第1a章结构设计原理简介.pdf
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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
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