混凝土结构的设计方法详解

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1、第三章 混凝土结构的设计方法,2013级 建筑工程 工程管理,本章重点,第一节 极限状态 第二节 按近似概率的极限状态设计法 第三节 实用设计表达式,第一节 基本概念,1 安全性 2 适用性 3 耐久性 4 可靠性 5 可靠度,第一节 基本概念,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。 在设计规定的偶然事件（如地震、爆炸）发生时及发生后，结构仍能保持必需的整体稳定性，即要求仅产生局部损坏，不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。 如（MMu）,

2、1 安全性,第三章 混凝土结构的设计方法,2 适用性,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。 如（f f ）、（wmax wmax）,3 耐久性,结构在正常使用和维护下，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。,功 能 要 求,在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用。,在正常使用时具有良好的工作性能。,在正常维护下有足够的耐久性能。,在设计规定的偶

3、然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性，即要求仅产生局部损坏而不致发生整体倒塌。,安全性,安全性,适用性,耐久性,结构设计的目的：在一定的经济条件下，使结构在预定的使用期限内能满足设计所预期的各种功能要求（安全性、适用性、耐久性，总称为可靠性）。,第三章 混凝土结构的设计方法,定义：安全性、适用性和耐久性的总称；指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。 结构可靠性越高，建设造价投资越大。 结构设计的主要目的：尽量均衡可靠性与经济指标,4 可靠性,第三章 混凝土结构的设计方法,定义：结构在规定时间内(

4、设计使用年限50年）、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。,5 可靠度,第一节 极限状态,1 承载能力极限状态 2 正常使用极限状态 3 结构的设计状况 4 作用、荷载效应 5 结构抗力,容许应力法,钢筋砼结构按弹性理论计算的应力不大于规定的容许应力。,破坏阶段设计法,考虑材料塑性性能，按材料平均强度计算的承载力必须大于计算的最大荷载产生的内力。,极限状态设计法,明确结构按各个极限状态进行计算设计。,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概率，按发展阶段，该法可分为三个水准。,第一节 极限状态,极限状态定义：整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足

5、设计指定的某一功能要求，这个特定的临界状态称之为该功能的极限状态。,承载能力极限状态,正常使用极限状态,第一节 极限状态,1 承载能力极限状态,定义：结构或结构构件达到最大承载力或达到不适于继续承载的变形。超过这一极限状态时结构将发生破坏、倒塌或失稳等现象。,具体表现： （1）结构或结构的一部分丧失稳定； （2）结构形成机动体系丧失承载能力； （3）结构发生滑移、上浮或倾覆； （4）构件截面因材料强度不足而破坏； （5）结构或构件产生过大的塑性变形而不适于继续承载。,第一节 极限状态,2 正常使用极限状态,定义：结构或构件达到影响正常使用或耐久性能的某项规定限值。超过这一极限状态时结构将出现过

6、大的变形，开裂或过宽裂缝，钢筋严重锈蚀，混凝土腐蚀、风化、剥落等现象。,具体表现： （1）产生过大的变形，影响正常使用或外观； （2）产生过宽的裂缝，影响正常使用（渗水）或外观；产生人们心理上不能接受的感觉；对耐久性也有一定的影响； （3）产生过大的振动，影响正常使用。,第一节 极限状态,安全性,适用性,耐久性,结构的功能要求,结构的极限状态,承载能力极限状态,正常使用极限状态,设计,验算,第一节 极限状态,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

7、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,承载能力极限状态设计,正常使用极限状态设计,第一节 极限状态,3 结构的设计状况,凡是施加在结构上的集中或分布荷载，以及引起结构外加变形或约束的原因，总称为作用。,作 用,直接作用 （荷载）,间接作用,施加在结构上的集中或分布荷载,如混凝土收缩、温度变化、基础沉降、地震等。,荷载是作用，但作用未必是荷载。,从工程习惯和叙述简便起见，两者不作区分，一律称为荷载。,第一节 极限状态,4 作用、荷载效应,（1）作用,永久荷载,可变荷载,偶然荷载,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

8、的作用。,结构自重、土压力、地基沉降、焊接等。,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。,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。,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。,a. 按随时间的变异可分为三类：,第一节 极限状态,4 作用、荷载效应,（2）荷载的分类,固定荷载,自由荷载,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

9、荷载等。,b. 按随空间位置的变异可分为三类：,第一节 极限状态,4 作用、荷载效应,（2）荷载的分类,静态荷载,动态荷载,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。,c. 按结构反应的特点可分为三类：,第一节 极限状态,4 作用、荷载效应,（2）荷载的分类,作用效应 S：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）。 荷载效应系数 C：单位荷载的作用效应。,第

10、一节 极限状态,4 作用、荷载效应,（3）作用效应及作用效应系数,简支梁在均布荷载q作用下，跨中弯矩的作用效应为 ，作用效应系数为 ；支座剪力的作用效应为 ，作用效应系数为 。,跨中承受集中荷载P，跨中弯矩的作用效应为 ，作用效应系数为 ；支座剪力的作用效应为 ，作用效应系数为 。,第一节 极限状态,4 作用、荷载效应,（3）作用效应及作用效应系数,结构抗力R：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。,影响因素：,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公式不够精确等,第一节 极限状态,5 结构抗力

11、,GB50068-2001规定的设计基准期为50年。,作用,作用效应,结构抗力,三者均为随机变量,与时间有关,为确定与时间有关的设计参数的取值而选用的时间参数，称为设计基准期。,第一节 极限状态,第二节 近似概率的极限状态设计法,1 功能函数和极限状态方程式 2 荷载代表值 3 材料强度代表值 4 分项系数 5 结构重要性系数,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 S 和结构抗力 R两个基本变量时，可得,功能函数,第二节 近似概率的极限状态设计法,1 功能函数和极限状态方程式

12、,Z=R-S0,Z=R-S=0,Z=R-S0,结构处于可靠状态,结构处于极限状态,结构处于失效状态,当功能函数中仅包括作用效应 S 和结构抗力 R两个基本变量时，可得,第二节 近似概率的极限状态设计法,1 功能函数和极限状态方程式,这种可能性的大小用概率来表示就是失效概率pf。,S和R的概率密度曲线,第二节 近似概率的极限状态设计法,1 功能函数和极限状态方程式,（1）失效概率,在多数情况下，R大于S。 但在它们概率密度曲线的重叠区（阴影段内）仍有可能出现R小于S的情况。,即：失效概率指出现Z=R-S0 的概率，用pf表示。,pf,f(Z),Z=R-S,ps=1-pf,0,当结构功能函数中仅有

13、两个独立的随机变量R和S，且都服从正态分布时，功能函数Z的概率密度曲线如图所示。,第二节 近似概率的极限状态设计法,1 功能函数和极限状态方程式,（1）失效概率,由上式可见，与pf具有数值上的对应关系，也具有与pf相对应的物理意义。 越大，pf就越小，即结构越可靠，故称为可靠指标。,第二节 近似概率的极限状态设计法,1 功能函数和极限状态方程式,（2）可靠指标,可靠度增大,令,则,（可靠指标的定义）, 与 pf 的对应关系,第二节 近似概率的极限状态设计法,1 功能函数和极限状态方程式,（3）可靠指标与失效概率的对应关系,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

14、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标。,设计可靠指标，一般采用“校准法”确定。 所谓“校准法”，就是通过对原有规范可靠度的反演计算和综合分析，确定以后设计时所采用的结构构件的可靠指标。,：目标可靠指标,第二节 近似概率的极限状态设计法,1 功能函数和极限状态方程式,（4）目标可靠指标,建筑结构可靠度设计统一标准将建筑物划分为三个安全级别，规定了它们各自的承载能力极限状态的目标可靠指标,结构的安全级别越高，t越大 延性破坏的t小于脆性破坏的t 承载能力极限状态的t大于正常使用极限状态的t,第二节 近似概率的极限状态设计法,1 功能函数和极限状态方程式,（4）

15、目标可靠指标,的计算非常复杂，实际工作中不可能直接计算。 工程结构可靠性设计统一标准及建筑结构可靠度设计统一标准 的规定，采用概率极限状态设计方法，以分项系数的形式表达实用的设计公式。包括结构重要性系数、荷载分项系数、材料性能分项系数(材料分项系数，有时直接以材料的强度设计值表达)、抗力模型不定性系数(构件承载力调整系数)等。 设计人员只要采用按实用设计表达式对结构构件进行设计，则认为设计出的结构构件所隐含的值就可满足要求。,第二节 近似概率的极限状态设计法,2 荷载代表值,在实用设计表达式中，首先要定出荷载的代表值和材料的强度值。,荷载代表值设计时使用的荷载量值。,荷载 标准值,荷载 组合值

16、,荷载 准永久值,荷载 频遇值,第二节 近似概率的极限状态设计法,2 荷载代表值,定义：荷载标准值就是结构在设计基准期内具有一定概率的最大荷载值,它是荷载的基本代表值。,荷载标准值的表示：,下标k,如：,集中恒载,分布恒载,集中活载,分布活载,荷载标准值的确定：,对于具有统计规律的荷载，运用数理统计方法确定具有一定保证率的统计特征值。,对于没有充分统计资料的荷载，根据工程经验或理论公式确定荷载标准值。,第二节 近似概率的极限状态设计法,2 荷载代表值,（1）荷载标准值,4.1.1 民用建筑楼面均布活荷载的标准值：,（1）住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院、托儿所、幼儿园、教室、实验室、会议室,2.0KN/m2,（2）食堂、餐厅、一般资料档案室,2.5KN/m2,（4）商店、展览厅