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)兇和概迅率極丑限狀批態(tài)的象實(shí)用嚇設(shè)計(jì)似表達(dá)槽式二、概率概極限象狀態(tài)挨的實(shí)野用設(shè)達(dá)計(jì)表耍達(dá)式（按鉗GB刻50房誠(chéng)00阿9-耀20錫01為)Ⅰ、該承載霞能力煮極限切狀態(tài)橡設(shè)計(jì)地表達(dá)甲式：結(jié)構(gòu)邀構(gòu)件稼的承賠載力晃計(jì)算館，應(yīng)她采用蘇如下?lián)斐休d牲力極雨限狀堤態(tài)設(shè)倉(cāng)計(jì)表計(jì)達(dá)式卸：r0S≤R式中撓：r0——結(jié)構(gòu)漲重要偶系數(shù)去；S——擊承載旅能力邀極限些狀態(tài)酒的荷帥載（偷基本摧組合帳或偶松然組礦合）雁效應(yīng)攜組蛛合瓜設(shè)計(jì)引值；R——徐結(jié)構(gòu)鵲構(gòu)件次抗力標(biāo)的設(shè)久計(jì)值笨，應(yīng)尚按各幣有關(guān)照建筑沈結(jié)構(gòu)蛾設(shè)計(jì)先規(guī)范洗的規(guī)產(chǎn)定確遞定。術(shù)語(yǔ)粗和概躍率極奴限狀況態(tài)的叼實(shí)用簡(jiǎn)設(shè)計(jì)瞎表達(dá)杠式承載遮能力工極限碎狀態(tài)桶的荷彼載效啟應(yīng)組凝合的莫設(shè)計(jì)壁值S耳的確惜定：1.脂基猛本組萌合對(duì)于貫基本去組合爺，荷盾載效畫(huà)應(yīng)組國(guó)合的燒設(shè)計(jì)賠值S應(yīng)從榆下列漁組合繁值中貿(mào)取最茶不利堤值確敲定。(1呢)壘由可徒變荷戲載效屑應(yīng)控鑄制的講組合?。?3槍)式中裝：術(shù)語(yǔ)饒和概率富極限嘉狀態(tài)宅的實(shí)斑用設(shè)鏈計(jì)表臭達(dá)式(2遙)殼由永蠅久荷啦載效故應(yīng)控姥制的鍋組合房誠(chéng)：(4賊)注：柏①基械本組治合中移的設(shè)關(guān)計(jì)值胡僅適育用于湯荷載蛇與荷粥載效壞應(yīng)為仗線性蹲的情蛾況。等②由當(dāng)對(duì)扭SQ夸1K疏無(wú)法例明顯甚判斷卷時(shí)，卡輪次益以各切可變割荷載傾效應(yīng)尖為S律Q1擺K，壁選其擔(dān)中最改不利喝的盼荷載嫌效應(yīng)恢組合旱。2、定對(duì)于憂一般裁排架盈、框劍架結(jié)棍構(gòu)，撞基本公組合滋可采蘇用簡(jiǎn)紋化規(guī)佛則，懇并應(yīng)屠按下煌列組撿合值榮中取陶最不漢利的首值確夏定。(1叔)鍵由可田變荷溪載效本應(yīng)控浙制的茫組合攝：(5輕)(2扭)揪由永避久荷頓載效斑應(yīng)控皂制的礙組合叮仍按籠式(語(yǔ)4)伶采用熄。術(shù)語(yǔ)抬和概率粉極限血狀態(tài)付的實(shí)愧用設(shè)姿計(jì)表鑰達(dá)式術(shù)語(yǔ)畏和概蘋(píng)率極星限狀斗態(tài)的對(duì)實(shí)用啄設(shè)計(jì)繪表達(dá)誰(shuí)式3、琴基本霞組合銷的荷捐載分船項(xiàng)系仔數(shù)，蓋應(yīng)按瘡下列阻規(guī)定冰采用悔：矛（1安）永探久荷鋪載的量分項(xiàng)究系數(shù)臉：稅1)僑當(dāng)其岡效應(yīng)爸對(duì)結(jié)擦構(gòu)不灑利時(shí)散對(duì)由伐可變沖荷載姥效應(yīng)炭控制敲的組分合，括應(yīng)取昌1.挪2；齒對(duì)由售永久宿荷載句效應(yīng)斑控制睡的組即合，綱應(yīng)取糧1.信35合；健2)趨當(dāng)其蠶效應(yīng)脅對(duì)結(jié)瀉構(gòu)有平利時(shí)輔的組北合，渠應(yīng)取捉1.貪0。（2剛）礙可變佳荷載制的分泰項(xiàng)系數(shù)數(shù)：綿一般澡情況僻下取茶1.墨4；孕對(duì)標(biāo)怕準(zhǔn)值補(bǔ)大于敗4k金N／獻(xiàn)m2的工熔業(yè)房炕屋樓俗面結(jié)轟構(gòu)的程活荷鍬載取延1.帳3。（3約）施對(duì)結(jié)蜘構(gòu)的群傾覆工、滑膠移或且漂浮還驗(yàn)算逢，荷在載的踐分項(xiàng)去系數(shù)玩應(yīng)按批有關(guān)彩的結(jié)饅構(gòu)設(shè)示計(jì)貼規(guī)范沾的規(guī)罰定采待用。4、要對(duì)于擴(kuò)偶然猴組合申，荷錘載效僵應(yīng)組則合的汁設(shè)計(jì)伸值宜夜按下我列規(guī)油定確侄定：邪偶然蜘荷載蛾的代晝表值唉不乘抵分項(xiàng)票系數(shù)第；與踩偶然攤荷載騾同時(shí)洗出現(xiàn)對(duì)的其周他荷泥載可睛根據(jù)傅觀測(cè)略資料坊和工像程經(jīng)湯驗(yàn)采派用適驚當(dāng)?shù)奶矶阎怠Ｏじ鞣N赴情況兄下荷呆載效肝應(yīng)的遷設(shè)計(jì)汽值公耕式，湖可由瓦有關(guān)城規(guī)范方另行的規(guī)定蜻。Ⅱ、齡正常暢使用捏極限控狀態(tài)手設(shè)計(jì)獵表達(dá)愿式1、墳對(duì)于賺正常但使用絨極限盼狀態(tài)烤，結(jié)捉構(gòu)構(gòu)喚件應(yīng)就根據(jù)盞不同伏的設(shè)爭(zhēng)計(jì)要窮求，搖分別蓮采用侮荷載葡效應(yīng)揚(yáng)的標(biāo)肺準(zhǔn)組明合、隸頻遇櫻組合幸和準(zhǔn)策永久海組合肆，并完用按扔下列芒設(shè)計(jì)扔表達(dá)份式進(jìn)賀行設(shè)填計(jì)：(6境)式中迅，S——夾正常萬(wàn)使用箭極限斬狀態(tài)嫩的荷蜂載效虧應(yīng)組記合值此；C——刮結(jié)構(gòu)恩或結(jié)返構(gòu)構(gòu)宇件達(dá)遭到正族常使拋用要柄求的返規(guī)定偏限值霧，例臟如變時(shí)形、屈裂縫單、振帶幅、局加速查度、回應(yīng)力濤等的描限值約，應(yīng)外按各協(xié)有關(guān)憲建筑董結(jié)構(gòu)副設(shè)計(jì)費(fèi)規(guī)范躺的規(guī)送定采尺用。2、對(duì)于肯荷載磚效應(yīng)糟標(biāo)準(zhǔn)嫩組合卵的設(shè)抹計(jì)值慣S應(yīng)喊按下識(shí)式采譜用(7翻)注：旱組合踏中的危設(shè)計(jì)駐值僅應(yīng)適用抖于荷流載與呼荷載效效應(yīng)布為線宴性的墊情況撕。術(shù)語(yǔ)伴和概碎率極違限狀鑄態(tài)的洞實(shí)用利設(shè)計(jì)擔(dān)表達(dá)葵式3、純對(duì)于沃頻遇爺組合月，荷虧載效薦應(yīng)組說(shuō)合的害設(shè)計(jì)券值S應(yīng)按碗下式禍采用薄