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1、1,给水排水工程结构,合肥工业大学土木与水利工程学院 道 路 桥 梁 工 程 系 方诗圣 汪权 朱亚林,Water and Waste Water Engineering Structure,2,引言： 结构设计所涉及的问题分为两类： 第一类：共性的问题： 是设计任何结构和构件都要加以解决的。 作用在构件上的载荷：其大小如何确定? 所用建材的强度如何确定? 结构安全可靠标准是什么？,属于基本计算原则,第二类: 具体问题： 应用这些基本原则对各种不同的构件进行具体的设计和 计算，并采取相应的构造措施使所设计的构件满足要求,3,第二章 钢筋混凝土结构的基本计算原则 4h,任何一项结构设计都将面临可
2、靠性和经济性两方面的问题，一般地说，结构的可靠性和经济性是相互矛盾的，科学的设计方法就是要使所设计的结构在可靠性和经济性两方面达到最佳的协调。度量结构可靠性的指标称为“可靠度”。 使结构在可靠性和经济性两方面能够达到最佳协调的关键之一是要合理地选择结构必须达到的可靠度指标和采用科学的方法分析确定结构可能达到的可靠度；目前国际上已相当普遍地采用以结构的失效概率为依据的概率极限状态设计法。,4,我国于1984年发布建筑结构设计统一标准GBJ 6884后(以后简称标准)(修订版为建筑结构可靠度设计统一标准GB 500682001) ，1992年又颁发了工程结构可靠度设计统一标准GB 5015392。
3、在这两本标准中，规定了结构设计均采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，替代原规范采用的单一安全系数极限状态设计方法，并对极限状态设计原则和设计表达式等作出了统一规定。 我国现行的混凝土结构设计规范GB50010-2002)和给水排水工程构筑物结构设计规范GB 50069-2002就是根据标准规定的原则制定的。本章将结合钢筋混凝土结构简要地阐述以概率理论为基础的极限状态设计法。,6,给水排水工程构筑物结构设计规范GB 50069-2002 5 基本设计规定 5.1 一般规定 5.1.1 本规范采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，以可靠指标度量结构构件的可靠度；按承载能力极限状态计算时，除对
4、结构整体稳定验算外均采用以分项系数的设计表达式进行设计。 5.1.2 本规范采用的极限状态设计方法，对结构设计应计算下列两类极限状态: 1 承载能力极限状态:应包括对结构构件的承载力(包括压曲失稳)计算、结构整体失稳(滑移及倾覆、上浮)验算。 2 正常使用极限状态:应包括对需要控制变形的结构构件的变形验算，使用上要求不出现裂缝的抗裂度验算，使用上需要限制裂缝宽度的验算等。 5.1.3 结构内力分析，均应按弹性体系计算，不考虑由非弹性变形所产生的塑性内力重分布。 5.1.4 结构构件的截面承载力计算，应按我国现行设计规范混凝土结构设计规范GB 50010或砌体结构设计规范GB 50003、钢结构
5、设计规范GB 50017的规定执行。 5.1.5 构筑物的地基计算(承载力、变形、稳定)，应按我国现行设计规范建筑地基基础设计规范GB 50007的规定执行。 5.1.6 结构构件按承载能力极限状态进行强度计算时，结构上的各项作用均应采用作用设计值。 作用设计值，应为作用分项系数与作用代表值的乘积。 5.1.7 结构构件按正常使用极限状态验算时，结构上的各项作用均应采用作用代表值。 5.1.8 对构筑物进行结构设计时，根据工程结构可靠度设计统一标准GB 50153的规定，应按结构破坏可能产生的后果的严重性确定安全等级，按二级执行。对重要工程的关键构筑物，其安全等级可提高一级执行，但应报有关主管
6、部门批准或业主认可。,7,第二章 钢筋混凝土结构的基本计算原则 4h,第一节 结构的功能要求和极限状态,一. 结构的功能要求,1.结构安全级别,我国是根据建筑结构破坏时可能产生的后果严重与否，分为三个安全等级。见下表：,8,2.结构的设计使用年限,一般也称设计基准期 定义：房屋建筑和构筑物在正常设计、正常施工、正常使用和维 护下所应达到的持久年限。结构的设计使用年限应按下表采用。,注意：结构的设计使用年限与使用寿命不等同。超过设计使用年限的结构并不是一定不能继续使用，当需要继续使用时，根据结构的实际状态对其可靠度重新评估鉴定。,9, 安全性 Safety 结构在正常施工、正常使用情况下能承受可
7、能出现的各种直接作用和间接作用，如施加的荷载、外加变形、约束变形，在偶然事件（如地震、校核洪水位等）发生时和发生后，结构仍能保持必需的承载力和稳定性，不致发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。,设计任何一个建筑物或构筑物的结构时，在规定的使用期限内都应满足下述三方面的功能要求,3.结构的功能要求,10, 耐久性 Durability 结构在正常维护条件下应有足够的耐久性。完好使用到设计规定的年限。如，混凝土不发生碳化、严重风化、腐蚀、脱落，钢筋不发生锈蚀等。因为这些都将使结构的安全性和适用性逐渐下降而影响结构的使用年限。, 适用性 Serviceability 结构在正常使用条件作用下具
8、有良好的工作性能。如结构或构件应具有足够的刚度而不致发生影响使用的过大变形或振动，不发生足以让使用者感到不安的过宽的裂缝等，贮液构筑物如水池、水塔、管道及井筒等不应出现导致漏水的贯通裂缝(通缝)和应具有必要的抗渗性。,11,（1）定义 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（安全性、适用性、耐久性）要求，该特定状态称为该功能的极限状态。,极限状态,二.结构功能的极限状态 Limit State,能完成预定的各项功能时，结构处于有效状态；反之，则处于失效状态，有效状态和失效状态的分界，称为极限状态，是结构开始失效的标志。,12,（2）分类 1）承载力能力极限状态 U
9、ltimate Limit State 这种极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或其变形达到不适于继续承载的变形。承载能力极限状态主要考虑关于结构安全性的功能。,13,当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态：,结构构件或连接因材料强度不够而破坏； 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移等）； 结构转变为机动体系； 结构或结构构件丧失稳定（如柱子被压曲等）。 地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）,（超静定结构中出现足够多塑性铰）,在设计中，对所有结构或构件均应根据承载能力极限状态进行计算,14,2）正常使用极限状态 Serviceability Li
10、mit State 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。这一状态对应于适用性或耐久性的功能。,15,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（影响非结构构件、不安全感、不能正常使用（吊车）等） ； 影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝，导致钢筋锈蚀、影响不安全感、漏水等）； 影响正常使用的振动（影响使用、不舒适） ； 影响正常使用的其他特定状态等。,通常的设计计算程序是先按承载能力极限状态设计结构构件，而后按正常使用极限状态进行验算。,16,定义：使结构产生内力或变形的原因称为“作用”。,作用分类,
11、直接作用,间接作用,荷载（集中力或分布荷载）,混凝土收缩、温度变化、基础的差异沉降、地震等引起结构外加变形或约束的原因。,第二节 结构上的作用、作用效应及结构抗力和功能函数,一. 结构上的作用和作用效应,按“原因不同”分为,17,又称恒荷载，在结构设计使用期间，其值不随时间而变化，或其变化与平均值相比可以忽略的荷载，如结构的自重、土压力，固定设备，构筑物内部的盛水压力、结构的预加应力、地基的不均匀沉降等；,又称活荷载，在结构设计使用期间其值随时间而变化，如楼面堆放荷载、吊车荷载、静水压力、风荷载、雪荷载、地表或地下水的压力(侧压力、浮托力)、流水压力、融冰压力、结构构件的温、湿度变化作用等；,
12、在结构设计基准期内不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载，如爆炸力、撞击力等；,按随时间的变异性和出现的可能性（按作用时间的长短和性质，作用分为三类） ：,18,4 结构上的作用 4.1 作用分类和作用代表值 4.1.1 结构上的作用可分为三类:永久作用、可变作用和偶然作用。 4.1.2 永久作用应包括:结构和永久设备的自重、土的竖向压力和侧向压力、构筑物内部的盛水压力、结构的预加应力、地基的不均匀沉降。 4.1.3 可变作用应包括:楼面和屋面上的活荷载、吊车荷载、雪荷载、风荷载、地表或地下水的压力(侧压力、浮托力)、流水压力、融冰压力、结构构件的温、湿度变化作用。 4.1.4 偶
13、然作用，系指在使用期间不一定出现，但发生时其值很大且持续时间较短，例如高压容器的爆炸力等，应根据工程实际情况确定需要计入的偶然发生的作用。,给水排水工程构筑物结构设计规范： GB 50069-2002,19,在空间位置上具有固定的分布。如结构构件自重、楼面上的固定设备；,在结构空间位置上的一定范围内可以任意分布。如楼面上的人群荷载、厂房结构上的吊车荷载等；,按空间位置的变异分为两类 ：,20,不使结构或构件产生加速度或产生的加速度可以忽略不计，如结构的自重、一般民用建筑的楼面活荷载等；,使结构或构件产生不可忽略的加速度，如吊车荷载、设备振动、作用在高耸结构如高层建筑、烟囱或水塔上的风荷载等；,
14、按结构的反应分为两类 ：,21,作用效应： 结构上的作用使结构产生的内力(如轴力,弯矩,剪力,扭矩等)、变形(转角,挠度)、裂缝等通称为作用效应或荷载效应S 。Action (Load) Effect,二. 荷载效应（作用效应）S和结构抗力R,结构构件的抗力： 结构承受外加荷载的能力（及抵抗结构的内力和变形的能力，如构件的承载能力、裂缝和变形限值等）称为结构抗力R，取决于材料的强度、截面尺寸和特征及计算模式等。 Resistant,其中材料性能是决定结构抗力的主要因素。,C 作用效应系数,22,三. 结构设计中的不确定性,a. 恒载 g与构件尺寸、材料容重等有关 b. 活载 q的数值是随时在变
15、化的 c. 计算跨度 l 的不准确,a.材料强度 fy 和 fc 的离散 b.截面尺寸h0和 b 的施工误差 c. 1 的随机性,结构不一定安全（可靠）!,虽然设计保证,Undetermined Factors in Design,23,结构或构件能否完成预定功能与结构的作用效应S与结构的抗力R有关。,四、结构的功能函数,24,可靠概率有多大？,Z 0，,即RS 结构可靠,Z = 0，,即R=S 结构处于极限状态。,即RS 结构失效,Z 0，,失效概率有多大?,25,结构功能的三种工作状态,功能函数 Z = R - S,结构已达极限状态，称为极限状态方程。,Z=R - S = g (R,S)0
16、 称为“极限状态方程”,它是结构失效的标准.,结构功能函数的一般表达式为,26, 结构的可靠性 reliability结构可靠性的定义是：结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。可见结构可靠性实质上是关于结构安全性，适用性和耐久性的概称（总 称）。 结构可靠度结构在规定时间内，在规定条件下，完成预定功能的概率。 规定条件指正常设计、正常施工、正常使用和正常维护，不包括错误设计、错误施工和违反原来规定的使用情况。,一、结构的可靠性和可靠度的概念,第三节 结构的可靠度和可靠指标,27,结构的可靠度是结构可靠性的概率度量，即对结构可靠性的定量描述。 注意1：结构可靠度与结构使用年限长短有关。统一标准以结构的设计使用年限为计算结构可靠度的时间基准。 注意2：结构的设计使用年限虽与结构使用寿命有联系，但不等同。当结构的使用年限超过设计使用年限后，并不意味着结构就要报废，但其可靠度将逐渐降低。, 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。,28,29,以概率理论为基础的极
