第1a章结构设计原理简介.pdf

1、同济大学同济大学 土木工程学院土木工程学院 2015.9 结构全寿命维护概论结构全寿命维护概论 http:/ 结构结构设计原理设计原理简介简介 结构全寿命维护结构全寿命维护概论概论 之之 参考书：赵国参考书：赵国藩等，结构可靠度理论，中国建筑工业出版社藩等，结构可靠度理论，中国建筑工业出版社 3 结构设计的目的是要使所设计的结构能够完成由其用途结构设计的目的是要使所设计的结构能够完成由其用途所决定的全部功能要求。所决定的全部功能要求。1、安全性、安全性 2、适用性、适用性 3、耐久性、耐久性 (建筑结构的根本是：以人为本建筑结构的根本是：以人为本)结构的功能要求 4 把安全性、适用性、耐久性概

2、括起来称为结构的可靠性。把安全性、适用性、耐久性概括起来称为结构的可靠性。可靠性：结构在可靠性：结构在规定的时间规定的时间内（如设计使用年限为内（如设计使用年限为5050年），在年），在规定的条件下规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使（正常设计、正常施工、正常使用和正常维修不考虑人为过失）完成用和正常维修不考虑人为过失）完成预定功能预定功能的能力。的能力。上述“规定的时间”是指结构设计基准期，目前世界上上述“规定的时间”是指结构设计基准期，目前世界上绝大多数国家普通结构的设计基准期均为绝大多数国家普通结构的设计基准期均为5050年年（中国住中国住宅的产权是宅的产权是7575年，中国特色年，

3、中国特色）。结构的可靠度与规定的。结构的可靠度与规定的时间有关，规定的时间越长，结构的可靠度越低。时间有关，规定的时间越长，结构的可靠度越低。定义中“规定的条件”指正常设计、正常施工、正常使定义中“规定的条件”指正常设计、正常施工、正常使用条件，不考虑人为错误或过失因素。用条件，不考虑人为错误或过失因素。可靠度的定义 5 作用作用：是指施加在结构或构件上的力，以及引起结构强迫变形：是指施加在结构或构件上的力，以及引起结构强迫变形或约束变形的原因，如地面运动、地基不均匀沉降、温度变化、或约束变形的原因，如地面运动、地基不均匀沉降、温度变化、混凝土收缩、焊接变形等。混凝土收缩、焊接变形等。(作用的

4、真谛：变形协调作用的真谛：变形协调)作用效应作用效应“S”S”是上述作用引起的结构或构件的是上述作用引起的结构或构件的内力（如轴向内力（如轴向力、剪力弯矩、扭矩等）和变形（如挠度、侧移、裂缝等）力、剪力弯矩、扭矩等）和变形（如挠度、侧移、裂缝等）结构的功能函数 1)作用效应S 6 结构抗力结构抗力结构或构件承受作用效应的能力，如构件的强结构或构件承受作用效应的能力，如构件的强度、刚度、抗裂度等。度、刚度、抗裂度等。由于影响结构性能的这些因素是不确定性参数，因此，由这由于影响结构性能的这些因素是不确定性参数，因此，由这些因素综合而成的结构抗力也是随机变量。些因素综合而成的结构抗力也是随机变量。结

5、构的功能函数 2)结构抗力R(resistance)7 结构能满足功能要求而良好地工作结构能满足功能要求而良好地工作，称为结构称为结构“可靠可靠”或或“有效有效”。反之反之，则称为结构则称为结构“不可靠不可靠”或或“失效失效”。（即：整个结构物或结构物的一部分超过某一特定状态即：整个结构物或结构物的一部分超过某一特定状态）极限状态极限状态区分结构工作状态的区分结构工作状态的可靠与失效的标志是可靠与失效的标志是“极限状态极限状态”。它是结构或构件能够满足设计规定的某一它是结构或构件能够满足设计规定的某一功能要求的临界状态功能要求的临界状态。有明确的标志及限值有明确的标志及限值。结构的极限状态包括

6、：结构的极限状态包括：承载能力极限状态(安全性安全性)正常使用极限状态（适用性适用性和和耐久性耐久性）结构的极限状态 8 承载能力极限状态承载能力极限状态(自阅自阅)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。当结构或结构构件出现下列情况之一时，即认为超变形。当结构或结构构件出现下列情况之一时，即认为超过了承载能力极限状态。过了承载能力极限状态。(安全性安全性)整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡，如倾覆、滑移；结构构件或连接部位因材料强度超过限值而破坏，包括承受多次重复荷载构件产生的疲劳破坏；结构构件或连接因产生过度的塑性变形而

7、不适于继续承载（如受弯构件中的少筋梁）；结构变为机动体而失去承载能力；结构或构件丧失稳定（压屈、侧屈、翘屈）；地基丧失承载力而破坏。9 正常使用极限正常使用极限状态状态(自阅自阅)对应于结构或构件达到正常使用或耐久性的某项规定限对应于结构或构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值。当结构或结构构件出现下列情况之一时，即认为超值。当结构或结构构件出现下列情况之一时，即认为超过了承载能力极限状态。过了承载能力极限状态。（适用性适用性和和耐久性耐久性）影响正常使用或外观的影响正常使用或外观的变形变形（如梁产生超过了挠度限值的过（如梁产生超过了挠度限值的过大大挠度挠度）；）；影响正常使用或耐久性的局部损

8、坏（如不允许出现裂缝的构影响正常使用或耐久性的局部损坏（如不允许出现裂缝的构件开裂，或出现超过允许裂缝宽度的件开裂，或出现超过允许裂缝宽度的裂缝裂缝）；）；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特定状态（如钢筋锈蚀产生的沿钢筋的影响正常使用的其它特定状态（如钢筋锈蚀产生的沿钢筋的纵向裂缝）。纵向裂缝）。10 可靠概率：结构能完成预定功能的概率称为可靠概率。可靠概率：结构能完成预定功能的概率称为可靠概率。失效概率：结构不能完成预定功能的概率称为失效概率（失效概率：结构不能完成预定功能的概率称为失效概率（failure probability）。）。结构可靠度的基本概念 11 结

9、构构件完成预定功能的工作状况可以用作用效应结构构件完成预定功能的工作状况可以用作用效应S S和结构和结构抗力抗力R R的关系式来描述，称为的关系式来描述，称为结构功能函数结构功能函数，用，用Z Z来表示：来表示：可靠指标的计算方法 结构功能函数),(SRgSRZ=可靠度指标（源于中心点法）中心点法）假设假设R R、S S均均符合正态分布，功能函数是线性方程；符合正态分布，功能函数是线性方程；利用按泰勒级数展开利用按泰勒级数展开（忽略二次及以上项忽略二次及以上项），经数学推导经数学推导，可靠指标可以直接用可靠指标可以直接用平均值平均值s、r和均方差和均方差s、r表示表示 22SRSRZZ+=12

10、 1、安全系数法、安全系数法 经过变化设计表达式可以表示成：经过变化设计表达式可以表示成：安全系数安全系数K与可靠指标和随机变量的数字特征与可靠指标和随机变量的数字特征有关有关 2、分项系数法、分项系数法(我国现采用方法我国现采用方法)经过变化设计表达式可以表示成：经过变化设计表达式可以表示成：分分项系数法与可靠指标和随机变量的数字特征有关项系数法与可靠指标和随机变量的数字特征有关。kKRKSRKKQQKGGRQCGC/+近似概率法设计 13 RS 0,.),(.),(kkKRafRafRR=)(2111=+=niiKCiQiQiKQQKGGQCQCGCS承载能力承载能力极限极限状态状态 组合

11、组合情况：情况：基本基本组合：永久荷载和最大的可变荷载以标准值作为组合：永久荷载和最大的可变荷载以标准值作为 代表代表值值，其它可变荷载以组合值为代表值其它可变荷载以组合值为代表值。偶然偶然组合组合 基本基本组合承载能力设计采用下列设计表达式：组合承载能力设计采用下列设计表达式：近似概率法设计 结构重要性系数结构重要性系数 材料标准值，结构材料标准值，结构抗力分项抗力分项系数系数 荷载分项荷载分项系数，组合值系数系数，组合值系数 14 正常使用极限状态正常使用极限状态 组合情况：组合情况：短期效应组合短期效应组合 长期效应组合长期效应组合 在作用的短期效应组合作用下的设计表达式：在作用的短期效

12、应组合作用下的设计表达式：在作用的长期效应组合作用下的设计表达式：在作用的长期效应组合作用下的设计表达式：.),(skksssUafSUU=+=niiKQiCikQKGsQCQCGCS211.),(lkklllUafSUU=+=niiKQiqiKGlQCGCS1近似概率法设计 15 弹性模量、泊松比、强度、密度（施工与质监方）结构计算模型能准确反应客观规律（结构设计方）地震、风以及自身荷载与设计荷载等（建设方与设计方）柱的横截面积、惯性矩、板的厚度（施工与质监方）材料 尺寸 荷载 计算模型 土木、水利 领域随机性 几个影响因素 结构抗力R 16 正态分布概率密度函数正态分布概率密度函数），（简

13、记为的概率密度函数：随机变量2222)(exp21)(NxxxfX+=某些某些荷载荷载、材料的强、材料的强度度、构件、构件的尺寸等的尺寸等 +=xdtexFxx相应的概率分布函数：222)(21)(近似概率法设计 17 20-29 30-39 40-49 50-59 60-69 70-79 80-89 90-100 27 33 41 52 60 70 80 92 39 45 54 62 71 81 94 56 65 73 83 93 66 75 82 96 67 77 85 66 78 88 78 89 79 87 79 2.9%5.7%5.7%8.6%17.1%25.7%22.9%11.4%

14、总计 35人 平均 70.4 不及格率 22.9%某班考试成绩分析(I made it)构件尺寸可靠度举例构件尺寸可靠度举例 18 材料可靠度举例材料可靠度举例 混凝土立方体抗压强度标准值fcuk 按养护的边长为150mm的立方体试件，在28d测得的具有95保证率的抗压强度值。fcuk=fcu-1.645=40MPa 考虑到结构中混凝土的实体强度与立方体试件混凝土强度之间的差异，修正系数取为0.88。棱柱强度与立方强度之比值c1：对C50及以下普通混凝土取0.76 fck=（fcu-1.645）*0.88*0.76*1.0=26.75MPa fc=fck/c=26.75/1.4=19.1MPa

15、 c=1.4;c=1.1;f=1.6 19 荷载的各种代表值荷载的各种代表值 荷载代表值荷载代表值 设计中用以验证极限状态所采用的荷载值设计中用以验证极限状态所采用的荷载值，包括包括标准值标准值、组合值组合值、频遇值频遇值和和准永久值准永久值 1、标准值标准值(characteristic value)为设计基准期为设计基准期（50年年）内最大荷载概率分布的特征值内最大荷载概率分布的特征值 恒载标准值恒载标准值Gk 正态分布正态分布 N（G、G）相当于永久荷载概率分布相当于永久荷载概率分布（即设计基准期内最大荷载概率分即设计基准期内最大荷载概率分布布）的的 0.5 分位值分位值，即正态分布的平

16、均值即正态分布的平均值 G Gk结构设计规定的尺寸和材料或结构构件单位体积的自重结构设计规定的尺寸和材料或结构构件单位体积的自重平均值确定平均值确定 20 对易于超重的钢筋混凝土板类（屋面板、楼板等）的标准值 Gk=0.95 G 即G1.06Gk（由于存在超重现象，实际的平均值为Gk的1.06倍）对截面较大的梁、柱等承重构件的标准值 Gk=1.0 G 对自重变异性较大的材料和构件（如屋面保温材料、防水材料、找平层以及钢筋混凝土薄板等），为在设计表达式中采用统一的永久荷载分项系数而又能使结构构件具有规定的可靠指标，其标准值应根据对结构的有利或不利状态，分别取其自重的下限值或上限值【作者作者】侯钢

17、领；侯钢领；雷国强；对我国住宅楼面活荷载概率模型的探讨雷国强；对我国住宅楼面活荷载概率模型的探讨 21 民用建筑楼面活载标准值 极值型 LkLT LT 办公楼 LkLT1.5LT Lk1.5 kN/m2 分位值 p92.1%住 宅 LkLT+0.7LT Lk1.5 kN/m2 分位值 p79.1%住宅的活荷载标准值偏低较多 考虑到建设工程量比较大的住宅和办公楼的荷载标准值与国外相比显然偏低 鉴于国内民用建筑楼面活荷载今后的变化趋势难以预测 住宅、办公楼的楼面活荷载标准值规定Lk2.0kN/m2 办公楼 LkLT3.16LT 住 宅 LkLT2.38LT 22 风荷载标准值 wk 极值型（自阅）

18、不按风向时 /wT1.109 wk wk 0.9/wT 按风向时 wT0.999 wk wk1.0 wT 即规范(GB50009)规定的风荷载标准值 wk 接近于设计基准期最大风荷载的平均值 wT 23 雪荷载标准值sok 极值型（自阅）设计基准期最大雪荷载ST 平均重现期为 R 的最大雪压 xR xRuln ln(R/R1)/GB50009给出了重现期为10年、50年和100年的雪压值，其他重现期R的相应值按下式确定 xRx10(x100 x10)(lnR/ln101)24 设计基准期内荷载达到和超过该值的总持续时间Tqti与整个设计基准期T之比等于0.5确定，即Tq/T0.5 可变荷载准永

19、久值 Qxq Qk q 荷载的准永久值系数，且 q荷载准永久值/荷载标准值 1.0，见GB50009表4.1.1、表4.3.1 t Q T ti 准永久值 Qx 2、准永久值 (quasi-permanent value)徐变等（自阅）25 26 27 3、荷载频遇值荷载频遇值 (frequent value)振动振动、开裂等开裂等（自阅）设计基准期内荷载达到和超过该值的总持续时间设计基准期内荷载达到和超过该值的总持续时间Tq ti与与整个设计基准期整个设计基准期T之比小于之比小于0.1确定，即确定，即Tq/T 0.1 f Qk 可变荷载频遇值可变荷载频遇值 c 荷载组合值系数荷载组合值系数（

20、见见GB50009表表4.1.1、表表4.3.1）f 荷载频遇值系数荷载频遇值系数（见见GB50009表表4.1.1、表表4.3.1）4、组合值组合值（当承受当承受2个可变荷载时个可变荷载时）(combination value)考虑施加在结构上的各种可变荷载不可能同时达到各自的最考虑施加在结构上的各种可变荷载不可能同时达到各自的最大值大值 确定原则：要求结构在单一可变荷载作用下的可靠度与在两确定原则：要求结构在单一可变荷载作用下的可靠度与在两个及其以上可变荷载作用下的可靠度保持一致个及其以上可变荷载作用下的可靠度保持一致 c Qk 可变荷载组合值可变荷载组合值 28 荷载组合及适用范围荷载组

21、合及适用范围(representative value of a load)荷载荷载基本组合值基本组合值 （不准确地说：截面和配筋不准确地说：截面和配筋）校核承载能力校核承载能力 荷载荷载偶然组合偶然组合值值 （撞击撞击、爆炸爆炸、火灾事故火灾事故）极限状态极限状态 荷载荷载标准组合标准组合 （变形和裂缝变形和裂缝 ）荷载荷载准准永久永久组合组合 （长期性长期性能能）校核正常使用校核正常使用 荷载荷载频遇组合频遇组合 （短期性短期性能能）极限状态极限状态 准准永久值系数永久值系数 q 组合值系数组合值系数 c 频遇值系数频遇值系数 f 风荷载风荷载 0 0.6 0.4 雪荷载雪荷载 0.5(I)0.2(II)0(III)0.7 0.6 楼面活荷载楼面活荷载 见规范见规范 0.7 见规范见规范 29 谢 谢!