第3章 混凝土结构设计的基本原则.ppt
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1、p本本章章主主要要内内容容结构可靠度结构可靠度 荷载和材料强度标准值荷载和材料强度标准值概率极限状态设计法概率极限状态设计法 第第3章混凝土结构设计的基本原则章混凝土结构设计的基本原则要点要点n作用于结构上的荷载取值作用于结构上的荷载取值 结构构件自重;结构构件自重;外部作用(活荷载、风荷载、雪荷载、地震作用等)外部作用(活荷载、风荷载、雪荷载、地震作用等)n材料强度取值材料强度取值 钢筋强度;混凝土强度钢筋强度;混凝土强度n结构设计方法结构设计方法 荷载值、材料强度值确定后荷载值、材料强度值确定后 如何设计,保证结构具有如何设计,保证结构具有适当的可靠度适当的可靠度n地位和作用地位和作用:总
2、原则总原则(纲领)(纲领)预期预期的可靠度的可靠度(难点)(难点)适用于所有结构和构件:适用于所有结构和构件:建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准p 作用、作用效作用、作用效应应及及结结构抗力构抗力p 结结构可靠度构可靠度及安全等及安全等级级p 混凝土混凝土结结构构件构构件设计计设计计算方法的演算方法的演变变3.1.1结构上的作用、作用效应及结构抗力1.结构上的作用结构上的作用和作用效应和作用效应 作用:作用:使结构或构件产生内力和变形的各种使结构或构件产生内力和变形的各种原因原因p直接作用(直接作用(荷载):以力的形式荷载):以力的形式直接作用于结构上直接作用于结构上p间接作
3、用:间接作用:以变形的形式以变形的形式作用在结构上作用在结构上 作用按时间变异的分类作用按时间变异的分类 永久作用永久作用 G:其值不随时间变化(恒载)其值不随时间变化(恒载)可变作用可变作用 Q:其值随时间变化(活荷载)其值随时间变化(活荷载)偶然作用:偶然作用:量值很大且持续时间很短的作用量值很大且持续时间很短的作用作用效应作用效应 S(effect of an action)由作用产生的内力和变形(轴力、剪力、弯矩、扭矩、变形、由作用产生的内力和变形(轴力、剪力、弯矩、扭矩、变形、裂缝等)裂缝等)作用效应作用效应 S 是随机变量或随机过程是随机变量或随机过程3.1.1 结构上的作用、作用
4、效应及结构抗力2.结构抗力结构抗力 R(resistance)整个结构或结构构件承受作用效应(即内力和变形)的能力,整个结构或结构构件承受作用效应(即内力和变形)的能力,如构件的承载能力、刚度及抗裂能力等。如构件的承载能力、刚度及抗裂能力等。影响因素影响因素 材料性能(强度、变形模量等)材料性能(强度、变形模量等)几何参数(构件尺寸等)几何参数(构件尺寸等)计算模式的精确性(构件抗力计算模型)计算模式的精确性(构件抗力计算模型)结构抗力结构抗力 R 是随机变量是随机变量3.设计基准期设计基准期 T (design reference period)为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选
5、用的时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,间参数,建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准规定为规定为50年年.3.1.2 结构的预定功能及结构可靠度1.结构设计的基本要求结构设计的基本要求p满足使用功能:满足使用功能:结构的结构的预定功能要求预定功能要求 安全性安全性(safety class):不发生构件破坏或结构倒塌不发生构件破坏或结构倒塌 适用性适用性(serviceability):变形和裂缝宽度不超限变形和裂缝宽度不超限 耐久性耐久性(durability):结构材料的风化、腐蚀和老化不:结构材料的风化、腐蚀和老化不超过一定限度超过一定限度p经济
6、问题经济问题在现有技术的基础上,以最经济的手段获得预定功能要求在现有技术的基础上,以最经济的手段获得预定功能要求 合理地解决结构可靠与经济之间的矛盾合理地解决结构可靠与经济之间的矛盾3.1.2 结构的预定功能及结构可靠度2.结构的可靠度结构的可靠度n结构的可靠性结构的可靠性结构的安全性、适用性和耐久性总称结构的安全性、适用性和耐久性总称结构的可靠性。结构的可靠性。结构在结构在规定的时间规定的时间内,在内,在规定的条件规定的条件下,下,完成预定功能的完成预定功能的能能力。力。(定性描述)(定性描述)n结构可靠度结构可靠度结构在结构在规定的时间规定的时间内,在内,在规定的条件规定的条件下,完成下,
7、完成预定预定功能功能的的概率概率。是可靠性的概率度量。是可靠性的概率度量。(定量描述)(定量描述)p 规定的时间规定的时间:设计使用年限设计使用年限(design working life)设计规定的设计规定的结构或结构构件结构或结构构件不需进行大修不需进行大修即可按其预定目的即可按其预定目的使用的时期使用的时期 设计使用年限、设计基准期、使用寿命、耐久年限等概念之间设计使用年限、设计基准期、使用寿命、耐久年限等概念之间的区别。的区别。纪念性建筑和特别重要的建筑物纪念性建筑和特别重要的建筑物1004普通房屋和构筑物普通房屋和构筑物503易于替换的结构构件易于替换的结构构件252临时性结构临时性
8、结构51示示 例例设计使用年限(年)设计使用年限(年)类类 别别 p 规定的条件规定的条件 正常设计、正常施工、正常使用正常设计、正常施工、正常使用3.1.2 结构的预定功能及结构可靠度3.1.3结构的安全等级n 结构的安全等级结构的安全等级(safety class)p安安全全等等级级根根据据结结构构破破坏坏可可能能产产生生的的后后果果,即即危危及及人人的的生生命命、造成的经济损失、产生社会影响等的造成的经济损失、产生社会影响等的严重程度严重程度确定确定。安全等级安全等级破坏后果破坏后果建筑物类型建筑物类型一级一级很严重很严重重要的房屋重要的房屋二级二级严严 重重一般的房屋一般的房屋三级三级
9、不严重不严重次要的房屋次要的房屋p 建建筑筑物物中中各各类类结结构构构构件件的的安安全全等等级级宜宜与与整整个个结结构构的的安安全全等等级级相相同同,但但允允许许对对部部分分结结构构构构件件根根据据其其重重要要程程度度和和综综合合效效益进行适当的调整。益进行适当的调整。p用安全等级用安全等级区分结构的可靠度区分结构的可靠度建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准规定的建筑结构安全等级规定的建筑结构安全等级n 混凝土结构构件设计计算方法的演变混凝土结构构件设计计算方法的演变p 容许应力法容许应力法 特点特点:计算简单;未考虑材料的塑性;经验的安全系数计算简单;未考虑材料的塑性;经验的
10、安全系数p 按破坏阶段的设计方法按破坏阶段的设计方法 特点特点:考虑材料塑性,计算结果较准确;:考虑材料塑性,计算结果较准确;经验的安全系数经验的安全系数p多系数极限状态设计法多系数极限状态设计法 特点特点:较全面地考虑了主要因素;不能计算结构的可靠度:较全面地考虑了主要因素;不能计算结构的可靠度3.1.4 混凝土结构构件设计计算方法3.1.4 混凝土结构构件设计计算方法n概率极限状态设计法概率极限状态设计法 水准水准I 半概率法半概率法把可以统计的因素(荷载值和材料强度值等)用概率方法加把可以统计的因素(荷载值和材料强度值等)用概率方法加以处理,无统计资料的因素用经验系数处理。对结构的可以处
11、理,无统计资料的因素用经验系数处理。对结构的可靠度还不能做出定量的估计。靠度还不能做出定量的估计。TJ10-74基本上属于此法。基本上属于此法。水准水准 近似概率法近似概率法将结构抗力和荷载效应作为随机变量,按将结构抗力和荷载效应作为随机变量,按给定的概率分布给定的概率分布估估算失效概率或可靠指标,采用算失效概率或可靠指标,采用平均值平均值和和标准差标准差两个统计参两个统计参数,对设计表达式进行线性化处理,称为数,对设计表达式进行线性化处理,称为“一次二阶矩法一次二阶矩法”,是一种实用的近似概率计算法。,是一种实用的近似概率计算法。水准水准 全概率法全概率法3.1 结构可靠度及结构设计方法小结
12、n结构上的结构上的作用、作用效应作用、作用效应n结构的结构的抗力抗力n设计基准期设计基准期;设计使用年限设计使用年限;实际寿命实际寿命n结构结构可靠性可靠性,结构,结构可靠度可靠度n结构的结构的安全等级安全等级n概率极限状态设计法概率极限状态设计法 影响结构可靠度的主要因素(荷载值、材料强度值等)影响结构可靠度的主要因素(荷载值、材料强度值等)用用概率的方法概率的方法确定;确定;结构的工作状态取结构的工作状态取“极限状态极限状态”。p 荷荷载标载标准准值值的确定的确定p 材料材料强强度度标标准准值值的确定的确定p 各种各种强强度度值值之之间间的关系的关系3.2.1荷载标准值的确定n 荷载的统计
13、特性荷载的统计特性p 永久荷载永久荷载 G 是是随机变量;随机变量;永久荷载永久荷载 G 符合符合正态分布正态分布p 可变荷载可变荷载 Q 是是随机过程;随机过程;楼面活荷载、风荷载和雪荷载符合楼面活荷载、风荷载和雪荷载符合极值极值 I 型分布型分布n 荷载标准值荷载标准值 结构在使用期间,在正常结构在使用期间,在正常情况下,可能出现的具有一情况下,可能出现的具有一定保证率(定保证率(assurance factor)的的偏大荷载值偏大荷载值。2223242526272800.050.10.150.20.250.30.350.4n 正态分布正态分布永久荷载永久荷载x(kN/m3)概率密度概率密
14、度 p(x)概率密度函数概率密度函数p(x)概率密度函数的性质概率密度函数的性质3.2.1荷载标准值的确定n 极值极值I型分布型分布3.2.1荷载标准值的确定 概率密度函数概率密度函数p(x)概率密度函数的性质概率密度函数的性质活荷载活荷载x 概率密度概率密度 p(x)-4-20246800.050.10.150.20.250.30.350.43.2.1荷载标准值的确定n 荷载标准值荷载标准值p荷荷载载标标准准值值是是建建筑筑结结构构按按极极限限状状态态设设计计时时采采用用的的荷荷载载基基本代表值本代表值。p如如果果荷荷载载符符合合正正态态分分布布,且且具具有有95%的的保保证证率率,则则标标
15、准准值值Pk为为m mPPk232426282200.050.10.150.20.250.30.350.4永久荷载永久荷载x概率密度概率密度 p(x)Pk=m mP+1.645+1.645s sP3.2.1 荷载标准值的确定n 荷载标准值荷载标准值p永永久久荷荷载载标标准准值值Gk:可可按按结结构构设设计计规规定定的的尺尺寸寸和和荷荷载载规规范范规规定定的的材材料料容容重重平平均均值值确确定定,一一般般相相当当于于永永久久荷荷载载概概率分布的平均值。率分布的平均值。p办公楼、住宅楼面均布活荷载标准值办公楼、住宅楼面均布活荷载标准值Qk均为均为2.0kN/m2。p风风荷荷载载标标准准值值是是由由
16、基基本本风风压压乘乘以以风风压压高高度度变变化化系系数数、风风载载体型系数和风振系数确定的。体型系数和风振系数确定的。p雪雪荷荷载载标标准准值值是是由由建建筑筑物物所所在在地地的的基基本本雪雪压压乘乘以以屋屋面面积积雪雪分布系数确定的。分布系数确定的。注注:上述:上述荷载标准值荷载标准值可由可由建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范查取;查取;各种可变荷载标准值的各种可变荷载标准值的保证率不同保证率不同。3.2.2 材料强度标准值的确定n 材料强度的变异性及统计特性材料强度的变异性及统计特性p 钢筋屈服强度的概率分布基本符合钢筋屈服强度的概率分布基本符合正态分布正态分布。p 混凝土立方体抗压强度的实
17、测值也符合混凝土立方体抗压强度的实测值也符合正态分布正态分布。n 材料强度标准值材料强度标准值p 钢筋和混凝土的强度标准值钢筋和混凝土的强度标准值 fk=m mf-asasf。偏低值偏低值m mf2426282200.050.10.150.20.250.30.350.4材料强度材料强度x概率密度概率密度 p(x)fkp a a为为与与材材料料实实际际强强度度 f 低低于于fK的的概概率率有有关关的的保保证率系数证率系数。3.2.2 材料强度标准值的确定p 钢筋的强度标准值钢筋的强度标准值n对对于于热热轧轧钢钢筋筋,废废品品限限值值相相当当于于屈屈服服强强度度平平均均值值减减去去2倍倍标准差,即
18、标准差,即a a=2=2,保证率为保证率为97.73%。n混混凝凝土土规规范范规规定定的的钢钢筋筋强强度度标标准准值值具具有有不不小小于于95%保证率。保证率。n热轧钢筋强度标准值热轧钢筋强度标准值(N/mm2)种种 类类符号符号d/mmfyK热热轧轧钢钢筋筋HPB 300A A622300HRB 335/HRBF 335 B B/B BF650335HRB 400/HRBF400/RRB400C C/C CF/C CR650400HRB 500/HRBF500C C/C CR 6505003.2.2 材料强度标准值的确定p 混凝土的强度标准值混凝土的强度标准值n混混凝凝土土规规范范规规定定的
19、的混混凝凝土土的的强强度度标标准准值值为为具具有有95%保保证证率的强度值。率的强度值。n立方体抗压强度标准值立方体抗压强度标准值 fcu,kn轴心抗压强度标准值轴心抗压强度标准值 fck3.2.2 材料强度标准值的确定p混凝土规范混凝土规范中的混凝土强度标准值规定中的混凝土强度标准值规定混凝土强度标准值混凝土强度标准值(N/mm2)强度强度种类种类混凝土强度等级混凝土强度等级C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60C65C70C75C80fck10.013.416.720.123.426.829.632.435.538.541.544.547.450.2ftk1.271.
20、541.782.012.202.392.512.642.742.852.932.993.053.11n轴心抗拉强度标准值轴心抗拉强度标准值 ftk混凝土强度的混凝土强度的基本代表值基本代表值为为 fcu,k。3.2 荷载和材料强度取值小结n重要思想重要思想:荷载取具有一定保证率的荷载取具有一定保证率的偏大荷载值偏大荷载值(不取最大值)(不取最大值)材料强度取具有一定保证率的材料强度取具有一定保证率的偏小强度值偏小强度值(不取最小值)(不取最小值)。安全与经济的统一;适当的可靠度安全与经济的统一;适当的可靠度n荷载标准值荷载标准值:按按荷载规范荷载规范查取;查取;各种荷载的保证率不一致(统计资料
21、不完备,工程经验)各种荷载的保证率不一致(统计资料不完备,工程经验)n材料强度标准值材料强度标准值:均具有大于或等:均具有大于或等95%的保证率(钢筋强度保证率为的保证率(钢筋强度保证率为97.78%;混凝土强度保证率;混凝土强度保证率95%)根据根据混凝土强度等级混凝土强度等级(立方体抗压强度标准值(立方体抗压强度标准值:基本代表值基本代表值)查规范。)查规范。n材料强度平均值(结构分析材料强度平均值(结构分析设计设计)p 承承载载能力与正常使用极限状能力与正常使用极限状态态p 结结构可靠度的构可靠度的计计算算p 概率极限状概率极限状态设计态设计法法3.3 概率极限状态设计法提要n结构的极限
22、状态结构的极限状态 定义;两类极限状态(安全性,适用性和耐久性)定义;两类极限状态(安全性,适用性和耐久性)n结构的设计状况结构的设计状况 结构物在建造和使用过程中结构物在建造和使用过程中所承受的作用、所处环境条件、所承受的作用、所处环境条件、经历时间长短等都是不同的经历时间长短等都是不同的,设计时所采用的结构体系、,设计时所采用的结构体系、可可靠度水准靠度水准、设计方法等也应有所区别。、设计方法等也应有所区别。n结构的功能函数和极限状态方程结构的功能函数和极限状态方程 作用效应作用效应S与结构抗力与结构抗力R的关系式;的关系式;S=Rn结构可靠度计算结构可靠度计算 失效概率;可靠指标失效概率
23、;可靠指标 n概率极限状态设计的一般方法(概率极限状态设计的一般方法(少数重要结构采用少数重要结构采用)3.3.1 结构的极限状态p 结构的极限状态结构的极限状态n整整个个结结构构或或结结构构的的一一部部分分超超过过某某一一特特定定状状态态就就不不能能满满足足设设计计规规定定的的某某一一功功能能要要求求,此此特特定定状状态态称称为为该该功功能能的的极极限状态限状态。n极限状态实质上是极限状态实质上是区分结构可靠与失效的界限区分结构可靠与失效的界限。p 结构的极限状态分类结构的极限状态分类n 承载能力极限状态承载能力极限状态安全性安全性极限状态。主要是破坏(强度)极限状态极限状态。主要是破坏(强
24、度)极限状态n 正常使用极限状态正常使用极限状态适适用用性性和和耐耐久久性性极极限限状状态态。主主要要是是变变形形和和裂裂缝缝宽宽度度极极限限状状态态3.3.1 结构的极限状态n承载能力极限状态(承载能力极限状态(安全性安全性)3点:结构或构件达到结构或构件达到最大承载能力(强度破坏)最大承载能力(强度破坏);达到达到不适于继续承载的变形(失稳、滑移、倾覆等);或因不适于继续承载的变形(失稳、滑移、倾覆等);或因结构局部破坏而引发的连续倒塌。结构局部破坏而引发的连续倒塌。标志和限值n结构构件出现结构构件出现强度破坏强度破坏(最主要的承载能力问题)(最主要的承载能力问题)n结构或构件作为结构或构
25、件作为刚体失去平衡刚体失去平衡(如倾覆等)(如倾覆等)n结构转变为结构转变为机动体系机动体系 n结构或构件结构或构件丧失稳定丧失稳定(如压屈等)(如压屈等)n地基丧失承载能力而破坏(如失稳等)地基丧失承载能力而破坏(如失稳等)对于任何承载的结构或构件,都需要按承载能力极限状态进对于任何承载的结构或构件,都需要按承载能力极限状态进行设计。行设计。3.3.1结构的极限状态n正常使用极限状态(正常使用极限状态(适用性和耐久性适用性和耐久性)两点:结构或构件达到结构或构件达到适用性适用性和和耐久性耐久性极限状态极限状态标志和限值n结构变形或振幅达到某一限值;结构变形或振幅达到某一限值;n不允许出现裂缝
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