混凝土结构设计的基本原则2.ppt
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1、第二章,钢筋混凝土结构按近似概率理论 极限状态设计法设计的基本原则,主要内容及要求,1掌握工程结构极限状态的基本概念,包括结构上的作用、对结构的功能要求、设计基准期、两类极限状态等。2了解结构可靠度的基本原理。3熟悉近似概率极限状态设计法在混凝土结构设计中的应用。,第二章 混凝土结构基本计算原则,2.1结构设计方法中的几个基本概念2.2 结构设计方法的发展2.3近似概率极限状态设计法的基本原理 2.4 近似概率极限状态设计法的实用表达式。,2.1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,四、结构的抗力及其不定因素,五、结构功能的极限状态。,
2、2.1结构设计方法中的几个基本概念,什么是结构(结构定义),用来形成一定空间及造型,并具有抵御人为和自然界施加的各种作用力,得以安全使用的骨架。,结构设计的目的,1、满足使用的要求(可靠),2、经济,2.1结构设计方法中的几个基本概念,返回上级目录,1、共性问题:结构应具备何种功能,结构安全可靠的标准是什么,如何保证实现以上标准,设计过程中如何对荷载、材料强度计算取值等。2、不同受力构件的计算:对各种不同构件进行具体设计和计算,以及采取什么构造措施保证具体构件的可靠性。,本章涉及的问题,以后章节涉及的问题,混凝土结构设计遇到两类问题:,2.1结构设计方法中的几个基本概念,返回上级目录,一、结构
3、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)等的作用而不产生破坏。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。,2.1结构设计方法中的几个基本概念,一、结构的功能要求,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
4、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。,返回上级目录,可靠性 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,2.1结构设计方法中的几个基本概念,二、结构的可靠性,返回上级目录,安全性、适用性和耐久性的总称,显然这种可靠与经济的均衡受到多方
5、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,2.1结构设计方法中的几个基本概念,二、结构的可靠性,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。,返回上级目录,三、结构上的作用和作用效应,定义:,结构在施工和使用期间引起结构内力和变形的一切原因。,1、结构上的作用,分类,按作用形式,以力的形式作用于结构上的因素,一般又
6、称为结构的荷载。如结构自重、楼面活载、屋面的雪载有及墙面的风荷载、桥面车辆荷载、土的重力及侧压力等,间接作用,直接作用,以变形形式作用于结构上的因素,习惯上又称为结构的外加变形或约束变形:如地震、地基沉降、砼收缩、温度变化、焊接变形等。,2.1结构设计方法中的几个基本概念,三、结构上的作用和作用效应,返回上级目录,按承受时间的变异性,在设计基准期内,其值不一定出现,而一旦出现,其量值则很大,且持续时间很短的作用:地震、爆炸、冲击等。,2.1结构设计方法中的几个基本概念,三、结构上的作用和作用效应,永久作用,在设计基准期内,其值不随时间变化或变化与平均值相比可以忽略不计的作用:有结构自重、土压力
7、、预加应力、地基沉降以及焊接变形等。,可变作用,在设计基准期内,其值随时间变化、且其变化值与平均值相比不可忽略的作用安装荷载、楼面活荷载、风荷载、温度变化等,偶然作用,返回上级目录,按空间位置变异,固定作用可动作用,按结构的反应分,静态作用动态作用,2.1结构设计方法中的几个基本概念,三、结构上的作用和作用效应,在结构空间位置上具有固定的分布,在结构空间位置一定范围内可以任意分布,对结构不产生动力效应,或小的可以忽略,对结构产生动力效应,且不可以忽略,返回上级目录,2、作用效应,施加在结构上的各种作用对结构构件产生的效果。如内力(N、V、M、T)、变形(挠度、侧移)、裂缝等,常用“S”表示。,
8、当作用力为直接作用时,称荷载效应,作用效应是随机变量(作用的不确定),2.1结构设计方法中的几个基本概念,三、结构上的作用和作用效应,返回上级目录,3、荷载的代表值,(1)实质:以确定值(代表值)表达不确定的随机变量,便于设计时,定量描述和运算。(2)取值原则:根据荷载概率分布特征,控制保证率。,2.1结构设计方法中的几个基本概念,三、结构上的作用和作用效应,返回上级目录,(2)代表值取值 永久荷载的代表值 标准值:取分布的平均值,保证率50%;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 可变荷载的代表值 标准值:基本代表值,保证率尚未统一;准永久值:对可变荷载稳定性的描述,等于标准
9、值乘准永久值系数;组合值:两种或(以上)可变荷载作用时,都以标准值出现的概率小,因此对标准值乘以组合系数进行折减。,3、荷载的代表值,2.1结构设计方法中的几个基本概念,三、结构上的作用和作用效应,返回上级目录,1、定义:结构抵抗作用效应的能力,常用“R”表示。,结构的抗力为随机变量,四、结构的抗力及其不定因素,2.1结构设计方法中的几个基本概念,四、结构的抗力,材料性能的不定性 几何参数的不定性 计算模式的不定性,2、抗力不定性主要因素:,返回上级目录,(1)实质:以确定值(标准值)表达不确定值,便于应用。(2)标准值取值:根据材料强度概率分布的0.05分位值,即95%保证率的要求确定。4、
10、抗力的概率分布模式(假设)对数正态分布,3、材料强度的标准值,返回上级目录,五、结构功能的极限状态,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。极限状态是判别结构是否能够满足其功能要求的标准,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,2.1结构设计方法中的几个基本概念,五、结构功能的极限状态,返回上级目录,1)承载力能力极限
11、状态 是判别结构是否满足安全性要求的标准。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),2.1结构设计方法中的几个基本概念,五、结构功能的极限状态,返回上级目录,2)正常使用极限状态 是判别结构是否满足正常使用和耐久性要求的标准。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的标志 过大的变形、侧移(影响非结
12、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。,2.1结构设计方法中的几个基本概念,五、结构功能的极限状态,返回上级目录,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且持续期很长的状况,持续期间与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,与设计使用年限相比持续期很短的状况,如施工和维修。(3)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
13、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。,2.1结构设计方法中的几个基本概念,五、结构功能的极限状态,返回上级目录,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。,2.2 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,2.2 结构设计方法的发展,容许应力设计法,存在问题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
14、验确定的,缺乏科学依据。,2.2 结构设计方法的发展,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。,破损阶段设计法,2.2 结构设计方法的发展,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统计资料
15、,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。,极限状态设计法,2.2 结构设计方法的发展,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
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