混凝土结构设计的基本原则.ppt

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1、第3章 混凝土结构设计的基本原则,第3章 混凝土结构设计的基本原则,本章主要内容 1 结构的功能要求和极限状态 2 概率极限状态设计方法 3 荷载的代表值 4 材料强度的标准值和设计值 5 实用设计表达式,混凝土结构设计原理（第2版）配套课件，邵永健主编，北京大学出版社2013年8月出版,工程结构需要安全适用、经济合理；这只有技术先进才能实现。实际工程结构中存在多种不确定性；工程结构的基本设计原则就是研究各种不确定性问题，实现可靠性与经济性的最佳平衡。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,一、作用的概念：使结构产生内力或变形的原因，分直接作用和 间接作用两种。直接作用：是指施加在结构上的集中力或

2、分布力，即荷载。间接作用：是指引起结构外加变形或约束变形的原 因（混凝土收缩、温度变化、基础差异 沉降、地震等）。,3.1 结构的功能要求和极限状态3.1.1 作用、作用效应及结构抗力,第3章 混凝土结构设计的基本原则,第3章 混凝土结构设计的基本原则,第3章 混凝土结构设计的基本原则,三、作用效应 作用效应是指由作用在结构上引起的内力（如弯矩、剪力、轴力和扭矩）和变形（如挠度、裂缝和侧移）。当作用为直接作用时，其效应通常称为荷载效应，用S 表示。,结构力学的主要任务,第3章 混凝土结构设计的基本原则,弯矩图 kN.m 除弯矩外，尚有剪力、轴力、挠度、裂缝和侧移等作用效应。,第3章 混凝土结构

3、设计的基本原则,四、结构抗力 结构抗力是指结构或结构构件承受作用效应的能力，用R 表示。如构件的承载力、刚度和抗裂度等。混凝土构件抗力的大小是由构件的截面尺寸、材料性能以及钢筋的配置方式和数量等决定。,本课程的主要任务,第3章 混凝土结构设计的基本原则,第3章 混凝土结构设计的基本原则,五、设计基准期与设计使用年限 设计基准期是确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数。建筑结构的设计基准期为50年，公路桥涵结构的设计基准期为100年。设计使用年限是设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期，建筑结构的设计使用年限按下表采用。,第3章 混凝土结构设计的基本原则

4、,建筑结构的设计使用年限,第3章 混凝土结构设计的基本原则,3.1.2 结构的功能（包括安全性、适应性和耐久性）,1、安全性 结构在设计规定的使用年限内，能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用。在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。,设计使用年限：一般为50年。各种作用：指荷载、外加变形和约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）；偶然事件：如地震、爆炸、火灾、撞击等；整体稳定性：指建筑结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,结构在设计规定的使用年限内，在正常使用时具有良好的工作性能。良好的工作性能：指不发生影响正常使用的过大的变

5、形、振动，或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度等。,2、适用性,3、耐久性 结构在设计规定的使用年限内，在正常维护下具有足够的耐久性能。耐久性能：指在各种因素（混凝土碳化、钢筋锈蚀等）的影响下，结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低，而降低使用寿命。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,第3章 混凝土结构设计的基本原则,（1）概念：承载能力极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载力或不适于继续承载的变形，或结构的连续倒塌。-安全性。,1、承载能力极限状态 Ultimate Limit State,第3章 混凝土结构设计的基本原则,（2）标志整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移

6、）。结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳 破坏）或因过度变形而不适于继续承载。结构转变为机动体系（超静定结构中出现足够多塑 性铰）。结构或结构构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲 失稳）。地基丧失承载能力而破坏。结构因局部破坏而发生连续倒塌。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,2、正常使用极限状态,（1）概念：正常使用极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。对应于结构的适应性和耐久性。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,（2）标志：影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝、钢筋锈蚀、漏水等）；影响正常使用的振动；影响正常使用的其他特定

7、状态。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,三 结构的设计状况,（1）持久设计状况 在结构使用过程中一定出现，其持续期一般与设计使用年限为同一数量级。如使用期间房屋结构承受家具和正常人员荷载的状况、以及桥梁结构承受车辆荷载的状况等属持久设计状况。应进行承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,（2）短暂设计状况 在结构施工和使用过程中出现概率较大，而持续期很短的设计状况。如结构施工和维修时承受堆料荷载的状况属短暂设计状况。应进行承载能力极限状态设计，可根据需要进行正常使用极限状态设计。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,（3）偶然设计状况 在结构使用过程中出现概

8、率很小，且持续期很短的设计状况。如结构遭受火灾、爆炸和撞击等作用的状况属偶然设计状况。应进行承载能力极限状态设计，可不进行正常使用极限状态设计。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,（4）地震设计状况 结构遭受地震时的状况。在地震设防区必须考虑地震设计状况。应进行承载能力极限状态设计，可根据需要进行正常使用极限状态设计。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,2、极限状态方程,Z=0 即 R-S0,四 结构的功能函数和极限状态方程,第3章 混凝土结构设计的基本原则,一、可靠性 结构在规定的时间（设计使用年限）内，在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护），完成预定功能（安全性、适用性和耐久

9、性）的能力。即是安全性、适用性和耐久性的总称。,3.2.1结构的可靠度,3.2 概率的极限状态设计法,第3章 混凝土结构设计的基本原则,一、R和S的概率密度曲线-正态分布,可见，在多数情况下，RS。但在重叠区（阴影段内）仍有可能出现RS是不可能的。,3.2.2 失效概率与可靠指标,第3章 混凝土结构设计的基本原则,二、Z的概率密度曲线、失效概率、可靠指标,失效概率,可见，Pf 越小，越大,第3章 混凝土结构设计的基本原则,第3章 混凝土结构设计的基本原则,平均值：,标准差：,两者均为统计值,容许失效概率,当Pf 小于某个值时，人们不再担心。该失效概率称为容许失效概率Pf。,第3章 混凝土结构设

10、计的基本原则,三、目标可靠指标,建筑结构的目标可靠指标,建筑结构的安全等级,对于正常使用极限状态的目标可靠指标，根据其作用效应的可逆程度宜取01.5。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,桥梁结构的目标可靠指标,第3章 混凝土结构设计的基本原则,3.3 荷载代表值 可变荷载的代表值有标准值、组合值、频遇值和准永久值4种；永久荷载代表值只有标准值。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,（1）荷载标准值 荷载标准值是荷载的基本代表值，为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值（例如均值、众值、中值或某个分位值）。1）永久荷载标准值：按设计尺寸与材料重力密度的乘积计算。一般相当于设计基准期内最大荷载概率分布

11、的0.5分位值。2）可变荷载标准值：为设计基准期内最大荷载概率分布的某个分位值。对于建筑结构，查荷载规范GB50009。对于道桥结构，查公路桥涵设计通用规范JTG D60。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,（3）频遇值结构上时而出现的较大作用值,但小于 标准值。,频遇值=频遇值系数标准值,t/T 0.1,（2）组合值当有两个或两个以上可变荷载同时作 用时的代表值。,组合值=组合值系数标准值,第3章 混凝土结构设计的基本原则,3.4 材料强度标准值和设计值,材料强度有实测值、标准值和设计值,第3章 混凝土结构设计的基本原则,第3章 混凝土结构设计的基本原则,3.4.1 钢筋强度的标准值和设计值

12、1钢筋强度的标准值规范GB50010规定：钢筋的强度标准值应具有不小于95%的保证率，具体取法如下：（1）对有明显屈服点的普通钢筋，以屈服强度作为强度标准值取值依据，用符号fyk表示，见P418附表1-4。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,普通钢筋强度标准值钢筋屈服强度标准值=钢材废品限值,保证率97.73%(95%),第3章 混凝土结构设计的基本原则,（2）对无明显屈服点的预应力筋，以抗拉强度b作为强度标准值取值依据，用符号fptk表示，见P419附表1-6。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,2钢筋强度的设计值,（1）对于普通钢筋 抗拉强度设计值fy按下式计算：计算时，钢筋材料分项系数s

13、取值如下：对于HPB300、HRB335、HRBF335、HRB400、HRBF400、RRB400取s=1.1；对于HRB500、HRBF500取s=1.15。fy详见P419附表1-5。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,附表1-5 普通钢筋强度设计值（N/mm2）,第3章 混凝土结构设计的基本原则,（2）对于预应力筋消除应力钢丝、钢绞线的fpy按下式计算：中强度预应力钢丝、预应力螺纹钢筋的fpy按下式计算：计算时，预应力筋的材料分项系数s均取1.2。fpy取值详见P420附表1-7,第3章 混凝土结构设计的基本原则,附表1-7 预应力筋强度设计值（N/mm2）,第3章 混凝土结构设计的基

14、本原则,3.4.2 混凝土强度的标准值和设计值1混凝土强度的标准值 fcu,k、fck、ftk的概念见第2章的2.1.1节。fck、ftk按P418附表1-1取值。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,附表1-1 混凝土强度标准值（N/mm2）,第3章 混凝土结构设计的基本原则,2混凝土强度的设计值,轴心抗压强度设计值fc按下式计算：,轴心抗拉强度设计值ft按下式计算：,计算时，取c1.4,fc和ft按P418附表1-2取值。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,附表1-2 混凝土强度设计值（N/mm2）,第3章 混凝土结构设计的基本原则,设计验算点的确定、分项系数,3.5 实用设计表达式,第3章

15、 混凝土结构设计的基本原则,二、设计验算点的确定,第3章 混凝土结构设计的基本原则,二、设计验算点的确定,第3章 混凝土结构设计的基本原则,二、设计验算点的确定,第3章 混凝土结构设计的基本原则,二、设计验算点的确定,第3章 混凝土结构设计的基本原则,3.5.1 承载能力极限状态设计表达式,规范GB50010规定，混凝土结构的承载能力极限状态计算应包括下列内容：（1）结构构件应进行承载力（包括失稳）计算；（2）直接承受重复荷载的构件应进行疲劳验算；（3）有抗震设防要求时，应进行抗震承载力计算；（4）必要时尚应进行结构的倾覆、滑移、漂浮验算。（5）对于可能遭受偶然作用，且倒塌可能引起严重 后果的

16、重要结构，宜进行防连续倒塌设计。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,1承载能力极限状态设计表达式,对持久设计状况、短暂设计状况和地震设计状况:,0结构重要性系数。对持久设计状况和短暂设计状况按下表取值；对地震设计状况下应取1.0。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,结构重要性系数0 见P53表3-5,第3章 混凝土结构设计的基本原则,Rd结构构件的抗力模型不定性系数。静力设计取1.0，对不确定性较大的结构构件根据具体情况取大于1.0的数值；抗震设计应用承载力抗震调整系数RE代替Rd,第3章 混凝土结构设计的基本原则,2承载能力极限状态的荷载组合的效应设计值S,工程结构可靠性设计统一标准 GB5

17、0153-2008规定：对于持久设计状况和短暂设计状况应采用基本组合。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,对于基本组合，应从下列两组合值中取最不利值确定：,（1）由可变荷载效应控制的组合,（2）由永久荷载效应控制的组合,第3章 混凝土结构设计的基本原则,Gj第j个永久作用的分项系数，当其效应对结构 不利时：取1.2或1.35；有利时：取1.0；Q1第1个可变作用的分项系数，一般情况下取 1.4；对于标准值大于4kN/m2的工业房屋楼 面结构的活荷载取1.3；Qi第i个可变作用的分项系数，取值同Q1；L1、Li第1个和第i个可变作用关于结构设计使 用年限的荷载调整系数，对于设计使用年限 为100

18、年、50年和5年的结构分别取1.1、1.0 和0.9；,第3章 混凝土结构设计的基本原则,建规G、Qi、Ci的取值,桥规见JTG D62第4.1.6条,第3章 混凝土结构设计的基本原则,对于偶然设计状况应采用偶然组合-ZX。,对于荷载偶然组合的效应设计值：,第3章 混凝土结构设计的基本原则,当用于承载能力极限状态计算的效应设计值可按下式确定：,式中：SAd按偶然荷载标准值Ad计算的荷载效应值；,f1第1个可变荷载的频遇值系数；,qi第i个可变荷载的准永久值系数。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,当用于偶然事件发生后受损结构整体稳固性验算的效应设计值可按下式确定：,3.5.2 正常使用极限状态

19、设计表达式,规范GB50010规定，混凝土结构构件应按下列规定进行正常使用极限状态验算：（1）对需要控制变形的构件，应进行变形验算；（2）对不允许出现裂缝的构件，应进行混凝土拉应力 验算；（3）对允许出现裂缝的构件，应进行受力裂缝宽度验 算；（4）对舒适度有要求的楼盖结构，应进行竖向自振频 率验算。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,1正常使用极限状态设计表达式,正常使用极限状态应按荷载的准永久组合或标准组合并考虑长期作用的影响，按下列表达式进行验算：,式中 S荷载组合的效应设计值；C变形、应力、裂缝宽度等的限值。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,2正常使用极限状态荷载组合的效应设计值S,（

20、1）标准组合,（2）频遇组合,（3）准永久组合,第3章 混凝土结构设计的基本原则,3正常使用极限状态的验算规定及其限值C,（1）挠度验算钢筋混凝土受弯构件按荷载的准永久组合；预应力混凝土受弯构件按荷载的标准组合；两者均应考虑荷载长期作用的影响，其最大挠度计算值不应超过P423附表1-16所规定的限值。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,附表1-16 受弯构件的挠度限值,第3章 混凝土结构设计的基本原则,（2）裂缝控制等级,一级：严格要求不出现裂缝的构件,按荷载标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力。,二级：一般要求不出现裂缝的构件,按荷载标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土拉应力不应大

21、于混凝土抗拉强度的标准值。,三级：允许出现裂缝的构件,第3章 混凝土结构设计的基本原则,（3）裂缝宽度验算,钢筋混凝土受弯构件按荷载的准永久组合；预应力混凝土受弯构件按荷载的标准组合；两者均应考虑荷载长期作用的影响，其最大裂缝宽度计算值不应超过P422附表1-15所规定的限值。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,附表1-15 最大裂缝宽度限值（mm）,第3章 混凝土结构设计的基本原则,（4）楼盖结构竖向自振频率验算,住宅和公寓不宜低于5Hz；办公楼和旅馆不宜低于4Hz；大跨度公共建筑不宜低于3Hz。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,本章的主要内容1、作用（永久作用、可变作用、偶然作用）、作用效应及抗力2、结构的功能：安全性、适用性和耐久性；可靠性与可靠度3、结构设计中的不确定性4、两类极限状态：概念和标志5、四种设计状况,本章小结,第3章 混凝土结构设计的基本原则,链接下一章,6、以概率论为基础的极限状态设计法（1）失效概率与可靠指标（2）极限状态设计表达式0SR（3）荷载效应组合：基本组合（可变荷载效应控制、永久荷载效应控制）、偶然组合、标准组合、频遇组合、准永久组合。（4）荷载的实测值、标准值、组合值、频遇值、准永久值和设计值（5）材料强度的实测值、标准值和设计值,第3章 混凝土结构设计的基本原则,