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1、混凝土结构基本原理 Basic Principles of Concrete Structure 3 混凝土结构设计的基本原则Design Methods of Concrete Structure,成都大学基建处,混凝土结构基本原理,第 3 章,第 3 章 混凝土结构设计的基本原则,混凝土结构基本原理,第 3章,本章重点,了解结构上的作用、作用效应和结构抗力的概念及其随机特性；,了解混凝土结构设计方法的理论基础 可靠度理论；,掌握我国规范的设计方法概率极限状 态设计法。,混凝土结构基本原理,第 3 章,3.1.1 结构上的作用 action,概念：建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068-
2、2001）指出：施加在结构上的集中力或分布力，或引起结构变形或约束变形的原因。另：凡能使结构产生内力、应力、位移、应变、裂缝的因素，都称为结构上的作用。,直接作用：施加在结构上的集中力或分布力。一般称为荷载。,分类：,间接作用：引起结构外加变形或约束变形的原因。如:温度、收缩、徐变、地基不均匀沉降、地震作用等。,混凝土结构基本原理,第 3 章,作用的分类（1）按随时间的变异分类 永久作用permanent action:在设计基准期内其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用。其中，直接作用习称恒荷载。如:结构自重、土压力、预加应力、基础沉降、焊接等。可变作用variable a
3、ction:在设计基准期内其值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。其中，直接作用习称活荷载。如:安装荷载、楼面荷载、风荷载、雪荷载、吊车荷载、温度变化、地震等。偶然作用accidental action:在设计基准期内不一定出现，而一旦出现其值很大且持续时间较短的作用。如:地震、爆炸、撞击等。,混凝土结构基本原理,第 3 章,作用的分类（2）按随空间位置的变异分类 固定作用:在结构上具有固定分布的作用。如:结构构件自重、工业与民用建筑楼面上的固定设备荷载等。可动作用:在结构上一定范围内可以任意分布的作用。如:吊车荷载、工业与民用建筑楼面上的人员荷载等。,混凝土结构基本原理,第 3
4、章,作用的分类（3）按结构的反应分类 静态作用:不使结构或构件产生加速度，或所产生的加速度可以忽略不计的作用。其中，直接作用习称静荷载。如:结构自重、住宅与办公楼的楼面活荷载等。动态作用:使结构或构件产生不可忽略的加速度的作用。其中，直接作用习称动荷载。如:地震、吊车荷载、设备振动、作用在高耸结构上的风荷载等。,混凝土结构基本原理,第 3 章,作用的分类（4）按作用的方向分类 竖向作用:如:结构自重等。水平作用:如:水平风荷载等。任意方向的作用:如:地震作用等。,混凝土结构基本原理,第 3 章,3.1.2 作用效应 action effect 符号:S,荷载效应 load effect 定义：
5、由荷载引起的结构或结构构件的反应,例如内 力、变形、裂缝等，称为荷载效应。,定义：由作用引起的结构或结构构件的反应,例如 内力、变形、裂缝等，称为作用效应。,混凝土结构基本原理,第 3 章,3.1.3 结构抗力 resistance符号:R,定义：结构或构件承受作用效应的能力，如:构件 的承载能力、刚度、抗裂度等。另:结构抵抗作用效应的能力，称为结构抗力。影响因素:a.结构材料的性能:如:材质、强度、弹性模量等。b.几何参数。c.计算所采用的基本假定。d.计算所采用的计算公式。,混凝土结构基本原理,第 3 章,1.安全性Safety:结构在正常施工和正常使用条件下，承受可能出现的各种作用的能力
6、，以及在偶然事件发生时和发生后，仍能保持必要的整体稳定性的能力。如（MMu）,2.适用性Serviceability:结构在正常使用条件下，满足预定使用要求的能力。如不发生影响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振动（频率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。,3.2.1 结构的功能要求,混凝土结构基本原理,第 3 章,3.耐久性Durability:结构在正常使用和维护条件下，随时间变化而仍能满足预定功能要求的能力。如（wmax wmax）,当结构满足了以上三个方面的功能要求时，说明结构是可靠的。,3.2.1 结构的功能要求,第3章 混凝土结构设计的基本原则,3.2结构的功能要求
7、,1.结构的可靠性reliability 可靠性安全性、适用性和耐久性的总称 就是指结构在规定的时间内（一个设计使用年限:一般为T=50 年 中国），在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护），完成预定结构功能(如:强度、刚度、稳定性、抗裂性、耐久性等)的能力。结构可靠性越高，建设造价投资越大。如何在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计方法要解决的问题。,3.2.2 结构的可靠性,第3章 混凝土结构设计的基本原则,3.2结构的功能要求,两个概念：设计基准期design reference period:为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。一般为T=50 年 中
8、国 设计使用年限design woking life：设计规定的结构或结构构件不需要进行大修即可按其预定目的使用的时期。具体：临时性结构-5年 易于替换的结构构件-25年；普通房屋和构筑物-50年；纪念性建筑和特别重要的建筑结构-100年,3.2.2 结构的可靠性,第3章 混凝土结构设计的基本原则,3.2结构的功能要求,显然这种可靠与经济的均衡受到多方面的影响，如国家经济实力、设计工作寿命、维护和修复等。规范规定的设计方法，是这种均衡的最低限度，也是国家法律。设计人员可以根据具体工程的重要程度、使用环境和情况，以及业主的要求，提高设计水准，增加结构的可靠度。经济的概念不仅包括第一次建设费用，还
9、应考虑维修，损失及修复的费用,第3章 混凝土结构设计的基本原则,3.2结构的功能要求,2.结构的安全等级 Safety class,根据破坏后果的严重程度划分的结构或结构构件的等级。分为三级:,第3章 混凝土结构设计的基本原则,3.2结构的功能要求,结构的安全等级采用的规定：,a.同一建筑物内的各种结构构件，一般宜采用与整个结构相同的安全等级。b.对于特殊的建筑物，其安全等级可根据具体情况另行确定。c.对于有抗震或其他特殊要求的建筑物，其安全等级还应符合抗震规范或其他特殊规范的规定。d.对结构中的各种构件的安全等级可作个别调整，不得低于三级。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,3.3 极限状态
10、,3.3 结构功能的极限状态Limit State,结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠”的或“有效”的。反之，则结构为“不可靠”或“失效”。区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限状态”,第3章 混凝土结构设计的基本原则,3.3 极限状态,3.3.1 结构功能的极限状态的概念,整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求,此特定状态称为该功能的极限状态。,3.3.2 结构功能的极限状态的分类,结构的极限状态分为两类：1.承载能力极限状态 2.正常使用极限状态,第3章 混凝土结构设计的基本原则,1.承载力能力极限状态（主要针对安全性-应严格控制
11、）结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形的极限状态。当结构或构件出现了下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态：整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡；结构构件或连接因材料强度被超过而破坏(包括疲劳破坏),或因过度的塑性变形而不适于继续承载；结构转变为机动体系；结构或结构构件丧失稳定，如:柱子被压屈等。,3.3 极限状态,第3章 混凝土结构设计的基本原则,3.3 极限状态,2.正常使用极限状态（主要针对适用性和耐久性-可适当放宽）结构或构件达到使用功能上允许的某一限值的极限状态。当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态。影响正常使用或外观的变形；影响正
12、常使用或耐久性能的局部破坏(包括裂缝)；影响正常使用的振动；影响正常使用的其他特定状态。,第3章 混凝土结构设计的基本原则,3.3 极限状态,3.3.3极限状态方程,S R 可靠,S荷载效应 结构上的各种作用（如荷载、不均匀沉降、温度变形、收缩变形、地震等）产生的效应总和（如弯矩M、轴力N、剪力V、扭矩T、挠度 f、裂缝宽度 w 等）,S=S(Q),R结构抗力 结构抵抗作用效应的能力，如受弯承载力Mu、受剪承载力Vu、容许挠度f、容许裂缝宽度w,R=R(fc,fy,A,h0,As,),S=R 极限状态,S R 失效,结构力学的主要内容,本课程的主要内容,第3章 混凝土结构设计的基本原则,3.3
13、极限状态,结构的极限状态可用下面的极限状态函数表示：Z=R-S对应的：Z=R-S0 时，结构处于可靠状态；Z=R-S=0时，结构达到极限状态；Z=R-S0时，结构处于失效（破坏）状态。在结构设计中，不仅仅只考虑结构的承载能力，有时还要考虑结构的适用性和耐久性，则极限状态方程可推广为：,混凝土结构基本原理,第 3 章,3.4.1 荷载代表值 representative values of a load,1.概念:设计中用以验算极限状态所采用的荷载量值。2.分类(1)荷载标准值 characteristic values of a load a.荷载的基本代表值，为设计基准期内最大荷载概率分布特
14、征值。b.确定 恒载：取其平均值；活载：概率模型统计方法或经验判断。,混凝土结构基本原理,第 3 章,混凝土结构基本原理,第 3 章,楼面和屋面活荷载的标准值可查建筑结构荷载规范（GB50009-2001）（2006年版）得到。如：,荷载规范中的荷载值不包括隔墙重量和二次装修重量。,混凝土结构基本原理,第 3 章,混凝土结构基本原理,第 3 章,3.4.2 荷载设计值 1.概念 荷载代表值与荷载分项系数乘积。2.确定 荷载设计值=荷载代表值荷载分项系数3.4.3 结构主要荷载 1.恒载:恒载标准值=设计尺寸 标准容重 2.民用建筑楼面活载根据现行的建筑结构荷载规范(GB500092001)（2
15、006年版）确定。3.风荷载：根据现行的建筑结构荷载规范(GB500092001)（2006年版）确定。,混凝土结构基本原理,第 3 章,3.5.1 结构的可靠性 reliability 指结构的安全性Safety、适用Serviceability、耐久性Durability。,3.5.2 结构的可靠度 degree of reliability 指结构在规定时间内、规定条件下完成预定功能 的概率，是结构可靠性的概率度量。失效概率(Pf)probability of failure:结构或构件不能完成预定功能的概率。可靠概率(Ps)reliability of failure:结构或构件能完成
16、预定功能的概率。,混凝土结构基本原理,第 3 章,混凝土结构基本原理,第 3 章,式中：结构抗力的平均值和标准值；作用效应的平均值和标准值。,现行设计方法以概率理论为基础，用可靠指标度量，采用多个分项系数表达。设，则可靠指标为：,3.5.3 结构的可靠指标,第3章 混凝土结构设计的基本原则,3.5 结构的可靠度,结构功能函数 Z=R-S,Pf=P(S R)=P(Z 0),b 可靠指标,混凝土结构基本原理,第 3 章,延性破坏:结构或构件在破坏前有明显变形或其他预兆的破坏类型。脆性破坏:结构或构件在破坏前无明显变形或其他预兆的破坏类型。,建筑结构设计统一标准(GBJ6884)根据正常设计和施工的
17、建筑结构的可靠度分析，并考虑使用经验和经济等因素确定的作为结构设计依据的目前可以接受的可靠指标界限，又称为设计可靠指标。,结构的目标可靠指标,如何确定目标可靠指标?,混凝土结构基本原理,第 3 章,按承载能力极限状态设计时,按正常使用极限状态设计时,根据其可逆程度可取0 1.5。,混凝土结构基本原理,第 3 章,3.6 极限状态的设计方法3.6.1 承载能力极限状态的设计方法,结构重要性系数；安全等级为一级或使用年限为100年时，安全等级为二级或使用年限为50年时，安全等级为三级或使用年限为5年时，荷载效应组合的设计值，用基本组合或偶 然组合；结构构件抗力设计值。,计算公式,混凝土结构基本原理
18、,第 3 章,混凝土结构基本原理,第 3 章,荷载效应组合,一般结构构件：选下列计算中较大者。,由可变荷载控制时,由永久荷载控制时,基本组合 fundamental combinatoin,混凝土结构基本原理,第 3 章,式中：荷载分项系数，当其效应对结构不利时，公式3.13中的，公式3.16中的；当其效应对结构有利时，一般 情况下取1.0，验算倾覆、滑移或漂浮时 另定；活载分项系数，一般情况下取1.4，当活 载标准值大于 的工业房屋楼面结 构取1.3；恒载标准值所产生的内力；活载标准值所产生的内力，i=1的活荷载 为主导活荷载；第i个可变荷载的组合系数。,混凝土结构基本原理,第 3 章,一般
19、排架、框架结构：选下列计算中较大者,混凝土结构基本原理,第 3 章,偶然荷载的代表值不乘分项系数；,偶然组合accidental combinatoin,与偶然荷载同时出现的其他荷载采用适当的代表值；,各种情况下荷载效应的设计值公式由有关规范另定。,混凝土结构基本原理,第 3 章,设计方法,式中：正常使用极限状态下荷载效应组合值;达到正常使用要求时的变形、裂缝、应 力等的限值；,3.6.2 按正常使用极限状态的设计方法,f f,混凝土结构基本原理,第 3 章,变形验算,对于正常使用极限状态，根据不同的设计目的分别考虑荷载的短期效应组合和长期效应组合进行设计，使变形、裂缝等计算值不超过相应的规定
20、限值。,f-按荷载的短期（标准）效应组合并考虑长期（准永久）效应组合影响进行计算的最大挠度。f-规范规定的挠度限值。,混凝土结构基本原理,第 3 章,裂缝控制验算：常有三种情形:a.严格要求不出现裂缝的构件-一级 按荷载短期效应组合进行计算时，件受拉边缘混凝土不产生拉应力。b.一般要求不出现裂缝的构件-二级 按荷载长期效应组合进行计算时，件受拉边缘混凝土不应产生拉应力；而按荷载短期效应组合进行计算时，件受拉边缘混凝土允许产生有限的拉应力。c.允许出现裂缝的构件-三级 最大裂缝宽度按荷载短期效应组合，考虑长期效应组合的影响进行计算，计算值不超过规范的限值。表达式可写为：Wmax Wmax,混凝土
21、结构基本原理,第 3 章,荷载效应组合值,标准组合characrteristic combinatoin：主要用于当一个极限状态被超越时将产生严重的永久性损坏的情况。,频遇组合frequent combinatoins：主要用于当一个极限状态被超越时将产生局部损坏、较大变形或短暂震动等的情况。,准永久组合quasi-permanent combinatoins：主要用于当长期效应是决定性因素的一些情况。,混凝土结构基本原理,第 3 章,Material Strengths-取决于截面尺寸大小和材料强度高低。-材料强度分标准值和设计值。-变异性和统计性,混凝土结构基本原理,第 3 章,3.7.1
22、 材料强度标准值 1.混凝土强度标准值(1)概念:是一种特征值，取混凝土强度总体分布的0.05分位值(具有不小于95%的保证率)。(2)表达式 a.轴心抗压:fck=fck-1.645fck b.轴心抗拉:fck=fck-1.645fck 不同强度等级的混凝土强度标准值，参见 附录1 P219。,混凝土结构基本原理,第 3 章,2.钢筋强度标准值(1)概念:是一种特征值，取混凝土强度总体分布的0.05分位值(具有不小于95%的保证率)。(2)表达式 fsk=fsk-1.645fsk(3)确定 a.有明显屈服点的钢筋:取其屈服强度作为该类钢筋强度的标准值。B.无明显屈服点的钢筋:取其极限抗拉强度
23、作为该类钢筋强度的标准值。各种钢筋强度标准值，参见附录4 P219。,混凝土结构基本原理,第 3 章,3.7.2 材料强度设计值 1.混凝土强度设计值(1)概念:混凝土强度标准值除以混凝土强度分项系称为混凝土强度设计值。(2)表达式 a.轴心抗压:f c=fck/rc b.轴心抗拉:f t=f tk/rc(3)混凝土强度分项系数:rc=1.4 不同强度等级的混凝土强度设计值，参见附录2 P219。,混凝土结构基本原理,第 3 章,2.钢筋强度设计值(1)概念:钢筋强度标准值除以钢筋强度分项系数称为钢筋强度设计值。(2)表达式 fs=fsk/rs(3)钢筋强度分项系数:rs=1.1-热轧钢筋 r
24、s=1.2-预应力钢筋 各种钢筋强度设计值，参见附录6 P220。,混凝土结构基本原理,第 3 章,3.8.1 持久状态-在结构使用过程中一定出现，其持续期限长的状态。-持续期一般与设计使用年限为同一数量级。-关注：承载能力极限状态 正常使用极限状态,混凝土结构基本原理,第 3 章,3.8.2 短暂状态-在结构施工和使用过程中出现概率较大，而与设计使用年限相比，其持续期很短的状态。-关注：承载能力极限状态 正常使用极限状态,混凝土结构基本原理,第 3 章,3.8.3 偶然状态-在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的状态。-关注：承载能力极限状态,混凝土结构基本原理,第 3 章,3.8.4 地震状态-适用于结构遭受地震时的情况，在抗震设防地区必须考虑地震设计状况。-关注：承载能力极限状态 正常使用极限状态,
