第二章结构基本设计原则

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1、第二章第二章 结构基本设计原则结构基本设计原则主要内容主要内容：1.1.了解结构上的作用、作用效应和结构抗力的概念及了解结构上的作用、作用效应和结构抗力的概念及其随即特性；其随即特性；2.2.了解混凝土结构设计方法的理论基础了解混凝土结构设计方法的理论基础可靠度理可靠度理论；论；3.3.掌握我国规范的设计方法掌握我国规范的设计方法概率极限状态设计法。概率极限状态设计法。2.1 2.1 结构上的作用与结构抗力结构上的作用与结构抗力2.1.1 结构上的作用结构上的作用1. 定义：定义： 施施加加在在结结构构上上的的集集中中力力或或分分布布力力，或或引引起起结结构构外外加加变变形形或或约约束束变变形

2、形的的原原因因，它它分分为为直直接接作作用用和和间间接接作作用用。2. 分类分类：间接作用间接作用 直接作用直接作用 如结构自重、汽车荷载等。如结构自重、汽车荷载等。引引起起结结构构外外加加变变形形和和约约束束变形变形的原因。的原因。作作 用用约束变形约束变形结构材料发生结构材料发生收收缩缩或或膨胀膨胀等变化，等变化，结构在支座或节结构在支座或节点的约束下间接点的约束下间接产生的变形。产生的变形。强迫结构产强迫结构产生生变形变形。基。基础的不均匀础的不均匀沉降，地震沉降，地震等。等。外加变形外加变形2.1.2 2.1.2 作用效应作用效应作用效应作用效应 结构对所受作用的反应，结构对所受作用的

3、反应，如：内力、应力、位移、如：内力、应力、位移、如：内力、应力、位移、如：内力、应力、位移、 应变、裂缝等，称为作用效应。应变、裂缝等，称为作用效应。应变、裂缝等，称为作用效应。应变、裂缝等，称为作用效应。PL/4P 弯矩图弯矩图 剪力图剪力图P/2PP/2P2.1.3 2.1.3 结构抗力结构抗力结构抗力结构抗力 定义：结构抵抗作用效应的能力，称为结构抗力定义：结构抵抗作用效应的能力，称为结构抗力定义：结构抵抗作用效应的能力，称为结构抗力定义：结构抵抗作用效应的能力，称为结构抗力。l它是结构材料性能和几何参数等的函数它是结构材料性能和几何参数等的函数。2.2.1 作用作用（荷载）的分类荷载

4、）的分类按作用时间的长短和性质，荷载分为三类：按作用时间的长短和性质，荷载分为三类：1.永永久久作作用用在在结结构构设设计计使使用用年年限限内内，其其值值不不随随时时间间而而变变化化，或其变化与平均值相比可以忽略不计。或其变化与平均值相比可以忽略不计。 2.可可变变作作用用在在结结构构设设计计基基准准期期内内其其值值随随时时间间而而变变化化，其其变变化与平均值不可忽略的荷载。化与平均值不可忽略的荷载。3.偶偶然然作作用用在在结结构构设设计计基基准准期期内内不不一一定定出出现现，一一旦旦出出现现，其作用时间短、效应大的荷载。其作用时间短、效应大的荷载。2.2 2.2 作用（荷载）作用（荷载）编号

5、编号作用分类作用分类作用名称作用名称1永久作用（恒载）永久作用（恒载）结构重力（包括结构附加重力）结构重力（包括结构附加重力）2预加应力预加应力3土的重力及土侧压力土的重力及土侧压力5混凝土收缩及徐变作用混凝土收缩及徐变作用6水的浮力水的浮力7可变作用可变作用基本可变基本可变作用作用（活载）（活载）汽车荷载汽车荷载8汽车冲击力汽车冲击力9汽车离心力汽车离心力10汽车引起的土侧压力汽车引起的土侧压力11人群荷载人群荷载12其他可变作用其他可变作用风荷载风荷载13汽车制动力汽车制动力14流水压力流水压力15冰压力冰压力16温度影响力温度影响力 17支座摩阻力（公路桥）支座摩阻力（公路桥）18 偶然

6、作用偶然作用 船只或飘流物撞击力船只或飘流物撞击力19地震力地震力2.2.2 作用作用（荷载）的代表值荷载）的代表值1.标准值标准值 是是作作用用的的基基本本代代表表值值，是是正正常常使使用用情情况况下下可可能能出出现现的的保保证证率率为为95%的的偏偏大大值值。是是永永久久作作用用的的唯唯一一代代表表值值，可可变变作作用用的基本代表值。的基本代表值。2.组合值组合值当有两个或两个以上可变作用同时出现时的代表值。当有两个或两个以上可变作用同时出现时的代表值。 组合值组合值= 标准值标准值3.3.频遇值频遇值 可变作用中可能出现的较大值，但小于标准值。可变作用中可能出现的较大值，但小于标准值。计

7、算裂缝、变形时用。计算裂缝、变形时用。 频遇值频遇值标准值标准值频遇系数频遇系数14. 准永久值准永久值 可变作用中较稳定的那一部分值。可变作用中较稳定的那一部分值。 计算裂缝、变形时用。计算裂缝、变形时用。 准永久值标准值准永久值标准值准永久值系数准永久值系数 2 2 1 准永久值频遇值准永久值频遇值 公路桥涵设计时，对不同的作用应采用不同的代表值公路桥涵设计时，对不同的作用应采用不同的代表值 （1） 永久作用：采用标准值为代表值。永久作用：采用标准值为代表值。 采用频遇值（短期效应组合设计时）采用频遇值（短期效应组合设计时）采用准永久值（长期效应组合设计时）采用准永久值（长期效应组合设计时

8、）正常使用极限状态正常使用极限状态 承载能力极限状态：承载能力极限状态：采用标准值作为代表值采用标准值作为代表值（按弹性阶段计算结构强度（按弹性阶段计算结构强度) （2 2） 可变作用：可变作用： 2.3 材料强度指标的取值原则材料强度指标的取值原则 结构承载力取决于结构承载力取决于截面尺寸截面尺寸大小和大小和材料强度材料强度高低，高低，材料强度分为材料强度分为标准值标准值和和设计值设计值。 1、混凝土轴心抗压强度标准值与设计值、混凝土轴心抗压强度标准值与设计值 式中：式中： 混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值；混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值；对普通混凝土取对普通混凝土取0.7

9、60.76；对高强混凝土则大于；对高强混凝土则大于0.760.76；混凝混凝土结构设计规范土结构设计规范对对C50C50及以下取及以下取0.760.76；对；对C80C80取取0.820.82，中，中间按线性规律变化间按线性规律变化 混凝土脆性折减系数。对混凝土脆性折减系数。对C40C40取取1.01.0；对；对C80C80取取0.870.87，其间按线性插入。，其间按线性插入。2、混凝土轴心抗拉强度标准值与设计值、混凝土轴心抗拉强度标准值与设计值 式中：式中： 为混凝土立方体强度的变异系数，取值如下表。为混凝土立方体强度的变异系数，取值如下表。3、钢筋的强度标准值和强度设计值、钢筋的强度标准

10、值和强度设计值 （1）标准值）标准值 l对有明显流幅的热轧钢筋，钢筋的抗拉强度标准值采用国家标对有明显流幅的热轧钢筋，钢筋的抗拉强度标准值采用国家标准中规定的屈服强度标准值准中规定的屈服强度标准值 l对于无明显流幅的钢筋，如钢丝，钢绞线、热处理钢筋，根据对于无明显流幅的钢筋，如钢丝，钢绞线、热处理钢筋，根据国家标准中规定的极限抗拉强度值确定，取国家标准中规定的极限抗拉强度值确定，取 （ 为国家标为国家标准中规定的极限抗拉强度）作为设计取用的条件屈服强度（指准中规定的极限抗拉强度）作为设计取用的条件屈服强度（指相应于残余应变为相应于残余应变为0.2%0.2%时的钢筋应力）。时的钢筋应力）。（2）

11、分项系数）分项系数 l HPB235、HRB335、HRB400的材料分项系数的材料分项系数取取1.10； l 对钢绞线、钢丝和热处理钢筋的材料分项系数取对钢绞线、钢丝和热处理钢筋的材料分项系数取1.20。 （3）设计值）设计值 将钢筋的强度标准值除以相应的材料分项系数将钢筋的强度标准值除以相应的材料分项系数1.2或或1.25，则得到钢筋抗拉强度的设计值。，则得到钢筋抗拉强度的设计值。2.4.1 2.4.1 结构可靠性与可靠度功能结构可靠性与可靠度功能结构的功能结构的功能结构的功能结构的功能 安全性安全性 结结构构应应能能承承受受在在正正常常施施工工、正正常常使使用用情情况况下下可可能能出出现

12、现的的各各种种荷荷载载、外外加加变变形形（如如超超静静定定结结构构的的支支座座不不均均匀匀沉沉降降）、约约束束变变形形（如如温温度度和和收收缩缩变变形形受受到到约约束束时时）等等的的作作用用。如如（MMu） 在在偶偶然然事事件件（如如地地震震、爆爆炸炸）发发生生时时和和发发生生后后，结结构构应应能能保保持持整整体体稳稳定定性性，不不应应发发生生倒倒塌塌或或连连续续破破坏坏而而造造成成生生命命财财产的严重损失。产的严重损失。2.4 2.4 极限状态极限状态 适用性适用性 如（如（f f ） 结结构构在在正正常常使使用用期期间间，具具有有良良好好的的工工作作性性能能。如如不不发发生生影影响响正正常

13、常使使用用的的过过大大的的变变形形（挠挠度度、侧侧移移）、振振动动（频频率率、振振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。 耐久性耐久性 如（如（wmax wmax） 结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。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（即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀混凝土碳化、钢筋锈蚀），），结构的结构的承载力和刚度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。定使用期间内丧失安全性

14、和适用性，降低使用寿命。 结构的可靠性结构的可靠性 可靠性可靠性安全性、适用性和耐久性的总称安全性、适用性和耐久性的总称 就就是是指指结结构构在在规规定定的的使使用用期期限限内内，在在规规定定的的条条件件下下，完完成预定结构功能的能力。成预定结构功能的能力。 可靠度可靠度可靠性的数量描述。结构在规定的时间内，可靠性的数量描述。结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的在规定的条件下，完成预定功能的概率概率。 规定时间（设计基准期）规定时间（设计基准期） 设计基准期设计基准期 进行结构可靠性分析时，考虑持久设计状况下各进行结构可靠性分析时，考虑持久设计状况下各项变量与时间关系所采用的基准

15、时间参数。项变量与时间关系所采用的基准时间参数。概念的释义概念的释义 一般桥梁结构的设计基准期为一般桥梁结构的设计基准期为100年年 建筑结构的设计基准期为建筑结构的设计基准期为50年年规定条件：规定条件：正常施工、设计、使用，不考虑人为过失正常施工、设计、使用，不考虑人为过失 结构的结构的设计基准期设计基准期与结构与结构使用寿命使用寿命有什么异同？有什么异同？ 结构的设计基准期与使用寿命结构的设计基准期与使用寿命设计基准期设计基准期考虑持久设计状况下各项基本变量与考虑持久设计状况下各项基本变量与时间关系所采用的基准时间参数。时间关系所采用的基准时间参数。 使用寿命使用寿命为结构或构件在正常维

16、护条件下，不需为结构或构件在正常维护条件下，不需要大修即可按其设计规定的目的正常使用的时间。要大修即可按其设计规定的目的正常使用的时间。 结构的使用年限超过设计基准期时，表明它的失效概结构的使用年限超过设计基准期时，表明它的失效概率可能会增大，不能保证其目标可靠指标，但不等于率可能会增大，不能保证其目标可靠指标，但不等于结构丧失所有要求功能甚至报废，通常使用寿命大于结构丧失所有要求功能甚至报废，通常使用寿命大于设计基准期。设计基准期。2.4.2 2.4.2 结构可靠度与极限状态结构可靠度与极限状态 结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠可

17、靠”的或的或“有效有效”的。反之，则结构为的。反之，则结构为“不可靠不可靠”或或“失效失效”。 区分结构区分结构“可靠可靠”与与“失效失效”的临界工作状态称为的临界工作状态称为“极限极限状态状态”1、极限状态：、极限状态：当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态而不能满足设计规定的某一功能要求时，则此特定状态称为而不能满足设计规定的某一功能要求时，则此特定状态称为该结构的极限状态。该结构的极限状态。 正常使用正常使用极限状态极限状态 承载能力承载能力极限状态极限状态 极限状态极限状态 2 2、极限状态的分类、极限状态的分类欧洲混凝土协会欧洲混凝土协会国际

18、预应力混凝土协会国际预应力混凝土协会国国际际标标准准化化组组织织我我国国的的可可靠靠度度标标准准、各各种种规规范范 承载能力极限状态承载能力极限状态 对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形或变位的状态。载的变形或变位的状态。超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求。超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求。承载能力承载能力 极限状态极限状态结构构件或连接处因结构构件或连接处因超过材料强度超过材料强度而破坏而破坏结构转变结构转变 成成机动体系机动体系 整个结构或结构的一部整个结构或结构的一部分作为刚体分作为刚体失去

19、平衡失去平衡 （滑动、倒塌）（滑动、倒塌）结构或结构构件结构或结构构件丧丧失稳定失稳定（柱的压曲（柱的压曲失稳）失稳）4321 正常使用极限状态正常使用极限状态 对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。定限值。超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久性的功能要求。耐久性的功能要求。影响正常使用或外观的影响正常使用或外观的变形变形影响正常使用或耐久性能的影响正常使用或耐久性能的局部损坏局部损坏影响正常使用的影响正常使用的振动振动影响正常使用的其它影响正常使用的其它特定状态特定状态正正正

20、正常常常常使使使使用用用用极极极极限限限限状状状状态态态态2.4.3 极限状态方程极限状态方程S荷载效应荷载效应 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（缩变形、地震等）产生的效应总和（如弯矩如弯矩M、轴力轴力N、剪力剪力V、扭矩扭矩T、挠度挠度 f、裂缝宽度裂缝宽度 w 等）等） S = S(Q)R结构抗力结构抗力 结构抵抗作用效应的能力，如受弯承载力结构抵抗作用效应的能力，如受弯承载力Mu、受剪承载受剪承载力力Vu、容许挠度容许挠度f、容许裂缝宽度容许裂缝宽度wR = R(fc, fy, A, h0

21、, As, )结构力学的主要内容结构力学的主要内容本课程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：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：对应的：Z=R-S0 时，时，结构处于可靠状态；结构处于可靠状态；Z=R-S=0时，时，结构达到极限状态；结构达到极限状态；Z=R-SR2( (失效失效) ) S1R1（可靠）（可靠） 2.5 2.5 我国我国公路桥涵设计规范公路桥涵设计规范(JTG D62-2004)(JTG D62-2004)的计算原则的计算原则2.5.1 三种设计状况：三种设计状况： 1、持久状况：、持久状况：桥涵建成后承受自重、车辆荷载等

22、作用持续时间桥涵建成后承受自重、车辆荷载等作用持续时间很长的状况。该状况是指桥梁的很长的状况。该状况是指桥梁的使用阶段使用阶段。进行。进行承载能力极承载能力极限状态限状态和和正常使用极限状态正常使用极限状态的设计。的设计。 2、短暂状况：、短暂状况：桥涵施工过程中承受临时性作用（或荷载）的状桥涵施工过程中承受临时性作用（或荷载）的状况，该状况对应的是桥梁的况，该状况对应的是桥梁的施工阶段施工阶段，一般只进行，一般只进行承载能力承载能力极限状态极限状态设计设计 ，必要时才做正常使用极限状态的设计。，必要时才做正常使用极限状态的设计。 3、偶然状况：、偶然状况：在桥涵使用过程中偶然出现的状况。（可

23、能遇到在桥涵使用过程中偶然出现的状况。（可能遇到地震等作用的状况。只进行地震等作用的状况。只进行承载能力极限状态承载能力极限状态设计，不必考设计，不必考虑正常使用极限状态的设计。虑正常使用极限状态的设计。 o 2.5.2 公路桥涵结构的安全等级公路桥涵结构的安全等级 o根据桥涵结构破坏所产生的后果的严重程度，可分为：一根据桥涵结构破坏所产生的后果的严重程度，可分为：一级、二级、三级。级、二级、三级。安全等级安全等级破坏后果破坏后果桥涵类型桥涵类型结构重要性系结构重要性系数数0 一级一级很严重很严重特大桥、重要大桥特大桥、重要大桥1.1二级二级严重严重大桥、中桥、重要大桥、中桥、重要小桥小桥1.

24、0三级三级不严重不严重小桥、涵洞小桥、涵洞0.92.5 2.5 我国我国公路桥涵设计规范公路桥涵设计规范(JTG D62-2004)(JTG D62-2004)的计算原则的计算原则1、设计原则、设计原则：作用效应最不利组合作用效应最不利组合(基本组合基本组合)设计值必须小于或等于结构设计值必须小于或等于结构抗力的设计值。抗力的设计值。 2.5.3 2.5.3 承载能力极限状态状态计算表达式承载能力极限状态状态计算表达式 2、基本表达式、基本表达式:2.5.4 2.5.4 持久状况正常使用极限状态计算表达式持久状况正常使用极限状态计算表达式2、极限状态设计表达式、极限状态设计表达式:。 可参考规

25、范相应取值可参考规范相应取值 抗裂的应力限值抗裂的应力限值 变形、裂缝宽度、截面变形、裂缝宽度、截面 : : 例如例如 要求所规定的限值要求所规定的限值 结构构件达到正常使用结构构件达到正常使用 用效应组合设计值用效应组合设计值; ; 正常使用极限状态的作正常使用极限状态的作 式中：式中： ） （ - - 1 c s 1 1、设计原则、设计原则: :是以结构弹性理论或弹塑性理论为基础是以结构弹性理论或弹塑性理论为基础, ,采用作采用作用的短期效应组合、长期效应组合或短期效应组合并考虑长期用的短期效应组合、长期效应组合或短期效应组合并考虑长期效应组合的影响，对构件的抗裂、裂缝宽度和挠度进行验算，

26、效应组合的影响，对构件的抗裂、裂缝宽度和挠度进行验算，并使各项计算值不超过并使各项计算值不超过公路桥规公路桥规规定的各项限值。规定的各项限值。 2.5.5 2.5.5 持久、短暂状况应力设计表达式持久、短暂状况应力设计表达式1、设计原则、设计原则: (1) 对钢筋混凝土和预应力混凝土受力构件按短暂状况设计时计算对钢筋混凝土和预应力混凝土受力构件按短暂状况设计时计算其在制作、运输及安装等施工阶段由自重、施工荷载产生的应力，其在制作、运输及安装等施工阶段由自重、施工荷载产生的应力，并不超过限值。并不超过限值。 （2）按持久状况设计预应力混凝土受弯构件，应计算其使用阶段的）按持久状况设计预应力混凝土

27、受弯构件，应计算其使用阶段的应力，并不超过限值。应力，并不超过限值。2、极限状态设计表达式、极限状态设计表达式式中：式中：S：作用：作用(或荷载或荷载)标准值标准值(其中汽车荷载应考虑冲击系数其中汽车荷载应考虑冲击系数)产生的效应产生的效应(应力应力);当有组合时不考虑荷载组合系数。当有组合时不考虑荷载组合系数。C2：结构的功能限值（应力）：结构的功能限值（应力）三、作用效应组合三、作用效应组合1 1、承载能力极限状态设计时作用效应组合、承载能力极限状态设计时作用效应组合：2、正常使用极限状态设计时作用组合、正常使用极限状态设计时作用组合:（1）作用短期效应组合：永久作用标准值效应与可变作用频

28、遇值）作用短期效应组合：永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相组合，其表达式为效应相组合，其表达式为: 作用短期效应组合设计值；作用短期效应组合设计值； 第第j j个可变作用效应的频遇值系数。汽车荷载（不计个可变作用效应的频遇值系数。汽车荷载（不计冲击力）冲击力）0.70.7，人群荷载，人群荷载1.01.0，风荷载，风荷载0.750.75，温度梯度作用，温度梯度作用0.80.8，其他作用，其他作用1.01.0； 第第j j个可变作用效应的频遇值。个可变作用效应的频遇值。2、正常使用极限状态设计时作用组合、正常使用极限状态设计时作用组合:（2）作用长期效应组合：永久作用标准值效应与可变作用准）

29、作用长期效应组合：永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应相组合，其表达式为永久值效应相组合，其表达式为: 作用长期效应组合设计值；作用长期效应组合设计值； 第第j j个可变作用效应的准永久值系数。汽车荷载（不个可变作用效应的准永久值系数。汽车荷载（不计冲击力）计冲击力）0.40.4，人群荷载，人群荷载0.40.4，风荷载，风荷载0.750.75，温度梯度作，温度梯度作用用0.80.8，其他作用，其他作用1.01.0； 第第j j个可变作用效应的准永久值。个可变作用效应的准永久值。小小 结结 本章首先阐述了概率极限状态设计法的一些基本概念，本章首先阐述了概率极限状态设计法的一些基本概念，然后重

30、点介绍了我国然后重点介绍了我国公路桥规公路桥规的计算原则。由于受到一的计算原则。由于受到一些客观因素的限制。现阶段的概率极限状态设计法是一种近些客观因素的限制。现阶段的概率极限状态设计法是一种近似概率法，表现为应根据目标可靠指标及工程经验来确定作似概率法，表现为应根据目标可靠指标及工程经验来确定作用效应组合和材料性能分项系数等。用效应组合和材料性能分项系数等。l l 各种作用代表值与作用效应组合各种作用代表值与作用效应组合l l 结构功能要求的具体内容，结构可靠度、可靠指标等基本概念；材结构功能要求的具体内容，结构可靠度、可靠指标等基本概念；材料强度取值方法，各类强度的区别与联系料强度取值方法，各类强度的区别与联系l l 极限状态的具体内容极限状态的具体内容