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1、,混凝土结构设计分析,主要内容：,混凝土结构设计分析基本原则 混凝土结构设计基本思路 混凝土结构设计分析模型 总结,混凝土结构设计分析基本原则,1.在所有情况下均应对结构的整体进行分析。（特殊部位除外）2.结构在不同的工作阶段，应分别进行结构设计分析，并确定其可能的不利作用组合。3.结构设计分析应以结构的实际工作状况和受力条件为依据。4. 结构设计分析方法均应符合三类基本方程。,混凝土结构设计思路,确定荷载及荷载效应,初步选定构件尺寸,确定结构计算简图,按照构造规定配筋,No,Yes,构件设计完成,No,Yes,1 结构上的作用(action)和作用效应(effect of an action
2、),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,结构上的作用可按下列性质分类：,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。,在设计基准期内其量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。,在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。,2.1 结构可靠
3、度Reliability Degrees of Structure,（2）按随空间位置的变异可分为二类：,固定作用,自由作用,1 结构上的作用(action)和作用效应(effect of an action),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
4、作用效应用S表示。,使结构产生的加速度可以忽略不计的作用。,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。,如结构自重、住宅或办公楼的楼面活荷载,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。,1 结构上的作用(action)和作用效应(effect of an action),2 结构抗力(resistance),结构抗力是指整个结构或结构构件承受作用效应（即内力和变形）的能力。如构件的承载力、刚度等。,影响抗力的主要因素有：,材料性能的不确定性,几何参数的不确定性,计算模式的不确定性,强度、变形模量等,构件尺寸等,抗力计算所采用的基本假设和计算
5、公式不够精确等,3 结构的预定功能（Required Performance Functions）和结构可靠性(reliability) 、可靠度(degree of reliability),(1)安全性 在偶然事件(如地震、爆炸等)发生时和发生后保持必需的整体稳定性，不致发生倒塌。,结构的预定功能,(2)适用性 结构在正常使用过程中应具有良好的工作性。例如，不产生影响使用的过大变形或振幅，不发生足以让使用者不安的过宽的裂缝等。,(3)耐久性 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，即设计使用年限。例如，混凝土不发生严重风化、腐蚀、脱落构设计应能满足上述功能要求。这样
6、设计的结构是安全可靠的。,3 结构的预定功能（Required Performance Functions）和结构可靠性(reliability) 、可靠度(degree of reliability),结构可靠性是指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。,结构可靠度（PS）就是结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。即结构可靠度是结构可靠性的概率度量。,规定的时间是指设计使用年限。,规定的条件是指正常设计、正常施工和正常使用的条件。,预定功能指满足结构的安全性、适用性和耐久性要求。,4 设计使用年限(design working life)和设计基准期（de
7、sign reference period),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、耐久年限或设计基准期。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。,设计使用年限分类,设计基准期指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。统一标准规定设计基准期为50年。,5 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。,建筑结构的安全等级,建筑物中各类结构
8、构件的安全等级宜与整个结构的安全等级相同，但允许对部分结构构件根据其重要程度和综合效益进行适当的调整。,（1）荷载的统计特性(statistical characteristic of a load),我国对建筑结构的各种恒载、民用房屋楼面活荷载、风荷载和雪荷载进行了大量的调查和实测工作。对所取得的资料应用概率统计方法处理后，得到了这些荷载的概率分布统计参数。,永久荷载 G 正态分布,可变荷载 Q,可变荷载随时间的变异可统一用随机过程来描述。对可变荷载随机过程的样本函数处理后可得到可变荷载在任意时点的概率分布和在设计基准期内的最大值的概率分布。, 极值型分布,2.2 荷载和材料强度 (load
9、s and material strengths),1 荷载标准值的确定(characteristic values of loads),（2）荷载标准值(characteristic value of a load),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。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GK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荷载规范查取。,可变荷载标准值QK,楼面活荷载标准值,风荷载标准值,雪荷载标准值,1 荷载标准值的
10、确定(characteristic values of loads),（1）材料强度的变异性及统计特性(variability and statistical characteristic of material strength ),材料强度的变异性主要是指材质以及工艺、加载、尺寸等因素引起的材料强度的不确定性。,钢筋强度 正态分布,混凝土强度 正态分布,某钢厂钢材屈服强度统计资料,某预制构件厂对某工程所作使块的统计资料,2 材料强度标准值的确定（characteristic values of material strengths）,（2）材料强度标准值(characteristic va
11、lue of a material strength),钢筋和混凝土的强度标准值是钢筋混凝土结构按极限状态设计时采用的材料强度基本代表值。材料强度标准值应根据符合规定质量的材料强度的概率分布的某一分位值确定。,材料强度标准值的概率含义,钢筋强度标准值,混凝土的强度标准值,具有95%保证率的强度值,具有不小于95%保证率的强度值,2 材料强度标准值的确定（characteristic values of material strengths）,容 许 应 力 法：最早的计算理论，沿用弹性理论假设。,破 坏 阶 段 法：与容许应力法的主要区别是在考虑材料塑性性能,极 限 状 态 设 计 法：明确规
12、定结构按三种极限状态进行设计，是工程,概率极限状态设计法：在极限状态设计法的基础上考虑结构的可靠,的基础上，按破坏阶段计算构件截面的承载能力。,结构设计理论的重大发展。,水准 半概率法,水准 近似概率法,水准 全概率法,概率，按发展阶段，该法可分为三个水准。,2.3 极限状态设计方法(design method of limits states),1 结构的极限状态(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规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。极限状态实质上是区分结构可靠与失效的界限。,极限状态分为两类：,承载能力极限状态,正常使用极限状态,
13、安全性,适用性、耐久性,通常对结构构件先按承载能力极限状态进行承载能力计算，然后根据使用要求按正常使用极限状态进行变形、裂缝宽度或抗裂等验算。,2.3 极限状态设计方法(design method of limits states),承载力能力极限状态 超过该极限状态，结构就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 超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久
14、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。,2 结构的设计状况（design situation),建筑结构设计时，应根据结构在施工和使用中的环境条件和影响，区分下列三种设计状况：,持久状况,短暂状况,偶然状况,在结构使用过程中一定出现，持续时间较长的状况,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时间很短的状况,在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的状况,均应进行承载能力极限状态设计；对偶然状况，允许主要承重结构因出现设计规定的偶然事件而
15、局部破坏，但其剩余部分具有在一段时间内不发生连续倒塌的可靠度；对持久状况，尚应进行正常使用极限状态设计；对短暂状况，可根据需要进行正常使用极限状态设计,3 结构的功能函数(performance function)和极限状态方程(limit state equation),按极限状态方法设计建筑结构时，要求所设计的结构具有一定的预定功能，这可用包括各有关变量在内的结构功能函数来表达，即,极限状态方程,当功能函数中仅包括作用效应 和结构抗力 两个基本变量时，可得,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,结构所出的状态,（1）结构的失效概率(probability of failure),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,4 结构的可靠度计算（calculation of reliability degrees of structures）,
