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1、1,第二章 结构设计基本原则,第二章 结构设计基本原则,本章提要 介绍工程结构设计常用的基本概念；重点叙述承载能力计算和正常使用极限状态验算的原则及混凝土结构耐久性设计的有关规定。,2,第二章 结构设计基本原则,第一节 基本概念,第二节 结构功能和可靠度,第三节 极限状态设计法,第四节 混凝土结构耐久性设计,3,第二章 结构设计基本原则,第一节 基本概念,一、结构上的作用 1.作用的概念 作用：使结构产生内力或变形的原因,一般用Q表示。 直接作用：指施加在结构上的集中力或分布力，如结构自重、楼（屋）面活荷载、风荷载等。 间接作用：指能够引起结构外加变形或约束变形的原因，如温度变化、混凝土收缩与
2、徐变、地基变形、地震等原因引起的作用。,4,第二章 结构设计基本原则,2. 作用按时间变异分类 永久作用（永久荷载或恒荷载）：指在设计所考虑的时期内始终存在且其量值变化与平均值相比可以忽略不计的作用，或其变化是单调的并趋于某个限值的作用。例如，结构自重、土压力等。 可变作用（可变荷载或活荷载）：指在设计使用年限内其量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略不计的作用。例如，楼（屋）活荷载、吊车荷载、风荷载等。 设计使用年限：指设计规定的结构或构件不需进行大修即可按预定目的使用的年限。 偶然作用：指在设计使用年限内不一定出现，而一旦出现，则其量值很大，且持续时间很短的作用。例如，地震作用、爆炸
3、力、撞击力等。,6,第二章 结构设计基本原则,2.作用组合值 指当两种或两种以上可变作用同时作用在结构上时，考虑到它们同时达到其标准值的可能性较小，故除产生最大作用效应的主导作用外，其他可变作用标准值均乘以小于1.0的组合值系数c作为代表值，称为组合值。c可查荷载规范。 3. 作用准永久值 对可变作用，在设计基准期内，其被超越的总时间为设计基准期一半的作用值。它对结构的影响相当于永久作用。可变荷载准永久值由可变荷载标准值乘以准永久值系数q得到。q可查荷载规范。,7,第二章 结构设计基本原则,三、作用效应 作用效应：指由各种作用引起的结构或构件的反应，用表示。例如，内力、变形和裂缝等。 作用效应
4、通过统计分析确定。一般结构上的荷载效应与荷载Q之间可近似按线性关系考虑，即 CQ C为荷载效应系数，可通过结构力学分析确定，对承受均布荷载作用的简支梁C= 。,8,第二章 结构设计基本原则,四、结构抗力 结构抗力：指结构或构件承受作用效应的能力，用R表示。例如，构件的承载力、刚度、抗裂度等。 影响结构抗力的因素：结构的材料性能、几何尺寸、配筋情况和抗力的计算假定、计算公式等。通常，结构抗力主要取决于材料性能。 材料强度标准值：材料性能的基本代表值。一般取符合规定质量的具有不小于95%保证率的材料强度下分位值作为材料强度标准值，即 fk=fm（11.645f） 式中 fk材料强度标准值； fm材
5、料强度平均值； f材料强度变异系数，f =f / fm； f材料强度标准差。,9,第二章 结构设计基本原则,钢筋强度标准值取钢材质量控制标准的废品限值。因废品限值具有97.73%的保证率，已满足保证率不小于95%的要求。 普通钢筋的屈服强度标准值fyk、极限强度标准值fstk按表2-1采用； 预应力钢丝、预应力螺纹钢筋和钢绞线的屈服强度标准值fpyk、极限强度标准值fptk按表2-2采用。 混凝土立方体抗压强度标准值fcu,k的保证率是95%，即 fcu,k=fcu,m（11.645f） 式中 fcu,m混凝土立方体抗压强度平均值； f混凝土立方体抗压强度变异系数，对C40级以下的混凝土f =
6、0.12；对C60级，f =0.10；对C80级，f =0.08。 规范给出各级混凝土轴心抗压强度标准值fck和轴心抗拉强度标准值ftk见表2-3。,10,第二章 结构设计基本原则,第二节 结构功能和可靠度,一、结构的功能 结构的功能：结构在规定的设计使用年限内（表2-4）应满足的各种要求。结构设计时，应规定结构的设计使用年限。 表2-4 建筑结构设计使用年限分类 结构的功能包括以下三个方面的内容：,11,第二章 结构设计基本原则,1）安全性 建筑结构在正常设计、施工和维护条件下，应能承受在施工和使用期间可能出现的各种作用而不发生破坏； 当发生火灾时，在规定的时间内可保持足够的承载力； 当发生
7、爆炸、撞击、人为错误等偶然事件时，结构能保持必需的整体稳固性，不出现与起因不相称的破坏后果，防止出现结构的连续倒塌。 2）适用性 建筑结构在正常使用过程中应保持良好的使用性能，不出现影响正常使用的变形和裂缝等。,12,第二章 结构设计基本原则,3）耐久性 建筑结构在正常维护条件下应具有足够的耐久性能，不致因混凝土的劣化、腐蚀或钢筋的锈蚀等影响结构正常使用到规定的设计使用年限。 安全性、适用性和耐久性可概括为结构的可靠性。即结构在规定的设计使用年限内，在正常设计、正常施工、正常使用和正常维护条件下，完成预定功能的能力。结构的可靠性可用概率来度量，即结构完成预定功能的概率，称为结构的可靠度。,13
8、,第二章 结构设计基本原则,二、结构的可靠概率和失效概率 结构完成预定功能的工作状态用结构的功能函数Z来描述，即 Z=RS 当Z0时，即结构抗力R大于作用效应S时，则结构能完成预定的功能，处于可靠状态； 当Z0时，即结构抗力R小于作用效应S时，结构不能完成预定的功能，处于失效状态； 当Z=0时，即结构抗力R等于作用效应S时，则结构处于极限状态。 因此，结构可靠工作的基本条件为： Z0 或R,14,第二章 结构设计基本原则,结构的功能函数Z的分布曲线如图所示。图中，纵坐标轴以左（Z0的阴影面积即为结构的失效概率f，纵坐标轴以右（0）的分布曲线与横坐标Z轴所围成的面积即为结构的可靠概率Ps。结构的
9、失效概率Pf与可靠概率S的关系为 PS +f =1 或PS =1f 因此，可采用结构的失效 概率f或者结构的可靠概 率PS来度量结构的可靠性。 一般采用失效概率f来度量结构的可靠性，只要失效概率f足够小，则结构的可靠性必然高。,15,第二章 结构设计基本原则,三、结构的可靠指标 计算失效概率f较复杂，故引入可靠指标代替失效概率f来度量结构的可靠性。 可靠指标为结构的功能函数Z的平均值z与其标准差z之比，即 z=z 可见，可靠指标值越大，失效概率f值就越小，即结构就越可靠。故将称为可靠指标。 可靠指标和失效概率f对应的数值见表。,16,第二章 结构设计基本原则,四、结构的安全等级与目标可靠指标
10、1. 安全等级的确定和划分 根据结构破坏可能产生的后果，即危及人的生命、造成经济损失、对社会或环境产生的影响等严重性，采用不同的安全等级。建筑结构的安全等级划分为3级，见下表。,17,第二章 结构设计基本原则,2. 目标可靠指标 为使结构既安全可靠，又经济合理，则结构的失效概率Pf应小到人们可以接受的程度，用可靠指标表示时，则为 结构的目标可靠指标主要与结构的安全等级和破坏类型有关： 结构的安全等级愈高，目标可靠指标应愈大。 结构构件破坏属于延性破坏时，目标可靠指标可取得小一些； 结构构件破坏属于脆性破坏时，目标可靠指标应取得大一些。,18,第二章 结构设计基本原则,结构构件按持久设计状况进行
11、承载能力极限状态设计时，采用的目标可靠指标见下表。,19,第二章 结构设计基本原则,对一般的结构构件，直接根据目标可靠指标进行设计仍然比较繁杂。因此规范采用以概率理论为基础的极限状态设计法，以可靠指标度量结构构件的可靠度，采用分项系数的设计表达式进行设计。即结构构件设计时不直接计算可靠指标，而是按规范给定的各分项系数进行计算，则所设计的结构构件隐含的可靠指标可以满足不小于目标可靠指标的要求。,20,第二章 结构设计基本原则,第三节 极限状态设计法,一、结构极限状态的定义和分类 1.定义 结构能完成预定功能的可靠状态与其不能完成预定功能的失效状态的界限，称为极限状态。或者说，整个结构或结构的一部
12、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，则此特定状态称为该功能的极限状态。,21,第二章 结构设计基本原则,2.分类 （1）承载能力极限状态 定义：当结构或其构件达到最大承载力，或达到不适于继续承载的变形时，称该结构或其构件达到承载能力极限状态。 结构或其构件出现下列状态之一时，就认为超过了承载能力极限状态。 1）结构构件或连接因超过材料强度而破坏，或因过度变形而不适于继续承载。 2）整个结构或其一部分作为刚体失去平衡。 3）结构转变为机动体系。 4）结构或结构构件丧失稳定。 5）结构因局部破坏而发生连续倒塌。 6）地基丧失承载力而破坏。 7）结构或结构构件的疲劳破坏。,22,第二
13、章 结构设计基本原则,（2）正常使用极限状态 定义：当结构或其构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值时，称该结构或其构件达到正常使用极限状态。 结构或其构件出现下列状态之一时，就认为超过了正常使用极限状态。 1）影响正常使用或外观的变形。 2）影响正常使用或耐久性能的局部损坏。 3）影响正常使用的振动。 4）影响正常使用的其他特定状态。 结构设计时应对结构的不同极限状态分别进行计算或验算。当某一极限状态的计算或验算起控制作用时，可仅对该极限状态进行计算或验算。,23,第二章 结构设计基本原则,二、结构的设计状况 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
14、有关的极限状态。结构设计时应区分下列设计状况： 1.持久设计状况 指在结构使用过程中一定出现，且持续期很长的实际状况，其持续期一般与设计使用年限为同一数量级。持久设计状况适用于结构使用时的正常情况。 2. 短暂设计状况 指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持续期很短的设计状况。短暂设计状况适用于结构出现的临时情况，包括结构施工和维修时的情况等。,24,第二章 结构设计基本原则,3. 偶然设计状况 指在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的设计状况。偶然设计状况适用于结构出现的异常情况，包括结构遭受火灾、爆炸、撞击时的情况等。 4. 地震设计状况 指结构遭受地震时的设计
15、状况。地震设计状况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。 对上述四种设计状况，均应进行承载能力极限状态设计。对持久设计状况，尚应进行正常使用极限状态设计。对短暂设计状况和地震设计状况，可根据需要进行正常使用极限状态设计。对偶然设计状况，可不进行正常使用极限状态设计。,25,第二章 结构设计基本原则,三、承载能力极限状态计算 1.计算内容 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重要结构，宜进行防连续倒塌设计。,26,第二章 结构设计基本原则,2.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，当用内力的形式表达时，结构构件的承载能力极限状态设计表达式为 式中0结构重要性系数； S承载能力极限状态下作用组合的效应设计值； R结构构件的抗力设计值。,27,第二章 结构设计基本原则,3.结构重要性系数0 0取决于设计状况和结构的安全等级。在持久设计状况和短暂设计状况下，对安全等级为一级的结构构件不应小
