混凝土结构设计方法讲义.ppt

3 混凝土结构设计方法,3.1 极限状态设计法的基本概念3.2 可靠度分析的基本概念3.3 极限状态设计的实用表达式,3.1 极限状态设计方法的基本概念,3.1.1 结构的功能要求,1、结构的功能要求（1）安全性 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。,（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。（3）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（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。,2、设计使用年限和设计基准期,（1）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,（2）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。,3、结构的可靠性可靠性安全性、适用性和耐久性的总称。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。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。,3.1.2 结构的极限状态,极限状态：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，此特定状态为该功能的极限状态。,结构的极限状态分为两类：,1、承载力能力极限状态（安全性）（1）结构构件或连接因超过材料的强度而破坏，或因过度变形而不适于继续承载；（2）结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡；（3）结构变为机动体系；（4）结构或构件丧失稳定；（5）结构因局部破坏而发生连续倒塌；（6）地基丧失承载力而破坏；（7）结构或构件的疲劳破坏。,2、正常使用极限状态（适用性和耐久性）（1）影响正常使用或外观的变形；（2）影响正常使用或耐久功能的局部损坏；（3）影响正常使用的振动；（4）影响正常使用的其他特定状态。,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。,3.1.3 结构上的作用、作用效应和结构的抗力,1、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）按时间的变化可分为三类：,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随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。,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。,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）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：,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。,有界作用,无界作用,（4）按有无限值可分为二类：,具有不能被超越的且可确切或近似掌握其界限值的作用。,没有明显界限值的作用。,如水坝的最高水位压力,如爆炸、撞击,2、作用效应S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）称为作用效应。,3、结构抗力R(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。,1、作用效应S和结构抗力R的关系：Z=R-S=g(R，S)当Z0时，结构处于可靠状态;当Z0时，结构处于失效状态;当Z0时，结构处于极限状态.,3.2 可靠度分析的基本概念,3.2.1 结构设计问题的不确定性,3、影响结构抗力的不确定因素：,2、影响荷载效应的不确定因素：,（1）荷载本身的变异性；（2）内力计算假定与实际受力情况之间的差异；,（1）结构构件材料性能的变异性；（2）结构构件几何参数的变异性；（3）结构构件抗力计算模式的不确定性；,3.2.2 数理统计的基本概念,1、随机变量及其统计特征值,（1）算术平均值（2）标准差（3）变异系数,2、正态分布,3、保证率,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,3.2.3 结构的失效概率和可靠指标,当结构功能函数中仅有两个独立的随机变量 和，且都服从正态分布时，功能函数 的概率密度曲线如图所示。,功能函数的概率密度曲线,结构的失效概率可直接通过 的概率（图中阴影面积）来表达，即,令,则,2、结构构件的可靠指标(reliability index),由上式可见，与 具有数值上的对应关系，也具有与 相对应的物理意义。越大，就越小，即结构越可靠，故 称为可靠指标。,3.结构的安全等级,统一标准给出了结构构件承载能力极限状态的可靠指标。,4、设计可靠指标(reliability index for design),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。,3.3 极限状态设计的实用表达式,3.3.1 荷载代表值,1、标准值,永久荷载的标准值可按结构设计尺寸和标准容积密度计算。,可变荷载的标准值可查荷载规范。,如：一混凝土简支梁截面尺寸为300150，跨度为2.5m，混凝土的重度为25kN/m3,则此梁的自重简化为均布荷载：g=0.30.1525=1.125kN/m,如：教室q=2.0kN/m2 教学楼的卫生间q=2.0kN/m2 教学楼的楼梯q=2.5kN/m2,3.2.5 基本组合的荷载分项系数，应按下列规定采用：1 永久荷载的分项系数：1)当其效应对结构不利时对由可变荷载效应控制的组合，应取1.2；对由永久荷载效应控制的组合，应取1.35；2)当其效应对结构有利时一般情况下应取1.0；对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。2 可变荷载的分项系数：一般情况下应取1.4；对标准值大于4kN/m2 的工业房屋楼面结构的活荷载应取1.3。注:对于某些特殊情况，可按建筑结构有关设计规范的规定确定。,2、荷载设计值：荷载分项系数与荷载标准值的乘积。,荷载分项系数：调整荷载标准值使结构可靠度趋于相同。,组合值系数：考虑各可变荷载最大值在同一时刻出现的概率很小，若设计中仍采用各荷载效应设计值叠加，则可能造成结构可靠度不一致，因而必须对可变荷载设计值再乘以调整系数，即荷载组合值系数。,3、可变荷载的组合值：可变荷载设计值乘以荷载组合值系数。,4、可变荷载的准永久值：可变荷载标准值乘以荷载准永久值系数。,准永久值系数：考虑荷载长期效应而对可变荷载标准值的折减。,5、荷载效应组合,（1）基本组合,可变荷载效应控制组合,永久荷载效应控制组合,荷载效应组合的设计值应从下列组合中取最不利值确定：,3.2.4 对于一般排架、框架结构，基本组合可采用简化规则，并应按下列组合值中取最不利值确定：1)由可变荷载效应控制的组合：,2)由永久荷载效应控制的组合仍按公式(3.2.3-2)式采用。,（2）标准组合：,（3）准永久组合：,荷载效应组合的设计值应按下式采用：,荷载效应组合的设计值应按下式采用：,3.3.2 材料强度取值,1、标准值：具有不小于95%的保证率,2、设计值：标准值除以分项系数,材料分项系数：考虑材料的离散性和施工中不可避免的偏差带来的不利,影响。,混凝土：,钢筋：400MPa级以下热轧钢筋 500MPa级以下热轧钢筋 预应力筋,3.3.3 结构设计状态,1、持久设计状态：结构使用,2、短暂设计状态：施工和维修,3、偶然设计状态：火灾、爆炸、撞击,4、地震设计状态：地震,承载能力极限状态设计，且应正常使用极限状态设计,承载能力极限状态设计，根据需要可正常使用极限状态设计,承载能力极限状态设计，根据需要可正常使用极限状态设计,承载能力极限状态设计，可不正常使用极限状态设计,3.3.4 承载能力极限状态设计表达式,对持久设计状况、暂短设计状况和地震设计状况，当用内力的形式表达时，结构构件应采用下列承载能力极限状态设计表达式：,结构重要性系数；,结构构件的承载力设计值；,结构构件的承载力函数；,混凝土、钢筋的强度设计值；,几何参数的标准值；,荷载效应组合的设计值。,结构构件的抗力模型不定性系数；,（1）结构重要性系数,（2）结构构件的抗力模型不定性系数,地震设计状态：,一般构件：1.0,重要结构构件或不确定性较大的结构构件：1.0,抗震设计：,2 正常使用极限状态设计表达式,对于正常使用极限状态，结构构件应应分别按荷载的准永久组合、标准组合、准永久组合并考虑长期作用的影响或标准组合并考虑长期作用的影响，采用下列极限状态设计表达式进行验算：,正常使用极限状态的荷载效应组合值。,结构构件达到正常使用要求所规定的变形、裂缝宽度、应力等的限值；,混凝土结构构件正常使用极限状态的验算应包括下列内容：（1）对需要控制变形的构件，应进行变形验算；（2）对使用上限制出现裂缝的构件，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）对有舒适度要求的楼盖结构，应进行竖向自振频率验算。,3.4.3 钢筋混凝土受弯构件的最大挠度应按荷载的准永久组合，预应力混凝土受弯构件的最大挠度应按荷载的标准组合，并均考虑荷载长期作用的影响进行计算，,3.4.4 结构构件正截面的受力裂缝控制等级分为三级。在直接作用下，结构构件的裂缝控制等级划分及要求应符合下列规定：一级严格要求不出现裂缝的构件，按荷载标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力。二级一般要求不出现裂缝的构件，按荷载标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土拉应力不应大于混凝土抗拉强度的标准值。三级允许出现裂缝的构件：对钢筋混凝土构件，按荷载准永久组合并考虑长期作用影响计算时，构件的最大裂缝宽度不应超过本规范表3.4.5规定的最大裂缝宽度限值。对预应力混凝土构件，按荷载标准组合并考虑长期作用的影响计算时，构件的最大裂缝宽度不应超过本规范第3.4.5条规定的最大裂缝宽度限值；对二a类环境的预应力混凝土构件，尚应按荷载准永久组合计算，构件受拉边缘混凝土的拉应力不应大于混凝土的抗拉强度标准值。,