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1、混凝土结构设计原理第三章 混凝土结构设计计算原则刘汾涛 主讲广东水利电力职业技术学院 土木工程系 力学教研室项目导入结构设计的目的是什么？结构所承受的荷载非定值，所用的材料具有很大的离散性， 应如何取值？结构应满足什么条件才是安全 合理？ 知识要点识记领会应用核心概念结构上的作 用荷载的分类承载能力极限 状态正常使用极限 状态永久荷载可变荷载荷载标准值荷载组合值荷载准永久值结构的功能 要求荷载的代表值结构的极限 状态作用效应一、结构上的作用一、结构上的作用概念概念: : 使结构产生内力和变形的所有原因使结构产生内力和变形的所有原因. . 直接作用直接作用 以力的形式作用在结构上，也称为以力的形
2、式作用在结构上，也称为荷载荷载，如楼面荷，如楼面荷 载、风荷载等载、风荷载等. . 间接作用间接作用 以变形的形式作用于结构上，如地震、混凝土收缩以变形的形式作用于结构上，如地震、混凝土收缩 、温度变形等、温度变形等. .3.1 结构上的作用和作用效应二、荷载的分类二、荷载的分类 结构上的荷载按作用时间长短和性质分成三类：结构上的荷载按作用时间长短和性质分成三类： 永久荷载永久荷载在结构使用期内其值随时间因素的变化在结构使用期内其值随时间因素的变化 不大不大, ,或其变化与其平均值相比可以忽略的荷载或其变化与其平均值相比可以忽略的荷载, ,如如 自重、永久设备自重、永久设备. . 可变荷载可变
3、荷载在结构使用期内，其值随时间变化，且在结构使用期内，其值随时间变化，且 其变化与其平均值相比不可忽略的荷载其变化与其平均值相比不可忽略的荷载, ,如楼面活荷如楼面活荷 载、风载、雪荷载、吊车荷载等载、风载、雪荷载、吊车荷载等. . 偶然荷载偶然荷载在设计使用期内不一定出现在设计使用期内不一定出现, ,一旦出现其一旦出现其 值很大且持续时间很短的荷载值很大且持续时间很短的荷载, ,如爆炸、撞击如爆炸、撞击. .3.1 结构上的作用和作用效应建筑结构设计时，对不同的荷载和不同的设计情况建筑结构设计时，对不同的荷载和不同的设计情况，应采用不同的代表值，以满足不同可靠度的要求：，应采用不同的代表值，
4、以满足不同可靠度的要求： o o永久荷载永久荷载：标准值标准值；o o可变荷载可变荷载：设计要求采用：设计要求采用标准值、组合值、频遇值标准值、组合值、频遇值或或准永久值准永久值作为代表值作为代表值 ；o o偶然荷载：按建筑结构使用的特点确定其代表值。3.1 结构上的作用和作用效应三、荷载的代表三、荷载的代表值值uu荷载荷载标准值标准值（查规范）（查规范）：荷载的基本代表值，是指结构在设计基准期设计基准期内内可能 出现的最大荷载值。uu荷载荷载准永久值：准永久值： 是指可变荷载在结构使用期内经常达到或超过的荷 载值,其实质是考虑荷载的长期作用效应而对标准值的 一种折减。3.1 结构上的作用和作
5、用效应折减系数为确定可变作用及与时间有关的材料为确定可变作用及与时间有关的材料 性能等取值而选用的时间参数性能等取值而选用的时间参数, , 一般一般 取取5050年。年。uu 荷载组合值荷载组合值 当结构承受两种或两种以上可变荷载 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荷载外，其他可变荷载标 准值均乘以小于1.0的组合值系数c作为代表值。荷载标准值和荷载组合系数的乘积.uu 可变荷载频遇值可变荷载频遇值 在设计基准期内被超越的总时间 仅为设计基准期一小部分的荷载值。3.1 结构上的作用和作用效应四、作用效应四、作用效应o o概念：结构构件在各种因素的作用下，产
6、生的概念：结构构件在各种因素的作用下，产生的内力和内力和 变形变形，如轴力、弯矩、剪力、扭矩、挠度、转角和裂缝，如轴力、弯矩、剪力、扭矩、挠度、转角和裂缝 等。作用效应和作用都是等。作用效应和作用都是随机变量随机变量。o o作用效应与作用的关系：作用效应与作用的关系：S = C QQ 某种作用；C 作用效应系数；S 作用效应。3.1 结构上的作用和作用效应3.1 结构上的作用和作用效应案例案例：某办公楼走廊平板计算跨度：某办公楼走廊平板计算跨度l l0 0=2160mm=2160mm，现浇混，现浇混 凝土板板厚凝土板板厚90mm90mm，水磨石楼面，板底，水磨石楼面，板底20mm20mm后混合
7、砂浆后混合砂浆 抹灰。求该走廊板沿板跨每延米的永久荷载标准值和可抹灰。求该走廊板沿板跨每延米的永久荷载标准值和可 变荷载标准值。变荷载标准值。3.2 结结构的功能要求和极限状态态一、结构的功能要求一、结构的功能要求建筑结构在规定的建筑结构在规定的设计使用期限设计使用期限内应满足的各种要求，称为内应满足的各种要求，称为 结构的结构的功能功能。uu建筑结构的功能建筑结构的功能 安全性安全性 结构在正常施工和正常使用时能承受可能出现的各结构在正常施工和正常使用时能承受可能出现的各 种作用种作用. .且在设计规定的偶然事件发生时及发生后且在设计规定的偶然事件发生时及发生后, ,结构应结构应 能保持必需
8、的整体稳定性能保持必需的整体稳定性. .适用性适用性 结构在正常使用时能满足预定的使用要求，有良好结构在正常使用时能满足预定的使用要求，有良好 的工作性能，其变形、裂缝或振动等性能均不超过规定的的工作性能，其变形、裂缝或振动等性能均不超过规定的 限度等限度等. .耐久性耐久性 建筑结构在正常维护下有足够的耐久性能。例如保建筑结构在正常维护下有足够的耐久性能。例如保 护层厚度不得过薄、裂缝不得过宽而引起钢筋锈蚀等护层厚度不得过薄、裂缝不得过宽而引起钢筋锈蚀等. .3.2 结结构的功能要求和极限状态态uu 结构可靠性结构可靠性 是指结构在规定的时间内是指结构在规定的时间内, ,在规定的条件下在规定
9、的条件下, ,完成预完成预 定功能的能力。定功能的能力。o o规定的时间规定的时间 结构的结构的设计使用年限（后页）设计使用年限（后页）. . o o规定条件规定条件 结构正常设计、正常施工、正常使用和结构正常设计、正常施工、正常使用和 维修的条件维修的条件. .o o预定功能预定功能 满足安全性、适用性、耐久性的要求满足安全性、适用性、耐久性的要求, , 如承载力、刚度、稳定性、抗裂性、耐久性等.结构的可靠性和经济性是矛盾的两个方面：既经济，又可靠3.2 结结构的功能要求和极限状态态uu 结构的设计使用年限结构的设计使用年限概念概念: :指设计规定的结构或结构构件不需进行大指设计规定的结构或
10、结构构件不需进行大 修即可按其预定目的使用的时期修即可按其预定目的使用的时期, ,受结构所处的受结构所处的 类别、环境与结构材料的影响。类别、环境与结构材料的影响。与与结构的使用寿命结构的使用寿命既有区别又有联系。既有区别又有联系。类别设计使用年限(年)示例L15临时性建筑结构0.9225易于替换的结构构件-350普通房屋和构筑物1.04100标志性建筑和特别重要的建筑结构1.1表2-1 房屋建筑结构的设计使用年限及荷载调整系数二、结构的极限状态二、结构的极限状态uu结构的极限状态结构的极限状态整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能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
11、定的某一功能要求，此特定状态称为该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。功能的极限状态。 uu建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准将结构的极限状将结构的极限状 态分为两类：态分为两类：承载能力极限状态正常使用极限状态3.2 结结构的功能要求和极限状态态l l承载能力极限状态承载能力极限状态 结构或结构构件达到最大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承载能力或不适于继续承载的变形. .整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡(如倾 覆或滑移等)。结构构件或连接因超过材料强度而破坏(包括疲劳 破坏) ,或因塑性变形过大而不适于继续承载. 结构
12、转变为机动体系而丧失了承载能力.结构或构件因达到临界荷载而丧失稳定.3.2 结结构的功能要求和极限状态态l l正常使用极限状态正常使用极限状态 结构或结构构件达到正常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。使用或耐久性能的某项规定限值。影响正常使用或外观的变形 如吊车梁变形过大导致 吊车不能正常行驶,梁挠度过大影响外观等。 影响正常使用或耐久性能的局部损坏 如水池池壁开 裂漏水不能正常使用,裂缝过宽导致钢筋锈蚀等。 影响正常使用的振动 如由于机器振动而导致结构 的振幅超过按正常使用要求所规定的限位等。影响正常使用的其它特定状态 如相对沉降量过大等。3.2 结结构的功能要求和极限状
13、态态三、结构的设计状况三、结构的设计状况建筑结构设计时，应根据结构在施工和使用过程中的环境建筑结构设计时，应根据结构在施工和使用过程中的环境 条件和影响，区分三种设计状况：条件和影响，区分三种设计状况：uu 持久状况持久状况在结构使用过程中一定出现，持续期很长的状态。在结构使用过程中一定出现，持续期很长的状态。 一般与一般与设计使用年限设计使用年限为同一数量级。为同一数量级。 uu短暂状况：短暂状况：出现概率较大而持续时间很短的状况出现概率较大而持续时间很短的状况, , 施工和维修施工和维修 u偶然状况：出现概率较小且持续时间很短的状况出现概率较小且持续时间很短的状况对于不同的设计状况,可采用
14、相应的结构体系、可 靠度水准和基本变量等3.2 结结构的功能要求和极限状态态建筑结结构的三种设计设计 状况应应分别进别进 行下列极限状 态设计态设计 ：u对对三种设计设计 状况均应进应进 行承载载力极限状态设计态设计；u对对持久状况，尚应进应进 行正常使用极限状态设计态设计 ；u对对短暂暂状况，可根据需要进进行正常使用极限状态态设计设计 .3.2 结结构的功能要求和极限状态态四、结构的功能函数和极限状态方程四、结构的功能函数和极限状态方程结构功能函数：结构功能函数：Z=Z=R R- -S S= =g g( (R R, , S S) ) Z Z0 0时时, ,结构处于可靠状态结构处于可靠状态 Z
15、 Z0 0时时, ,结构处于极限状态结构处于极限状态Z Z0 0时时, ,结构处于失效状态结构处于失效状态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。3.2 结结构的功能要求和极限状态态四、结构可靠度的计算四、结构可靠度的计算 v可靠概率：结构能完成预定功能(RS)的概率，用Ps 表示。 v失效概率：结构不能完成预定功能(R1)即为材料强度的设计值.f =fk / m不同材料的m不同，设计时可查表。钢筋材料分项系数s：1.11.2混凝土的材料分项系数c：1.35上述分项系数分别是根据轴心受拉和轴心受压构件按照目标 可靠指标经过可靠度分析确定。3.4 极限状态的实用
16、设计表达式2、正常使用极限状态设计表达式 正常使用极限状态验算包括变形验算、抗裂度、裂正常使用极限状态验算包括变形验算、抗裂度、裂 缝宽度验算等缝宽度验算等, , 其目标可靠指标要低一些，在计算其目标可靠指标要低一些，在计算 中对荷载与材料强度均采用标准值。考虑混凝土徐中对荷载与材料强度均采用标准值。考虑混凝土徐 变的影响，结构构件设计应分别按荷载效应的变的影响，结构构件设计应分别按荷载效应的标准标准 组合、频遇组合组合、频遇组合或或准永久组合准永久组合，采用下列极限状态，采用下列极限状态 设计表达式：设计表达式：Sd CSd荷载效应的标准组合或准永久组合。C结构构件达到正常使用要求的规定限值结构构件达到正常使用要求的规定限值, ,如如变形、裂缝 和应力等规定的相应限值（允许值）。3.4 极限状态的实用设计表达式
