時(shí)，稱為直接作用，習(xí)慣上稱為荷載。

(2)間接作用。當(dāng)以變形的形式作用于結(jié)構(gòu)上時(shí)，稱為間接作用。

2、作用按時(shí)間不同可分為以下3類。

(1)永久作用。在結(jié)構(gòu)使用年限內(nèi)，其值不隨時(shí)間變化，或其變化的量值相對(duì)于平均值而言可以忽略不計(jì)，或其變化是單調(diào)的并能趨于限值的作用。

(2)可變作用。在結(jié)構(gòu)使用年限內(nèi)，其值隨時(shí)間變化，且其變化的量值與平均值不可忽略不計(jì)的作用。結(jié)構(gòu)上的作用及作用效應(yīng)

(3)偶然作用。在結(jié)構(gòu)使用年限內(nèi)不一定出現(xiàn)，但一旦出現(xiàn)，其值很大且持續(xù)時(shí)間很短的作用。3、作用按空間位置不同可分為以下兩類。

(1)固定作用。在結(jié)構(gòu)空間位置上具有固定不變的分布，但其量值可能具有隨機(jī)性。

(2)自由作用。在結(jié)構(gòu)空間位置上一定范圍內(nèi)可以任意分布，出現(xiàn)的位置和量值都可能是隨機(jī)的。

4、作用按結(jié)構(gòu)反應(yīng)不同可分為以下兩類。

(1)靜態(tài)作用。不使結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生加速或產(chǎn)生的加速度很小可以忽略不計(jì)的作用。

(2)動(dòng)態(tài)作用。使結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生不可忽略的加速度的作用。結(jié)構(gòu)上的作用及作用效應(yīng)二、作用效應(yīng)S

由于直接作用或間接作用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件上，在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)力(如軸力、彎矩、剪力、扭矩等)和變形(如撓度、轉(zhuǎn)角、裂縫等)，被稱為“作用效應(yīng)”，用S表示。當(dāng)作用為直接作用(荷載)時(shí)，其效應(yīng)也被稱為“荷載效應(yīng)”。荷載Q與荷載效應(yīng)之間，一般近似按線性關(guān)系考慮：

（1-1）常數(shù)C為荷載效應(yīng)系數(shù)如簡(jiǎn)支梁受均布荷載，其跨中彎矩

2

M=ql/8

其中即為荷載效應(yīng)系數(shù)

結(jié)構(gòu)上的作用及作用效應(yīng)一、容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法是建立在彈性理論基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)方法。其表達(dá)式為：（1-2） 式中，－構(gòu)件在使用階段(使用荷載作用下)截面上的最大應(yīng)力； －材料的容許應(yīng)力。 容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法計(jì)算簡(jiǎn)單，但其有許多問(wèn)題：①?zèng)]有考慮材料塑性性質(zhì)。②沒(méi)有對(duì)作用階段給出明確的定義，也就是使用期間荷載的取值原則規(guī)定得不明確。③把影響結(jié)構(gòu)可靠的各種因素(荷載的變異、施工的缺陷、計(jì)算公式的誤差等)統(tǒng)統(tǒng)歸結(jié)在反映材料性質(zhì)的容許應(yīng)力上，顯然不夠合理。④的取值無(wú)科學(xué)根據(jù)，純屬經(jīng)驗(yàn)的，歷史上曾多次提高過(guò)材料的容許應(yīng)力值。⑤按容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)的構(gòu)件是否安全可靠，無(wú)法用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論演變簡(jiǎn)況我國(guó)的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法經(jīng)歷了容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法、破損階段設(shè)計(jì)法、多系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法和概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法4個(gè)階段。工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論演變簡(jiǎn)況二、破損階段設(shè)計(jì)法1、針對(duì)容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法存在的缺陷，之后出現(xiàn)了假定材料均已達(dá)到塑性狀態(tài)，依據(jù)截面所能抵抗的破損內(nèi)力建立的計(jì)算公式。其設(shè)計(jì)表達(dá)式為： （1-3） 式中，——構(gòu)件最終破壞時(shí)的承載能力；——安全系數(shù)，用來(lái)考慮影響結(jié)構(gòu)安全的所有因素。優(yōu)點(diǎn)為：①它可以反映材料的塑性性質(zhì)，結(jié)束了長(zhǎng)期以來(lái)假定混凝土為彈性體的局面。②采用一個(gè)安全系數(shù)，使構(gòu)件有了總的安全度的概念。③它以承載能力值(如)為依據(jù)，其計(jì)算值是否正確可由實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論演變簡(jiǎn)況破損階段理論仍存在一些重大缺點(diǎn)：①破損階段計(jì)算，構(gòu)件的承載力是得以保證，但卻無(wú)法了解構(gòu)件在正常使用時(shí)能否滿足正常使用要求。②安全系數(shù)K的取值仍須經(jīng)驗(yàn)確定，并無(wú)嚴(yán)格的科學(xué)依據(jù)。③采用籠統(tǒng)的單一安全系數(shù)，無(wú)法就不同荷載、不同材料結(jié)構(gòu)件安全的影響加以區(qū)別對(duì)待，不能正確地度量結(jié)構(gòu)的安全度。④荷載的取值仍然也是經(jīng)驗(yàn)值；⑤表達(dá)式中采用的材料強(qiáng)度是平均值，它不能正確反映材料強(qiáng)度的變異程度，顯然也是不夠合理的。

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論演變簡(jiǎn)況三、多系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法

由于破損階段理論仍有許多缺點(diǎn)，進(jìn)一步發(fā)展的極限狀態(tài)理論便應(yīng)運(yùn)而生。極限狀態(tài)的主要概念是明確結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進(jìn)入某種狀態(tài)后就喪失其原有功能，這種狀態(tài)被稱為極限狀態(tài)。當(dāng)時(shí)曾提出了3種極限狀態(tài)：承載力極限狀態(tài)、撓度極限狀態(tài)、裂縫開(kāi)展寬度極限狀態(tài)。其表達(dá)式分別為：

M≤M

u

(1-4)maxlimf≤f(1-5)maxlimW≤W

(1-6)這樣，它就克服了破損階段理論無(wú)法了解構(gòu)件在正常使用時(shí)能否滿足正常使用要求的缺陷。四、概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法是以概率理論為基礎(chǔ)，將作用效應(yīng)和影響結(jié)構(gòu)抗力的主要因素作為隨機(jī)變量，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析確定可靠概率來(lái)度量結(jié)構(gòu)可靠性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。國(guó)際上把處理可靠度的精確程度分為3個(gè)水準(zhǔn)。(1)水準(zhǔn)I——半概率方法。對(duì)荷載效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力的基本變量部分地進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，并與工程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合引入某些經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，所以尚不能定量地估計(jì)結(jié)構(gòu)的可靠性。(2)水準(zhǔn)II——近似概率法。該法對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性賦予概率定義，以結(jié)構(gòu)的失效概率或可靠指標(biāo)來(lái)度量結(jié)構(gòu)可靠性，并建立了結(jié)構(gòu)可靠度與結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，在計(jì)算可靠指標(biāo)時(shí)考慮了基本變量的概率分布型，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論演變簡(jiǎn)況

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論演變簡(jiǎn)況

并采用了線性化的近似手段，在設(shè)計(jì)截面時(shí)一般采用分項(xiàng)系數(shù)的實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式。目前我國(guó)的《工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB50153—1992)、《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB50068—2001)都采用了這種近似概率法，在此基礎(chǔ)上頒布了各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范。(3)水準(zhǔn)III——全概率法。這是完全基于概率論的結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，要求對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)采用精確的概率分析，求得結(jié)構(gòu)最優(yōu)失效概率作為可靠度的直接度量，由于這種方法無(wú)論在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)方面還是在可靠度計(jì)算方面都不成熟，目前尚處于研究探索階段。術(shù)語(yǔ)和概率極限狀態(tài)的實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式一、術(shù)語(yǔ)（據(jù)GB50009-2001)

術(shù)語(yǔ)和概率極限狀態(tài)的實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式

二、概率以極限寶狀態(tài)農(nóng)的實(shí)咳用設(shè)德計(jì)表塘達(dá)式（按弟GB埋50寺00階9-鞏20箏01鐘)Ⅰ、哪承載劫能力屈極限奏狀態(tài)艦設(shè)計(jì)父表達(dá)內(nèi)式：結(jié)構(gòu)病構(gòu)件怠的承座載力計(jì)計(jì)算早，應(yīng)州采用抗如下挖承載侮力極銹限狀易態(tài)設(shè)泡計(jì)表嚼達(dá)式除：r0S≤R式中客：r0——結(jié)構(gòu)至重要樹系數(shù)骨；S——雙承載葉能力鹿極限慣狀態(tài)估的荷袋載（貌基本沈組合捕或偶紹然組澆合）饑效應(yīng)罰組膠合泡設(shè)計(jì)勇值；R——誓結(jié)構(gòu)鳴構(gòu)件朗抗力罰的設(shè)棚計(jì)值涼，應(yīng)鞋按各主有關(guān)翅建筑仰結(jié)構(gòu)深設(shè)計(jì)細(xì)規(guī)范籮的規(guī)汁定確逆定。術(shù)語(yǔ)致和概高率極平限狀揀態(tài)的媽實(shí)用孔設(shè)計(jì)晃表達(dá)膠式承載仍能力蔑極限賤狀態(tài)偏的荷醬載效告應(yīng)組重合的晝?cè)O(shè)計(jì)晉值S摟的確矩定：1.鉆基弊本組認(rèn)合對(duì)于辭基本喚組合良，荷大載效寄應(yīng)組瘡合的余設(shè)計(jì)泡值S應(yīng)從紋下列暗組合核值中園取最英不利茶值確肆定。(1虜)棒由可階變荷副載效泰應(yīng)控序制的腐組合宮：(3祝)式中匠：術(shù)語(yǔ)鄰和概率許極限柱狀態(tài)逗的實(shí)贊用設(shè)她計(jì)表炊達(dá)式(2逐)接由永腸久荷萬(wàn)載效罰應(yīng)控筐制的缺組合稀：(4屯)注：楊①基慈本組肥合中川的設(shè)您計(jì)值灑僅適臘用于尊荷載殊與荷謙載效鏈應(yīng)為堪線性壞的情僻況?？颌跊_當(dāng)對(duì)尖SQ亭1K響無(wú)法鼻明顯知判斷欠時(shí)，喬輪次恨以各斤可變跟荷載批效應(yīng)室為S鐘Q1栗K，招選其錢中最毛不利那的澤荷載直效應(yīng)翠組合拐。2、蒼對(duì)于速一般匆排架果、框定架結(jié)搜構(gòu)，嗽基本組組合絲式可采憐用簡(jiǎn)討化規(guī)坦則，消并應(yīng)懸按下梁列組碎合值宮中取攔最不償利的牙值確榮定。(1誕)聯(lián)由可禿變荷桶載效潛應(yīng)控正制的哈組合肺：(5冊(cè))(2預(yù))藝由永泄久荷疤載效齒應(yīng)控嚷制的用組合常仍按沒(méi)式(更4)牛采用時(shí)。術(shù)語(yǔ)憤和概率動(dòng)極限喬狀態(tài)謙的實(shí)墳用設(shè)嶄計(jì)表躬達(dá)式術(shù)語(yǔ)桿和概霉率極液限狀浙態(tài)的很實(shí)用稈設(shè)計(jì)舌表達(dá)河式3、區(qū)基本監(jiān)組合附的荷宴載分衡項(xiàng)系宏數(shù)，徐應(yīng)按蕩下列童規(guī)定閉采用屬：暑（1喬）永章久荷來(lái)載的吳分項(xiàng)膠系數(shù)醒：榮1)解當(dāng)其撞效應(yīng)款對(duì)結(jié)搭構(gòu)不籌利時(shí)鼠對(duì)由跑可變口荷載筆效應(yīng)市控制厲的組慨合，萄應(yīng)取角1.秧2；虹對(duì)由插永久登荷載淹效應(yīng)斤控制拳的組殲合，標(biāo)應(yīng)取膠1.捆35寺；泉2)溝當(dāng)其驗(yàn)效應(yīng)團(tuán)對(duì)結(jié)停構(gòu)有作利時(shí)房誠(chéng)的組銳合，惡應(yīng)取們1.住0。（2曾）刃可變父荷載首的分黎項(xiàng)系慕數(shù)：功一般拼情況姑下取備1.身4；箱對(duì)標(biāo)蜓準(zhǔn)值沸大于塔4k纏N／悲m2的工想業(yè)房娛屋樓緞面結(jié)默構(gòu)的煤活荷倉(cāng)載取液1.蠟3。（3什）洋對(duì)結(jié)涼構(gòu)的描傾覆懶、滑瘋移或攔漂浮谷驗(yàn)算船，荷花載的脆分項(xiàng)貌系數(shù)缺應(yīng)按遲有關(guān)固的結(jié)翠構(gòu)設(shè)巡壽計(jì)詳規(guī)范柜的規(guī)努定采歸用。4、榴對(duì)于青偶然蛙組合守，荷炒載效幼應(yīng)組犁合的重設(shè)計(jì)搞值宜顏按下鋒列規(guī)須定確葵定：票偶然哭荷載池的代煌表值趙不乘屢分項(xiàng)惰系數(shù)箱；與新偶然愚荷載盯同時(shí)況出現(xiàn)狂的其職他荷范載可辣根據(jù)沫觀測(cè)戴資料焰和工懂程經(jīng)矮驗(yàn)采特用適圈當(dāng)?shù)淖V代表聞值。柏各種店情況忽下荷滲載效被應(yīng)的科設(shè)計(jì)兵值公訴式，桃可由互有關(guān)鐮規(guī)范扒另行番規(guī)定芝。Ⅱ、瘋正常司使用泉極限值狀態(tài)幕設(shè)計(jì)堪表達(dá)悄式1、賞對(duì)于抄正常鏈?zhǔn)褂糜驑O限罩狀態(tài)盡，結(jié)箭構(gòu)構(gòu)泉件應(yīng)礦根據(jù)脹不同際的設(shè)里計(jì)要挨求，挺分別骨采用篇荷載理效應(yīng)峽的標(biāo)塑準(zhǔn)組巧合、鵲頻遇敬組合安和準(zhǔn)鄙永久唱組合擠，并引用按銳下列旁設(shè)計(jì)章表達(dá)泳式進(jìn)垂行設(shè)億計(jì)：(6冶)式中攔，S——永正常藍(lán)使用唯極限群狀態(tài)拖的荷要載效步應(yīng)組治合值尚；C——肅結(jié)構(gòu)?；蚪Y(jié)客構(gòu)構(gòu)堂件達(dá)指到正棚常使以用要賓求的暖規(guī)定膜限值喘，例杜如變牧形、清裂縫蛇、振闖幅、厲加速猴度、重應(yīng)力躺等的腫限值所，應(yīng)任按各悟有關(guān)監(jiān)建筑仁結(jié)構(gòu)概設(shè)計(jì)執(zhí)規(guī)范茫的規(guī)吹定采春用。2、對(duì)于苗荷載燦效應(yīng)虜標(biāo)準(zhǔn)飯組合碧的設(shè)禁計(jì)值濤S應(yīng)鼓按下想式采供用(7桃)注：米組合濕中的全設(shè)計(jì)爺值僅較適用錯(cuò)于荷辨載與攔荷載聾效應(yīng)懶為線單性的直情況培。術(shù)語(yǔ)孔和概查率極筑限狀惡態(tài)的艙實(shí)用票