补充：第二章混凝土结构设计方法

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1、第 2 章 混凝土结构设计方法,结构的功能 Functions of Structure,结构可靠性是指结构在规定的时间内(即设计使用年限)，在规定的条件下(结构正常的设计、施工、使用和维修条件)，完成预定功能(如承载力、刚度、稳定性、抗裂性、耐久性和动力性能等)的能力。 结构可靠度是指结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率，即结构可靠度是结构可靠性的概率度量。 结构的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 。 建筑结构的安全等级在进行建筑结构的设计时，应根据结构破坏可能产生的各种后果(危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等)的严重性

2、，采用不同的安全等级。,设计方法 The Design Methods,极限状态 Limit State,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”。,承载力极限状态 Ultimate Limit State,正常使用极限状态Serviceability Limit State,结构整体或部分作为刚体失去平衡结构或构件达到最大承载力受动力荷载作用而产生疲劳破坏结构塑性变形过大而破坏结构形成几何可变体系构件由于压屈而丧失稳定,过大的变形和侧移过大的裂缝过大的振动侵蚀性介质腐蚀等,基本设计原则 The Basic Design Appro

3、ach,结构功能的表达,S 作用效应 Action Effect 结构上的作用是使结构产生内力、变形和裂缝的原因的总称，分为直接作用和间接作用，作用效应即为作用引起的构件内力。,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。,S R 失效,荷载,荷载效应 (Load effect),永久荷载 (Dead Load),可变荷载 (Live Load),偶然荷载 (Accidental Load),荷载效应的基本概念,如何衡量荷载大小？,采用荷载代表值来描述荷载的大小对于永久荷载，其代表值就是标准值，即结构自重；对于可变荷载，

4、其代表值分别为标准值、组合值和准 永久值。,荷载效应与荷载的关系？,如何衡量荷载效应？,荷载分项系数：考虑荷载超过标准值的可能性，是一个变量,荷载分项系数分为恒荷载分项系数和活荷载分项系数,材料分项系数分为砼分项系数和钢筋分项系数,2.1.1 结构上的作用,定义：凡能使结构产生内力、应力、位移、应变、裂缝的因素，都称之为结构上的作用。,直接作用：荷载；,分类：,间接作用：温度、收缩、徐变、地基不均匀沉降、地震等。,2.1.2 作用效应,定义：凡能使结构产生内力、应力、位移、应变、裂缝的因素，都称之为结构上的作用。,2.1.3 结构抗力,定义：结构抵抗作用效应的能力。,2.2.1 永久荷载(恒荷

5、载),定义：大小、方向、作用点不随时间改变的荷载，如自重、土压力、预应力等；,2.2.2 可变荷载(活荷载),定义：大小、方向、作用点随时间改变的荷载，如楼面和屋面活载、风荷载、雪荷载、吊车荷载、车辆荷载等；,2.2.3 偶尔荷载,定义：结构使用期间可能不出现，一旦出现，其作用时 间短、效应大的荷载，如爆炸力，撞击等。,2.3.1 永久荷载,标准值 结构使用期间可能出现的最大值。,标准值 结构使用期间可能出现的最大值，也是 可变荷载的基本代表值 。,2.3.2 可变荷载,组合值 当有两个或两个以上可变荷载同时作用 时的代表值 。,频遇值常遇值,计算裂缝变形时用。,准永久值可变荷载中，较稳定的那

6、一部分值，计算裂缝变形时用。,2.3.3 偶然荷载：按使用特点定。,（t为设计基准期内荷载达到和超过该值的总持续时间，T为设计基准期。）,标准值查荷载规范,荷载规范中的荷载值不包括隔墙重和二次装修重。,当计算主要承重结构时,式中： z 高度Z处的风振系数;s 体型系数;,z 风压高度变化系数，按地面粗糙程度分为A、B、C、D四类， A类:海岸、湖区； B类:农村、市郊； C类:一般城市市区； D类:有密集高层建筑市区 ;,基本风压值,w0 50年一遇的基本风压（ ）。,基本雪压值,式中： r 屋面积雪分布系数;s0 50年一遇的基本雪压（ ）。,2.7.1 结构的设计使用年限,2.7.2 结构

7、的安全等级,按结构的重要性划分,一级：重要建筑,二级：一般建筑,三级：次要建筑,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指定的某一功能要求，这个特定的状态称之为该功能的极限状态。,承载能力极限状态：超过这一极限状态时结构将发生破坏、倒塌或失稳等现象。,分类：,正常使用极限状态：超过这一极限状态时结构将出现过大的变形，过宽的裂缝，钢筋严重锈蚀，混凝土腐蚀、风化、剥落等现象。,结构的可靠性：指结构的安全性、适用性、耐久性。,结构的可靠度：指结构在规定时间内、规定条件下完成预定功能的概率，是结构可靠性的概率度量。,正态分布,0，结构可靠；,= 0，极限状态；,0，结构失效。,变异系

8、数 z=z/z,正态分布概率密度曲线,由概率论可知，频率密度的积分为概率。由于各频率之和等于1，即图中正态曲线与横坐标包围的面积等于1，即：,1）平均值:它它表示随机变量取值的集中位置。平均值愈大，则分布曲线的高峰点离开纵坐标轴的水平距离愈远。 2）标准差:它表示随机变量的离散程度。标准差愈大时，分布曲线愈扁平，说明变量分布的离散性愈大。 3）变异系数:它表示随机变量取值的相对离散程度。,对于结构设计而言，如何设计的安全呢？ 荷载取值越大，内力值就越大，构件截面尺寸也愈大，结构愈安全； 材料强度取值越低，结构所需截面越大，结构愈安全,荷载标准值： 材料强度标准值：,1.645保证率系数。 荷载

9、标准值实际荷载低于标准值的概率为95； 材料强度标准值实际强度高于标准值的概率为95；,结构抗力R与作用效应S都是随机变量，因此功能函数Z=R-S也是随机变量 Z0 结构可靠；Z=0 结构处于极限状态；Z0 结构失效,结构的可靠概率与失效概率的关系,可靠概率： 失效概率：,安全的概念是相对的，所谓“安全”只是失效概率相对较小而已，失效概率不可能为零，故不存在绝对安全的结构。 应该通过设计把失效概率控制在某一个可以接受的限制以下就可以。,失效概率越小，表示结构可靠性越大。当失效概率Pf小于某个值时，即可认为结构设计是可靠的，即Pf Pf 。该失效概率限值称为允许失效概率Pf。 一般工业与民用建筑

10、的允许失效概率：延性破坏的结构 Pf=6.910-4脆性破坏的结构 Pf=1.110-4,可靠指标与失效概率的关系,失效概率Pf来度量结构的可靠性具有明确的意义，但计算繁琐，可以利用可靠度指标代替失效概率来度量结构的可靠性。,失效概率Pf与可靠指标有着一一对应的关系 值愈大，失效概率Pf值就愈小； 值愈小，失效概率Pf值就愈大。,z平均值；z标准差,由于经济及历史原因，我国建筑工程的可靠度水平在世界范围内是比较低的。表现在结构设计方面为：荷载标准值偏低；荷载分项系数较小；材料分项系数偏低，因此材料设计强度偏高；设计计算和构造措施普遍比国外安全储备少，尤其是最小配筋率，取值明显低于其他国家规范的

11、规定。,进入21世纪以后，我国国情有了很大变化，提高结构的安全度利国利民，体现“以人为本”的设计原则。,措施：如适当提高材料分项系数，从而降低设计强度取值；全面提高了最小配筋率的取值。,我国混凝土结构的设计方法,结构抗力越大，即结构抗力概率分布函数右移，则失效概率越小,结构抗力,作用效应,可靠度的概念失效概率Pf 可靠度指标 可靠度理论方法计算过程复杂，应用于实际设计中存在困难。 规范以可靠度理论作为设计的理论基础，采用一些分项系数代替可靠指标，由此得到与可靠度理论（概率理论）相当的实用设计表达式。,实用设计表达式,Pf = Pf,当结构抗力达到一定值时，失效概率等于允许失效概率，即PfPf，

12、此时取作用效应与结构抗力概率分布曲线的交点为设计计算点。,作用效应设计值，gS作用效应分项系数， 分为恒荷载分项系数和活荷载分项系数,结构抗力设计值，gR结构抗力分项系数,实用设计表达式,式中： 结构抗力的平均值和标准值；作用效应的平均值和标准值。,现行设计方法以概率理论为基础，用可靠指标度量，采 用多个分项系数表达。设 ，则,按承载能力极限状态设计时,按正常使用极限状态设计时,根据其可逆程度可取0 0.5。,2.11.1 计算公式,式中： 结构重要性系数；安全等级为一级或使用年限为100年时，安全等级为二级或使用年限为50年时， 安全等级为三级或使用年限为5年时， 荷载效应组合的设计值，用基

13、本组合或偶然组合；结构构件抗力设计值。,2.11.2 荷载效应组合,一般结构构件：选下列计算中较大者。,由可变荷载控制时,由永久荷载控制时,基本组合,式中： 荷载分项系数，当其效应对结构不利时，公式（6）中的 ，公式（7）中的；当其效应对结构有利时，一般情况下取1.0，验算倾覆、滑移或漂浮时取0.9； 活载分项系数，一般情况下取1.4，当活载标准值大于 的工业房屋楼面结构取1.3； 恒载标准值所产生的内力； 活载标准值所产生的内力，i=1的活荷载为主导活荷载； 第i个可变荷载的组合系数。,一般排架、框架结构：选下列计算中较大者,偶然荷载的代表值不乘分项系数；,偶然组合,与偶然荷载同时出现的其他

14、荷载采用适当的代表值；,各种情况下荷载效应的设计值公式由有关规范另定。,2.11.3 结构抗力设计值 R,取决于截面尺寸大小和材料强度高低。 材料强度高低分为标准值和设计值。,材料强度标准值,材料强度设计值,混凝土：,钢筋：,保证率：95,式中： 混凝土的材料分项系数；建筑工程取1.4,公路桥涵工程取1.45； 钢筋的材料分项系数；建筑工程对热轧钢筋取1.1，对钢丝、钢绞线、热处理钢筋取1.2；公路桥涵工程对热轧钢筋取1.2，对钢绞线、热处理钢筋取1.25。,2.12.1 设计方法,式中： 正常使用极限状态下荷载效应组合值; 达正常使用要求时的变形、裂缝、应力等的限值；,2.12.2 荷载效应组合值,标准组合：主要用于当一个极限状态被超越时将产生严重的永久性损坏的情况。,频遇组合：主要用于当一个极限状态被超越时将产生局部损坏、较大变形或短暂震动等的情况。,准永久组合：主要用于当长期效应是决定性因素的一些情况。,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,