《结构设计原》ppt课件

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1、第二章 结构设计原则,本章重点,了解结构上的作用、作用效应和结构抗力的概念及其随机特性；,了解混凝土结构设计方法的理论基础 可靠度理论；,掌握我国规范的设计方法概率极限状 态设计法。,2.1 结构的功能要求,一、结构上的作用、作用效应S和结构抗力R,1、作用,1定义： 使结构产生内力和变形的原因称为“作用”。,按作用方式分,直接作用：,间接作用：,以力的形式作用在结构上（荷载）,以变形的形式作用在结构上（混凝土收缩、温度应力、基础的差异沉降）,（间接作用不仅与外界因素有关，还与结构本身的特性有关）,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

2、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,按结构的反应特点可分为二类：,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。,按作用时间和性质分,永久作用：,可变作用：,自重、土压力,楼面活荷载、风荷载、雪荷载,偶然作用：,爆炸、撞击、地震等,永久作用：在结构设计使用期间，其值不

3、随时间而变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计,可变作用：在结构设计使用期内其值随时间而变化，其变化与平均值相比不可忽略,偶然作用：在结构设计使用期内不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短,结构在各种作用下产生的内力和变形称为作用效应。,内力：轴力、弯矩、剪力、扭矩；,变形：挠度、转角、裂缝。,如作用为直接作用，则作用效应称为荷载效应。 在线弹性材料中，荷载效应=荷载 荷载效应系数,跨中截面 ， 支座截面 ，,如：,其中 即为荷载效应系数。,其中 即为荷载效应系数。,作用（荷载）效应的不确定性 荷载本身的变异性； 内力计算假定和实际受力情况间的差异。,荷载代表值,标准值 由设计基准期内最

4、大荷载概率分布的某一分位值确定的荷载值,确定 a.结构的自重可根据结构的设计尺寸和材料的重力密度确定； b.可变荷载常与时间有关，在缺少大量统计材料的条件下，可近似按随机变量来考虑；,楼面和屋面荷载的标准值可查荷载规范得到。如：,荷载规范中的荷载值不包括隔墙重量和二次装修重量。,3、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。如受弯承载力Mu、受剪承载力Vu、容许挠度f、容许裂缝宽度w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公式不

5、够精确等,结构抗力R的不确定性 由于人为因素的影响，构件的截面几何参数具有不确定性； 材料性能（如材质、强度等）受制作工艺以及制作与使用环境 的影响而具有变异性。,（即R为随机变量）,取决于截面尺寸大小和材料强度高低。 材料强度分标准值和设计值。,材料强度标准值,保证率：95,材料强度设计值,建筑工程中：,桥梁工程中：,由以上概念表明，当结构构件任意截面均处于S R时，结构是 安全可靠的。但由于S、R都是随机变量，因而结构是否安全可靠 的事件也是随机事件，所以需要用概率论来分析结构是否安全可 靠的问题。 也就是说，绝对处于S R状态下的建筑，即绝对安全的建筑是 不存在的，关于建筑安全可靠性更为

6、科学的说法应是，该建筑处于 S R状态下的概率是多大，或该建筑安全可靠的概率有多大。, 如（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。,二、结构的功能要求, 1、安全性 Safety：在各种荷载和变形作用下，结构保持整体稳定性, 如（f f 、wmax wmax ） 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

7、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。,2、 适用性 Serviceability,结构在正常使用荷载作用下，具有良好的工作性能, 结构在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。, 3、耐久性 Durability,在正常使用期间内结构能正常使用,定义：就是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。,三、结构的

8、可靠性和安全级别,可靠性安全性、适用性和耐久性的总称, 结构可靠性越高，建设造价投资越大。, 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。,结构的设计使用年限：(design reference period),设计使用年限分类,计算结构可靠度所依据的年限称为结构的设计使用年限。,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。,结构的可靠性与安全等级(Safety Grade),结构的安全等级：,建筑物的重要程度是根据其用途决定的。,建筑结构的安全等级, 结构重要性系数,2.2 结构的极限状态 Limit State of struct

9、ure, 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”。,极限状态的概念, 区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限状态”, 结构在即将不能满足某项功能要求时的特定状态，称为该功能的极限状态。,例如,结构或结构构件达到了最大承载力、出现疲劳破坏、发生不适于继续承载的变形或因结构局部破坏而引发的连续倒塌的状态。,一、承载力能力极限状态 Ultimate Limit State,整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；,结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏）， 或因过度变形而不适于继续承载；,结构转变为机动

10、体系；,结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）；,地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）；,加拿大魁北桥Quebee Bridge,该桥位于加拿大Quebee City ，建于1917年。桥型钢桁架（steel truss bridge),跨度549m ,已超过了英国的福斯桥，在该类型桥梁中主跨居世界第一。该桥从1897年设计和施工差不多用了20多年的时间，在建造过程中于1907.8.29、1916.9.11分别出现了两次倒塌事故，1917.3建成通车。,跨度549m,承载力计算应该包括的内容,1结构构件应进行承载力（包括失稳）计算,2直接承受重复荷载的构件应进行疲劳验算,3有抗震设防要求时，应进行抗

11、震承载力计算,4必要时尚应进行结构的倾覆、滑移、漂浮验算,5对于有可能遭受偶然作用，且倒塌可能引起严重后果的重要结构，宜进行防连续倒塌设计,二、正常使用极限状态,结构或构件达到正常使用的某项规定限值或耐久性能的某种规定值状态,影响正常使用或外观的变形；,影响正常使用或耐久性能的局部损坏 （包括裂缝等）；,影响正常使用的振动；,影响正常使用的其它特定状态。,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。,正常使用极限状态需

12、要验算的内容：,1对需要控制变形的构件，应进行变形验算,2对不允许出现裂缝的构件，应进行混凝土拉应力验算,3对允许出现裂缝的构件，应进行受力裂缝宽度验算,4对舒适度有要求的楼盖结构，应进行竖向自振频率验算,三、极限状态方程,S R 可靠,S荷载效应 结构上的各种作用（如荷载、不均匀沉降、温度变形、收缩变形、地震等）产生的效应总和（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 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, ),S = R 极限状态,S R 失效

13、,结构力学的主要内容,本课程的主要内容,结构的极限状态可用下面的极限状态函数表示： Z=R-S 对应的： Z=R-S0 时， 结构处于可靠状态； Z=R-S=0时， 结构达到极限状态； Z=R-S0时， 结构处于失效（破坏）状态。 在结构设计中，不仅仅只考虑结构的承载能力，有时还要考虑结构的适用性和耐久性，则极限状态方程可推广为：,2-3 概率极限状态设计方法,定义：,结构在规定时间内和条件下完成预定功能的概率,完成预定功能概率（RS）,不完成预定功能概率（RS）,结构功能函数 Z = R - S,Pf =P (S R) =P(Z 0),b 可靠指标,1、承载能力极限状态设计表达式,按荷载效应

14、的基本组合或偶然组合，采用下列极限状态设计表达式：,二、设计表达式,基本组合：荷载效应组合的设计值应从下列组合中取最不利值确定：,可变荷载效应控制组合,1、承载能力极限状态设计表达式,永久荷载分项系数,可变荷载分项系数,一般情况下取1.4,永久荷载标准值的效应,第1个起控制作用的可变荷载标准值所产生的效应,第i个可变荷载标准值所产生的效应,第i个可变荷载的组合系数,基本组合：荷载效应组合的设计值应从下列组合中取最不利值确定：,永久荷载效应控制组合,偶然组合：荷载效应组合的设计值宜按下列规定确定：,偶然荷载的代表值不乘分项系数；,与偶然荷载同时出现的其他荷载可根据观测资料和工程经验采用适当的代表

15、值。,1、承载能力极限状态设计表达式,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、按正常使用极限状态的设计方法,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。,准永久值系数,练习题 ： 一简支梁，跨度l=4m，受永久线均布荷载标准值qGK=8kN/m，受可变线均布荷载标准值qQK=6kN/m，无风荷载参加组合。该梁是重要的建筑构件，安全等级为一级。求该梁跨中截面的设计弯矩值。,