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1、学习目标,掌握极限状态的基本概念；了解结构可靠度的基本原理；熟悉近似概率极限状态设计法 在混凝土结构设计中的应用。,第三章 混凝土结构设计的基本原则,教学提示首先应明确建筑结构可靠度设计统一 标准和建筑结构荷载规范是结构 设计宜遵守的基本原则。本章应重点介绍结构上的作用、对结构 的功能要求、设计基准期、两类极限状 态以及极限状态的实用设计表达式。,第三章 混凝土结构基本设计原则,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。,一、作用的概念：使结构产生内力或变形的原因，分直接
2、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）。,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.1极限状态和设计状况 结构上的作用,3.1极限状态和设计状况,（按随时间的变异性可分为三类）,1、永久作用：在结构使用期间，其量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用。,二、作用的分类：,如结构自重、土压力、预应力、地基沉降、焊接等。,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.1极限状态和设计状况,第三章 混凝土结构基本设计原则,三、荷载标准值 是荷载的基本代表值，为设计基准期
3、内最大荷载概率分布的某个分位值。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，查公路桥涵通用规范JTG D60。,3.1极限状态和设计状况,3.1极限状态和设计状况,3.1.2 结构的功能（包括安全性、适应性和耐久性）,一、结构的安全等级,第三章 混凝土结构基本设计原则,根据结构破坏后果的影响程度分为三级。,建筑结构的安全等级,第三章 混凝土结构基本设计原则,桥梁结构的安全等级,3.1极限状态和设计状况,第三章 混
4、凝土结构基本设计原则,1、结构的设计使用年限是指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。,2、结构的设计使用年限不同于实际寿命和设计基准期。,二、结构的设计使用年限和设计基准期,建筑结构设计使用年限分类,3.1极限状态和设计状况,3、设计基准期：指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。建筑结构的设计基准期为50年。桥梁结构的设计基准期为100年。,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.1极限状态和设计状况,三、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
5、偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。,第三章 混凝土结构基本设计原则,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。,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形、振动，或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度等。,第三章 混凝土结构基本设计原则,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
6、）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。,3.1极限状态和设计状况,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.1极限状态和设计状况,（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。-安全性。,第三章 混凝土结构基本设计原则,1、承载能力极限状态 Ultimate Limit State,（2）标志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
7、而破坏。,3.1极限状态和设计状况,（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状态。,第三章 混凝土结构基本设计原则,2、正常使用极限状态 Serviceability Limit State,（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。,3.1极限状态和设计状况,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.1.4 极限状态方程,第三章 混凝土结构基本设计原则,二、极限状态方程,Z=0 即 R-S0,3.1极限状态和设计状况,第三章
8、 混凝土结构基本设计原则,3.1.5 工程结构的设计状况,一、持久状况：在结构使用过程中一定出现，且持续期与使用期为同一数量级的状况。应进行承载能力、正常使用极限状态的设计,二、短暂状况：在结构施工和使用过程中出现概率较大，而持续期较短的状况。一般只进行承载能力极限状态计算，必要时才做正常使用极限状态计算。,三、偶然状况：在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的状况。只进行承载能力极限状态计算，不必考虑正常使用极限状态计算。,3.1极限状态和设计状况,3.2 极限状态设计法,一、可靠性 结构在设计规定的使用年限内，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、
9、适用性和耐久性）的能力。即是安全性、适用性和耐久性的总称。,第三章 混凝土结构基本设计原则,结构的可靠度,3.2 按近似概率的极限状态设计法,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 可靠指标与失效概率,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.2 极限状态设计法,二、Z的概率密度曲线、失效概率、可靠指标,第三章 混凝土结构基本设计原则,失效概率,可见，Pf 越小，越大,3.2 极限状态设计法,第三章 混凝土结构基本设计原则,三、容许失效概率,四、失效概率pf与可靠指标的关系,当Pf 小于某个值时，人们不再担心。该失
10、效概率称为容许失效概率Pf。赛车 飞机 火车 雷击公众心理分析：胆大10-3 谨慎10-4 不再考虑10-5 失效概率：较安全510-3安全510-4很安全510-5,3.2 极限状态设计法,第三章 混凝土结构基本设计原则,五、建筑结构的目标可靠指标,六、桥梁结构的目标可靠指标,3.2 极限状态设计法,3.3 实用设计表达式,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3.1 设计验算点的确定、分项系数,3.3 实用设计表达式,第三章 混凝土结构基本设计原则,二、设计验算点的确定,3.3 实用设计表达式,第三章 混凝土结构基本设计原则,二、设计验算点的确定,3.3 实用设计表达式,第三章 混凝土结构基
11、本设计原则,二、设计验算点的确定,3.3 实用设计表达式,第三章 混凝土结构基本设计原则,二、设计验算点的确定,3.3 实用设计表达式,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3.2 承载能力极限状态设计表达式,一、结构重要性系数0,3.3 实用设计表达式,第三章 混凝土结构基本设计原则,基本组合-由可变荷载效应控制,基本组合-由永久荷载效应控制,三、建规-承载能力极限状态的 荷载效应组合设计值S,3.3 实用设计表达式,第三章 混凝土结构基本设计原则,基本组合,四、桥规-承载能力极限状态的 荷载效应组合设计值Sud,3.3 实用设计表达式,3.3.3 正常使用极限状态设计表达式,第三章 混凝土结
12、构基本设计原则,一、建规正常使用极限状态设计表达式：,S C,2、S-正常使用极限状态的荷载效应组合值,1、C-正常使用极限状态所规定的变形、裂缝宽度和应力等的限值。具体见教材P385附表1-15和1-16,标准组合,3.3 实用设计表达式,第三章 混凝土结构基本设计原则,-分别为频遇值系数和准永久系数。具体查JTG D60第4.1.7。,3.3 实用设计表达式,第三章 混凝土结构基本设计原则,第三章 混凝土结构基本设计原则,、材料强度和荷载的取值,材料强度有实测值、标准值和设计值,一、材料强度,3.3 实用设计表达式,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3 实用设计表达式,第三章 混凝土结构
13、基本设计原则,1、材料强度标准值 根据材料强度概率分布的某个分位值确定。混凝土的分位值取0.05（即95%的保证率）；钢筋的分位值取0.0227（即97.73%的保证率）。,2、材料强度设计值 等于材料强度标准值除以材料分项系数。,第三章 混凝土结构基本设计原则,3、混凝土强度标准值,3.3 实用设计表达式,第三章 混凝土结构基本设计原则,4、混凝土强度设计值,3.3 实用设计表达式,第三章 混凝土结构基本设计原则,建规,桥规,5、钢筋强度标准值、设计值,3.3 实用设计表达式,第三章 混凝土结构基本设计原则,1、荷载标准值前面已讲,二、荷载,荷载也有实测值、标准值和设计值,2、荷载设计值,（
14、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,3.3 实用设计表达式,（2）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,（1）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,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3 实用设计表达式,第三章 混凝土结构基本设计原则,建规G、Qi、Ci的取值,桥规见JTG D62第条,3.3 实用设计表达式,小结,本章的主要内容1、结构的功能：安全性、适用性和耐久性；可靠性与可靠度2、两类极限状态：概念和标志3、结构设计中的不确定性,本章小结,第三章 混凝土结构基本设计原则,链接下一章,4、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）、标准组合、准永久组合、短期效应组合、长期效应组合。（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,
