_按近似概率理论的极限状态设计法

《_按近似概率理论的极限状态设计法》由会员分享，可在线阅读，更多相关《_按近似概率理论的极限状态设计法（47页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、极限状态 结构上的作用(action)和作用效应(effect of an action) 结构上的作用是指施加在结构上的集中力或分布力，以及引起结构外加变形或约束变形的原因（地震、基础差异沉降、温度变化、混凝土收缩等）。（1）按随时间的变异可分为三类：永久作用可变作用偶然作用1. 结构上的作用（荷载）可按下列性质分类：在设计基准期内其量值不随时间变 化，或其变化与平均值相比可以忽 略不计的作用。如结构自重、土压力、 预应力、地基沉降、焊 接等。在设计设计 基准期内其量值值随时间变时间变 化，且其变变化与平均值值相比不可 忽略的作用。在设计设计 基准期内不一定出现现，而 一旦出现现其量值值很大

2、且持续时间续时间 很短的作用。如楼面活荷载、吊车荷 载、风荷载、雪荷载、 温度变化等。如爆炸力、撞击力、罕 遇的地震等。（2）按随空间位置的变异可分为二类：固定作用自由作用在结构上具有固定分布的作 用。其特点是在结构上出现 的空间位置固定不变，但其 量值可能具有随机性。在结构上一定范围内可以任 意分布的作用。如房屋建筑楼面上位置 固定的设备荷载、屋盖 上的水箱等。如楼面的人员荷载、吊 车荷载等。静态作用动态作用（3）按结构的反应特点可分为二类：上述各种作用作用在结构或结构构件上，由此在结构内产生的内力和变形（如轴力、剪力、弯矩以及挠度、转角和裂缝 等）称为作用效应。使结构产生的加速度可以忽略不

3、计的 作用。使结构产生的加速度不可忽略不计的 作用。在结构分析时一般均应考虑其 动力效应。如结结构自重、住宅或办办 公楼的楼面活荷载载如吊车荷载、地震作用 、大型动力设备的作用 、高耸结构上的风荷载 等。2 荷载标准值荷载标准值是建筑结构按极限状态设计时采用的荷载基本代表值。实际 荷载随机变量、随机过程。应用数理统计的 方法，确定的具有一定概率的最大荷载值称为荷载标准值。荷载标准值可由设计基准期最大荷载概率分布的某一分位值确定，若为 正态分布，则如图中的 。荷载标准值的概率含义永久荷载标准值按结构设计 规定的尺寸和材料容重平均值确定。在结构设计中，各类可变荷载标准值及各种材料容重可由建筑结构荷

4、载规范查取。可变荷载标准值楼面活荷载标准值风荷载标准值雪荷载标准值可变荷载准永久值在进行结构构件的变形和裂缝验算时，需要考虑荷载长期作用对构件刚度和 裂缝的影响，此时，可变荷载只能取其在设计基准期内经常作用在结构上的那部 分荷载作为其代表值，它对结构的影响类似于永久荷载。荷载准永久值=qQK 其中q为荷载准永久值系数，QK 为荷载标准值。可变荷载组合值当结构承受两种或两种以上可变荷载时，由于所有可变荷载同时达到各自最大值 的可能性极小，因此除主导的可变荷载外，其它伴随的可变荷载均应乘以一个小于 1的组合系数（ c）作为可变荷载的组合值。可变荷载的频遇值可变荷载的频遇值是正常使用极限状态按频遇组

5、合设计时采用的一种可变 荷载组合值。它是在统计基础上确定的。在设计基准期内被超越的总时间仅为 设计基准期的一小部分，或其超越频率限于某一给定值。可变荷载的频遇值= fQK 其中： f 可变荷载频遇值系数在竖向荷载作用下，按受荷面积、层数、每层的单位面积重量 估算每个柱及桩的竖向力。同理也可以计算建筑物的总重量 如图柱网尺寸为66的12层办公楼，单位 面积的：恒载11 kN/m2； 活载2.0 kN/m2； 则每个中柱的受荷面积为36 m2， 则每个中柱受荷载36（11+2）=468 kN， 底层中柱受轴力46812=5616 kN， 建筑物总重量： 13264612=44928 kN。风荷载一

6、、风作用的类型(1)顺风向力由与风向一致的风力作用 (2)横风向力结构物背后的旋涡引起结构物的横风向(与风向垂 直)力 (3)风力扭矩由横风向力、顺风向力引起 二、风作用效应 (1)使结构物或结构构件受到过大的风力或不稳定； (2)使结构物或结构构件产生过大的挠度或变形，引起外墙、外装修 材料的损坏； (3)由反复的风振动作用，引起结构或结构构件的疲劳损坏； (4)气动弹性的不稳定，致使结构物在风运动中产生加剧的气动力； (5)由于过大的动态运动，使建筑物的居住者或有关人员产生不舒适 感。 建筑物周围的风场建筑物外表面风压 0 基本风压（KN/m2） ；z风压高度变化系数；s 风载体形系数；z

7、为高度z处的风振系数； 1、基本风压查荷载规范；是按一般空旷平坦地面上 离地10米高度处统计得到的50年一遇的10分钟平均最大 风速换算而得到的。 2、体型系数可以查阅荷载规范，复杂体型由风洞试 验确定垂直于建筑物表面上的风荷载标准值：4、风振系数由结构动力分析确定，主要考虑高度大于30米，高宽比 大于1.5的建筑在风力作用下的共振效应。 从上式可见，作用于建筑物表面的风荷载为到三角形分布的面荷载。 总的风力为每步风荷载乘受风面积，作用位置与建筑与建筑体形有关 。高度变化系数由地面粗糙度确定风荷载效应估算基本方法与地震水平作用估算相同，但： 1、对于低层建筑，风荷载大小可用单位面积风载（以建

8、筑物顶端风压力估计）乘以受风面积计算 2、对于高层建筑，风荷载按上大下小的阶梯形分布计算 ，每阶的风压值取该段建筑物最大标高的单位风载乘以 相应建筑物宽度确定。 3、风荷载的合力作用点与建筑物体型有关。结构的功能 Functions of Structure1 结构的安全等级(safety class)结构的安全等级根据结构破坏可能产生的后果，即危及人的生命、造成的经济损失、产生社会影响等的严重程度确定。安全等级级破坏后果建筑物类类型一级级很严严重重要的房屋二级级严严 重一般的房屋三级级不严严重次要的房屋建筑结构的安全等级建筑物中各类结构构件的安全等级宜与整个结构的安全等级相同，但允许对部分结

9、构构件根据其重要程度和综合效益进行适当的调整。结构的安全等级用结构重要性系数0体现。2 设计使用年限(design working life)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，即结构在规定的条件下所应达到的使用年限。设计使用年限的概念不同于实际寿命或耐久年限。建筑结构可靠度设计统一标准规定了各类建筑结构的设计使用年限。类别类别设计设计使用年限（年）示例15临时临时性结结构225易于替换换的结结构构件350普通房屋和构筑物4100纪纪念性建筑和特别别重要的建筑物设计使用年限分类3 建筑结构的功能 Functions of Structures 安全性

10、Safety （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。 适用性Serviceability （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Durability （wmax wmax）：结构在

11、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。结构功能的极限状态 Limit State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 指定的某一功能要求，这个特定状态称为该功能的极限状态。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“极限状态”。承载力能力极限状态Ultimate Limit State：超过该极限状态，结构就

12、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）正常使用极限状态Serviceability Limit State：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、漏水等）；过大的振动（不舒适）；其他正常使用要求。下列破坏分别属于超出了什么极限状态？A、雨棚出现倾覆 B、出现了很大

13、的裂缝 C、结构变成了机动体系 D、发生了失稳破坏 E、出现了很大的振动 F、超过了构件强度而破坏极限状态方程S作用效应Action Effect，结构上的作用（使结构产生内 力和变形的原因，如荷载、不均匀沉降、温度变形、收缩变形 、地震等）引起的效应，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 Resistant，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, )极限状态方程当 时，结构处于可靠状态当 时，当 时，结构处于失效状态结构处于极限状态功能函数

14、承载能力极限状态函数ZR-S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，称为结构的可靠性reliability 。结构的可靠度是结构可靠性的概率度量，即结构在设计 使用年限内，在正常条件下，完成预定功能的概率ps。结构可靠性越高，建设造价投资越大。因此，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

15、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。按近似概率的极限状态设计法 结构的可靠度 degree of reliability可靠指标与失效概率由于作用效应 和结构抗力 都是随机变量或随机过程，因此要绝对地保证 总是大于 是不可能的。由图可见，在多数情况下， 大于 。但是，由于 和 的离散性，在它们概率密度曲线的重叠区（阴影段内）仍有可能出现 小于 的情况，这种 可能性的大小用概率来表示就是失效概率 。和 的概率密度曲线当结构功能函数中仅有两个独立的随机变量 和 ，且都服从正态分布时，功能函数 的概率密度曲线如图所示。功能函数的概率密度曲线结构的失效概率可直接通过 的概率（图中阴影面积）来表达，即令则由上式可见， 与 具有数值上的对应关系，也具有与 相对应的物理意义。 越大， 就越小，即结构越可靠，故 称为可靠指标。当仅有作用效应和结构抗力两个基本变量且均按正态分布时，结构构件的可靠指标可按上式计算。设计规范所规定的、作为设计结构或结构构件时所应达到的可靠指标，称为设计可靠指标，它是根据设计所要求达到的结构可靠度而取定的，所以 又称为目标可靠指