結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和橋梁設(shè)計規(guī)范

第九章 結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與橋梁設(shè)計規(guī)范橋梁設(shè)計規(guī)范（簡稱橋規(guī)）－是一種標準，而這個標準是專門用來判別各具體橋梁是否安全和適用的橋規(guī)特點之一－并不是一成不變的，它需要隨著橋梁設(shè)計與施工水平的提高而時常修訂本章內(nèi)容結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的演進極限狀態(tài)設(shè)計對橋規(guī)的特征和內(nèi)容

第1頁，共20頁。12/2/20221李亞東：《橋梁工程概論》第九章第一節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的演進

結(jié)構(gòu)的功能要求能承受正常施工和使用時可能出現(xiàn)的各種荷載（安全性）在正常使用期間具有良好的工作性能（適用性）在使用期內(nèi)材料不發(fā)生嚴重的損傷（材料耐久性）在偶然事件發(fā)生時，能保持必要的穩(wěn)定性而不至于徹底破壞（特殊安全性）可靠性－安全性，適用性，耐久性可靠度－衡量結(jié)構(gòu)可靠性的指標安全性與安全度

第2頁，共20頁。12/2/20222李亞東：《橋梁工程概論》第九章第一節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的演進（續(xù)）結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本內(nèi)容作用與作用效應(yīng)（結(jié)構(gòu)分析）

材料與抗力設(shè)計結(jié)構(gòu)可靠性分析

作用作用效應(yīng)構(gòu)件抗力材料結(jié)構(gòu)可靠性分析第3頁，共20頁。12/2/20223李亞東：《橋梁工程概論》第九章結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的演進基于試驗和經(jīng)驗的方法19世紀中葉之前，結(jié)構(gòu)分析方法還處于萌芽階段可以回答構(gòu)件在破壞時的荷載安全系數(shù)K1，即

由于歷史條件和認識上的局限，不可能采用試驗方法解決所有可能出現(xiàn)的問題

第4頁，共20頁。12/2/20224李亞東：《橋梁工程概論》第九章結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的演進（續(xù)）容許應(yīng)力法傳統(tǒng)設(shè)計方法（1826年提出），已沿用了100余年視材料為理想彈性體，用線彈性理論方法，算出結(jié)構(gòu)在荷載下的應(yīng)力，要求構(gòu)件截面上任一點的應(yīng)力，不超過材料的容許應(yīng)力[]，即

[]；[]=y/K；或[]=b/K；安全系數(shù)K>1容許應(yīng)力法為促進橋梁工程的發(fā)展作出了巨大貢獻基礎(chǔ)：結(jié)構(gòu)分析理論，材料及構(gòu)件試驗，荷載測試三點不足：難以僅用容許應(yīng)力來防止橋梁其它破壞狀態(tài)的出現(xiàn)用單一安全系數(shù)來考慮不同性質(zhì)的荷載是不合適的安全系數(shù)主要是憑經(jīng)驗和判斷確定的

第5頁，共20頁。12/2/20225李亞東：《橋梁工程概論》第九章結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的演進（續(xù)）破壞階段法20世紀30年代由前蘇聯(lián)學者提出設(shè)計原則－結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到破壞階段時的設(shè)計承載能力不低于荷載產(chǎn)生的構(gòu)件內(nèi)力S乘以安全系數(shù)K，即KS

R以截面內(nèi)力（而不是截面應(yīng)力）為考察對象憑計算確定荷載安全系數(shù)具有補充性質(zhì)，未能自成體系

第6頁，共20頁。12/2/20226李亞東：《橋梁工程概論》第九章極限狀態(tài)設(shè)計法極限狀態(tài)的定義和分類定義（前蘇聯(lián)學者50年代初提出）：若整個結(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，則此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)承載能力（或破壞）極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)或其一部分作為剛體失去平衡（傾覆、滑移）；構(gòu)件或其連接因材料強度不足而破壞（包括疲勞破壞），或因過度的塑性變形而不適于繼續(xù)承載；結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動機構(gòu)；結(jié)構(gòu)或其構(gòu)件喪失穩(wěn)定（壓潰）

第7頁，共20頁。12/2/20227李亞東：《橋梁工程概論》第九章極限狀態(tài)設(shè)計法（續(xù)）極限狀態(tài)的定義和分類正常使用（或運營）極限狀態(tài)影響正常使用或外觀的變形；影響正常使用或材料耐久性能的局部破壞（包括裂縫）；影響正常使用的振動；影響正常使用的其它特定狀態(tài)破壞安全極限狀態(tài)局部破壞轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系；局部破壞結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位（因材料強度超限）；局部破壞結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，喪失彈性平衡的穩(wěn)定性，或作為剛體失穩(wěn)；局部破壞構(gòu)件的一部分或整體，喪失剛體平衡的穩(wěn)定性第8頁，共20頁。12/2/20228李亞東：《橋梁工程概論》第九章極限狀態(tài)設(shè)計法（續(xù)）極限狀態(tài)法的特點第一次明確提出結(jié)構(gòu)“極限狀態(tài)”的概念，并規(guī)定了各種極限狀態(tài)及其內(nèi)涵將單一的安全系數(shù)轉(zhuǎn)化成多個（一般為3個）系數(shù)，分別用于考慮荷載、荷載組合和材料等的不定性影響在某些設(shè)計參數(shù)的取值上引入概率和統(tǒng)計數(shù)學的方法例子（公路橋規(guī)）

d

L

只解決了容許應(yīng)力法的前兩點不足第9頁，共20頁。12/2/20229李亞東：《橋梁工程概論》第九章概率（極限狀態(tài)）設(shè)計法發(fā)展20世紀2030年代，德國和前蘇聯(lián)學者就曾提出過將概率論用于闡述結(jié)構(gòu)安全性的建議；40年代，美國學者提出了結(jié)構(gòu)失效概率這一概念；50年代，前蘇聯(lián)提出以極限狀態(tài)法為特征的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范；70年代，國際標準化組織（ISO）和國際結(jié)構(gòu)安全度聯(lián)合委員會各自發(fā)表了旨在作為范本的基于結(jié)構(gòu)可靠性理論的設(shè)計原則；從70年代末起，世界上許多國家均采用結(jié)構(gòu)可靠性理論來指導(dǎo)新一輪結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的修訂。從70年代后期起，我國土木工程界也逐步開始了結(jié)構(gòu)可靠性理論研究和設(shè)計規(guī)范修訂工作。1992年發(fā)布了《工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》概率（極限狀態(tài)）設(shè)計法代表著結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的發(fā)展趨勢和當代水平。三個層次－工程結(jié)構(gòu)：第一層次；行業(yè)統(tǒng)一標準：第二層次；行業(yè)內(nèi)各具體標準：第三層次第10頁，共20頁。12/2/202210李亞東：《橋梁工程概論》第九章設(shè)計原則方法特征－以極限狀態(tài)作為結(jié)構(gòu)的設(shè)計狀態(tài)，以概率論方法處理結(jié)構(gòu)的可靠性問題設(shè)計準則－對于規(guī)定的極限狀態(tài)，荷載引起的荷載效應(yīng)大于抗力的概率（稱為失效概率PF）不應(yīng)超過規(guī)定的限值[PF]，即

PF

<[PF]可靠指標－為便于運算，引入描述結(jié)構(gòu)可靠程度的指標來代替失效概率PF。這樣，就要求所設(shè)計結(jié)構(gòu)的可靠度指標應(yīng)大于目標可靠度指標[]，即>[

]采用了統(tǒng)一的的指標（PF或）來描述結(jié)構(gòu)的安全水平，具有可比性，避免了容許應(yīng)力法的第3點不足目標可靠度指標[

]－與社會的、經(jīng)濟的和技術(shù)的眾多因素有關(guān)，形式上或名義上的，不能看作是結(jié)構(gòu)真實的失效概率

第11頁，共20頁。12/2/202211李亞東：《橋梁工程概論》第九章概率設(shè)計法的三個水準水準I——半概率法。特點是：對某些參數(shù)的取值進行數(shù)理統(tǒng)計分析對結(jié)構(gòu)的可靠指標或可靠概率，還不能作出定量估計。簡單，實用，符合于工程習慣，容易在工程界推廣水準II——近似概率法。特點是：用結(jié)構(gòu)失效概率PF或可靠度指標來度量結(jié)構(gòu)的可靠度，用數(shù)理統(tǒng)計方法確定各基本變量的概率分布及其參數(shù)；通過校準以確定目標可靠指標[]；因在可靠度計算中引入了一些近似、假定和簡化，故稱之為近似概率法水準III——全概率法。特點是：對基本變量采用隨機變量或隨機過程描述，對全結(jié)構(gòu)都采用精確的概率分析，求得結(jié)構(gòu)的最優(yōu)失效概率作為可靠度的直接度量。限于對影響結(jié)構(gòu)可靠性的因素和規(guī)律的掌握還不夠充分，對基本變量的統(tǒng)計信息掌握還不夠充足，目前全概率法離實用還有相當距離，仍處于研究階段

第12頁，共20頁。12/2/202212李亞東：《橋梁工程概論》第九章第三節(jié)橋規(guī)的特點和內(nèi)容橋規(guī)的特點具體性，其內(nèi)容是與人的認識和經(jīng)驗分不開的局限性，適用范圍有限發(fā)展性，隨著科技的進步和橋梁工程的發(fā)展，其內(nèi)容也是在不斷發(fā)展和更新成熟與精煉，其條文是在總結(jié)已有成熟經(jīng)驗（包括理論和試驗成果）的基礎(chǔ)上，進行簡化并提煉出來的嚴肅性，一經(jīng)批準頒布執(zhí)行，就成為政府文件，必須嚴肅對待

第13頁，共20頁。12/2/202213李亞東：《橋梁工程概論》第九章第三節(jié)橋規(guī)的特點和內(nèi)容（續(xù)）橋規(guī)的基本內(nèi)容荷載及荷載組合結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析方法材料和工藝桿件及連接的抗力桿件及連接的驗算方法構(gòu)造規(guī)定其他

第14頁，共20頁。12/2/202214李亞東：《橋梁工程概論》第九章鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范（TBJ285）三次修訂－第一次修訂（197174年）；第二次修訂（197983年）；第三次修訂（從1985年起）內(nèi)容－1.總則、2.橋涵布置、3.設(shè)計荷載、4.鋼結(jié)構(gòu)、5.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、6.預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、7.混凝土和石結(jié)構(gòu)、8.墩臺、9.拱橋、10.涵洞、11.既有線頂進橋涵、12.地基和基礎(chǔ)等十二章和21個附錄組成

第15頁，共20頁。12/2/202215李亞東：《橋梁工程概論》第九章公路橋涵設(shè)計規(guī)范（合訂本）

在70年代和80年代有過兩次大的修訂工作5本規(guī)范（8589年先后頒布執(zhí)行）組成的規(guī)范合訂本公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范（JTJ021-89）公路磚石及混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范（JTJ022-85）公路鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范（JTJ023-85）公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（JTJ024-85）公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范按概率極限狀態(tài)法修訂規(guī)范的工作仍在進行之中

第16頁，共20頁。12/2/202216李亞東：《橋梁工程概論》第九章英國橋規(guī)BS5400BS5400（鋼橋、混凝土橋及結(jié)合橋）是世界上有代表性的一本橋梁設(shè)計規(guī)范（半概率法），整套文件由下列各篇組成：第一篇

總則（1978年公布）第二篇

荷載規(guī)范（1978年公布）第三篇

鋼橋設(shè)計實用規(guī)則（1982年公布）第四篇

混凝土橋設(shè)計實用規(guī)則（78年公布，84年第二版）第五篇

結(jié)合橋設(shè)計實用規(guī)則（1979年公布）第六篇

鋼材及工藝規(guī)范（1980年公布）第七篇

混凝土、鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋材料及工藝規(guī)范（1978年公布）第八篇

關(guān)于混凝土、鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋材料及工藝的意見（1978年公布）第九篇

橋梁支座（1983年公布）第十篇

疲勞設(shè)計實用規(guī)則（1980年公布，1999年第二版）第17頁，共20頁。12/2/202217李亞東：《橋梁工程概論》第九章美國公路橋梁設(shè)計規(guī)范（1994年版）AASHTO（AmericanAssociationofStateHighwayandTransportationOfficials）美國各州公路和運輸工作者協(xié)會修訂－1931年初版，大約每隔4年修訂一次名稱－AASHTOLRFDBridgeDesignSpecifications,FirstEdition1994，LRFD－LoadandResistanceFactorDesign荷載與抗力系數(shù)設(shè)計內(nèi)容－1、概述；2、總體設(shè)計和橋位特征；3、荷載及荷載系數(shù)；4、結(jié)構(gòu)分析及評價；5、混凝土結(jié)構(gòu)；6、鋼結(jié)構(gòu)；7、鋁結(jié)構(gòu)；8、木結(jié)構(gòu)；9、橋面和橋面系；10、基礎(chǔ)；11、橋臺、橋墩和擋土墻；12、埋置式結(jié)構(gòu)和隧道襯砌；13、欄桿；14、接縫和支座第18頁，共20頁。12/2/202218李亞東：《橋梁工程概論》第九章思考題結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本內(nèi)容容許應(yīng)力法的主要優(yōu)缺點極限狀態(tài)的分類橋梁設(shè)計規(guī)范的特點第19頁，共20頁。12/2/202219李亞東：《橋梁工程概論》第九章內(nèi)容梗概第九章 結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與橋梁設(shè)計規(guī)范。橋梁設(shè)計規(guī)范（簡稱橋規(guī)）－是一種標準，而這個標準是專門用來判別各具體橋梁是否安全和適用的。李亞東：《橋梁工程概論》第九章。在使用期內(nèi)材料不發(fā)生嚴重的損傷（材料耐久性）。作用與作用效應(yīng)（結(jié)構(gòu)分析）。以截面內(nèi)力（而不是截面應(yīng)力）為考察對象。20世紀2030年代，德國和前蘇聯(lián)學者就曾提出過將概率論用于闡述結(jié)構(gòu)安全性的建議。三個層次－工程結(jié)構(gòu)：第一層次。可靠指標－為便于運算，引入描述結(jié)構(gòu)可靠程度的指標來代替失效概率PF。水準II——近似概率法。因在可靠度計算中引入了一些近似、假定和簡