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1、第三章 结构设计基本原理,第三章 结构设计基本原理 Basic Design Approach of RC Structure,第三章 结构设计基本原理,Questions1 What working states should be considered for practical structures?2 How to ensure the safety and serviceability of your design?3 What factors must be considered to ensure the safety and serviceability?,第三章 结构基本计算
2、原理,工程结构的设计需要保证安全可靠、经济合理 由于实际工程结构中存在多种不确定性 结构设计方法就是研究工程设计中的各种不确定性问题，取得安全可靠与经济合理之间的均衡,3.1 结构可靠度及结构设计方法 3.1.1 工程结构设计方法回顾,3.1 极限状态设计法的基本概念,第二章 结构基本计算原理,3.1 极限状态设计法的基本概念,由于结构工程中的不确定性，为取得安全可靠与经济合理的均衡，在设计中需要考虑这些不确定性的影响。结构设计方法就是处理这种安全可靠与经济合理的矛盾。,The working stress design method is adequate when material str
3、esses are low.The method models the behavior of a member under service loads satisfactorily but provides an unsatisfactory indication of conditions as loading increases and failure approaches.,容许应力设计方法 allowable stress,第三章 结构设计基本原理,安全系数 K 是一个大于1.0的数值 K 越大，结构安全度就越高，同时结构材料用量也越多 为取得安全可靠与经济合理的均衡，在综合考虑各种
4、不确定性因素影响后，可选取一个合适的安全系数。,3.1 极限状态设计法的基本概念,第三章 结构设计的基本原理,3.1 极限状态设计法的基本概念,钢筋混凝土结构的受力性能不是弹性的；结构中一点达到容许应力，结构即认为失效；没有考虑结构功能的多样性要求；安全系数是凭经验确定的，缺乏科学依据。,第三章 结构设计法的基本原理,3.1 极限状态设计法的基本概念,破损阶段设计法,整个截面达到极限承载力才认为失效，考虑了材料塑性和强度的充分发挥，极限荷载可以直接由试验验证，构件的总安全度较为明确。但安全系数K仍然凭经验确定，没有考虑结构功能的多样性要求的问题。,第三章 结构设计基本原理,材料力学研究的是：单
5、一材料、线弹性、简单结构 实际工程结构远比它复杂 如钢筋混凝土梁的受弯，从安全角度考虑，需要确定其极限受弯承载力；而为控制正常使用阶段的裂缝和挠度变形，需要确定带裂缝工作阶段的受力情况。采用容许应力设计方法，无法统一这两方面的要求,3.1 极限状态设计法的基本概念,第三章 结构设计基本原理,因此，首先根据工程结构需要满足实际使用的各种要求(结构的功能)对安全可靠有更具体的科学定义 另一方面，需要尽可能详细了解结构在不同情况下（施工、使用、破坏）可能受到的各种外界影响的大小和变化情况 外界影响：各种荷载、温度变化、沉降、收缩徐变、地震、侵蚀、冻融等 以及结构尺寸、材料强度等的变异情况，以便科学全
6、面合理的确定结构可靠性。,3.1 极限状态设计法的基本概念,第三章 结构设计基本原理,3.1 结构可靠度及结构设计方法,3.1.2 结构的预定功能 Functions of Structure,1.安全性 Safety 如（MMu）结构在预定的使用期间内（design life 一般为50年），应能承受在正常施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载、外加变形（如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）等的作用。在偶然事件（如地震、爆炸）发生时和发生后，结构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。,第三章 结构设计基本原理,3.1 结构可靠度
7、及结构设计方法,2.适用性 Serviceability 如（f f）结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。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.耐久性 Durability 如（wmax wmax）结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀），结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低，而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。,第三章 结构设计基本原理,3.1 结构可靠度及结构设计方法,3.1.3.结构的可靠性 reliability 可靠性安全
8、性、适用性和耐久性的总称 就是指结构在规定的使用期限内（design life=50年），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。,第三章 结构设计基本原理,3.1 结构可靠度及结构设计方法,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(design life)、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
9、念不仅包括第一次建设费用，还应考虑维修，损失及修复的费用，乃至可能对社会和经济所造成的影响,3.1.4.结构的可靠性与安全等级(Safety Grade),第三章 结构设计基本原理,第二章 结构基本计算原则,2.3.2 极限状态,3.1.5 结构的极限状态 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”,A limit state is that loading condition which,if exceeded,will render the stru
10、cture unserviceable.,1、极限状态的分类,承载力能力极限状态 Ultimate Limit State超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求An ultimate limit state occurs at the collapse,or partial collapse,of a structure.,第二章 结构基本计算原则,主要包括以下几个方面 结构或构件达到最大承载力（包括疲劳）结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移）结构塑性变形过大而不适于继续使用 结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰）结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲
11、失稳）,2.3.2 极限状态,第二章 结构基本计算原则,2.3.2 极限状态,2、正常使用极限状态 Serviceability Limit State 超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久性的功能要求。An serviceability limit state is produced by excessive the deflection,cracking,or vibration.过大的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、不能正常使用（吊车）等）；过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）；过大的振动（不舒适）；其他正常使用要求。,第二章 结构基本计算原则,2.3.2 极限状态
12、,An ultimate limit state is necessary to determine the maximum load carrying capacity of a structure.An serviceability limit state is necessary to ensure satisfactory behavior under working load condition.,第二章 结构基本计算原则,2.3.2 极限状态,3.1.6 结构上的作用、作用效应和结构的抗力,1、结构上的作用(action)：定义：是指施加在结构上的集中力或分布力，以及引起结构外加变
13、形或约束变形的原因（如地震、温度变化等）。前者称作直接作用或者荷载，后者称作间接作用。结构上的作用按时间变异分为三类：,永久荷载G Permanent action consist of dead load,creep,shrinkage and differential settlement.可变荷载Q Variable or transient action consist of supperimposed live load,wind load,seismic load and temperature.,第二章 结构基本计算原则,2.3.2 极限状态,S作用效应 Action Effec
14、t 结构上的作用（使结构产生内力和变形的原因，如荷载、不均匀沉降、温度变形、收缩变形、地震等）引起的效应如弯矩M、轴力N、剪力V、扭矩T、挠度 f、裂缝宽度 w 等,S=S(Q),结构力学的主要内容,3.1.6 结构上的作用、作用效应和结构的抗力,2、作用效应,偶然荷载（作用）Accidental action consist of fire,explosion,severe earthquake.,第二章 结构基本计算原则,2.3.2 极限状态,S R 可靠,R=R(fc,fy,A,h0,As,),S=R 极限状态,S R 失效,本课程的主要内容,R结构抗力 Resistance 结构抵抗作
15、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,3、结构抗力,4、极限状态方程Ultimate State Function,第二章 结构基本计算原则,2.1 结构中的不确定性,3.2.0结构设计中的不确定性 Uncertainties and unexpected deviations factor in Design,恒载 g与构件尺寸、材料容重等有关 活载 q（楼面活载、雪荷载）的数值是随时在变化的 计算跨度 l 的不准确,材料强度 fy 和 fc 的离散截面尺寸h0和 b 的施工误差应力-应变关系参数 k1 和 k2,不一定安全（可靠）,3.2 荷载和材料强
16、度的取值,第三章 结构设计基本原理,、材料强度的取值,1、材料强度的变异性及统计特性,3.2 荷载和材料强度取值,材料强度的变异性：主要指材质及工艺、加载、尺寸等因素引起的材料强度的不确定性。统计资料表明：钢筋、混凝土强度的概率分布符合正态分布。,第三章 结构设计基本原理,3.2 荷载和材料强度的取值,材料强度有实测值、标准值和设计值显然，结构设计时所取用的材料强度取值应采用概率统计方法来确定,第三章 结构设计基本原理,2、材料强度标准值（characteristic value of material strength)它是混凝土结构按极限状态设计时采用的材料强度基本代表值。它应根据符合规定
17、质量的材料强度概率分布的某一分位值确定。钢筋、混凝土的分位值取0.05（即95%的保证率）。如图，钢筋和混凝土材料强度服从正态分布，故它们的强度标准值统一表达式为：,保证率系数；,材料强度平均值；,材料强度标准值。,显然：材料强度标准值是材料强度概率分布中具有一定保证率的偏低的材料强度值。,第三章 工程结构材料的物理力学性能,3.1 钢筋,（1）、钢筋的强度标准值 混凝土结构设计规范规定，钢筋的强度标准值应具有不小于95%的保证率，具体取值方法如下：,1）对没有明显屈服点的热轧钢筋，取国家标准规定的屈服点作为强度标准值；2）对无明显屈服点的钢筋、钢丝、钢绞线，取国家规定的抗拉强度 作为强度标准
18、值，但设计时对钢丝和钢绞线取 作为条件屈服点。各类钢筋、钢丝、钢绞线的强度标准值见教材附表1和附表2。,第三章 工程结构材料的物理力学性能,3.2 混凝土,（2）、混凝土强度的标准值 Characteristic Strength,规范规定材料强度的标准值 fk 应具有不小于95%的保证率,规范在确定混凝土轴心抗压强度和轴心抗拉强度标准值时，假定它们的变异系数与立方体强度的变异系数相同，利用与立方体强度平均值的换算关系，便可按上式计算得到。Question:Can you feel safe enough to use characteristic strength?,第三章 工程结构材料的物
19、理力学性能,3.2 混凝土,规范考虑到试件与实际结构的差异以及高强混凝土的脆性特征，对轴心抗压强度和轴心抗拉强度，还采用了以下三个折减系数：结构中混凝土强度与混凝土试件强度的比值，取0.88；脆性折减系数，对C40取1.0，对C80取0.87，中间按线性规律变化；（3）棱柱体与立方体强度之比值，对C50及以下取0.76，对C80取0.82，中间按线性规律变化；,第三章 工程结构材料的物理力学性能,3.2 混凝土,（1）立方体抗压强度标准值 分别是立方体抗压强度平均值、标准差和变异系数。,（2）轴心抗压强度标准值,第三章 工程结构材料的物理力学性能,3.2 混凝土,例 已知：，求,（3）轴心抗拉
20、强度标准值,第三章 结构设计基本原理,1、荷载标准值（characteristic value)是荷载的基本代表值，为设计基准期内最大荷载概率分布的某个分位值。若为正态分布，则为图中 值。理论上荷载标准值为：,3.2荷载和材料强度取值,3.2.1、荷载取值的确定,荷载也有实测值、标准值和设计值,式中：分别为具有95%保证率的荷载取值，荷载平均值，荷载标准差,第三章 结构设计基本原理,目前，由于对很多可变荷载未能取得充分的资料，难以给出符合实际的概率分布，若统一按95%的保证率调整荷载标准值，会使结构设计与过去相比在经济指标方面引起较大波动。为此我国荷载规范对个别不合理值进行调整，大部分仍沿用传
21、统数值。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GB50009-2001。,3.2荷载和材料强度取值,第三章 结构设计基本原理,2、荷载设计值,（1）概念：等于荷载代表值与荷载分项系数的乘积。,（2）荷载分项系数取值,3.2 荷载和材料强度的取值,第三章 结构设计基本原理,3.3 极限状态设计法,3.2.4 作用效应标准值Sk,作用效应S的不确定性就主要取决于结构上作用Q的不确定性,永久荷载G可变荷载Q 偶然荷载（作用）,永久荷载G
22、Permanent action consist of dead load,creep,shrinkage and differential settlement.可变荷载Q Variable or transient action consist of supperimposed live load,wind load,seismic load and temperature.偶然荷载（作用）Accidental action consist of fire,explosion,severe earthquake.,第三章 结构设计基本原理,3.3 极限状态设计法,3.2.4 作用效应标准值
23、Sk,作用效应S的不确定性就主要取决于结构上作用Q的不确定性,永久荷载G可变荷载Q 偶然荷载（作用）,不同的荷载，其变异情况不同。根据统计分析可以确定一个具有一定保证率（如95%）的上限荷载分位值，该特征值称为荷载标准值（符号Gk，Qik）。按荷载标准值确定的荷载效应，称为荷载效应标准值Sk 有多个可变荷载同时作用的情况，考虑到它们同时达到标准值的可能性较小，考虑荷载组合系数y，,第三章 结构设计基本原理,3.3 极限状态设计法,3.2.5 结构抗力标准值Rk,fck、fsk分别为混凝土和钢筋的强度标准值，截面尺寸b、h0和配筋As取设计值。,可见，在多数情况下，RS。但在重叠区（阴影段内）仍
24、有可能出现RS是不可能的。,3.2.6 R和S的概率密度曲线-正态分布,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.2 极限状态设计法,第三章 结构设计基本原理,3.3 极限状态设计法,3.3 以概率理论为基础的极限状态设计法,由于实际结构中的不确定性，因此无论如何设计结构，都会有失效的可能性存在，只是可能性大小不同而已。为了科学定量的表示结构可靠性的大小，采用概率方法是比较合理的。,失效概率越小，表示结构可靠性越大。因此，可以用失效概率来定量表示结构可靠性的大小。结构可靠性的概率度量称为结构可靠度reliability degree。当失效概率Pf小于某个值时，人们因结构失效的可能性很小而不再担心，
25、即可认为结构设计是可靠的。该失效概率限值称为容许失效概率Pf。,失效概率failure probability,Pf=P(S R),第三章 结构设计基本原理,3.3 极限状态设计法,结构功能函数 Z=R-S,Pf=P(S R)=P(Z 0),b 可靠指标 reliability index,第三章 结构设计基本原理,3.3 极限状态设计法,根据统计，触电的年死亡率为610-6 b=3.7时，Pf=1.110-4，按设计基准期50年考虑，年失效概率为1.110-4/50=2.210-6 50年后并不是结构就失效，而是失效概率增加。同时，结构失效也并不表示结构倒塌，结构倒塌也不一定造成人员伤亡。我
26、国对于一般工程结构，当为延性破坏时，其可靠指标取b=3.2，对脆性破坏取b=3.7。对于重要的工程结构，应提高可靠指标。,第三章 结构设计基本原理,3.3 极限状态设计法,S、R的概率密度曲线,第三章 结构设计基本原理,3.3 极限状态设计法,设计验算点的确定,第三章 结构设计基本原理,3.3 极限状态设计法,设计验算点的确定,第三章 结构设计基本原理,3.3 极限状态设计法,设计验算点的确定,第三章 结构设计基本原理,3.3 极限状态设计法,设计验算点的确定,3.3 极限状态设计法,第三章 结构设计基本原理,作用效应设计值，gS作用效应分项系数,结构抗力设计值，gR结构抗力分项系数,Load
27、 factor,Strength reduction factor,第三章 结构设计基本原理,3.3 极限状态设计法,Load factor compensate the following factors:The unfavorable deviation of the loading from the nominal valueUncertainties in the methods of analysisUnexpected deviations in structural behaviorThe reduced probability of the full nominal loads
28、,in a combination of loads,being present simultaneously,第三章 结构设计基本原理,3.3 极限状态设计法,Strength reduction factor compensate the following factors:The possibility of adverse variations in material strengthInadquate workmanshipDimensional inaccuraciesThe strength of the material in the structure being less
29、than that of the control specimens The degree of importance of the member to the integrity of the structure,第三章 结构设计基本原理,极限状态设计法,极限状态设计法,除要求对承载力极限状态进行设计外，还包括的挠度和裂缝宽度（适用性）的极限状态的设计。对于承载力极限状态，针对荷载、材料的不同变异性，不再采用单一的安全系数，而采用的多系数表达，,材料强度 fck 和 fsk 是根据统计后按一定保证率取其下限分位值，反映的材料强度的变异性。荷载值 qik 也尽可能根据各种荷载的统计资料，按一定
30、保证率取其上限分位值。荷载系数 kqi，材料强度系数 kc 和 ks 仍按经验确定，但对于不同荷载的变异大小，可取不同的荷载系数。,第三章 结构设计基本原理,3.3 极限状态设计法,规范设计表达式,g0 结构重要性系数,正常使用极限状态，可靠度要求可适当降低，所有分项系数取1.0,第三章 结构设计基本原理,3.3 极限状态设计法,材料强度设计值,第三章 结构设计基本原理,小结,Key notes1 Limit states:Ultimate and Serviceability2 Reliability of structure3 Failure probability-Degree of r
31、eliability4 Action and action results-Design value5 Resistance-design value6 Practical design formula,第三章 结构设计基本原理,小结,结构设计的目的是要保证所建造的结构安全适用，结构应满足结构的可靠性要求；极限状态及其分类；作用是指施加在结构上的力（直接作用或荷载）和引起结构外加变形或约束变形的原因（间接作用）。作用效应；结构抗力。结构的可靠度指标与失效概率、可靠概率有着一一对应关系。荷载标准值是结构设计时采用的荷载基本代表值。,小 结,第三章 结构设计基本原理,小结,永久荷载的标准值可按结构
32、设计尺寸和标准容积密度计算得到；可变荷载的标准值应根据设计基准期内最大荷载概率分布的某一分位值确定；可变荷载的准永久值是按正常使用极限状态长期效应组合设计时采用的荷载代表值。材料强度的标准值是一种特征值，其取值原则是在符合规定质量的材料强度实测总体中，标准值应具有不少于95%的保证率。材料强度的设计值是在承载能力极限状态设计中所采用的材料强度代表值，材料强度设计值由材料强度标准值除以材料分项系数得到。,第三章 结构设计基本原理,小结,设计状况是代表一定时段内实际情况的一组设计条件，设计应做到在该组条件下结构不超越有关的极限状态。工程结构的设计状况可分为持久设计状况、短暂设计状况、偶然设计状况和
33、地震设计状况。承载能力极限状态应按荷载的基本组合并采用极限状态设计表达式进行设计。对于常见的工程结构，正常使用极限状态验算主要包括变形验算和裂缝控制验算两个方面，应根据规定采用荷载效应的标准组合或准永久组合，并考虑荷载长期作用的影响，按相应的设计表达式进行验算。,第三章 结构设计基本原理,小结,什么是设计？,人们对将要进行的活动，根据一定的理论基础，事先做出规划和安排，使预期的活动能更合理的进行。设计 是从未知已知，包括收集资料，方案比较，计算分析，结果评价，反复修改。设计 是一项综合性的创造性工作，设计不是一次就能成功的。设计 是一个寻找最佳解的过程。设计结果 答案不唯一，但有好坏之分。,第三章 结构设计基本原理,第三章 结构设计基本原理,第三章 结构设计基本原理,
