《混凝土結(jié)構(gòu)基本原理》 課件 第3章 混凝土結(jié)構(gòu)設計方法

混凝土結(jié)構(gòu)基本原理第3章3.1結(jié)構(gòu)設計要求3.2概率極限狀態(tài)設計法3.3分項系數(shù)設計方法3.4

結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設計表達式混凝土結(jié)構(gòu)設計方法33.1結(jié)構(gòu)設計要求

◆結(jié)構(gòu)功能要求

◆結(jié)構(gòu)安全等級

◆結(jié)構(gòu)設計使用年限2024/7/222024/7/221.結(jié)構(gòu)功能要求滿足使用功能：結(jié)構(gòu)的預定功能要求安全性（safety）：在正常施工和正常使用期間，結(jié)構(gòu)應能承受可能出現(xiàn)的各種作用，如各種荷載、外加變形和約束變形等。適用性（serviceability）：在正常使用期間，結(jié)構(gòu)應保持良好的使用性能，如變形和裂縫寬度不超限。耐久性（durability）：在正常使用和正常維護條件下，結(jié)構(gòu)應具有足夠的耐久性能，如結(jié)構(gòu)材料的風化、腐蝕和老化不超過一定限度。魯棒性（robustness）：在正常使用期間，結(jié)構(gòu)應具有整體抵御極端災害或偶然事件的能力。3.1結(jié)構(gòu)設計要求第3章2.結(jié)構(gòu)的安全等級5安全等級根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生的后果，即危及人的生命、造成的經(jīng)濟損失、產(chǎn)生社會影響等的嚴重程度確定?！督ㄖY(jié)構(gòu)可靠度設計統(tǒng)一標準》規(guī)定的建筑結(jié)構(gòu)安全等級

建筑物中各類結(jié)構(gòu)安全等級宜與整個結(jié)構(gòu)的安全等級相同，但允許對部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)其重要程度和綜合經(jīng)濟效益進行適當?shù)恼{(diào)整。2024/7/222024/7/223.1結(jié)構(gòu)設計要求安全等級破壞后果建筑物類型一級很嚴重：對人的生命、經(jīng)濟、社會或環(huán)境影響很大大型的公共建筑等重要的結(jié)構(gòu)二級嚴重：對人的生命、經(jīng)濟、社會或環(huán)境影響較大普通的住宅和辦公樓一般的結(jié)構(gòu)三級不嚴重：對人的生命、經(jīng)濟、社會或環(huán)境影響較小小型的或臨時性貯存建筑等第3章3.結(jié)構(gòu)設計使用年限6結(jié)構(gòu)設計使用年限（designworkinglife）是指設計規(guī)定的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件不需要進行大修即可按預定目的使用的年限，即結(jié)構(gòu)在正常使用和正常維護條件下所應達到的使用年限。2024/7/222024/7/223.1結(jié)構(gòu)設計要求注意設計使用年限、設計基準期、使用壽命或耐久年限等概念之間的區(qū)別。《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設計統(tǒng)一標準》規(guī)定的建筑結(jié)構(gòu)的設計使用年限及相應的荷載調(diào)整系數(shù)gL類別設計使用年限（年）gL臨時性建筑結(jié)構(gòu)50.9易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件25-普通房屋和構(gòu)筑物501.0標志性建筑和特別重要的建筑結(jié)構(gòu)1001.1第3章73.2概率極限狀態(tài)設計法

◆結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)

◆結(jié)構(gòu)設計狀態(tài)

◆作用效應和結(jié)構(gòu)抗力

◆作用極限狀態(tài)方程

◆結(jié)構(gòu)可靠度和可靠指標1.結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)3.2概率極限狀態(tài)設計法Thanks整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設計規(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)（limitstates）?！鯓O限狀態(tài)本質(zhì)是區(qū)分結(jié)構(gòu)可靠與失效的界限。□結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)分類■承載能力極限狀態(tài)安全性極限狀態(tài)。主要是破壞（強度）極限狀態(tài)■正常使用極限狀態(tài)適用性極限狀態(tài)。主要是變形和裂縫寬度極限狀態(tài)，根據(jù)受力特征，可進一步分為可逆正常使用極限狀態(tài)和不可逆正常使用極限狀態(tài)?！瞿途眯詷O限狀態(tài)耐久性極限狀態(tài)。結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件在環(huán)境影響下出現(xiàn)的劣化第3章1.結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)3.2概率極限狀態(tài)設計法Thanks當出現(xiàn)以下幾個狀態(tài)之一時，就認為超過了承載力極限狀態(tài)：◆結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載力（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（如細長受壓構(gòu)件的壓曲失穩(wěn)）承載能力極限狀態(tài)：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到其最大承載力或達到無法繼續(xù)承載的過大變形。第3章1.結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)3.2概率極限狀態(tài)設計法Thanks正常使用極限狀態(tài)：結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常使用的某項規(guī)定限值的狀態(tài)。嚴重程度：超過承載力能力極限狀態(tài)

>

超過正常使用極限狀態(tài)比如有以下幾種情況：◆過大的變形、側(cè)移（窗戶不能正常開關(guān)等）；◆過大的裂縫（鋼筋銹蝕、不安全感、漏水等）；◆過大的振動（不舒適）；◆其他正常使用要求。第3章1.結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)3.2概率極限狀態(tài)設計法Thanks耐久性極限狀態(tài)：結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件在環(huán)境影響下出現(xiàn)的劣化達到耐久性能的某項規(guī)定限值或標志的狀態(tài)。比如有以下幾種情況：◆影響承載能力和正常使用的材料性能劣化（如材料強度降低等）；◆影響耐久性能的裂縫、變形、缺口、外觀、材料削弱等；◆影響耐久性能的其他特定狀態(tài)。第3章2.結(jié)構(gòu)設計狀況3.2概率極限狀態(tài)設計法Thanks設計狀況（designsituation）是代表一定時段內(nèi)的一組設計條件，設計應做到在該組條件下結(jié)構(gòu)不超越有關(guān)的極限狀態(tài)。□建筑結(jié)構(gòu)設計狀況分類■持久設計狀況在結(jié)構(gòu)使用過程中一定出現(xiàn)，且持續(xù)期很長的設計狀況，其持續(xù)期一般與設計使用年限為同一數(shù)量級?！龆虝涸O計狀況在結(jié)構(gòu)施工和使用過程中出現(xiàn)概率較大，而與設計使用年限相比，其持續(xù)期很短的設計狀況?！雠既辉O計狀況在結(jié)構(gòu)使用過程中出現(xiàn)概率很小，且持續(xù)期很短的設計狀況?！龅卣鹪O計狀況結(jié)構(gòu)遭受地震時的設計狀況。第3章3.2概率極限狀態(tài)設計法Thanks上述4種狀況均應進行承載能力極限狀態(tài)設計對持久設計狀況，應進行正常使用極限狀態(tài)設計，宜進行耐久性極限狀態(tài)設計；對短暫設計狀況和地震設計狀況，可根據(jù)需要進行正常使用極限狀態(tài)設計；對偶然設計狀況，可不進行正常使用極限狀態(tài)和耐久性極限狀態(tài)設計，主要承重結(jié)構(gòu)可僅按承載能力極限狀態(tài)設計，但其結(jié)構(gòu)可靠指標可適當降低。2.結(jié)構(gòu)設計狀況第3章3.2概率極限狀態(tài)設計法Thanks作用（action）是指施加在結(jié)構(gòu)上的集中力或分布力，或是引起構(gòu)件外加變形或約束變形的原因。以力的形式施加在結(jié)構(gòu)上的，稱為直接作用（directaction），習慣上稱為荷載（loads）。3.作用效應和結(jié)構(gòu)抗力作用效應（effectofaction）是指作用所引起的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件反應，即各種作用施加在結(jié)構(gòu)上所產(chǎn)生的內(nèi)力和變形，如彎矩、剪力、軸力、扭矩、撓度、轉(zhuǎn)角和裂縫

等。結(jié)構(gòu)抗力（structuralresistance）是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受作用效應的能力，即結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抵抗內(nèi)力和變形的能力，通常用R表示，如承載力、剛度、抗裂度等第3章3.2概率極限狀態(tài)設計法Thanks4.結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程結(jié)構(gòu)設計要達到預定的功能要求，可用功能函數(shù)描述。■結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)

Z的一般表達式■

Z=g(X1,X2,…,Xn)隨機變量□

結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程的一般表達式■

Z=g(X1,X2,…,Xn)=0□只包含兩個變量（作用效應S和結(jié)構(gòu)抗力R）的功能函數(shù)

■

Z=g(R,S)=R

–

S第3章3.2概率極限狀態(tài)設計法4.結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程Thanks用功能函數(shù)Z判別結(jié)構(gòu)所處狀態(tài)當Z>0時，結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；當Z<0時，結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)；當Z=0時，結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)。

由此可見，求得Z>0的概率，也就是有效概率，反之，就是失效概率（有效+失效=1）第3章3.2概率極限狀態(tài)設計法5.結(jié)構(gòu)可靠度和可靠指標結(jié)構(gòu)可靠度（degreeofstructuralreliability）是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定時間、規(guī)定條件下完成預定功能的概率，它是結(jié)構(gòu)可靠性的定量描述。結(jié)構(gòu)的失效概率結(jié)構(gòu)功能函數(shù)Z=R-S<0的概率稱為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的失效概率Pf。功能函數(shù)Z=R-S服從正態(tài)分布，其平均值和標準差分別為

結(jié)構(gòu)的失效概率可直接通過Z<0的概率來表達：

第3章3.2概率極限狀態(tài)設計法5.結(jié)構(gòu)可靠度和可靠指標

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。

當失效概率Pf小于某個值時，人們因結(jié)構(gòu)失效的可能性很小而不再擔心，即可認為結(jié)構(gòu)設計是可靠的。■

結(jié)構(gòu)的失效概率PfPf=P(Z=R-S<0)S

、R概率密度曲線第3章3.2概率極限狀態(tài)設計法5.結(jié)構(gòu)可靠度和可靠指標■

結(jié)構(gòu)的失效概率Pf(R,S均服從正態(tài)分布)Z概率密度曲線第3章3.2概率極限狀態(tài)設計法5.結(jié)構(gòu)可靠度和可靠指標失效概率計算復雜，故引入可靠指標b

來評價結(jié)構(gòu)的可靠性。

b

越大，失效概率就越小，即結(jié)構(gòu)越可靠，故b

稱為可靠指標。當基本變量為非正態(tài)分布時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠指標應以結(jié)構(gòu)構(gòu)件作用效應和抗力當量正態(tài)分布的平均值和標準差按上式計算。陰影部分的面積與mZ

和sZ的大小有關(guān)；增大mZ，曲線右移，曲線變低變寬，陰影面積減少；減小sZ，曲線變高變窄，陰影面積減少。若令則有第3章3.2概率極限狀態(tài)設計法5.結(jié)構(gòu)可靠度和可靠指標目標可靠指標[b]定義：指《規(guī)范》規(guī)定的結(jié)構(gòu)構(gòu)件設計時所應達到的可靠指標。破壞類型安全等級一級二級三級延性破壞3.73.22.7脆性破壞4.23.73.2一級——破壞后果很嚴重的重要建筑物；二級——破壞后果嚴重的一般工業(yè)與民用建筑物；三級——破壞后果不嚴重的次要建筑物?！督ㄖY(jié)構(gòu)可靠度設計統(tǒng)一標準》規(guī)定的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的目標可靠指標

延性破壞：結(jié)構(gòu)破壞前有明顯的變形或其他預兆。其危害小，[b]相對低一些。脆性破壞：結(jié)構(gòu)破壞前沒有明顯的變形或其他預兆。其危害大，[b]相對高一些。結(jié)構(gòu)安全等級高，[b]相對高一些。第3章223.3分項系數(shù)設計方法

◆作用代表值

◆材料強度取值

◆作用（荷載）組合

◆承載能力極限狀態(tài)設計表達式

◆正常使用極限狀態(tài)設計表達式1.作用代表值3.3分項系數(shù)設計方法作用代表值（representativevaluesofanaction）是極限狀態(tài)設計時所采用的作用值，包括標準值、組合值、頻遇值和準永久值。標準值>組合值>頻遇值>準永久值，但組合值與頻遇值可能取相同值。我國《規(guī)范》采用的是以結(jié)構(gòu)功能函數(shù)為目標函數(shù)、以概率理論為分析方法、以分項系數(shù)表達的極限狀態(tài)設計法，即采用將極限狀態(tài)方程轉(zhuǎn)化為以基本變量標準值和分項系數(shù)形式表達的極限狀態(tài)設計表達式?！飿藴手凳亲饔玫幕敬碇?，其他代表值都可在標準值的基礎上乘以相應的系數(shù)后得到。第3章1.作用代表值3.3分項系數(shù)設計方法■永久作用：以標準值為代表值■可變作用：以標準值、組合值、頻遇值和準永久值作為代表值■結(jié)構(gòu)設計時，對不同作用和不同的設計情況，應采用不同的代表值■偶然作用：其代表值應根據(jù)具體工程情況和偶然作用可能出現(xiàn)的最大值，并考慮經(jīng)濟因素，綜合加以確定，也可按有關(guān)標準確定。第3章1.作用代表值3.3分項系數(shù)設計方法■作用標準值是指在結(jié)構(gòu)設計基準期內(nèi)可能出現(xiàn)的最大作用值，可根據(jù)觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、作用的自然界限或工程經(jīng)驗確定?！鲇谰米饔脴藴手礕k：可按結(jié)構(gòu)設計標注尺寸和材料重度平均值計算確定，一般相當于永久作用概率分布的平均值?！隹勺冏饔脴藴手礠k：可由設計基準期內(nèi)最大作用概率分布的某一分位值確定。各類可變作用標準值及各種材料重度，可由《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》查取。建筑結(jié)構(gòu)樓面可變荷載標準值，可查教材附表14。第3章1.作用代表值3.3分項系數(shù)設計方法■可變作用組合值是當結(jié)構(gòu)承受兩種或兩種以上可變作用時的代表值，也是在設計基準期內(nèi)作用組合后使結(jié)構(gòu)具有規(guī)定可靠指標的作用值。其中,yc

表示可變作用組合值系數(shù)，具體取值見教材附表14?！隹勺冏饔脺视谰弥凳侵冈谠O計基準期內(nèi)，其超越的總時間占設計基準期比率較大的作用值，即在設計基準內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)的可變作用值。其中,yq

表示可變作用準永久值系數(shù)，具體取值見教材附表14?！隹勺冏饔妙l遇值是在指設計基準內(nèi)，其超越的總時間占設計基準期比率較小的作用值。（注意與可變作用準永久值的區(qū)別?。┢渲?yf表示可變作用頻遇值系數(shù)，具體取值見教材附表14。第3章2.材料強度取值3.3分項系數(shù)設計方法27

材料強度標準值材料強度標準值是一種特征值，取值原則是在符合規(guī)定質(zhì)量的材料強度實測總體中，標準值應具有不小于95%的保證率。2024/7/222024/7/22式中：fk——材料強度的標準值；

mf——材料強度的平均值；

sf——

材料強度的標準差；df——材料強度的變異系數(shù)。第3章2.材料強度取值3.3分項系數(shù)設計方法28

材料強度設計值混凝土的材料分項系數(shù)gc=1.4熱軋鋼筋的材料分項系數(shù)gs=1.1~1.15預應力筋的材料分項系數(shù)

gs

=1.22024/7/222024/7/22設計方法的核心思想：荷載取具有一定保證率的偏大值，材料強度取具有一定保證率的偏小值。材料強度設計值=材料強度標準值/材料分項系數(shù)◆混凝土◆鋼筋第3章3.作用荷載組合3.3分項系數(shù)設計方法■作用（荷載）組合是指在不同作用的同時影響下，為驗證某一極限狀態(tài)的結(jié)構(gòu)可靠度而采用的一組作用設計值。在正常使用期間，結(jié)構(gòu)構(gòu)件除承受永久作用外，可能還同時承受多種可變作用，這就需要考慮這些作用同時出現(xiàn)時所產(chǎn)生的作用組合效應。1.承載能力極限狀態(tài)設計（1）基本組合，用于持久設計狀況或短暫設計狀況；（2）偶然組合，用于偶然設計狀況；（3）地震組合，用于地震設計狀況。2．正常使用極限狀態(tài)設計（1）標準組合，宜用于不可逆正常使用極限狀態(tài)設計；（2）頻遇組合，宜用于可逆正常使用極限狀態(tài)設計；（3）準永久組合，宜用于長期效應是決定性因素的正常使用極限狀態(tài)設計。第3章4.承載能力極限狀態(tài)設計表達式3.3分項系數(shù)設計方法基本表達式

Rd

:結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設計值；

gRd:結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力模型不定性系數(shù)；靜力設計取1.0，不確定性較大的結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)具體情況取大于1.0的數(shù)值；抗震設計，采用承載力抗震調(diào)整系數(shù)gRE代替gRd的表達形式結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)對持久設計狀況和短暫設計狀況對偶然設計狀況和地震設計狀況安全等級一級二級三級

g01.11.