[工学]第02章-结构按极限状态法设计原则.ppt

1、工学第02章-结构按极限状态法设计原则混凝土结构设计理论的发展混凝土结构设计理论的发展以弹性理论为基础。以弹性理论为基础。考虑材料的塑性破坏考虑材料的塑性破坏将破坏阶段法的单一的安全将破坏阶段法的单一的安全系数改为分项安全系数，即系数改为分项安全系数，即为荷载系数，材料系数，工为荷载系数，材料系数，工作条件系数。作条件系数。1、容许应力法、容许应力法2、破坏阶段法、破坏阶段法3、极限状态法、极限状态法4、以、以可靠度可靠度为为基础的概率极限基础的概率极限状态设计法状态设计法现行工程结构设计的总原则现行工程结构设计的总原则概率设计按精确程度可分三个水准：概率设计按精确程度可分三个水准：半概率半概

2、率近似概率（我国）近似概率（我国）全概率全概率最优失效概率最优失效概率第一节第一节 结构的功能要求和极限状态结构的功能要求和极限状态安全等级安全等级 破坏后果破坏后果 建筑物类型建筑物类型 结构重要性系数结构重要性系数0一级一级很严重很严重重要建筑物重要建筑物1.1二级二级严严 重重一般建筑物一般建筑物1.0三级三级不严重不严重次要建筑物次要建筑物0.9一、结构的功能要求一、结构的功能要求（一）结构的安全等级：（一）结构的安全等级：根据结构的根据结构的用途用途决定。决定。建筑结构的安全等级建筑结构的安全等级（二）结构的设计使用年限（二）结构的设计使用年限结构的设计使用年限：设计规定的结构或结构

3、的设计使用年限：设计规定的结构或结构构件不需要大修即可按其预定目的使用的结构构件不需要大修即可按其预定目的使用的时期。时期。类别类别设计使用年限（年）设计使用年限（年）示例示例15临时结构临时结构225易于更换的构件易于更换的构件350普通房屋普通房屋（三）建筑结构的功能（三）建筑结构的功能何一个建筑物在规定的使用期限内都应满足何一个建筑物在规定的使用期限内都应满足安全、适用、耐久三个方面的功能要求：安全、适用、耐久三个方面的功能要求：1、安全性安全性：在正常施工和正常使用条件下，：在正常施工和正常使用条件下，承受可能出现的各种功能的能力，以及各种偶然承受可能出现的各种功能的能力，以及各种偶然

4、事件发生时和发生后，仍能保持必要的整体性而事件发生时和发生后，仍能保持必要的整体性而不至倒塌的能力。不至倒塌的能力。2、适用性适用性：结构在正常使用条件下具有：结构在正常使用条件下具有良好工作的性能。良好工作的性能。3、耐久性耐久性：结构在正常维护条件下，随：结构在正常维护条件下，随时间变化仍能满足功能要求的能力时间变化仍能满足功能要求的能力。安全性、适用性、耐久性这三者可以统称安全性、适用性、耐久性这三者可以统称为结构的可靠性，所谓为结构的可靠性，所谓结构的可靠性结构的可靠性是指结构是指结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的功能的能力能力。

5、可靠性用可靠性用可靠度可靠度来进行数量描述，所谓可来进行数量描述，所谓可靠度是指：结构在规定的时间内，在规定的条靠度是指：结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的件下，完成预定功能的概率概率。二、结构的极限状态二、结构的极限状态 所谓结构的极限状态是指结构或构件能够所谓结构的极限状态是指结构或构件能够满足设计规定的某一功能要求的一种满足设计规定的某一功能要求的一种特定临界特定临界状态状态。极限状态主要分为两类：极限状态主要分为两类：1、承载能力承载能力极限状态极限状态2、正常使用正常使用极限状态极限状态 1、承载能力极限状态：、承载能力极限状态：结构或构件达到最大承载力、出现疲劳破坏

6、结构或构件达到最大承载力、出现疲劳破坏或不适于继续承载的变形。或不适于继续承载的变形。主要表现：主要表现：（1）构件或连接的材构件或连接的材料强度超过破坏，过度料强度超过破坏，过度塑性变形塑性变形；（2）整个结构或其部整个结构或其部分作为刚体失衡，如侧分作为刚体失衡，如侧移、倾覆等；移、倾覆等；（3）结构体系变为机动结构体系变为机动体系；体系；（4）结构或构件失稳，结构或构件失稳，如压屈等如压屈等。2、正常使用极限状态：、正常使用极限状态：结构或构件达到正常使用或耐久性能的某结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。项规定限值。主要表现：主要表现：（1）影响正常使用或影响正常使用或外观的

7、变外观的变 形；形；（2）影响正常使用或耐影响正常使用或耐久性的久性的 局部损坏（包括局部损坏（包括裂缝）；裂缝）；（3）影响正常使用的影响正常使用的震动；震动；（4）影响正常使用的影响正常使用的其它状态，其它状态，如渗漏、如渗漏、腐蚀、冻害等腐蚀、冻害等设计时是先按承载能力极限状态设计时是先按承载能力极限状态设计构件，再按正常使用极限状态进行设计构件，再按正常使用极限状态进行验算。验算。一、结构上的作用和作用效应一、结构上的作用和作用效应作用作用：施加在结构上的集中或分布荷载以：施加在结构上的集中或分布荷载以及引起结构外加变形或约束变形因素的总称。及引起结构外加变形或约束变形因素的总称。第二

8、节第二节 结构上的作用、作用效应及结构上的作用、作用效应及结构抗力和功能函数结构抗力和功能函数 作用作用荷载荷载变形变形（一）按时间的变异分类（一）按时间的变异分类（1）永久作用永久作用，指在设计基准期内，其值，指在设计基准期内，其值不随时间变化或变化可以忽略不计，包括结构不随时间变化或变化可以忽略不计，包括结构自重、土压力，预加力、基础沉降、焊接等。自重、土压力，预加力、基础沉降、焊接等。（2）可变作用可变作用，指在设计基准期内，其值，指在设计基准期内，其值随时间变化或变化不可以忽略不计的作用，包随时间变化或变化不可以忽略不计的作用，包括安装荷载、人群荷载、风、雪，温度变化等。括安装荷载、人

9、群荷载、风、雪，温度变化等。（3）偶然作用偶然作用，指在设计基准期内，不一，指在设计基准期内，不一定出现，一旦出现量值又很大，持续时间很短定出现，一旦出现量值又很大，持续时间很短的作用，包括地震、爆破、撞击等。的作用，包括地震、爆破、撞击等。二、结构的抗力以及功能函数二、结构的抗力以及功能函数1、结构抗力、结构抗力R：结构或构件承受作用效：结构或构件承受作用效应的应的能力能力。2、作用效应、作用效应S：作用在结构或构件中引起：作用在结构或构件中引起的的内力和变形内力和变形。3、结构的功能函数、结构的功能函数 如果用如果用R为结构抗力，为结构抗力，S为作用效应，用为作用效应，用Z=g(R、S)表

10、示表示功能函数功能函数，则，则Z=R-S为最简单的功能为最简单的功能函数，随着条件的变化，函数，随着条件的变化，结构的功能函数结构的功能函数 Z 有三有三种可能性：种可能性：抗力荷载效应可靠失效（1）Z=R-S0，结构抗力大于作用效应，结构抗力大于作用效应，即结构即结构可靠可靠；（2）Z=R-S0，结构抗力小于作用效应，结构抗力小于作用效应，即结构即结构失效失效；（3）Z=R-S=0，结构抗力等于作用效应，结构抗力等于作用效应，即处于即处于极限极限状态。状态。因此可以看出，结构安全可靠的因此可以看出，结构安全可靠的基本条基本条件件是：是：Z0或或RS。第四节第四节 作用的代表值和材料性能标准值

11、作用的代表值和材料性能标准值一、作用的代表值一、作用的代表值 “作用代表值作用代表值”是在设计中用以验算极限是在设计中用以验算极限状态设计表达式中所采用的荷载规定值。状态设计表达式中所采用的荷载规定值。规范中规定设计须考虑的最常见的作用代规范中规定设计须考虑的最常见的作用代表值：表值：作用标准值，作用组合值，作用准永久作用标准值，作用组合值，作用准永久值，作用频遇值值，作用频遇值。（一）（一）作用的标准值作用的标准值Qk 是指在结构的使用期间，各种作用的基是指在结构的使用期间，各种作用的基本代表值，所以可由设计基准期荷载最大值本代表值，所以可由设计基准期荷载最大值概率分布的概率分布的某一分位值

12、某一分位值来确定。来确定。永久作用采用永久作用采用标准值标准值作为代表值。作为代表值。（二）（二）可变作用组合值可变作用组合值c Qk 多种可变荷载同时考虑时，主导荷载和考多种可变荷载同时考虑时，主导荷载和考虑标准值，其余荷载可采用组合值。虑标准值，其余荷载可采用组合值。即此时荷载代表值可采用即此时荷载代表值可采用标准值乘以组合标准值乘以组合值系数值系数c（1）表示。表示。（三）（三）可变作用准永久值可变作用准永久值q Qk 在设计基准期间，可变作用超越的总时间在设计基准期间，可变作用超越的总时间为设计基准期一半的作用值。为设计基准期一半的作用值。采用采用标准值乘以频遇值系数标准值乘以频遇值系

13、数q 表示。表示。（四）（四）可变作用频遇值可变作用频遇值f Qk 在设计基准期间，可变作用超越的总时在设计基准期间，可变作用超越的总时间为规定的较小比率或超越次数为规定次数间为规定的较小比率或超越次数为规定次数的作用值。的作用值。采用采用标准值乘以频遇值系数标准值乘以频遇值系数f 表示。表示。二、材料性能标准值二、材料性能标准值fk 材料性能标准值是极限状态设计表达式材料性能标准值是极限状态设计表达式中所取材料性能的中所取材料性能的基本基本代表值。代表值。由于材料的由于材料的离散性离散性，同一等级的混凝土，同一等级的混凝土的实际强度并不完全一致，它构成一种分的实际强度并不完全一致，它构成一种

14、分布布正态分布（如下图），可有两个特征正态分布（如下图），可有两个特征值值平均值平均值f 和和标准差标准差f 来确定反映其分来确定反映其分布特性。布特性。ffcu,koPcuf95%5%f 1.6451.6451 1.645kfffff 混凝土强度标准值取实测值概率分布混凝土强度标准值取实测值概率分布0.05分位数分位数确定。可用下式表达：确定。可用下式表达：f k 材料强度标准值；材料强度标准值；f 材料强度统计平均值；材料强度统计平均值；f 材料强度标准差；材料强度标准差；f 材料强度变异系数，材料强度变异系数，f=f /f。国标中规定钢筋的标准保证率国标中规定钢筋的标准保证率不低于不低于

15、95%。因此钢筋标准值直接取国标规定值。因此钢筋标准值直接取国标规定值。一、承载能力极限状态设计表达式一、承载能力极限状态设计表达式1、基本表达式、基本表达式第五节第五节 极限状态设计表达式极限状态设计表达式0RS2、作用效应组合的设计值、作用效应组合的设计值S对于承载能力极限状态，结构应按荷载效对于承载能力极限状态，结构应按荷载效应的基本组合进行计算，必要时还要考虑到偶应的基本组合进行计算，必要时还要考虑到偶然荷载。不考虑偶然荷载的称为然荷载。不考虑偶然荷载的称为“基本组合基本组合”。（1）由可变作用效应控制的组合：）由可变作用效应控制的组合：1112nnGiGikQQ kQjcjQjkij

16、SSSS（2）由永久作用效应控制的组合：）由永久作用效应控制的组合：11nnGiGikQjcjQjkijSSS R 结构构件的承载力函数；结构构件的承载力函数；fc、fs分别为混凝土、钢筋的强度设计值；分别为混凝土、钢筋的强度设计值；ak 几何参数标准值，当几何参数的变异几何参数标准值，当几何参数的变异性对结构性能有明显不利的影响时，性对结构性能有明显不利的影响时，可另增减一个附加值。可另增减一个附加值。3、抗力设计值、抗力设计值R,scsckskckkffRRffaRa二、正常使用极限状态设计表达式二、正常使用极限状态设计表达式1、作用效应组合：在计算正常使用极限、作用效应组合：在计算正常使

17、用极限状态的荷载效应组合值状态的荷载效应组合值S时，需要首先确定荷时，需要首先确定荷载效应的标准组合和准永久组合。载效应的标准组合和准永久组合。作用效应的标准组合和准永久组合应按下作用效应的标准组合和准永久组合应按下列规定计算：列规定计算：（1）作用效应标准组合：作用效应标准组合：12nGkQ kciQikiSSSS（2）作用效应准永久组合作用效应准永久组合:1nGkqiQikiSSS2、验算内容：、验算内容：正常使用极限状态的验算内容主要有：变正常使用极限状态的验算内容主要有：变形控制、裂缝控制等形控制、裂缝控制等 （1）变形控制变形控制（即挠度控制）（即挠度控制）荷载长期作用影响计算的最大

18、挠度荷载长期作用影响计算的最大挠度 不超不超过挠度限值过挠度限值lim（见附表）即：（见附表）即：lim（2）裂缝控制裂缝控制 根据所处环境和使用要求，分为根据所处环境和使用要求，分为三级三级：一级一级严格要求不出现裂缝严格要求不出现裂缝即受拉区混凝土的应力即受拉区混凝土的应力 。ckpc 二级二级一般要求不出现裂缝一般要求不出现裂缝 按荷载效应标准组合计算时，受拉区混按荷载效应标准组合计算时，受拉区混凝土拉应力不大于混凝土轴心抗拉强度标准值，凝土拉应力不大于混凝土轴心抗拉强度标准值，即即 或或 。ckpctkf0cqpc 三级三级允许出现裂缝允许出现裂缝 按荷载效应标准组合，并考虑长期作用按

19、荷载效应标准组合，并考虑长期作用的影响计算时，构建的最大裂缝宽度的影响计算时，构建的最大裂缝宽度wmax不应不应大于裂缝宽度限值大于裂缝宽度限值wlim（见附表）。即：（见附表）。即：maxlimww思考题思考题1.什么是结构上的作用？作用效应与荷载什么是结构上的作用？作用效应与荷载效应有什么区别？效应有什么区别？2.什么是结构抗力？影响结构抗力的主要什么是结构抗力？影响结构抗力的主要因素有哪些？因素有哪些？3.什么是结构的可靠度，建筑结构应该满什么是结构的可靠度，建筑结构应该满足哪些功能要求？结构的设计使用年限足哪些功能要求？结构的设计使用年限如何确定？结构超过其设计使用年限是如何确定？结构

20、超过其设计使用年限是否意味着不能再使用？为什么？否意味着不能再使用？为什么？4.什么是失效概率？什么是可靠指标？二者有什么是失效概率？什么是可靠指标？二者有何联系？何联系？5.什么是材料强度标准值？混凝土的强度标准什么是材料强度标准值？混凝土的强度标准值是怎样确定的？混凝土的强度设计值是如何值是怎样确定的？混凝土的强度设计值是如何确定的？确定的？6.什么是荷载标准值？什么是活荷载的频遇值什么是荷载标准值？什么是活荷载的频遇值和准永久值？什么是荷载的组合值？和准永久值？什么是荷载的组合值？7.什么是结构的极限状态？结构的极限状态分什么是结构的极限状态？结构的极限状态分为几类，其含义各是什么？为几

21、类，其含义各是什么？1 1、答：施加在结构上的集中力或分布力、答：施加在结构上的集中力或分布力（直接作用，也成为荷载）和引起结构（直接作用，也成为荷载）和引起结构外加变形或约束变形的原因（间接作外加变形或约束变形的原因（间接作用），总称为作用。用），总称为作用。2 2、答：结构的抗力是指结构或结构构件承、答：结构的抗力是指结构或结构构件承受作用效应的能力。受作用效应的能力。3 3、答：结构的可靠度是结构在规定的时间、答：结构的可靠度是结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。概率。4 4、答、答:我们将结构完成预定功能的概率称我们将结构完成预定功

22、能的概率称为可靠概率为可靠概率PsPs；而结构不能完成预定功；而结构不能完成预定功能的概率称为失效概率能的概率称为失效概率P Pf f。6 6、答：荷载标准值是指其在结构的使用期、答：荷载标准值是指其在结构的使用期间可能出现的最大荷载值。间可能出现的最大荷载值。荷载频遇值是指可变荷载在设计基准荷载频遇值是指可变荷载在设计基准期内被超越的总时间仅为设计基准期一期内被超越的总时间仅为设计基准期一小部分的作用值；或在设计基准期内其小部分的作用值；或在设计基准期内其超越频率为某一给的频率的作用值。超越频率为某一给的频率的作用值。荷载准永久值是指可变荷载在设计基荷载准永久值是指可变荷载在设计基准期内具有

23、较长的总持续时间的代表值准期内具有较长的总持续时间的代表值。当有两种或两种以上的可变荷载作用在当有两种或两种以上的可变荷载作用在结构上要求同时考虑时，由于所有可变结构上要求同时考虑时，由于所有可变荷载同时达到其单独出现时可能达到的荷载同时达到其单独出现时可能达到的最大值的概率极小，因此，除主导荷载最大值的概率极小，因此，除主导荷载仍可以其标准值为代表值外，其他伴随仍可以其标准值为代表值外，其他伴随荷载均应采用某一小于其标准值的组合荷载均应采用某一小于其标准值的组合值为荷载代表值。值为荷载代表值。7 7、答：结构的极限状态是指整个结构或结、答：结构的极限状态是指整个结构或结构的某一部分超过某一特

24、定状态就不能构的某一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定满足设计规定的某一功能要求，此特定状态为该功能的极限状态。状态为该功能的极限状态。根据结构的功能要求，可以分为承载根据结构的功能要求，可以分为承载能力极限状态和正常使用极限状态。能力极限状态和正常使用极限状态。承载能力极限状态对应于结构或结构承载能力极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。载的变形。正常使用极限状态对应于结构或结构构正常使用极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。限值。谢谢观看！