鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)培訓(xùn)資料.doc

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)輔導(dǎo)資料四主 題：第三章 第3節(jié)實用設(shè)計表示部分的內(nèi)容學(xué)習(xí)時間：2011年5月2日5月8日內(nèi) 容：我們這周主要學(xué)習(xí)第三章第三節(jié)的內(nèi)容，通過本周的學(xué)習(xí)，掌握承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的實用設(shè)計表達式，理解材料和荷載的分項系數(shù)，荷載和材料強度的標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計值。一、學(xué)習(xí)要求1.掌握承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)實用設(shè)計表達式；2.理解荷載和材料的分項系數(shù)，荷載和材料強度的標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計值；二、主要內(nèi)容本章包含的基本概念如下： 荷載分項系數(shù)、材料分項系數(shù)、結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。內(nèi)容組成： 兩類極限狀態(tài)的實用設(shè)計表達式 兩個分項系數(shù)：荷載分項系數(shù)、材料分項系數(shù)； 一個結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)； 兩類極限狀態(tài)； 兩類極限狀態(tài)的設(shè)計表達式：結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)設(shè)計表達式，結(jié)構(gòu)構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)設(shè)計表達式。知識點：荷載分項系數(shù)，材料分項系數(shù)，實用設(shè)計表達式。（一）分項系數(shù)采用概率極限狀態(tài)方法用可靠指標(biāo)進行設(shè)計，需要大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，且當(dāng)隨機變量不服從正態(tài)分布、極限狀態(tài)方程是非線性時，計算可靠指標(biāo)比較復(fù)雜。對于一般常見的工程結(jié)構(gòu)，直接采用可靠指標(biāo)進行設(shè)計工作量大，有時會遇到統(tǒng)計資料不足而無法進行的困難?？紤]到多年來的設(shè)計習(xí)慣和實用上的簡便，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)提出了便于實際使用的設(shè)計表達式，稱為實用設(shè)計表達式。實用設(shè)計表達式把荷載、材料、截面尺寸、計算方法等視為隨機變量，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計的概率方法進行分析，采用了以荷載和材料強度的標(biāo)準(zhǔn)值分別與荷載分項系數(shù)和材料分項系數(shù)相聯(lián)系的荷載設(shè)計值、材料設(shè)計值來表達的方式。這樣，既考慮了結(jié)構(gòu)設(shè)計的傳統(tǒng)方式，又避免設(shè)計時直接進行概率方面的計算。分項系數(shù)按照目標(biāo)可靠指標(biāo)值，并考慮工程經(jīng)驗優(yōu)選確定后，將其隱含在設(shè)計表達式中。所以，分項系數(shù)以起著考慮目標(biāo)可靠指標(biāo)的等價作用。例如，永久荷載和可變荷載組合下的設(shè)計表達式為（1）抗力分項系數(shù)；（2）永久荷載分項系數(shù)；（3）可變荷載分項系數(shù)；（4）永久荷載和可變荷載的平均值。定義、分別為抗力分項系數(shù)和荷載分項系數(shù)，從而得一般表達式： （1）可見，抗力分項系數(shù)和荷載分項系數(shù)的來源與目標(biāo)可靠指標(biāo)有關(guān)，所以分項系數(shù)可以按照目標(biāo)可靠指標(biāo)通過反算來確定。這樣，在設(shè)計表達式中就隱含了結(jié)構(gòu)的失效概率，設(shè)計出來的構(gòu)件已經(jīng)具有某一可靠概率的保證。實用設(shè)計表達式是多系數(shù)的極限狀態(tài)表達式，分項系數(shù)又都是由可靠指標(biāo)度量的，這樣就可以保證一種結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件之間的可靠度水平或各種結(jié)構(gòu)之間的可靠度水平基本上比較一致?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范給出的承載能力極限狀態(tài)表達式和正常使用極限狀態(tài)設(shè)計表達式中的分項系數(shù)的值就是按照上述原理確定的。注意：設(shè)計中荷載包括永久荷載、可變荷載等，都是隨機變量，因此必須求得各個荷載統(tǒng)計資料的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，然后利用概率的方法才能得到荷載效應(yīng)S的總的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，抗力R包括鋼筋與混凝土兩種材料的強度，還有幾何尺寸和計算模式的不定性等，這些隨機變量不只是相加的關(guān)系，還有相乘的關(guān)系，也必須采用概率的方法才能得到抗力R的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，然后按近似概率的有關(guān)計算方法求得可靠指標(biāo)，最終求得失效概率。需要指出的是：表達式中雖然用了統(tǒng)計與概率的方法，但是在概率極限狀態(tài)分析中只用到統(tǒng)計平均值和均方差，并非實際的概率分布，并且在分離導(dǎo)出分項系數(shù)時還作了一些假定，運算中采用了一些近似的處理方法，因而計算結(jié)果是近似的，所以只能稱為近似概率設(shè)計方法。（二）承載能力極限狀態(tài)設(shè)計表達式1.承載能力極限狀態(tài)設(shè)計簡單表達式 （2）令為荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值，為荷載分項系數(shù)，=S為荷載效應(yīng)的設(shè)計值，為結(jié)構(gòu)抗力的標(biāo)準(zhǔn)值，為抗力的分項系數(shù)，為抗力的設(shè)計值。上式是極限狀態(tài)設(shè)計簡單表達式，式中為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。 實際上荷載效應(yīng)中的荷載有永久荷載和可變荷載，并且可變荷載不止一個，同時，可變荷載對結(jié)構(gòu)的影響有大有小，多個可變荷載也不一定同時發(fā)生，例如，高層建筑各樓層可變荷載全部載滿且遇到最大風(fēng)荷載的可能性就不大。為此，考慮到兩個或兩個以上可變荷載同時出現(xiàn)的可能性較小，引入荷載組合值系數(shù)對其折減。2.荷載效應(yīng)組合的設(shè)計值S按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時，應(yīng)考慮作用效應(yīng)的基本組合，必要時尚應(yīng)考慮作用效應(yīng)的偶然組合。對于基本組合，荷載效應(yīng)組合的設(shè)計值S應(yīng)從由可變荷載效應(yīng)控制的組合和由永久荷載效應(yīng)控制的兩組組合中取最不利值確定:（1）對由可變荷載效應(yīng)控制的組合，其承載能力極限狀態(tài)設(shè)計表達式一般形式為（2）對由永久荷載效應(yīng)控制的組合，其承載能力極限狀態(tài)設(shè)計表達式的一般形式為式中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性系數(shù)，與安全等級對應(yīng)。對安全等級為一級或設(shè)計使年限為100年及以上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不應(yīng)小于1.1；對二級或設(shè)計使用年限為50年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不應(yīng)小于1.0；對三級或設(shè)計使用年限為5年及以下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不應(yīng)小于0.9；在抗震設(shè)計中，不考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性系數(shù)；永久荷載的分項系數(shù)。當(dāng)永久荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利時，對由可變荷載效應(yīng)控制的組合=1.2；由永久荷載效應(yīng)控制的組合=1.35；當(dāng)永久荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利時，取=1.0。、可變荷載的分項系數(shù)。、一般取1.4；分別為永久荷載、第一種可變荷載、其他可變荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值，如荷載引起的彎矩、剪力、軸力和變形等；可變荷載的組合值系數(shù)。以上不等式右側(cè)為結(jié)構(gòu)承載力，用承載力函數(shù)R（）表示，表明其為混凝土和鋼筋強度標(biāo)準(zhǔn)值（、）、分項系數(shù)（、）、幾何尺寸標(biāo)準(zhǔn)值（）以及其他參數(shù)的函數(shù)。（三）正常使用極限狀態(tài)設(shè)計表達按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計，主要是驗算構(gòu)件的變形和抗裂度或裂縫寬度。按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計時，變形過大或裂縫過寬雖影響正常使用，但危害程度不及承載力引起的結(jié)構(gòu)破壞造成的損失那么大，所以可適當(dāng)降低對可靠度的要求。計算時取荷載標(biāo)準(zhǔn)值，不需乘分項系數(shù)，也不考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。1.正常使用極限狀態(tài)設(shè)計簡單表達式2.可變荷載的準(zhǔn)永久值系數(shù)和頻遇值系數(shù)在正常使用狀態(tài)下，可變荷載作用時間的長短對于變形和裂縫的大小顯然是有影響的?？勺兒奢d的最大值并非長期作用于結(jié)構(gòu)之上，所以應(yīng)按其在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)作用時間的長短和可變荷載超越總時間或超越次數(shù)，對其標(biāo)準(zhǔn)值進行折減。建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)采用一個小于1的準(zhǔn)永久值系數(shù)和頻遇值系數(shù)來考慮這種折減。（1）準(zhǔn)永久值系數(shù)，是根據(jù)在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)荷載達到和超過該值的總持續(xù)時間與設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)總持續(xù)時間的比值而確定。（2）頻遇值系數(shù)，是根據(jù)在設(shè)計基準(zhǔn)期間可變荷載超越的總時間或超越的次數(shù)來確定的。3.可變荷載的準(zhǔn)永久值和頻遇值準(zhǔn)永久值=可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值準(zhǔn)永久值系數(shù)()頻遇值=可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值頻遇值系數(shù)()4.可變荷載的代表值可變荷載有四種代表值，即標(biāo)準(zhǔn)值、組合值、準(zhǔn)永久值和頻遇值。其中標(biāo)準(zhǔn)值稱為基本代表值，其他代表值可由基本代表值乘以相應(yīng)的系數(shù)得到。各類可變荷載和相應(yīng)的組合值系數(shù)、準(zhǔn)永久值系數(shù)、頻遇值系數(shù)可在荷載規(guī)范中查到。5.荷載效應(yīng)組合的標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)實際設(shè)計的需要，常須區(qū)分荷載的短期作用（標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合）和荷載的長期作用（準(zhǔn)永久組合）下構(gòu)件的變形大小和裂縫寬度驗算。所以，建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定按不同的設(shè)計目的，分別選用荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合和荷載的準(zhǔn)永久組合。（1）荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合標(biāo)準(zhǔn)組合主要用于當(dāng)一個極限狀態(tài)被超越時將產(chǎn)生嚴(yán)重的永久性損害的情況。按荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合時，荷載效應(yīng)組合的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下式計算：式中，永久荷載及第一個可變荷載采用標(biāo)準(zhǔn)值，其他可變荷載均采用組合值，為可變荷載組合系數(shù)。（2）荷載的頻遇組合頻遇組合主要用于當(dāng)一個極限狀態(tài)被超越時將產(chǎn)生局部損害、較大變形或短暫振動的情況。按荷載的頻遇組合時，荷載效應(yīng)組合的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下式計算：式中，為可變荷載的頻遇值系數(shù)。（3）荷載的準(zhǔn)永久組合準(zhǔn)永久組合主要用于當(dāng)長期效應(yīng)是決定性因素的情況。按荷載的準(zhǔn)永久組合時，荷載效應(yīng)組合的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下式計算，式中為可變荷載準(zhǔn)永久值系數(shù)。（四）按極限狀態(tài)設(shè)計時材料強度和荷載的取值1鋼筋抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值對于鋼材，國家標(biāo)準(zhǔn)中已規(guī)定了每一種鋼材的廢品限值。抽樣檢查中如發(fā)現(xiàn)某爐鋼材的屈服強度達不到此限值，即作為廢品處理。例如，HPB235(Q235)鋼筋，其廢品限值為235N/mm。確定的這個廢品限值大體能滿足保證率為97.73，即平均值減去二倍的標(biāo)準(zhǔn)差。這一保證率已高于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的保證率95的要求，因而混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中取國家冶金局標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的廢品限值作為鋼筋強度的標(biāo)準(zhǔn)值。熱軋鋼筋抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值用表示，取等于國家標(biāo)準(zhǔn)頒布的屈服強度的廢品限值；預(yù)應(yīng)力鋼絞線、鋼絲和熱處理鋼筋的強度標(biāo)準(zhǔn)值用表示，系根據(jù)極限抗拉強度確定(條件屈服點0.85)。圖4.1 鋼筋屈服強度頻率分布圖2.混凝土立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值混凝土立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值用表示。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的保證率95的要求，混凝土強度標(biāo)準(zhǔn)值取平均值減1.645倍的標(biāo)準(zhǔn)差。式中混凝土立方體抗壓強度的平均值，（N/mm），混凝土立方體抗壓強度的平均值，（N/mm），混凝土立方體抗壓強度的標(biāo)準(zhǔn)差。圖4.2 混凝土立方體強度的統(tǒng)計資料舉例說明【例】一組立方體試塊，抗壓強度服從正態(tài)分布，平均值 =27.9N/mm，標(biāo)準(zhǔn)差=5.76N/mm，則其標(biāo)準(zhǔn)值為=27.9-1.6455.76=18.42N/mm。3分項系數(shù)和設(shè)計值（1）材料強度的分項系數(shù)和設(shè)計值鋼筋強度的分項系數(shù)根據(jù)鋼筋種類不同，取值范圍在1.11.5；混凝土強度的分項系數(shù)規(guī)定為1.4。材料的強度設(shè)計值材料強度標(biāo)準(zhǔn)值/材料的分項系數(shù)（2）荷載分項系數(shù)和設(shè)計值永久荷載的分項系數(shù)，根據(jù)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利和有利分別取1.2（或1.35）和1.0，可變荷載的分項系數(shù)一般取1.4。設(shè)計中為了使得結(jié)構(gòu)達到規(guī)定的可靠指標(biāo)，在計算中應(yīng)采用荷載設(shè)計值進行計算。荷載設(shè)計值荷載的標(biāo)準(zhǔn)值荷載分項系數(shù)承載能力極限狀態(tài)分項系數(shù)如下表所示：表4.1承載能力極限狀態(tài)分項系數(shù)表分項系數(shù)我國MC90恒載分項系數(shù)1.20 1.0(G有利時)1.35活載分項系數(shù)1.401.30（q4 kN/m2）1.50砼材料分項系數(shù)1.351.50鋼筋材料分項系數(shù)1.101.15三、典型習(xí)題（一）填空題1、結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)分為 和 。答案：承載力極限狀態(tài)，正常使用極限狀態(tài)2、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時的一般公式為，式中為 系數(shù)。答案：結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)3、荷載的設(shè)計值可由荷載的標(biāo)準(zhǔn)值乘以對應(yīng)的 系數(shù)計算。答案：荷載分項系數(shù)4、材料強度的設(shè)計值等于材料強度的標(biāo)準(zhǔn)值除以對應(yīng)的 系數(shù)。答案：材料分項（二）判斷題1、可變荷載的準(zhǔn)永久組合時，可變荷載采用其準(zhǔn)永久值。（ ）答案：正確2、可變荷載的準(zhǔn)永久值大于可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值。（ ）答案：錯誤3、材料強度的標(biāo)準(zhǔn)值是結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用的材料性能基本代表值。（ ）答案：錯誤(三)簡答題1、同一建筑物內(nèi)各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全等級是否要相同？答：同一建筑物內(nèi)的各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件，一般宜采用與整個結(jié)構(gòu)相同的安全等級，但如果提高某一結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全等級所需額外費用極少，又能減輕整個結(jié)構(gòu)的破壞，從而極大地減少人員傷亡和財產(chǎn)損失，可將該結(jié)構(gòu)的安全等級提高一級；相反，如果某一結(jié)構(gòu)構(gòu)架的破壞并不影響整個結(jié)構(gòu)構(gòu)件，則可將安全等級降低一級。2、如何劃分結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)？答：我國規(guī)范將結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)分為兩類。（1）承載能力極限狀態(tài)當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)時，即認(rèn)為超過