結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理

第3章結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理1◆工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要保證安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理◆由于實際工程結(jié)構(gòu)中存在多種不確定性◆對工程結(jié)構(gòu)的安全可靠可能會產(chǎn)生不利影響◆截面或材料用量增加越多，安全可靠程度就越高，不安全的可能性就越小，但工程結(jié)構(gòu)造價也越大◆

結(jié)構(gòu)設(shè)計方法就是研究工程設(shè)計中的各種不確定性問題，取得安全可靠與經(jīng)濟(jì)合理之間的均衡2◆容許應(yīng)力設(shè)計方法

allowablestress◆安全系數(shù)K是一個大于1.0的數(shù)值◆K越大，結(jié)構(gòu)安全度就越高，同時結(jié)構(gòu)材料用量也越多◆為取得安全可靠與經(jīng)濟(jì)合理的均衡，在綜合考慮各種不確定性因素影響后，可選取一個合適的安全系數(shù)。3◆材料力學(xué)中研究的是：單一材料、線彈性、簡單結(jié)構(gòu)◆實際工程結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比它復(fù)雜◆如鋼筋混凝土梁的受彎，從安全角度考慮，需要確定其極限受彎承載力；◆而為控制正常使用階段的裂縫和撓度變形，需要確定帶裂縫工作階段的受力情況。◆采用容許應(yīng)力設(shè)計方法，無法統(tǒng)一這兩方面的要求。4◆因此，首先根據(jù)工程結(jié)構(gòu)需要滿足實際使用的各種要求（結(jié)構(gòu)的功能），對安全可靠有更具體的科學(xué)定義◆另一方面，需要盡可能詳細(xì)了解結(jié)構(gòu)在不同情況下（施工、使用、破壞）可能受到的各種外界影響的大小和變化情況◆外界影響：各種荷載、溫度變化、沉降、收縮徐變、地震、侵蝕、凍融等◆以及結(jié)構(gòu)尺寸、材料強(qiáng)度等的變異情況，以便科學(xué)合理的選定結(jié)構(gòu)可靠度。5主要內(nèi)容結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求結(jié)構(gòu)的功能要求結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限結(jié)構(gòu)的作用、作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力結(jié)構(gòu)的作用與作用效應(yīng)結(jié)構(gòu)抗力結(jié)構(gòu)按概率極限狀態(tài)設(shè)計按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計按正常使用極限狀態(tài)計算6結(jié)構(gòu)的功能要求◆安全性

Safety

◎

如（M≤Mu）◎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、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)的支座不均勻沉降）、約束變形（如溫度和收縮變形受到約束時）等的作用?！蛟谂既皇录ㄈ绫?、撞擊、火災(zāi)等）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)破壞而造成生命財產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失。7◆安全性

Safety

◎

如（M≤Mu）◎上式僅從構(gòu)件自身的承載力來確定安全性◎結(jié)構(gòu)整體是否安全，不僅與每個構(gòu)件是否安全有關(guān)，更與構(gòu)件之間的連接是否可靠有關(guān)。

◎結(jié)構(gòu)整體牢固性

◎結(jié)構(gòu)不應(yīng)發(fā)生與原因不相稱的破壞8◆適用性Serviceability

◎如（f≤[f]）

◎

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)生讓使用者感到不安的過大的裂縫寬度。9◆耐久性Durability

◎如（wmax≤[wmax]）◎結(jié)構(gòu)在正常使用和正常維護(hù)條件下，應(yīng)具有足夠的耐久性?！蚣丛诟鞣N因素的影響下（混凝土碳化、鋼筋銹蝕），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)喪失安全性和適用性，降低使用壽命。10◆結(jié)構(gòu)的可靠性

reliability■

可靠性——安全性、適用性和耐久性的總稱■就是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期限內(nèi)（設(shè)計工作壽命=50年），在規(guī)定的條件下（正常設(shè)計、正常施工、正常使用和維護(hù)），完成預(yù)定結(jié)構(gòu)功能的能力?！鼋Y(jié)構(gòu)可靠性越高，建設(shè)造價投資越大。如何在結(jié)構(gòu)可靠與經(jīng)濟(jì)之間取得均衡，就是設(shè)計方法要解決的問題。11■顯然這種可靠與經(jīng)濟(jì)的均衡受到多方面的影響，如國家經(jīng)濟(jì)實力、設(shè)計工作壽命、維護(hù)和修復(fù)等?！鲆?guī)范規(guī)定的設(shè)計方法，是這種均衡的最低限度，也是國家法律?！鲈O(shè)計人員可以根據(jù)具體工程的重要程度、使用環(huán)境和情況，以及業(yè)主的要求，提高設(shè)計水準(zhǔn)，增加結(jié)構(gòu)的可靠度?！鼋?jīng)濟(jì)的概念不僅包括第一次建設(shè)費用，還應(yīng)考慮維修，損失及修復(fù)的費用12◆結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限按規(guī)定指標(biāo)設(shè)計的建筑結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，在正常施工、正常使用和維護(hù)下，不需進(jìn)行大修，即可達(dá)到按其預(yù)定目的使用的時期《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009）規(guī)定：50年13結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)◆

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”的或“有效”的。反之，則結(jié)構(gòu)為“不可靠”或“失效”?！魠^(qū)分結(jié)構(gòu)“可靠”與“失效”的臨界工作狀態(tài)稱為“極限狀態(tài)”14承載能力極限狀態(tài)

UltimateLimitState超過該極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不能滿足預(yù)定的安全性功能要求◆結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載力（包括疲勞）◆結(jié)構(gòu)整體或其中一部分作為剛體失去平衡（如傾覆、滑移）◆結(jié)構(gòu)塑性變形過大而不適于繼續(xù)使用◆結(jié)構(gòu)形成幾何可變體系（超靜定結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)足夠多塑性鉸）◆結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如細(xì)長受壓構(gòu)件的壓曲失穩(wěn)）◆結(jié)構(gòu)因局部破壞而發(fā)生連續(xù)倒塌◆地基喪失承載力而破壞15正常使用極限狀態(tài)

ServiceabilityLimitState

超過該極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不能滿足預(yù)定的適用性和耐久性的功能要求?！暨^大的變形、側(cè)移（影響非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、不安全感、不能正常使用（吊車）等）；◆過大的裂縫（鋼筋銹蝕、不安全感、漏水等）；◆過大的振動（不舒適）；◆影響正常使用的其它特定狀態(tài)（如相對沉降量過大等）。16結(jié)構(gòu)的作用、作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力

作用

使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)力、變形（位移、應(yīng)變）和裂縫的各種原因的總稱

作用分類直接作用：施加在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上的荷載，如結(jié)構(gòu)自重、樓面上人群及物品重量、風(fēng)壓力、雪壓力等間接作用：引起結(jié)構(gòu)強(qiáng)迫變形或約束變形的原因，如地震、地基不均勻沉降、溫度變化、混凝土收縮、焊接變形等17

直接作用（荷載）分類

永久荷載（恒荷載）：在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)其值不隨時間變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計。例如，結(jié)構(gòu)自重。

可變荷載（活荷載）：在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)其值隨時間變化，且其變化與平均值相比不可忽略。例如，樓面活荷載、橋面或路面上的行車荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、吊車荷載等。

偶然荷載：在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)出現(xiàn)或不一定出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)，其值很大且持續(xù)時間很短，如地震、爆炸、撞擊等。18

結(jié)構(gòu)上的作用（使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力和變形的原因，如荷載、不均勻沉降、溫度變形、收縮變形、地震等）引起的效應(yīng)（內(nèi)力、變形或裂縫）如彎矩M、軸力N、剪力V、扭矩T、撓度

f、裂縫寬度

w

等

S=S(Q)結(jié)構(gòu)力學(xué)的主要內(nèi)容

作用效應(yīng)S(ActionEffect)

19結(jié)構(gòu)抵抗作用效應(yīng)（內(nèi)力和變形）的能力，如受彎承載力Mu、受剪承載力Vu、剛度、抗裂能力等。R=R(fc,fy,A,h0,As,…)本課程的主要內(nèi)容

結(jié)構(gòu)抗力R(Resistant)

20結(jié)構(gòu)功能撲函數(shù)用來表示傾結(jié)構(gòu)的三著種工作狀齊態(tài)：當(dāng)診，史結(jié)構(gòu)能夠霞完成預(yù)定撞功能，處虹于可靠狀態(tài)；當(dāng)米，結(jié)須構(gòu)不能躁完成預(yù)蓋定功能刪，處于失效狀態(tài)；當(dāng)鍛，去結(jié)構(gòu)處于臨界極距限狀態(tài)結(jié)構(gòu)構(gòu)這件完成捧預(yù)定功幼能的工旱作狀況星可以用論作用效耽應(yīng)S和結(jié)構(gòu)抽抗力R的關(guān)系來慨描述，稱謙為結(jié)構(gòu)功排能函數(shù)。結(jié)構(gòu)的黨工作狀錄態(tài)21荷載的代諸表值結(jié)構(gòu)設(shè)計蠅時，應(yīng)根輸據(jù)各種極瞎限狀態(tài)的住設(shè)計要求逼取用不同亡的荷載數(shù)虜值荷載的標(biāo)啊準(zhǔn)值：結(jié)構(gòu)在茶設(shè)計基替準(zhǔn)期為50年的期間絡(luò)內(nèi)，在正帳常情況下浙可能出現(xiàn)背具有一定保證率的最大荷載。永久荷著載標(biāo)準(zhǔn)指值，對結(jié)妄構(gòu)自重丹，按結(jié)內(nèi)構(gòu)構(gòu)件壤的設(shè)計過尺寸與薦材料單全位體積的擠自重計狹算確定可變荷載睜標(biāo)準(zhǔn)值，按《妨荷載規(guī)諒范》規(guī)諸定采用（例如骨：住宅扇的樓面攀使用活保荷載標(biāo)程準(zhǔn)值為終2.0睡kN/分m2)荷載和演材料強(qiáng)半度2223可變荷惡載組合度值：當(dāng)結(jié)構(gòu)承遍受兩種或解兩種以常上的可變荷有載時，它遲們同時以巡壽各自的最腿大值出現(xiàn)嶼的可能性羽極小。此著時，除其虎中最大荷載仍取其標(biāo)準(zhǔn)值外，其他可變顏荷載均采用小于1的組合系雨數(shù)yc乘以相應(yīng)裙的標(biāo)準(zhǔn)值爐來表達(dá)其療荷載代表撿值2425可變荷逐載準(zhǔn)永閃久值：結(jié)構(gòu)上趣經(jīng)常作棍用的可嫩變荷載貸。與時間有一定相勤關(guān)，即在司規(guī)定的期乎限內(nèi)，具千有較長的警總持續(xù)時差間，對結(jié)構(gòu)的影元響有如永鐘久荷載的螞性能《荷載埋規(guī)范》譜規(guī)定：?？勺兒晌ㄝd準(zhǔn)永邀久值是藝以荷載灣的準(zhǔn)永冶久值系吉數(shù)yq與相應(yīng)的可變咐荷載標(biāo)項準(zhǔn)值的片乘積來嫌確定262728材料強(qiáng)斜度標(biāo)準(zhǔn)展值取值原疾則：在商材料強(qiáng)借度實測撇值的總沙體中，真強(qiáng)度標(biāo)憶準(zhǔn)值應(yīng)則具有不牢小于9脾5％的盒保證率恨?！镤摻顝?qiáng)度羅標(biāo)準(zhǔn)值fyk★混凝土朽強(qiáng)度標(biāo)站準(zhǔn)值立方體秤抗壓強(qiáng)踢度標(biāo)準(zhǔn)慰值fcu,腥k軸心抗壓篩強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)燭值fck抗拉強(qiáng)罷度標(biāo)準(zhǔn)善值ftk29結(jié)構(gòu)設(shè)燈計中的棵不確定澇性Unde霸term垃ined仰Fac狐tors神in丙Desi吸gn★恒載g與構(gòu)件討尺寸、虛材料容瞎重等有菊關(guān)★活載q（樓面活精載、雪荷簽載）的數(shù)削值是隨時紙在變化的★計算跨授度l的不準(zhǔn)確★材料強(qiáng)度fy和fc的離散★截面尺寸h0和b的施工誤澤差不一定派安全（漲可靠）30◆結(jié)構(gòu)的環(huán)失效概撫率和可愈靠指標(biāo)由于實際膀結(jié)構(gòu)中的揚(yáng)不確定性上，因此無甜論如何設(shè)隔計結(jié)構(gòu)，之都會有失坐效的可能耗性存在，伏只是可能棵性大小不罰同而已。為了科鬧學(xué)定量昌的表示栽結(jié)構(gòu)可立靠性的它大小，驅(qū)采用概便率方法幣是比較部合理的鎮(zhèn)。失效概率逢越小，表兄示結(jié)構(gòu)可金靠性越大帥。因此，鄭可以用失頂效概率來蟻定量表示賄結(jié)構(gòu)可靠紗性的大小皆。結(jié)構(gòu)可靠搭性的概率擠度量稱為結(jié)構(gòu)可反靠度。當(dāng)失效援概率Pf小于某聰個值時添，人們焰因結(jié)構(gòu)凱失效的餃可能性搭很小而鏡不再擔(dān)宴心，即虧可認(rèn)為擱結(jié)構(gòu)設(shè)瘦計是可嬸靠的。勺該失效陽概率限都值稱為容許失效朽概率[Pf]。失效概率Pf=P(S>R)31結(jié)構(gòu)功倒能函數(shù)Z=R-SPf=P(S>R)=P(Z<0)b

—可靠指標(biāo)

reliabilityindex32◆根據(jù)統(tǒng)計乖，觸電的講年死亡率峰為6×10-6◆b=3.7掛時，Pf=1.智1×1炊0-4，按設(shè)計基京準(zhǔn)期50年考慮，射年失效概惹率為1.1體×10-4/50貞=2.悄2×1臘0-6◆50年后并秘不是結(jié)預(yù)構(gòu)就失稱效，而迅是失效響概率增扛加。同歇時，結(jié)第構(gòu)失效鏟也并不愛表示結(jié)咐構(gòu)倒塌餡，結(jié)構(gòu)球倒塌也刃不一定戒造成人丟員傷亡鐘?！粑覈鴮τ诒话愎こ倘ソY(jié)構(gòu)，當(dāng)晶為延性破漸壞時，其夸可靠指標(biāo)共取b=3.繩2，對脆性雀破壞取b=3.欲7?！魧τ谥匾獑〉墓こ探Y(jié)死構(gòu)，應(yīng)提用高可靠指淺標(biāo)。33設(shè)計可靠借指標(biāo)、安形全等級根據(jù)建筑伙物的重要慢性不同，宿即一旦結(jié)拔構(gòu)發(fā)生破員壞時對生烤命財產(chǎn)的充危害程度碌及社會影義響的不同剖，將建筑亭結(jié)構(gòu)分為司三個安全僅等級：（1）破址壞后果很洽嚴(yán)重的重骨要建筑物詢?yōu)橐患?；?）聽破壞后宏果嚴(yán)重頃的一般部工業(yè)與火民用建蠟筑物為杠二級；（3）破師壞后果不蔑嚴(yán)重的次抵要建筑物揪為三級。34概率極政限狀態(tài)組設(shè)計法鈔的實用論表達(dá)式作用效遇應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)號值Sk◆作用效應(yīng)S的不確定鍬性就主要劉取決于結(jié)犧構(gòu)上作用Q的不確定葡性★永久荷載G★可變荷載Q◆不同的荷設(shè)載，其變貿(mào)異情況不令同。根據(jù)術(shù)統(tǒng)計分析緣瑞可以確定送一個具有昆一定保證健率（如9暮5%）的上限承荷載分崇位值，杠該特征妄值稱為喇荷載標(biāo)厘準(zhǔn)值（符號Gk，Qik）?！舭春奢d標(biāo)活準(zhǔn)值確定市的荷載效嚷應(yīng)，稱為豆荷載效應(yīng)夠標(biāo)準(zhǔn)值Sk35結(jié)構(gòu)抗宏力標(biāo)準(zhǔn)楊值Rkfck、fsk分別為男混凝土差和鋼筋處的強(qiáng)度編標(biāo)準(zhǔn)值侵，截面頑尺寸b、h0和配筋A(yù)s取設(shè)計值眼。Rk的具體表猛達(dá)形式是顆本課程的貴主要內(nèi)容草。

f(S)SSk

f(R)RRk36Skf(S)，f(R)S，RRk37Skf(S)，f(R)S，RRk38Skf(S)，f(R)S，RRk39設(shè)計驗算點S*=R*Pf=[Pf]Skf(S)，f(R)S，RRk40作用效蕉應(yīng)設(shè)計宮值，gS作用效應(yīng)原分項系數(shù)結(jié)構(gòu)抗程力設(shè)計組值，gR結(jié)構(gòu)抗力覆分項系數(shù)41分項系數(shù)42材料強(qiáng)度否設(shè)計值43g0——結(jié)構(gòu)重要旅性系數(shù)：啊在持久設(shè)授計狀況和鑰短暫設(shè)計荷狀況下，廳對安全等忠級為一級售的結(jié)構(gòu)構(gòu)垂件不應(yīng)小溉于1.1悶，對安全貫等級為二榆級的結(jié)構(gòu)欲構(gòu)件不應(yīng)貼小于1.傾0，對安賺全等級為睬三級的結(jié)怖構(gòu)構(gòu)件不熔應(yīng)小于0查.9；對喚地震設(shè)計降狀況應(yīng)取小1.0；按承載驗?zāi)芰O煮限狀態(tài)波計算實迅用設(shè)計童表達(dá)式對持久設(shè)計狀況有，短暫設(shè)計狀況薄和地震設(shè)計狀念況，γRd為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力模型不定性系數(shù)；靜力設(shè)計取1.0，抗震設(shè)計取承載力抗震調(diào)整系數(shù)γRE

44荷載效心應(yīng)組合當(dāng)組合荷宅載效應(yīng)由可變荷棒載控制時基本組出合當(dāng)組合荷石載效應(yīng)由永久荷載皇控制時45類別設(shè)計使用年限（年）γL150.9225_3501.041001.1荷載調(diào)整賠系數(shù)γL46例1符一走簡支梁丹，跨度l=4m，桐受永久線刃均布荷載理標(biāo)準(zhǔn)值8者kN/m量，受可變怠線均布荷賢載標(biāo)準(zhǔn)值坊6kN/艇m，跨中銹受可變集號中荷載，吃其標(biāo)準(zhǔn)值征10kN桌。該梁是狼重要的建饞筑構(gòu)件，牲安全等級先為一級，戶設(shè)計使用樸年限50突年，求該絲式梁跨中截鄙面的設(shè)計翠彎矩值。47【練習(xí)】久對某非蹤蝶地震區(qū)的曾某框架頂者層橫梁進(jìn)敗行內(nèi)力分艇析，經(jīng)計餐算知在永鴨久荷載標(biāo)薄準(zhǔn)值、屋效面活荷載勁標(biāo)準(zhǔn)值、數(shù)風(fēng)荷載標(biāo)希準(zhǔn)值的分圈別作用下?lián)?，該橫梁蓄梁端彎矩溝標(biāo)準(zhǔn)值分拴別為：MGK=20憂kNm功，MLK=6K兇Nm(ψc=0.7