鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)課件：第3章_結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本方法

1、第3章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本方法 Copyright浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)人生如混凝土1、人生如混凝土，生出來(lái)的時(shí)候就那么一灘，誰(shuí)知道將來(lái)會(huì)成什么模樣。2、人生如混凝土，在起初凝結(jié)成型的時(shí)候，成了就成了，沒(méi)成就廢了。3、人生如混凝土，在成型的過(guò)程中不多振搗振搗，就會(huì)松松垮垮的，無(wú)法密實(shí)堅(jiān)強(qiáng)。4、人生如混凝土，不同的標(biāo)號(hào)代表著不同的抗壓承受能力。5、人生如混凝土，看著很結(jié)實(shí)，一旦承受不了壓力就酥了，成了建筑垃圾，也再?zèng)]機(jī)會(huì)成型了。6、人生如混凝土，是需要養(yǎng)護(hù)的。7、人生如混凝土，是要帶裂縫工作的。8、人生如混凝土，內(nèi)心沒(méi)有鋼筋意志，是經(jīng)不起各種拉扭彎剪折騰的。9、人生如混凝土，在七八十年壽

2、命中，要能抗壓力，抗打擊，耐腐蝕，抗疲勞.千萬(wàn)別中途就被拆了。10、人生如混凝土，不論在什么地方，要有剛度，也要有一定的彈性，越超靜定才越安全。軟鋼和硬鋼的變形曲線(xiàn)有什么不同，屈服強(qiáng)度各如何定義的？普通混凝土結(jié)構(gòu)中采用高強(qiáng)鋼筋是否合適，為何？混凝土收到側(cè)向約束后性能有何變化？習(xí)題2.10習(xí)題2.24概述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠經(jīng)濟(jì)合理合理的平衡矛盾處理達(dá)到以最低的代價(jià)使所建造的結(jié)構(gòu)物在規(guī)定的使用期限內(nèi)和規(guī)定的條件下，能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)預(yù)定功能的要求。設(shè)計(jì)方法定值設(shè)計(jì)法：以經(jīng)驗(yàn)為主的安全系數(shù)來(lái)度量結(jié)構(gòu)可靠度非定值設(shè)計(jì)法：以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法3.1 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的基本概念一.結(jié)構(gòu)的功能要求國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（

3、GB50068-2001）對(duì)結(jié)構(gòu)功能的要求： 完成 規(guī)定的時(shí)間規(guī)定的條件預(yù)定的功能安全性適用性耐久性安全性、適用性、耐久性三者構(gòu)成了結(jié)構(gòu)功能基本內(nèi)涵3.1 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的基本概念在預(yù)定的使用期間內(nèi)，應(yīng)能承受正常施工、正常使用情況下可能出現(xiàn)的各種荷載、外加變形、約束變形等的作用。1.安全性（Safety） 永久荷載可變荷載偶然荷載地基變形砼收縮地震荷載（直接作用）間接作用結(jié)構(gòu)效應(yīng)內(nèi)力變形裂縫3.1 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的基本概念在偶然事件（如地震、爆炸）發(fā)生時(shí)和發(fā)生后，結(jié)構(gòu)應(yīng)能保持整體穩(wěn)定性，不應(yīng)發(fā)生倒塌或連續(xù)破壞而造成生命財(cái)產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失。1.安全性（Safety） 安全性表征結(jié)構(gòu)抵御各種作用的能力

4、 3.1 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的基本概念 結(jié)構(gòu)在正常使用期間，具有良好的工作性能。如不發(fā)生影響正常使用的過(guò)大的變形（撓度、側(cè)移）、振動(dòng)（頻率、振幅），或產(chǎn)生讓使用者感到不安的過(guò)大的裂縫寬度。 2.適用性 (Serviceability) 以人為主觀(guān)的適宜的工作性能3.1 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的基本概念指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的工作環(huán)境中，在預(yù)定時(shí)期內(nèi)，其材料性能的劣化不致導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不可接受的失效概率；在正常維護(hù)條件下，結(jié)構(gòu)能夠正常使用到規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限。 3.耐久性 (Durability) 結(jié)構(gòu)抵御性能劣化的能力3.1 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的基本概念表征結(jié)構(gòu)抵御各種作用的能力以人為主觀(guān)的適宜的工作性能長(zhǎng)期作用下（環(huán)境

5、、荷載等）結(jié)構(gòu)抵御性能劣化的能力安全性適用性耐久性3.1極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的基本概念二.結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)(Limit States)1.定義(Definition) 滿(mǎn)足上述各項(xiàng)要求的狀態(tài)可靠狀態(tài)不滿(mǎn)足上述各項(xiàng)要求的狀態(tài)失效狀態(tài)極限狀態(tài)方程：Z=R-S=0R結(jié)構(gòu)能承受內(nèi)力和變形的能力 S外部作用在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的效應(yīng)（內(nèi)力和變形） 臨界狀態(tài)功能極限狀態(tài)3.1極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的基本概念二.結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)2.分類(lèi)安全性承載能力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載力整體或局部失穩(wěn)出現(xiàn)疲勞破壞不能繼續(xù)承載變形的狀態(tài) 承載力、穩(wěn)定、疲勞適用性正常使用極限狀態(tài)過(guò)大變形過(guò)大裂縫振動(dòng)變形、裂縫耐久性耐久性極限狀態(tài)？耐久性設(shè)

6、計(jì)是目前結(jié)構(gòu)性能可靠性分析中的重要不足！3.2結(jié)構(gòu)可靠度的基本概念1.功能函數(shù)2.S和R的不確定性1）S和R均不是定值，而是隨機(jī)變量.2）作用效應(yīng)S的不確定性主要是由下列因素引起的:荷載(或作用)本身的變異性;內(nèi)力計(jì)算假定與結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況間的差異.3）結(jié)構(gòu)抗力R的不確定性主要是由下列因素引起的:材料性能的不確性;結(jié)構(gòu)構(gòu)件幾何參數(shù)的不確定性;結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力R的計(jì)算模式的不確定性. 所以對(duì)上述狀態(tài)要科學(xué)的衡量，只能用概率的方法.4）只要Z=R-S0的概率（即可靠概率或稱(chēng)可靠度）大到人們足以放心，就可認(rèn)為設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是安全可靠的. 式中S表示效應(yīng)，R表示抗力，設(shè)計(jì)時(shí)采用的值是定值，荷載每年不一樣，如何

7、考慮？設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期3.2結(jié)構(gòu)可靠度的基本概念2.設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期(Design reference period)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期是為確定可變作用與時(shí)間有關(guān)的材料性能取值而選用的時(shí)間參數(shù)，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)取用的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年。3.設(shè)計(jì)使用年限(Design life)設(shè)計(jì)使用年限是設(shè)計(jì)規(guī)定的一個(gè)時(shí)期，在這規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，只需進(jìn)行正常的維護(hù)而不需進(jìn)行大修就能按預(yù)期目的使用，完成預(yù)定的功能。類(lèi)別設(shè)計(jì)使用年限（年）示例15臨時(shí)性結(jié)構(gòu)225易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件350普通房屋和構(gòu)筑物4100紀(jì)念性建筑和特別重要的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限分類(lèi)到了設(shè)計(jì)使用年限，并不等于結(jié)構(gòu)失效！3.2結(jié)構(gòu)可靠度的基本概念4.結(jié)構(gòu)的可靠性(Relia

8、bility)結(jié)構(gòu)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)（即設(shè)計(jì)使用年限）、規(guī)定條件下（指正常設(shè)計(jì)、正常施工和正常使用，不考慮人為地過(guò)失或錯(cuò)誤）能完成預(yù)定功能（安全性、適用性和耐久性）的能力，稱(chēng)為結(jié)構(gòu)可靠性。5.結(jié)構(gòu)的可靠度(Reliability)由于作用效應(yīng)S和結(jié)構(gòu)抗力R都是隨機(jī)變量，具有不確定性，應(yīng)用概論理論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)度量結(jié)構(gòu)可靠性。結(jié)構(gòu)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定條件下能完成預(yù)定功能的概率，稱(chēng)為結(jié)構(gòu)可靠度。應(yīng)用結(jié)構(gòu)可靠度進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一種非定值的設(shè)計(jì)方法，與以往定值設(shè)計(jì)法（經(jīng)驗(yàn)確定的安全系數(shù)K）有本質(zhì)不同。3.2結(jié)構(gòu)可靠度的基本概念6.失效概率(Probability of failure)Pf結(jié)構(gòu)功能在規(guī)定時(shí)

9、間內(nèi)、規(guī)定條件下不能定成預(yù)定功能的概率，即RS的概率，圖中陰影部分面積7. 可靠概率(Probability of reliability)Ps 結(jié)構(gòu)功能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)、規(guī)定條件下完成預(yù)定功能的概率SRPRSSR減小失效概率方法：降低效應(yīng)S左移增加抗力R右移S左移 R右移Pf Ps1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠經(jīng)濟(jì)合理合理的平衡矛盾處理達(dá)到以最低的代價(jià)使所建造的結(jié)構(gòu)物在規(guī)定的使用期限內(nèi)和規(guī)定的條件下，能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)預(yù)定功能的要求。結(jié)構(gòu)可靠性，結(jié)構(gòu)可靠度？設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，設(shè)計(jì)使用年限？結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)？3.2結(jié)構(gòu)可靠度的基本概念8.可靠指標(biāo)(Reliability index)結(jié)構(gòu)功能函數(shù)Z的平均值Z與其標(biāo)準(zhǔn)差z的比值，

10、它與Pf有一一對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。9.目標(biāo)可靠指標(biāo)（設(shè)計(jì)可靠指標(biāo)）作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)的可靠指標(biāo)稱(chēng)為目標(biāo)可靠指標(biāo)。安全等級(jí)延性破壞脆性破壞PfPf一級(jí)3.71.110-44.21.310-5二級(jí)3.26.910-43.71.110-4三級(jí)2.73.510-33.26.910-43.2結(jié)構(gòu)可靠度的基本概念10.結(jié)構(gòu)安全等級(jí)(Safety degree)根據(jù)結(jié)構(gòu)物重要性確定。現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500102011）是采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，以可靠指標(biāo)度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度，采用分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)的。安全等級(jí)破壞后果建筑物類(lèi)型一級(jí)很?chē)?yán)重重要的建筑物二級(jí)嚴(yán)重一般的建筑物三級(jí)不嚴(yán)重

11、次要的建筑物建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)3.3極限狀態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)用表達(dá)式 一.荷載 永久荷載：采用標(biāo)準(zhǔn)值作為代表值 可變荷載：采用標(biāo)準(zhǔn)值，組合值，頻遇值，準(zhǔn)永久值作為代表值1.荷載代表值(Representative value)：給荷載賦予的規(guī)定值1）荷載標(biāo)準(zhǔn)值(Standard value)2）荷載組合值(Combined value)3）荷載頻遇值(Frequent value)4）荷載準(zhǔn)永久值(Quasi-permanent value)3.3極限狀態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)用表達(dá)式 一.荷載1.荷載代表值(Representative value)1）荷載標(biāo)準(zhǔn)值(Standard value)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)最大荷載概

12、率分布的某一分位值 永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值Gk 可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值Qk建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范對(duì)各種Gk、Qk作出了規(guī)定2）荷載組合值(Combined value)荷載組合值是對(duì)可變荷載（活荷載）而言的多種荷載達(dá)到最大值的概率較小，故取可變荷載的組合值可變荷載組合值為可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值Qk乘以荷載組合值系數(shù)0（一般均小于1）3.3極限狀態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)用表達(dá)式 3）荷載頻遇值(Frequent value)荷載頻遇值也是對(duì)可變荷載而言的，主要用于正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的頻遇組合中頻遇值是設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，荷載達(dá)到和超過(guò)該值的總持續(xù)時(shí)間與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的比值小于0.1的荷載代表值荷載頻遇值為荷載的標(biāo)準(zhǔn)值Qk乘以頻遇值系數(shù)f4）荷載準(zhǔn)

13、永久值(Quasi-Permanent value)荷載準(zhǔn)永久值也是對(duì)可變荷載而言的，主要用于正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)永久組合中當(dāng)荷載作用在結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的時(shí)間達(dá)到和超過(guò)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的1/2時(shí)，則稱(chēng)該荷載為準(zhǔn)永久值荷載準(zhǔn)永久值為荷載的標(biāo)準(zhǔn)值Qk乘以準(zhǔn)永久值系數(shù)q3.3極限狀態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)用表達(dá)式 2.荷載分項(xiàng)系數(shù)(Partial factors)1）永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)G 當(dāng)其效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)：對(duì)由可變荷載效應(yīng)控制的組合，G1.2對(duì)由永久荷載效應(yīng)控制的組合，G1.35當(dāng)其效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)：一般情況下，G1.0對(duì)結(jié)構(gòu)的傾復(fù)、滑移或漂浮驗(yàn)算，G0.92）可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)Q 一般情況下，Q1.4對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值大于4k

14、N/m2的工業(yè)建筑樓面的活荷載，Q1.33.荷載設(shè)計(jì)值(Design value)設(shè)計(jì)值荷載標(biāo)準(zhǔn)值分項(xiàng)系數(shù)3.3極限狀態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)用表達(dá)式 二.抗力(Resistance)材料強(qiáng)度1.材料強(qiáng)度取值強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取概率分布的低分位值，一般取0.05分位值設(shè)計(jì)值用強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值除以大于1的分項(xiàng)系數(shù) SPfc95%3.3極限狀態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)用表達(dá)式 二.抗力(Resistance)材料強(qiáng)度1.材料強(qiáng)度取值強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取概率分布的低分位值 設(shè)計(jì)值用強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值除以大于1的分項(xiàng)系數(shù) 2.混凝土強(qiáng)度取值1）立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2）軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值：設(shè)計(jì)值：3）軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值：設(shè)計(jì)值：3.3極限狀態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)用表達(dá)式 2.鋼筋

15、強(qiáng)度取值1）鋼筋屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 2）熱軋鋼筋屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值3）預(yù)應(yīng)力鋼筋屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值3.3極限狀態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)用表達(dá)式 三.承載能力極限狀態(tài)(Ultimate limit state)設(shè)計(jì)表達(dá)式1.計(jì)算采用設(shè)計(jì)值(Design value)2.極限狀態(tài)表達(dá)式 ：結(jié)構(gòu)重要性系數(shù) 一級(jí)1.1，二級(jí)1.0，三級(jí)0.9 ：荷載效應(yīng)軸力、彎矩、剪力、撓度 ：結(jié)構(gòu)抗力與截面尺寸，材料強(qiáng)度等有關(guān)3.3極限狀態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)用表達(dá)式 3.由可變荷載效應(yīng)控制的組合 ：永久荷載分項(xiàng)系數(shù)1.2； ：按永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值Gk計(jì)算的荷載效應(yīng) ：主導(dǎo)可變荷載分項(xiàng)系數(shù)1.4； ：主導(dǎo)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值Q1k計(jì)算的荷載效應(yīng)； ：可變荷載組合系數(shù)

16、4.由永久荷載效應(yīng)控制的組合 ：取1.35課堂練習(xí)有一鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁，計(jì)算跨度l05.0m；梁上作用有均布永久荷載gk40.0kN/m（已包括梁自重）、均布可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值qk10kN/m,梁跨中還作用有個(gè)集中可變荷載，其標(biāo)準(zhǔn)值Pk20kN；組合值系數(shù)c0.7。該梁安全等級(jí)為二級(jí)。要求按承載能力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)的基本組合計(jì)算跨中截面彎矩值。提示：先分別計(jì)算永久荷載與可變荷載產(chǎn)生的跨中彎矩(效應(yīng))，再進(jìn)行可變荷載效應(yīng)控制(式3.30)與永久荷載效應(yīng)控制(式3.31)的彎矩組合計(jì)算，比較兩種組合結(jié)果，大者為控制荷載效應(yīng)組合。3.3極限狀態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)用表達(dá)式 如何知道由可變荷載或永久荷載控制？3.3極限

17、狀態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)用表達(dá)式 5.可靠指標(biāo)和概率運(yùn)算的體現(xiàn)荷載和材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值 荷載和材料的分項(xiàng)系數(shù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)結(jié)構(gòu)抗力函數(shù)6.偶然組合的情況規(guī)范未給出具體的規(guī)定只考慮一種偶然作用與其他荷載的組合偶然荷載不乘以荷載分項(xiàng)系數(shù)與偶然作用同時(shí)出現(xiàn)的荷載，根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料和工程經(jīng)驗(yàn)采用 3.3極限狀態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)用表達(dá)式 四.正常使用極限狀態(tài)(Serviceability limit state)設(shè)計(jì)表達(dá)式1.計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)值；不乘以分項(xiàng)系數(shù)和結(jié)構(gòu)重要性系數(shù) 2.極限狀態(tài)表達(dá)式 ：正常使用極限狀態(tài)的荷載效應(yīng)組合值； ：結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用要求的規(guī)定限值； ：撓度限值，一般1/200或1/250； ：裂縫寬度限值，一般0

18、.2mm。3.3極限狀態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)用表達(dá)式 3.短期荷載效應(yīng)組合標(biāo)準(zhǔn)組合(Standard combination)頻遇組合(Frequent combination) ：主導(dǎo)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值Q1k的頻遇系數(shù)； ：準(zhǔn)永久系數(shù)。4.長(zhǎng)期荷載效應(yīng)組合（準(zhǔn)永久組合） 3.3極限狀態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)用表達(dá)式 課堂練習(xí)有一鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁，計(jì)算跨度l04.0m；梁上作用有均布永久荷載gk10.0kN/m（已包括梁自重）、均布可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值qk5kN/m,梁跨中還作用有個(gè)集中可變荷載，其標(biāo)準(zhǔn)值Pk15kN；組合值系數(shù)ci均為0.7，準(zhǔn)永久系數(shù)qi均為0.4。該梁安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限100年。要求：按承載力極限狀態(tài)計(jì)算跨中彎矩，按正常使用極限狀態(tài)計(jì)算荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合值Mk和準(zhǔn)永久組合值Mq 。耐久性基本概念耐久性設(shè)計(jì)5倍定律混凝土結(jié)構(gòu)耐久性 環(huán)境層次 材料層次 構(gòu)件層次 結(jié)構(gòu)層次3.4 耐久性基本規(guī)定簡(jiǎn)介3.4 耐久性基本規(guī)定簡(jiǎn)介五.耐久性規(guī)定1.房屋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)應(yīng)包括下列內(nèi)容：確定結(jié)構(gòu)的環(huán)境類(lèi)別及作用等級(jí)（簡(jiǎn)稱(chēng)環(huán)境等級(jí)）；提出材料的耐久性質(zhì)量要求；確定構(gòu)