第三章结构设计方法

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1、第三章 结构设计方法,建筑工程学院,工程结构,3.1 结构上作用,3.1 结构上的作用 1、 作用:引起结构的内力和变形的一切原因称为结构上的作用。 直接作用：直接以力的不同形式作用在结构上也称荷载。如自重、行人、车辆、积雪等 间接作用：混凝土的收缩、温度变化、基础的差异沉降、地震等 3、作用的效果： 作用在结构上并使结构产生内力（如弯矩、剪力、轴向力、扭矩等）、变形、裂缝等作用称为作用效应或荷载效应。,2、作用分类,4、作用的分类 按作用时间的长短和性质，荷载分为三类： （1）永久荷载 在结构设计使用年限内，其值不随时间而变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的

2、荷载。 （2）可变荷载 在结构设计基准期内其值随时间而变化，其变化与平均值不可忽略的荷载。 （3）偶然荷载 在结构设计基准期内不一定出现，但一旦出现其值很大且作用时间很短的荷载。,（1）固定作用：结构的空间位置相对固定，量值是随机的。如恒载等 （2）可动作用：空间位置在一定范围内可以任意分布。位置和量值都是随机的。如行人、车辆等。,按空间位置：,按结构的反应,（1）静态作用：对结构或构件不产 生动力效应，或其动力效应与其静态效应相比可忽略。如自重、楼面活载 （2）动态作用：对结构或构件产生动力效应。如地震。,3.2 结构的功能要求 1. 结构的安全等级,2. 结构的设计使用年限 结构的设计使用

3、年限是指设计规定的结构或结构构件不需要进行大修即可按达到其预定功能的使用时期。 设计年限可按建筑结构可靠度设计统一标准确定，也可经过主管部门的批准按业主的要求确定。一般建筑结构的设计使用年限为50年。 注意：区别建筑物的设计使用年限与建筑物的使用寿命。,3. 结构的功能, 安全性 如（MMu） 结构在预定的使用期间内（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。,

4、适用性 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。 耐久性 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。, 结构的可靠性 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使用期限内（设计工作寿命=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

5、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。, 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，还应考虑维修，损失及修复的费用,3.3 结构功能的极限状态, 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

6、态”,承载力能力极限状态 :指结构或构件达到最大的承载能力或不适于继续加载的变形. 超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求 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失稳）,结构的极限状态分:承载力极限状态和正常使用极限状态,正常使用极限状态 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。 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

7、、漏水等）； 过大的振动（不舒适）； 其他正常使用要求。,3.4 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,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

8、； 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：, 由于结构抗力和荷载效应的随机性，安全可靠应该属于概率的范畴，应当用结构完成其预定功能的可能性（概率）的大小来衡量，而不是一个定值来衡量。,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）,结构设计方法,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

9、合理的矛盾。, 容许应力设计法,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。, 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。,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 f

10、ck 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。,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。 当失效概率

11、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，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,Pf = P (S R),结构功能函数 Z = R - S,Pf =P (S R) =P(Z 0),b 可靠指标,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）, 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

12、同时达到标准值的可能性较小，考虑荷载组合系数y，,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。 结构的抗力具有不定性: 材料性能的不定性; 几何参数不定性 计算模式不定性.,材料强度的标准值:是根据材料强度概率分布的0.05分位值,具有95%保证率确定. .,3.5 实用设计表达式 1、承载力极限状态表达式 荷载效应基本组合设计值 S 对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从由可变荷载效应控制的组合和由永久荷载效应控制的组合中取最不利值确定。 1）由可变荷载效应控制的组合,：结构构件的重要性系数，对安全等级为一级或设计使用年限为100年

13、及以上的结构构件，不应小于1.1；对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件，不应小于1.0；对安全等级为三级或设计使用年限为5年及以下的结构构件，不应小于0.9；在抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数。,G ：永久荷载分项系数，按表1.2.3 采用； SGk ：永久荷载标准值Gk 计算的荷载效应值； Qi ：第i个可变荷载的分项系数；按表1.2.3 采用； SQik ：按可变荷载标准值Qi计算的荷载效应值; ci ：可变荷载Qi的组合值系数，民用建筑楼面均布活 荷载、屋面均布活荷载的组合值系数；,返回,当考虑以竖向的永久荷载效应控制的组合时，参与组合的可变荷载仅限于竖向荷载。,2）由

14、永久荷载效应控制的组合,(1.2.4),应用（1.2.3）、式（1.2.4）时应注意以下问题：,承载力极限状态,2.按正常使用极限状态设计的实用表达式 （1）实用表达式 对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，采用荷载效应的标准组合、频遇组合或准永久组合，按下列设计表达式进行设计： SC () 式中S变形、裂缝等荷载效应的设计值； C结构构件达到正常使用要求所规定的限值，如变形、裂缝宽度等。,混凝土结构的正常使用极限状态主要是验算构件的变形、抗裂度或裂缝宽度，使其不超过相应的规定限值； 钢结构通过构件的变形（刚度）验算保证； 砌体结构一般情况下不做验算，由相应的构造措施保证。,（2）荷载效应组合设计值 1）对于标准组合，其荷载效应组合的表达式为,(),2) 对于频遇组合，其荷载效应组合的表达式为,(),可变荷载 的频遇系数,可变荷载 的准永久值系数,3）对于准永久组合，荷载效应组合的表达式为 () 注意：与承载能力极限状态设计相同，对式（1.2.8）式（1.2.10），混凝土结构采用内力表达，而钢结构采用应力表达。,