第三章 混凝土設(shè)計方法

1、3 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)的功能結(jié)構(gòu)的功能 Functions of Structure 安全性安全性 （Safety） 結(jié)構(gòu)在預(yù)定的使用期間內(nèi)（一般為結(jié)構(gòu)在預(yù)定的使用期間內(nèi)（一般為50年），應(yīng)能承受在正常施工、年），應(yīng)能承受在正常施工、 正正 常使用情況下可能出現(xiàn)的各種荷載、外加變形（如超靜定結(jié)構(gòu)的支座常使用情況下可能出現(xiàn)的各種荷載、外加變形（如超靜定結(jié)構(gòu)的支座 不均勻沉降）、約束變形等的作用；不均勻沉降）、約束變形等的作用； 在偶然事件（如地震、爆炸）發(fā)生時和發(fā)生后，結(jié)構(gòu)應(yīng)能保持整體穩(wěn)在偶然事件（如地震、爆炸）發(fā)生時和發(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

2、財產(chǎn)的嚴重損失。定性，不應(yīng)發(fā)生倒塌或連續(xù)破壞而造成生命財產(chǎn)的嚴重損失。 適用性適用性 （Serviceability ）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大的變形（撓度、側(cè)移）、振動（頻率、振幅），或產(chǎn)使用的過大的變形（撓度、側(cè)移）、振動（頻率、振幅），或產(chǎn)生讓使用者感到不安的過大的裂縫寬度。生讓使用者感到不安的過大的裂縫寬度。 耐久性耐久性 （Durability ）結(jié)構(gòu)在正常使用和正常維護條件下，應(yīng)具有足夠的耐久性。即在結(jié)構(gòu)在正常使用和正常維護條件下，應(yīng)具有足夠的耐久性。即在各種因素的影響下（各種因素的影

3、響下（混凝土碳化、鋼筋銹蝕混凝土碳化、鋼筋銹蝕），結(jié)構(gòu)的承載力和），結(jié)構(gòu)的承載力和剛度不應(yīng)隨時間有過大的降低，而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在其預(yù)定使用期間內(nèi)剛度不應(yīng)隨時間有過大的降低，而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在其預(yù)定使用期間內(nèi)喪失安全性和適用性，降低使用壽命。喪失安全性和適用性，降低使用壽命。 3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求3 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)設(shè)計方法建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準類別設(shè)計使用年限（年）示 例15臨時性結(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4 100紀念性建筑和特別重要的建筑結(jié)構(gòu)3 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)設(shè)計方法適用性耐久性安全性結(jié)構(gòu)的可靠性結(jié)構(gòu)設(shè)計就是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計就是實現(xiàn)可靠性可靠性與與經(jīng)濟性經(jīng)濟性

4、的最佳平衡的最佳平衡設(shè)計方法設(shè)計方法The Design Methods可靠性：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定可靠性：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的能力。功能的能力。 3 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)設(shè)計方法n極限狀態(tài)：極限狀態(tài)：整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)為該功能的極限狀態(tài)Limit State結(jié)構(gòu)能夠滿足功能要求而良好地工作，則稱結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)能夠滿足功能要求而良好地工作，則稱結(jié)構(gòu)是“可靠可靠”的或的或“有效有效”的。反之，則結(jié)構(gòu)為的。反之，則結(jié)構(gòu)為“不可靠不可靠”或或“失效失效”。 承載力極限狀態(tài)承載力極限狀態(tài)Ult

5、imate Limit State 正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)Serviceability Limit Staten 整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡；去平衡；n結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過材料強度而破結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過材料強度而破壞；壞；n結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系；結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系；n結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定；結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定；n地基喪失承載能力而破壞地基喪失承載能力而破壞n影響正常使用或外觀的變形；影響正常使用或外觀的變形；n影響正常使用或耐久性能的局影響正常使用或耐久性能的局部損壞；部損壞；n影響正常使用的振動；影響正常使用的振動；n影響正常使用的其

6、它特定狀態(tài)影響正常使用的其它特定狀態(tài)3 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)設(shè)計方法基本設(shè)計原則基本設(shè)計原則The Basic Design ApproachDesign of StructuresStrengthDeformation承載力極限狀態(tài)設(shè)計方法正常使用極限狀態(tài)設(shè)計方法3 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)功能的表達結(jié)構(gòu)功能的表達 S 作用效應(yīng)作用效應(yīng) Action Effect 結(jié)構(gòu)上的作用是結(jié)構(gòu)上的作用是使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力、變形和裂縫的原因的總稱，分使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力、變形和裂縫的原因的總稱，分為直接作用和間接作用，作用效應(yīng)即為作用為直接作用和間接作用，作用效應(yīng)即為作用引起的構(gòu)件內(nèi)力。引起的構(gòu)件內(nèi)力。R 結(jié)構(gòu)抗

7、力結(jié)構(gòu)抗力 Resistant 結(jié)構(gòu)抵抗作用效應(yīng)的能力，如受彎承載力結(jié)構(gòu)抵抗作用效應(yīng)的能力，如受彎承載力Mu、受剪承載力、受剪承載力Vu、容、容許撓度許撓度f、容許裂縫寬度、容許裂縫寬度w。S R 失效失效 3 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)設(shè)計方法3 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)設(shè)計方法R，S是隨機變量 偶然作用是隨機事件 可變作用：可能出現(xiàn)也可能不出現(xiàn)、數(shù)值可能大也可能小 永久作用：材料的不同、尺寸誤差、基礎(chǔ)沉降、砼收縮、溫度變化等也具有隨機性 作用效應(yīng)與作用有關(guān)，所以也具有隨機性 影響結(jié)構(gòu)抗力的主要因素有：材料性能、幾何參數(shù)及計算的精確性。由于材料的不同、尺寸誤差、制作安裝誤差與計算的不精確性，所以R也是隨機變量

8、。3 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)設(shè)計方法概率極限狀態(tài)法的概念結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)方程 Z=R-S=g(R,S)=0 其中Z=R-S=g(R,S)為結(jié)構(gòu)功能函數(shù)，結(jié)構(gòu)抗力R與材料強度、截面幾何參數(shù)有關(guān)，作用效應(yīng)與荷載等有關(guān) 可靠狀態(tài)：Z0 失效狀態(tài)：Z0 極限狀態(tài)：Z=03 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)的可靠度 可靠度：在規(guī)定的時間內(nèi)，規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率 注：R與S均為不確定值 度量指標：可靠概率Ps或失效概率Pf ， Pf =P(Z0 結(jié)構(gòu)可靠結(jié)構(gòu)可靠；Z=0 結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)；Z0 結(jié)構(gòu)失效結(jié)構(gòu)失效結(jié)構(gòu)的可靠概率與失效概率的關(guān)系結(jié)構(gòu)的可靠概率與失效概率的關(guān)系 f(Z) ZZzP

9、fZ = R - S ZPS=1-Pf0)(dZZfpf0( )spf Z dZ可靠概率：可靠概率：失效概率：失效概率：安全的概念是相對的，所謂安全的概念是相對的，所謂“安全安全”只是只是失效概率相對較小而已，失效概率不可能失效概率相對較小而已，失效概率不可能為零，故不存在絕對安全的結(jié)構(gòu)。為零，故不存在絕對安全的結(jié)構(gòu)。應(yīng)該通過設(shè)計把失效概率控制在某一個可應(yīng)該通過設(shè)計把失效概率控制在某一個可以接受的限制以下就可以。以接受的限制以下就可以。失效概率越小，表示結(jié)構(gòu)可靠性越大。當(dāng)失效概率失效概率越小，表示結(jié)構(gòu)可靠性越大。當(dāng)失效概率Pf小于某個值時，即可認為結(jié)小于某個值時，即可認為結(jié)構(gòu)設(shè)計是可靠的，即構(gòu)

10、設(shè)計是可靠的，即Pf Pf 。該失效概率限值稱為。該失效概率限值稱為允許失效概率允許失效概率Pf。一般工業(yè)與民用建筑的允許失效概率：延性破壞的結(jié)構(gòu)一般工業(yè)與民用建筑的允許失效概率：延性破壞的結(jié)構(gòu) Pf=6.910-4 脆性破壞的結(jié)構(gòu)脆性破壞的結(jié)構(gòu) Pf=1.110-41sfpp3 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)設(shè)計方法可靠指標與失效概率的關(guān)系可靠指標與失效概率的關(guān)系 f(Z) ZZzPfZ = R - S ZPS=1-Pf失效概率失效概率Pf來度量結(jié)構(gòu)的可靠性具有明確的意義，但計算繁瑣，可以來度量結(jié)構(gòu)的可靠性具有明確的意義，但計算繁瑣，可以利用可靠度指標利用可靠度指標代替失效概率來度量結(jié)構(gòu)的可靠性。代替失效

11、概率來度量結(jié)構(gòu)的可靠性。失效概率失效概率Pf與與可靠指標可靠指標有著一一對應(yīng)的關(guān)系有著一一對應(yīng)的關(guān)系值愈大，失效概率值愈大，失效概率Pf值就愈??；值就愈?。恢涤?，失效概率值愈小，失效概率Pf值就愈大。值就愈大。 z z平均值；平均值；z標準差標準差zzzz 值 2.7 3.2 3.7 4.2 失 效 概 率 Pf 3.5 10-3 6.9 10-4 1.1 10-4 1.3 10-5 3 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)設(shè)計方法目標可靠指標 目標可靠度指標：對于一般結(jié)構(gòu)作為設(shè)計依據(jù)的可靠指標，是可靠度指標的一個限值。 統(tǒng)一標準以我國長期工程經(jīng)驗的結(jié)構(gòu)可靠度水平為校準點，考慮了各種荷載效應(yīng)組合情況，選擇若干有

12、代表性的構(gòu)件進行了大量的計算分析，規(guī)定對于一般工業(yè)與民用建筑作為設(shè)計依據(jù)的可靠指標，稱為目標可靠度指標 3 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)的安全等級 根據(jù)建筑物的重要性不同，即一旦結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時對生命財產(chǎn)的危害程度及社會影響的不同，將建筑結(jié)構(gòu)分為三個安全等級 一級：破壞后果很嚴重的重要建筑物 二級：破壞后果嚴重的一般建筑物 三級：破壞后果不嚴重的次要建筑物 延性破壞：結(jié)構(gòu)構(gòu)件在破壞前有明顯變形或其它預(yù)兆 脆性破壞：結(jié)構(gòu)構(gòu)件在破壞前無明顯變形或其它預(yù)兆3 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)設(shè)計方法建筑結(jié)構(gòu)的安全等級與可靠度指標的關(guān)系 安全等級 破壞效果 建筑物類型 可靠度指標 脆性破壞 延性破壞 一級 很嚴重 重要

13、建筑 4.23.7二級 嚴重 一般建筑 3.73.2三級 不嚴重 次要建筑 3.22.73 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)設(shè)計方法3.6 概率極限狀態(tài)法的設(shè)計表達式概率極限狀態(tài)法的設(shè)計表達式荷載分項系數(shù)：荷載分項系數(shù)：考慮荷載超過標準值的可能性，是一個變量考慮荷載超過標準值的可能性，是一個變量v作用：用于反應(yīng)反映 的效果n3.6.1 荷載分項系數(shù)，材料分項系數(shù)和結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)n荷載分項系數(shù)荷載分項系數(shù) 等于荷載的設(shè)計值與標準值的比值，一般情況下大于等于荷載的設(shè)計值與標準值的比值，一般情況下大于1 1。恒載的設(shè)計值恒載的設(shè)計值 G = G = G GG Gk k （3.113.11）活載的設(shè)計值活載的設(shè)計值

14、Q = Q = Q QQ Qk k3 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)設(shè)計方法 混凝土的設(shè)計強度 f c = f ck / c （3.13） 鋼筋的設(shè)計強度 f s = f sk / s （3.14）材料分項系數(shù)：材料分項系數(shù)：是一個大于是一個大于1.01.0的系數(shù)，考慮材料強度低的系數(shù)，考慮材料強度低于標準值的可能性。于標準值的可能性。n2. 材料分項系數(shù)n等于材料的標準強度與設(shè)計強度的比值，其值大于1。3 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)設(shè)計方法荷載分項系數(shù)分為荷載分項系數(shù)分為恒荷載恒荷載分項系數(shù)和分項系數(shù)和活荷載活荷載分項系數(shù)分項系數(shù)材料分項系數(shù)分為材料分項系數(shù)分為砼砼分項系數(shù)和分項系數(shù)和鋼筋鋼筋分項系數(shù)分項系數(shù)3 結(jié)

15、構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)設(shè)計方法g g0 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù) 根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的重要性將結(jié)構(gòu)分為根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的重要性將結(jié)構(gòu)分為三個安全等級三個安全等級，采用結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)來體現(xiàn)。重要性系數(shù)來體現(xiàn)。一級一級 g g01.1二級二級 g g01.0三級三級 g g00.9n3. 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)03 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)設(shè)計方法3.6.3 極限狀態(tài)設(shè)計表達式 2 正常使用極限狀態(tài) 變形驗算f f 裂縫控制驗算S內(nèi)力組合設(shè)計值（荷載效應(yīng)），代表軸力設(shè)計值N、彎矩設(shè)計值M、剪力設(shè)計值V和扭矩設(shè)計值MT。考慮了荷載分項系數(shù)、荷載組合系數(shù)。 R結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設(shè)計值（抗力），代表截面對于軸力、彎矩、剪力和扭

16、矩的抵抗能力?？紤]了材料分項系數(shù)的影響RS 0g1 承載能力極限狀態(tài)3 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)設(shè)計方法3.7 荷載效應(yīng)組合荷載的代表值荷載的代表值： 荷載是隨機變量，對不同的荷載和設(shè)計情況，應(yīng)采用不同的代表值。 永久荷載永久荷載：代表值只有一個，即標準值。結(jié)構(gòu)自重按設(shè)計尺寸與容重計算確定。 可變荷載可變荷載： 標準值標準值：取出現(xiàn)頻率最多的值作為標準值，設(shè)計時直接查規(guī)范取用。 組合值組合值 cQk ：結(jié)構(gòu)上多個活載共同作用時，并不會同時達到其標準值，則對其標準值進行折減，即組合值。用于承載能力極限狀態(tài)的基本組合和正常使用極限狀態(tài)的標準 組合。荷載頻遇值荷載頻遇值 準永久值準永久值 qQk ：可變荷載

17、中，在整個設(shè)計基準期內(nèi)出現(xiàn)時間較長的那部分荷載值。用于正常使用極限狀態(tài)的準永久組合。3 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)設(shè)計方法按承載力極限狀態(tài)計算按承載力極限狀態(tài)計算 g g0 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù) 根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的重要性將結(jié)構(gòu)分為根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的重要性將結(jié)構(gòu)分為三個安全等級三個安全等級，采用結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)來體現(xiàn)。重要性系數(shù)來體現(xiàn)。一級一級 g g01.1二級二級 g g01.0三級三級 g g00.9規(guī)范設(shè)計表達式規(guī)范設(shè)計表達式 RS 0gn3.7.3 荷載效應(yīng)組合表達式3 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法結(jié)構(gòu)設(shè)計方法可變荷載控制組合時可變荷載控制組合時永久荷載控制組合時永久荷載控制組合時niQikciQikQQGkGSSSS211gggn