土木工程学院桥梁工程系学习课件PPT混凝土结构设计的基本原则.ppt

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1、2 钢筋混凝土材料的力学性能,本章主要内容,结构设计方法中的几个基本概念 结构设计方法的发展,1 结构设计方法中的几个基本概念,一、结构的功能要求,二、结构的可靠性,三、结构上的作用和作用效应以及抗力,四、结构功能的极限状态,一、结构的功能要求,1.1安全性,结构在预定的使用期间内（一般为50年，桥梁为100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。,不会破坏。,1.2 适用

2、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。,1.3 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。,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，一般为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（安全性、耐久性、适用性）的能力。结构可靠性越高，建设造价投

3、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。,二、结构的可靠性,显然这种可靠与经济的均衡受到多方面的影响，如国家经济实力、设计工作寿命、维护和修复等。规范规定的设计方法，是这种均衡的最低限度，也是国家法律。设计人员可以根据具体工程的重要程度、使用环境和情况，以及业主的要求，提高设计水准，增加结构的可靠度。经济的概念不仅包括第一次建设费用，还应考虑维修，损失及修复的费用,在建温福铁路是我国东南沿海铁路重要组成部分，为保证100年设计使用寿命必须进行结构耐久性设计。海洋环境中的桥梁结构遭受破坏的主要原因是氯盐侵蚀导致的钢筋锈蚀。钢筋锈蚀带来体积膨胀,导致混凝土剥落,从而使结

4、构破坏。构造措施:适当增加钢筋的混凝土保护层厚度,推延氯离子渗透到钢筋表面的时间；控制结构裂缝宽度,减少外界氯离子的渗透。,三、结构上的作用和作用效应,定义：,结构在施工和使用期间要承受的各种使结构产生内力和变形的所有因素的总称。,1、结构上的作用,结构上的作用,直接作用,集中荷载、分布荷载,间接作用,地震、地基沉降、温度变化,永久作用可变作用偶然作用,固定作用可动作用,静态作用动态作用,按时间分,按空间位置,按结构反应,按方式分,2.作用效应 结构上的作用在结构上产生的内力和变形以及支座反力等统称为作用效应。常用“S”表示,3.结构抗力,结构所具有的抵抗作用效应的能力。常用“R”表示,五、结

5、构功能的极限状态,1、极限状态概念：如果整个结构或结构的一部分超过某一特定状态，就不能满足预定功能的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。,结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠”的或“有效”的。反之，则结构为“不可靠”或“失效”。区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限状态”,不同的功能要求，有不同的极限状态。,确定结构在极限状态时的抗力R，则,1）承载力能力极限状态 超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求达到承载能力极限状态的标志 结构或构件达到最大承载力（包括疲劳）结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移）结构塑性变形过大而不适于继续使

6、用 结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰）结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）,2）正常使用极限状态 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。达到正常使用极限状态发标志 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。,2、三种设计状况及极限状态设计要求,（1）持久状况：结构使用过程中一定出现其持续很长的状况，持续期间设计使用年限为同一数量级。（2）短暂状况：结构施工和使用过程中出现概率较大，与设计使年限相比持续期很短的状况，如施工和维修。（3）

7、偶然状况：在结构使用过程中出现概率很小，且持续时间很短的状况，如火灾爆炸。,设计状况,极限状态设计要求,1、对三种设计状况，均应进行承载能力极限状态设计；2、对持久状况，尚应进行正常使用极限状态设计；3、对短暂状况，可根据需要进行正常使用极根状态设计。,由于结构工程中的不确定性，为取得安全可靠与经济合理的均衡，在设计中需要考虑这些不确定性的影响。结构设计方法就是处理这种安全可靠与经济合理的矛盾。,2 结构设计方法的发展,结构设计方法经历了：,容许应力法,破损阶段法,极限状态法,以概率理论为基础的极限状态法,2.1 容许应力设计法,钢筋混凝土结构的受力性能不是弹性的；结构中一点达到容许应力，结构

8、即认为失效；没有考虑结构功能的多样性要求；安全系数是凭经验确定的，缺乏科学依据。,整个截面达到极限承载力才认为失效，考虑了材料塑性和强度的充分发挥，极限荷载可以直接由试验验证，构件的总安全度较为明确。但安全系数K仍然凭经验确定，没有考虑结构功能的多样性要求的问题。,2.2 破损阶段设计法,除要求对承载力极限状态进行设计外，还包括的挠度和裂缝宽度（适用性）的极限状态的设计。对于承载力极限状态，针对荷载、材料的不同变异性，不再采用单一的安全系数，而采用的多系数表达，,材料强度 fck 和 fsk 是根据统计后按一定保证率取其下限分位值，反映的材料强度的变异性。荷载值 qik 也尽可能根据各种荷载的

9、统计资料，按一定保证率取其上限分位值。荷载系数 kqi，材料强度系数 kc 和 ks 仍按经验确定，但对于不同荷载的变异大小，可取不同的荷载系数。,2.3极限状态设计法,由于实际结构中的不确定性，因此无论如何设计结构，都会有失效的可能性存在，只是可能性大小不同而已。为了科学定量的表示结构可靠性的大小，采用概率方法是比较合理的。,失效概率越小，表示结构可靠性越大。因此，可以用失效概率来定量表示结构可靠性的大小。结构可靠性的概率度量称为结构可靠度。当失效概率Pf小于某个值时，人们因结构失效的可能性很小而不再担心，即可认为结构设计是可靠的。该失效概率限值称为容许失效概率Pf。,失效概率,Pf=P(S

10、 R),2.4 以概率理论为基础的极限状态设计法,(1)材料强度标准值与设计值,材料强度标准值 为保证设计时材料强度取值的可靠性，一般对同一等级的材料，取具有一定保证率的强度值作为该等级强度的标准值。规范规定材料强度的标准值fk应具有不小于95%的保证率,即,材料强度设计值材料强度标准值除以材料强度分项系数后得到的强度指标。,桥规(JTG D62)采用混凝土强度分项系数,普通钢筋抗拉强度,预应力用钢丝、钢绞线原规范安全系数取1.25，而国家标准规定钢丝和钢绞线的条件屈服点为极限抗拉强度的0.85倍，因而钢丝、钢绞线,混规混凝土为1.4；普通钢筋为1.1；预应力钢筋为1.2,作用效应组合各种作用

11、效应的取舍以及它们同时作用的可能性组合原则以桥梁在施工和运营时可能处于最不利的受力状态为原则 基本组合方式（公、铁）：作用效应基本组合，即仅考虑主力；作用效应偶然组合，即主力与特殊荷载同时作用；作用短期效应组合，即主力与附加力同时作用；作用长期效应组合。即主力与附加力同时作用。,(2)荷载效应设计值与结构抗力设计值,铁路桥涵结构按容许应力法组合,桥梁设计时：仅考虑主力与一个方向（顺桥或横桥方向）的附加力相结合。,公路桥涵结构按承载能力极限状态设计时的基本组合,结构重要性系数，1.1,1.0,0.9承载能力极限状态下作用基本组合的效应组合设计值第i个永久作用效应的分项系数第i个永久作用效应的标准

12、值汽车荷载效应（含冲击力、离心力）的分项系数汽车荷载效应（含冲击力、离心力）的标准值除汽车荷载效应外的其他可变作用效应的组合系数除汽车荷载效应、风荷载外的其他第j个可变作用效应的分项系数除汽车荷载效应外的其他第j个可变作用效应的标准值,正常使用极限状态荷载效应组合,正常使用极限状态设计，按照作用持续时间不同采用两种组合短期效应组合和长期效应组合。,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,短期效应组合设计值；,第j个可变作用效应的频遇值系数。,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。,长期效应组合设计值；,第j个可变作用效应的准永久值系数,正常使用极限状

13、态结构抗力,正常使用极限状态结构抗力分为抗裂限值、裂缝宽度限值、挠度限值。这些限值按规范规定。,荷载效应设计值，gS作用效应分项系数,当荷载效应与荷载值成线形关系时，可表示为,第i个永久作用效应的分项系数,第j个可变作用效应,第1个永久作用效应的分项系数,第1个可变作用效应（起控制作用的可变作用）,第i个永久作用效应,第j个可变作用效应的分项系数,第j个可变作用效应的组合系数,第i个永久作用的标准值,第i个永久作用的作用效应系数,第1个可变作用的作用效应系数,第1个可变作用的标准值,第j个可变作用的标准值,第j个可变作用的作用效应系数,混凝土结构规范,正常使用极限状态下的荷载效应组合 S,荷载效应标准组合（短期效应组合）,荷载效应的准永久组合（长期效应组合）,qj：第j个可变荷载的准永久值系数,注意：1、该极限状态，无重要性系数2、分项系数都为1.0，荷载及材料强度都取用标准值3、准永久值系数、组合系数不同时出现,