钢筋混凝土结构设计原理课件

《钢筋混凝土结构设计原理课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钢筋混凝土结构设计原理课件（91页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第二章 钢筋砼结构设计原理,第一节 钢筋混凝土结构设计理论的发展 第二节 结构的功能要求、荷载效应与结构抗力 第三节 概率极限状态设计的概念 第四节 荷载代表值和材料强度标准值 第五节 水工混凝土结构设计规范的实用设计表达式,第一节 钢筋混凝土结构设计理论的发展,一、按许可应力法设计,优点：概念比较简明,二、按破损阶段法设计,优点：概念清楚、计算简便 缺点：无法得知构件在正常使用期间的应用情况,三、按极限状态法设计,承载能力极限状态：验算结构构件最终破坏时的极限承载力； 正常使用极限状态：验算构件在正常使用时的裂缝开展宽度和挠度变形是否满足适用性的要求。,第二节 结构的功能要求、荷载效应与结构

2、抗力,一、结构的功能要求,适用性,安全性,结构在正常使用期间应具有良好的工作性能。例如，不发生过大的变形、振幅、过宽的裂缝等，以免影响正常使用。,结构应能承受在正常施工和正常使用的情况下可能出现的各种作用，在设计规定的偶然事件发生时及发生后，结构仍能保持必需的整体稳定性，不致发生倒塌。,结构的功能要求,耐久性,结构在正常使用和正常维护条件下应具有足够的耐久性能，以保证结构能够正常使用到预定的设计使用期限。,结构设计的目的就是使所设计的结构在规定的设计使用年限内，用最经济的手段获得预定条件下满足设计所预期的各种功能的要求。,结构上的 “作用”,使结构或构件产生效应(内力、变形等)的各种原因的总称

3、,直接作用,间接作用,是指直接以力的不同集结形式（集中力或均布力）施加在结构上的作用，通常也称为荷载。,是指能够引起结构外加变形和约束变形，从而产生内力效应的各种原因。,二、作用(荷载)与荷载效应,可变荷载 (活荷载),永久荷载 (恒荷载),在结构设计基准期内，其作用量值随时间而变化，其变化幅度与平均值相比不可忽略不计的荷载。,在结构设计基准期内，其作用量值不随时间变化，或其变化幅度与平均值相比可以忽略不计的荷载。,(随时间的变异性分类) 荷载的分类,偶然荷载,在结构设计基准期内不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短的荷载。,固定荷载,指在结构上具有固定位置的荷载。,(随空间位置的变异

4、分类) 荷载的分类,偶然荷载,指在结构空间位置的一定范围内可任意移动的荷载。,静态荷载,指不使结构产生加速度或产生的加速度可忽略不计的荷载。,(按结构的反应特点分类) 荷载的分类,动态荷载,指使结构产生不可忽略的加速度的荷载。,荷载效应S,指由荷载在结构上产生的各种内力(弯矩、剪力、轴力、扭矩等)和变形(挠度、裂缝等)的统称。,一般情况: S=CQ,三、结构抗力R,是指结构或构件承受各种荷载效应S的能力，即承载能力和抗变形能力。,R = R(fc,fs,k),结构抗力也是一个随机变量，影响因素主要有材料性能（强度、变形模量等物理力学性能）、构件几何参数、配筋情况以及计算模式的精确性等。,一、极

5、限状态的定义与分类,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要求，此特定状态称为该功能的极限状态。,第三节 概率极限状态设计的概念,能够满足功能要求,不能满足功能要求,特定状态,结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形时的状态,结构或结构构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值时的状态,1、承载能力极限状态,（1）概念：结构或构件达到最大承载能力，或达到不适 于继续承载的变形的极限状态，称承载能力极限状态。 （2）对应情况 整个结构或结构的一部分失去刚体平衡； 结构构件因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏）， 或因过大的塑性变形而不适于继续承载； 结构或结构构件丧

6、失稳定； 整个结构或结构的一部分转变为机动体系（图片）。,2、正常使用极限状态,（1）概念：结构或构件达到使用功能上允许的某一规 定限值的极限状态，称正常使用极限状态 ； （2）对应情况 影响结构正常使用或外观的变形； 对运行人员、设备、仪表等有不良影响的振动； 对结构外形、耐久性以及防渗结构抗渗能力有不良 影响的局部损坏； 影响正常使用的其他特定状态。,二、极限状态方程式、失效概率和可靠指标,1、极限状态方程式,第三节 概率极限状态设计的概念,结构的极限状态可用极限状态函数(或功能函数)Z来描述。设影响结构极限状态的有n个独立变量Xi(i=1，2，n)，函数Z可表示为：,Z=g(X1，X2，

7、Xn),Z0,即R S,Z0,即R S,Z=g(R,S)=R-S,功能函数,结构抗力,荷载效应,Z=0,即R=S,可靠状态,极限状态,失效状态,结构可靠工作的基本条件为:Z0或RS,2.可靠概率Ps (success) Z0的概率为可靠概率Ps，即结构在规定的时间内，在规定条件下，完成预定功能的概率。 Z0的概率为失效概率Pf (failure)，即出现RS的概率。 Pf Ps = 1.0 失效概率Pf愈小， 结构的可靠性愈高。,3.可靠指标：可靠指标为结构功能函数Z的平均值Z与标准差Z的比值，即 可靠指标与失效概率Pf之间在在着一一对应关系,4. 目标可靠指标的确定,目标可靠指标理应根据结构

8、的重要性和破坏后果的严重程度以及社会经济等条件，以优化方法综合分析得出的。 但由于大量统计资料尚不完备或根本没有，目前只能采用“校准法”来确定目标可靠指标。 校准法：认为原有的设计规范所设计出来的大量结构构件反映了长期工程实践的经验，其可靠度水平在总体上是可以接受的。根据现有的设计水平反算得到目标可靠指标。,4. 目标可靠指标的确定,延性破坏是指结构构件在破坏前有明显的变形或其他预兆； 脆性破坏是指结构构件在破坏前无明显的变形或其他预兆； 脆性破坏构件的目标可靠指标高于延性破坏构件的目标可靠 指标。,目标可靠指标的特点： 1.承载能力极限状态的目标可靠指标： 与结构的安全级别有关 与构件的破坏

9、性质有关,2.正常使用极限状态时的目标可靠指标 可靠指标低于承载能力极限状态。 原因：因为承载能力极限状态关系到结构整体或局部破坏，会导致人身伤亡或重大经济损失，正常使用极限状态只关系到使用的适用性，而不涉及到结构构件的安全性这一根 本问题。 研究得还很不成熟，在我国，只笼统地认为可取为12。,虽然可靠指标的求解已比失效概率大大简单，但在实际设计中求可靠指标，需已知 R 和 S 的统计参数（，），仍不方便。 只有对于十分重要的结构，如原子能反应堆的安全壳等采用这种方法。 对于一般构件，如果也采用这种复杂的统计参数分析，即不现实，设计人员也不习惯，故设计规范都采用“实用设计表达式”。,实用设计表

10、达式的特点： 设计人员不必直接计算可靠指标，而只要采用规范规定的各个分项系数按实用设计表达式对结构构件进行设计，则设计出的结构构件就可满足可靠度的要求了。 在“实用设计表达式”中，规定了若干个分项系数。主要有： 荷载分项系数、材料分项系数、结构重要性系数、设计状况系数、结构系数等等。,不同设计规范所取用的分项系数的个数和其取值是有所不同的。 如： 混凝土结构设计规范(GB50010-2002)只用了3个分项系数：荷载分项系数、材料分项系数和结构重要性系数 ； 水工混凝土结构设计规范(DL/T5057-2009)则用了5个分项系数：荷载分项系数、材料分项系数、结构重要性系数、设计状况系数、结构系

11、数。 它们的取值是完全不同的。所以不能将不同规范的系数相互混用。,SL191-2008采用在多系数分析基础上以安全系数表达的方式进行设计。只要按规范规定的承载力安全系数K进行计算，结构构件的可靠指标就可以满足不小于目标可靠指标T（见下表）要求。,目标可靠指标T,第四节 荷载代表值和材料强度标准值,一、荷载代表值,结构或构件设计时，需针对不同设计目的对荷载赋予一个规定的量值，该量值即为荷载代表值。 永久荷载采用标准值为代表值。 可变荷载采用标准值、组合值、频遇值和准永久值为代表值。 偶然荷载按使用的特点确定代表值。 其中荷载标准值为基本代表值。,1、荷载标准值,荷载标准值是指在设计基准期内可能出

12、现的最大值，理论上它应按荷载最大值的概率分布的某一分位值确定。,永久荷载标准值Gk可按结构构件的设计尺寸和材料重力密度计算确定，荷载规范中给出了常用材料和构件的自重。 可变荷载标准值Qk可直接查荷载规范得出。,但由于目前能对其概率分布作出估计的荷载还只是很小一部分。 在水利工程中，大部分荷载，如渗透压力、土压力、围岩压力、水锤压力、浪压力、冰压力等，都缺乏或根本无法取得正确的实测统计资料，所以其标准值主要还是根据历史经验确定或由理论公式推算得出的。,荷载标准值是荷载的基本代表值，荷载的其它代表值都是以它为基础再乘以相应的系数后得出的。,2、可变荷载组合值,当结构承受两种或两种以上可变荷载时，考

13、虑它们同时达到各自最大值的可能性很小，故除主导的可变荷载外，其余可变荷载应在其标准值上乘以小于1.0的组合系数对可变荷载标准值进行折减。,可变荷载组合值可变荷载标准值Qk荷载组合值系数C 荷载组合值系数可由荷载规范查得,目前尚无足够的资料能确切地得出不同的荷载组合时的组合系数，其值还是凭工程经验由专家拍板定出的 。 水工设计中习惯上不考虑可变荷载组合时的折减。,3、可变荷载频遇值,可变荷载在设计基准期内在结构上偶而出现的较大荷载，称为可变荷载频遇值。其具有持续时间较短或发生次数较少的特点。,可变荷载频遇值可变荷载标准值荷载频遇值系数f 荷载频遇值系数可由荷载规范查得,4、可变荷载准永久值,在设

14、计基准期内经常作用的可变荷载，称可变荷载准永久值。其具有总持续时间较长的的特点，对结构的影响类似于永久荷载。,可变荷载准永久值可变荷载标准值荷载准永久值系数 荷载准永久值系数可由荷载规范查得,荷载频遇值与荷载准永久值作用： 变形（挠度）大小和裂缝开展的宽度是与荷载作用的时间长短有关的，所以在按正常使用极限状态验算时，有些设计规范就规定了必须按荷载效应的标准组合、频遇组合及准永久组合分别进行验算。,标准组合：在正常使用极限状态验算时，永久荷载和可变荷载均取为标准值的荷载效应组合； 频遇组合：在正常使用极限状态验算时，可变荷载取为荷载频遇值时的荷载效应组合； 准永久组合：在正常使用极限状态验算时可

15、变荷载取为荷载准永久值时的荷载效应组合。,但： 1.设计规范中的裂缝宽度验算公式只局限于外力荷载引起的裂缝。 水工结构中大多数裂缝却是由温度、干缩和支座沉降等因素引起的，因此设计规范中的裂缝控制验算并不完全符合工程实际。 过分细致地进行正常使用极限状态验算也就没有太大的工程实际意义。,2.由于水工荷载的复杂性和多样性，水工建筑物荷载设计规范未能给出水工结构设计时荷载的频遇值系数和准永久值系数。 因此： 现行水工混凝土结构设计规范对正常使用极限状态只验算荷载效应的标准组合。 就不出现荷载频遇值、荷载准永久值、频遇组合、准永久组合等术语了。,第四节 荷载代表值和材料强度标准值,二、材料强度标准值,

16、1.概念 材料强度标准值是指结构构件在使用期间正常情况下可能出现的最小值。 2.取值 材料的标准值按符合规定质量的材料强度的概率分布的某一分位值确定。当材料强度服从正态分布时，材料标准值可按下式计算：,式中f材料强度的统计平均值； f材料强度的统计标准差； f材料强度的变异系数，f = f/f； f材料强度的保证率系数。 钢筋和砼的强度标准值采用概率分布的0.05分位值。其实际强度小于强度标准值的可能性只有5%，即强度标准值具有95%的保证率。,fk= ff f = f（1f f）,混凝土强度标准值(N/mm2),钢筋强度标准值 受拉热轧钢筋采用国家标准规定的屈服强度（出厂检验的废品限值）作为标准值 fyk，其保证率不小于95%。 其值见教材附录2表7 。 对于无明显屈服点的钢筋，采用国标规定的极限抗拉强度作为标准值 fstk，其保证率也不小于95%。 其值见教材附