第1章結構設計方法

1、第一章 混凝土結構按近似概率的極限狀態(tài)設計法1.1結構設計的極限狀態(tài)結構設計的極限狀態(tài)1.2結構的可靠度及可靠指標結構的可靠度及可靠指標1.3極限狀態(tài)實用設計表達式極限狀態(tài)實用設計表達式1.1結構設計的極限狀態(tài)結構設計的極限狀態(tài)1. 1. 結構的功能要求結構的功能要求 安全性、適用性和耐久性統(tǒng)稱為結構的可靠性可靠性。 結構的可靠性用可靠度來進行定量描述，即結構在規(guī)定的時間內（一般建筑結構規(guī)定為50年，稱為設計基準期），規(guī)定的條件下（正常設計、正常施工、正常使用和正常維修）完成預定功能的概率，稱為結構的可靠度，結構的可靠度是衡量結構可靠性的重要指標。設計基準期是為確定可變作用及與時間有關的材料性

2、能取值選用的時間參數(shù)，并不等同于建筑結構的壽命，超過了設計基準期，建筑物并不意味著一定損壞，不能再使用了，只是完成預定功能的可靠度在逐漸降低。1.1結構設計的極限狀態(tài)結構設計的極限狀態(tài)1.1.2結構極限狀態(tài)的分類結構極限狀態(tài)的分類 結構在使用期間的工作情況稱為結構的工作狀態(tài)。整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設計規(guī)定的某一功能要求，這個特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。 根據結構功能要求，建筑結構設計統(tǒng)一標準分為兩類極限狀態(tài)：和。前者主要是使結構滿足安全要求，后者則是使結構滿足適用性能要求。1.1結構設計的極限狀態(tài)結構設計的極限狀態(tài)1.1.2結構極限狀態(tài)的分類結構極限狀態(tài)的分類1.承

3、載能力極限狀態(tài)承載能力極限狀態(tài) 結構或結構構件達到最大承載力，出現(xiàn)疲勞、傾覆 、穩(wěn)定、漂浮等破壞和不適于繼續(xù)承載的變形，結構在偶然作用下連續(xù)倒塌或大范圍破壞，即為承載能力極限狀態(tài)。 (1)整個結構或其中一部分作為剛體失去平衡，如雨篷的傾覆，擋土墻的滑移等； (2)構件截面或其連接因超過材料強度而破壞；因塑性變形過大而不適于繼續(xù)承載； (3)結構或構件因受動力荷載的作用而產生疲勞破壞； (4)結構轉變?yōu)闄C動體系，如超靜定結構中出現(xiàn)足夠多塑性鉸； (5)結構或構件因達到臨界荷載而喪失穩(wěn)定，如細長受壓構件的壓屈失穩(wěn)。 此外，對意外事件或偶然發(fā)生事件，如地震、爆炸、撞擊等，結構應具有良好的整體性，不致

4、因個別構件或結構局部破壞而導致連續(xù)倒塌或大范圍破壞。當結構或結構構件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，即認為超過了承載能力極限狀態(tài)：1.1結構設計的極限狀態(tài)結構設計的極限狀態(tài)1.1.2結構極限狀態(tài)的分類結構極限狀態(tài)的分類2.正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài) 結構或結構構件達到正常使用的某項限值或產生影響耐久性能的局部損壞，即為正常使用極限狀態(tài)。 (1)影響正常使用或外觀的變形，如吊車梁變形過大致使吊車不能正常行駛，梁撓度過大影響外觀或導致非結構構件的開裂等； (2)影響正常使用或耐久性能的局部損壞，如混凝土構件裂縫過寬導致鋼筋銹蝕，水池池壁開裂漏水不能正常使用； (3)影響正常使用的振動，如振動過大使人感到

5、不舒適，影響精密儀器的運作； (4)影響正常使用的其它特定狀態(tài)，地基相對沉降量過大，在侵蝕性介質作用下結構或構件嚴重腐蝕。當結構或結構構件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，即認為超過了正常使用極限狀態(tài)：1.1結構設計的極限狀態(tài)結構設計的極限狀態(tài)1.1.2結構極限狀態(tài)的分類結構極限狀態(tài)的分類 結構超過該類狀態(tài)時將不能正常工作，影響其耐久性和適用性，但一般不會導致人身傷亡或重大經濟損失。設計時，可靠度水平允許比承載能力極限狀態(tài)的可靠度水平適當降低。通常先按承載能力極限狀態(tài)設計結構構件，再按正常使用極限狀態(tài)進行驗算（校核）。1.2結構上的作用及其荷載代表值結構上的作用及其荷載代表值1.2.1 結構上的作用結構上的

6、作用 作用是指直接施加在結構上的集中荷載或分布荷載，以及引起結構外加變形或約束變形的原因（如溫度變化、混凝土收縮和徐變、基礎沉降、材料性能劣化等）。 前者稱為“直接作用”，后者則稱為“間接作用”。 由于能使結構產生效應的原因，多數(shù)可歸結為直接作用在結構上的力集（集中荷載和分布荷載），因此習慣上都將結構上的各種作用稱為荷載。結構上的荷載按其作用時間的長短和性質不同可分為: （1）永久荷載。 （2）可變荷載。 （3）偶然荷載。1.2結構上的作用及其荷載代表值結構上的作用及其荷載代表值1.2.2 荷載代表值荷載代表值 在結構設計時，應根據各種極限狀態(tài)的設計要求采用不同的荷載代表值。 永久荷載采用標準

7、值作為代表值，可變荷載采用標準值、組合值、準永久值或頻遇值作為代表值。 由于能使結構產生效應的原因，多數(shù)可歸結為直接作用在結構上的力集（集中荷載和分布荷載），因此習慣上都將結構上的各種作用稱為荷載。結構上的荷載按其作用時間的長短和性質不同可分為: （1）永久荷載。 （2）可變荷載。 （3）偶然荷載。1.2結構上的作用及其荷載代表值結構上的作用及其荷載代表值1.2.2 荷載代表值荷載代表值1. 荷載標準值荷載標準值是指結構構件在使用期間可能出現(xiàn)的最大荷載值。（1）永久荷載標準值。對于結構或非承重構件的自重，由于變異性不大，一般以其平均值作為荷載標準值，即可按結構構件的設計尺寸與材料單位體積的自重

8、計算確定。對自重變異較大的材料（如保溫材料等），在設計時應根據其對結構有利或不利的情況，分別取其自重的上限值或下限值。常用材料與構件自重見附錄1中附表1.1。（2）可變荷載標準值。荷載規(guī)范已給出了各種可變荷載標準值的取值，設計時可直接查用。民用建筑樓面均布活荷載標準值及其組合值、頻遇值和準永久系數(shù)、屋面均布活荷載和屋面積灰荷載見附錄1中附表1.2、附表1.4和附表1.5。1.2結構上的作用及其荷載代表值結構上的作用及其荷載代表值1.2.2 荷載代表值荷載代表值2. 可變荷載組合值可變荷載組合值可由可變荷載標準值乘以相應的組合值系數(shù)得出?？勺兒奢d組合值=cQk 3. 可變荷載準永久值準永久值是指

9、可變荷載在結構設計基準期內經常作用的那一部分荷載（如住宅中較為固定的家具、圖書館的書庫等），它對結構的影響類似于永久荷載?？勺兒奢d準永久值可由可變荷載標準值乘以相應的準永久值系數(shù)得出?？勺兒奢d準永久值=qQk 1.2結構上的作用及其荷載代表值結構上的作用及其荷載代表值1.2.2 荷載代表值荷載代表值4. 可變荷載頻遇值對可變荷載，在設計基準期內，其超越的總時間為規(guī)定的較小比例或超越頻率（或次數(shù)）為規(guī)定頻率（或次數(shù)）的荷載值稱為可變荷載頻遇值?？勺兒奢d頻遇值可由可變荷載標準值乘以相應的荷載頻遇值系數(shù)得出?？勺兒奢d頻遇值=fQk 1.3 作用效應和結構抗力作用效應和結構抗力1.3.1 作用效應作用

10、效應 作用效應S是在各種作用（如荷載、基礎的差異沉降、混凝土收縮、溫度變化、地震等）下使結構或構件內產生的內力（如軸力、剪力、彎矩、扭矩等）、變形（撓度、轉角等）和裂縫的總稱。 當內力和變形由荷載產生時,稱為荷載效應。荷載和荷載效應一般近似呈線性關系，即：S=CQ1.3 作用效應和結構抗力作用效應和結構抗力1.3.2結構抗力結構抗力 結構抗力R是結構或構件抵抗作用效應的能力（如構件的承載力、剛度、抗裂度等）。 取具有95%保證率的下限分位值作為材料強度的代表值，該代表值即為材料的強度標準值。1 結構抗力的概念2材料的強度標準值混凝土強度標準值的取值1.3 作用效應和結構抗力作用效應和結構抗力1

11、.3.2結構抗力結構抗力（1）鋼筋的強度設計值3材料的強度設計值鋼筋的強度設計值為其標準值除以材料分項系數(shù) s 的數(shù)值。即：鋼筋 sykyff預應力筋 spykyff鋼筋的材料分項系數(shù)，其取值與鋼筋的種類和級別有關，延性較好的熱軋鋼筋 s =1.10 ，延性稍差的預應力筋 s=1.20，對 500MPa 級熱軋鋼筋， s=1.15 。1.3 作用效應和結構抗力作用效應和結構抗力1.3.2結構抗力結構抗力（1）鋼筋的強度設計值3材料的強度設計值普通鋼筋強度設計值（普通鋼筋強度設計值（N/mm2）1.3 作用效應和結構抗力作用效應和結構抗力1.3.2結構抗力結構抗力（1）鋼筋的強度設計值3材料的強

12、度設計值 預應力筋強度設計值（預應力筋強度設計值（N/mm2）1.3 作用效應和結構抗力作用效應和結構抗力1.3.2結構抗力結構抗力（2）混凝土的強度設計值3材料的強度設計值不同強度等級混凝土的強度設計值，由強度標準值除材料分項系數(shù)取 c 確定。即軸心抗壓強度設計值 cckcff軸心抗拉強度設計值 ctktff混凝土的材料分項系數(shù)， 取c =1.4 。 1.3 作用效應和結構抗力作用效應和結構抗力1.3.2結構抗力結構抗力（2）混凝土的強度設計值3材料的強度設計值 混凝土強度設計值（N/mm2）強強度度種種類類混凝土強度等級混凝土強度等級C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45

13、C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80fc7.29.611.914.316.719.121.123.125.327.529.731.833.835.9ft0.911.101.271.431.571.711.801.891.962.042.092.142.182.221.4概率極限狀態(tài)設計法概率極限狀態(tài)設計法1.4.1結構的功能函數(shù)與極限狀態(tài)方程結構的功能函數(shù)與極限狀態(tài)方程 結構構件的工作狀態(tài)可以用結構抗力R和作用效應S的關系式來描述，這種表達式稱為結構的功能函數(shù)，以Z表示。即:1.結構的功能函數(shù)Z=g（R，S）=RS 結構所處狀態(tài)1.4概率極限狀態(tài)設計法概率極限狀態(tài)設計法1.4

14、.1結構的功能函數(shù)與極限狀態(tài)方程結構的功能函數(shù)與極限狀態(tài)方程 Z=g（R，S）= RS =0為結構處于極限狀態(tài)時的功能函數(shù)表達式，亦稱為結構極限狀態(tài)方程。2.結構極限狀態(tài)方程SR結構設計必須滿足功能要求，即結構不應超過極限狀態(tài)，要滿足結構設計必須滿足功能要求，即結構不應超過極限狀態(tài)，要滿足:1.4概率極限狀態(tài)設計法概率極限狀態(tài)設計法1.4.2結構的可靠度與失效概率結構的可靠度與失效概率 結構在規(guī)定的時間內，在規(guī)定的條件下，完成預定功能的概率，即結構處于可靠狀態(tài)的概率，稱為結構的可靠度。 可靠度是對結構可靠性的定量描述，是用來度量可靠性的定量指標。Ps+Pf=1 或Pf =1-Ps 結構能完成預

15、定功能（RS）的概率即為“可靠概率”，用Ps表示；不能完成預定功能（RS）的概率即為“失效概率”，用Pf表示。兩者互補，即失效概率Pf與可靠指標Ps之間的關系1.4概率極限狀態(tài)設計法概率極限狀態(tài)設計法1.4.2結構的可靠度與失效概率結構的可靠度與失效概率越大，失效概率Pf就越小，結構就越可靠。SRZ22SRZZZ22SRSRZZ可靠指標與失效概率Pf的對應關系 1.4概率極限狀態(tài)設計法概率極限狀態(tài)設計法1.4.3結構的目標可靠指標與安全等級結構的目標可靠指標與安全等級 通過對過去設計經驗的總結并參照國外有關規(guī)定，我國建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準對一般的工業(yè)與民用建筑結構作為設計依據的可靠指標（稱

16、為目標可靠指標）作了具體的規(guī)定。不同安全等級的結構構件設計時采用的目標可靠指標 根據建筑物重要性不同，即一旦結構失效對生命財產的危害程度以及對社會的影響不同，建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準將建筑結構分為三個安全等級，并對其可靠指標作適當調整。三個安全等級的劃分如下：一級重要的建筑物，破壞后果很嚴重；二級一般的建筑物，破壞后果嚴重；三級次要的建筑物，破壞后果不嚴重。破壞類型破壞類型安全等級安全等級一級二級三級延性破壞延性破壞3.73.22.7脆性破壞脆性破壞4.23.73.21.5極限狀態(tài)實用設計表達式極限狀態(tài)實用設計表達式1.5.1承載能力極限狀態(tài)計算的基本表達式承載能力極限狀態(tài)計算的基本表達式混

17、凝土結構的承載能力極限狀態(tài)計算應包括下列內容：（1）結構構件應進行承載力（包括失穩(wěn)）計算；（2）直接承受反復荷載的構件應進行疲勞驗算；（3）有抗震設防要求的結構，應進行結構構件抗震的承載力計算；（4）必要時尚應進行結構整體穩(wěn)定、傾覆、滑移、漂浮及結構抗倒塌的驗算。極限狀態(tài)設計表達式：ddRS0cQGkkdQGSS，RdscskckkdffaRR，0重要性系數(shù)，安全等級為一、二、三級的建筑結構，分別不應小于 1.1、 1.0 、0.9 ；對地震設計狀況取1.0。1.5極限狀態(tài)實用設計表達式極限狀態(tài)實用設計表達式1.5.1承載能力極限狀態(tài)計算的基本表達式承載能力極限狀態(tài)計算的基本表達式1.基本組合

18、（1）由可變荷載效應控制的組合QikciniQikQQGkGSSSS211 （2）由永久荷載效應控制的組合QikciniQiGkGSSS11.5極限狀態(tài)實用設計表達式極限狀態(tài)實用設計表達式1.5.1承載能力極限狀態(tài)計算的基本表達式承載能力極限狀態(tài)計算的基本表達式1.基本組合 G永久荷載分項系數(shù)，當其效應對結構不利時，對由可變荷載效應控制的組合，應取1.2；對由永久荷載效應控制的組合，應取1.35；當其效應對結構有利時，一般情況下應取1.0；對結構的傾覆、滑移或漂浮驗算，應取0.9。 Q1、Qi第1個和第i個可變荷載分項系數(shù)，一般情況下取1.4；對標準值大于4kN/m2的工業(yè)房屋樓面結構的活荷載

19、取1.3。1.5極限狀態(tài)實用設計表達式極限狀態(tài)實用設計表達式1.5.1承載能力極限狀態(tài)計算的基本表達式承載能力極限狀態(tài)計算的基本表達式1.基本組合 對于一般排架、框架結構，由多種荷載作用時不區(qū)分引起最大荷載效應的第一個可變荷載，而采用簡化規(guī)則，按下列組合值中取最不利值確定。（1）由可變荷載效應控制的組合kQQGkGSSS11QikniQiGkGSSS19 . 0（2）由永久荷載效應控制的組合QikciniQiGkGSSS11.5極限狀態(tài)實用設計表達式極限狀態(tài)實用設計表達式1.5.1承載能力極限狀態(tài)計算的基本表達式承載能力極限狀態(tài)計算的基本表達式2.偶然組合 對于偶然組合，極限狀態(tài)表達式應按下列

20、原則確定：只考慮一種偶然荷載與其它荷載相組合；偶然荷載的代表值不乘分項系數(shù)；與偶然荷載同時出現(xiàn)的其它可變荷載應根據觀測資料和工程經驗采用適當?shù)拇碇怠?.5極限狀態(tài)實用設計表達式極限狀態(tài)實用設計表達式1.5.2正常使用極限狀態(tài)計算的基本表達式正常使用極限狀態(tài)計算的基本表達式混凝土結構構件正常使用極限狀態(tài)的驗算應包括下列內容：（1）對使用上需要控制變形的結構及構件，應進行變形驗算；（2）對使用上限制出現(xiàn)裂縫的構件，應進行混凝土拉應力驗算；（3）對使用上允許出現(xiàn)裂縫的構件，應進行裂縫寬度驗算；（4）對于使用上有舒適度要求的樓蓋結構，應進行自振頻率的驗算。與承載能力極限狀態(tài)相比，正常使用極限狀態(tài)的目

21、標可靠指標要低一些。因而在計算中對荷載和材料強度不再乘以分項系數(shù)，直接采用標準值，結構的重要性系數(shù)0也不予考慮。1.5極限狀態(tài)實用設計表達式極限狀態(tài)實用設計表達式1.5.2正常使用極限狀態(tài)計算的基本表達式正常使用極限狀態(tài)計算的基本表達式1標準組合QiknicikQGkSSSS212準永久組合QikniqiGkSSS13正常使用極限狀態(tài)計算的基本表達式SC（1）變形撓度混凝土構件的撓度應不影響其使用功能和外觀要求。 受彎構件的最大撓度應按荷載效應的標準組合或準永久組合并考慮荷載長期作用影響進行計算，其計算值不應超過下表規(guī)定的撓度限值。1.5極限狀態(tài)實用設計表達式極限狀態(tài)實用設計表達式1.5.2正

22、常使用極限狀態(tài)計算的基本表達式正常使用極限狀態(tài)計算的基本表達式受彎構件的撓度限值（2）裂縫及應力控制 結構構件正截面的受力裂縫控制等級分為三級。裂縫控制等級的劃分及要求應符合下列規(guī)定：1.5極限狀態(tài)實用設計表達式極限狀態(tài)實用設計表達式1.5.2正常使用極限狀態(tài)計算的基本表達式正常使用極限狀態(tài)計算的基本表達式受彎構件的撓度限值1.5極限狀態(tài)實用設計表達式極限狀態(tài)實用設計表達式1.5.2正常使用極限狀態(tài)計算的基本表達式正常使用極限狀態(tài)計算的基本表達式一級嚴格要求不出現(xiàn)受力裂縫的構件。按荷載效應的標準組合計算時，構件受拉邊緣混凝土不應產生拉應力；二級一般要求不出現(xiàn)受力裂縫的構件。按荷載效應的標準組合

23、計算時，構件受拉邊緣混凝土拉應力不應大于混凝土抗拉強度的標準值；三級允許出現(xiàn)受力裂縫的構件。對鋼筋混凝土構件，按荷載效應的準永久組合并考慮長期作用影響計算時，構件的最大裂縫寬度不應超過下表規(guī)定的最大裂縫寬度限值。對預應力混凝土構件，按荷載效應的標準組合并考慮長期作用的影響計算時，構件的最大裂縫寬度不應超過下表規(guī)定的最大裂縫寬度限值；對二b、三b類環(huán)境類別下的預應力混凝土構件，尚應按荷載效應的準永久組合計算，且構件受拉邊緣混凝土拉應力不應大于混凝土抗拉強度的標準值。（2）裂縫及應力控制 結構構件正截面的受力裂縫控制等級分為三級。裂縫控制等級的劃分及要求應符合下列規(guī)定：1.5極限狀態(tài)實用設計表達式

24、極限狀態(tài)實用設計表達式1.5.2正常使用極限狀態(tài)計算的基本表達式正常使用極限狀態(tài)計算的基本表達式結構構件的裂縫控制等級及最大裂縫寬度及的限值wlim （ mm）環(huán)境類別鋼筋混凝土結構預應力混凝土結構裂縫控制等級wlim裂縫控制等級wlim一三級0.30（0.4）三級0.20二a0.200.10二b二級三a、三b一級1.6混凝土結構的耐久性混凝土結構的耐久性1.6.1混凝土結構耐久性的概念與影響因素混凝土結構耐久性的概念與影響因素1混凝土結構耐久性的概念 混凝土結構的耐久性是指結構在規(guī)定的工作環(huán)境中，在預定的設計使用年限內，在正常維護條件下不需要進行大修就能完成預定功能要求的能力。 規(guī)定的工作環(huán)

25、境是指建筑物所在地區(qū)的環(huán)境及工業(yè)生產所形成的環(huán)境等；設計使用年限是設計規(guī)定的一個時期，在這一時期內，只需正常維修（不需大修）就能完成預定功能，即房屋建筑在正常設計、正常施工、正常使用和維護所應達到的使用年限。設計使用年限分類類別設計使用年限/年示例15臨時性建筑225易于替換的結構構件350普通房屋和構筑物4100紀念性建筑和特別重要的建筑結構1.6混凝土結構的耐久性混凝土結構的耐久性1.6.1混凝土結構耐久性的概念與影響因素混凝土結構耐久性的概念與影響因素2.影響混凝土結構耐久性的因素 影響混凝土結構耐久性的因素可分為內部和外部兩方面。 內部因素有混凝土的強度、滲透性、保護層厚度、水泥品種、

26、標號和用量、氯離子及堿含量、外加劑等； 外部因素主要有環(huán)境溫度、濕度、CO2含量、侵蝕性介質、凍融及磨損等。進行房屋混凝土結構的耐久性設計應包括下列內容：（1）確定結構的環(huán)境類別及作用等級；（2）提出材料的耐久性質量要求；（3）確定構件中鋼筋的混凝土保護層厚度；（4）在不利的環(huán)境條件下應采取的防護措施；（5）滿足耐久性要求相應的施工措施；（6）提出結構使用階段的維護與檢測要求。1.6混凝土結構的耐久性混凝土結構的耐久性1.6.2耐久性設計耐久性設計1混凝土結構的環(huán)境類別環(huán)境類別條件一室內干燥環(huán)境；無侵蝕性靜水侵沒環(huán)境二a室內潮濕環(huán)境；非嚴寒和非寒冷地區(qū)露天環(huán)境；非嚴寒和非寒冷地區(qū)與無侵蝕性水或土直接接觸的環(huán)境；嚴寒和寒冷地區(qū)的冰凍線以下與無侵蝕性水或土直接接觸的環(huán)境二b干濕交替環(huán)境；水位頻繁變動環(huán)境；嚴寒和寒冷地區(qū)露天環(huán)境；嚴寒和寒冷地區(qū)的冰凍線以上與無侵蝕性水或土直接接觸的環(huán)境三a嚴寒和寒冷地區(qū)冬季水位變動區(qū)環(huán)境；受除冰鹽影響環(huán)境；海風環(huán)境三b鹽漬土環(huán)境；受除冰鹽作用環(huán)境；海岸環(huán)境四海水環(huán)境五受人為或自然的侵蝕性物質影響的環(huán)境1.6混凝土結構的耐久性混凝土結構的耐久性1.6.2耐久性設計耐久性設計2混凝土保護層 規(guī)范規(guī)定：構件中受力鋼筋的保護層厚度不應小于鋼筋直徑；對設