河海大水工鋼筋混凝土課件第2章 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基本設計原則

第2章鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基本設計原則◆工程結(jié)構(gòu)的設計需要保證安全可靠、經(jīng)濟合理◆由于實際工程結(jié)構(gòu)中存在多種不確定性◆結(jié)構(gòu)設計方法就是研究工程設計中的各種不確定性問題，取得安全可靠與經(jīng)濟合理之間的均衡結(jié)構(gòu)的功能要求1、安全性2、適用性3、耐久性1、安全性Safety

◎結(jié)構(gòu)在預定的使用期間內(nèi)（一般為50年），應能承受在正常施工、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绲卣?、爆炸）發(fā)生時和發(fā)生后，結(jié)構(gòu)應能保持整體穩(wěn)定性，不應發(fā)生倒塌或連續(xù)破壞而造成生命財產(chǎn)的嚴重損失。結(jié)構(gòu)的功能要求■建筑結(jié)構(gòu)的安全等級劃分為三級:安全等級破壞后果建筑物類型一級很嚴重重要的工業(yè)與民用建筑二級嚴重一般的工業(yè)與民用建筑三級不嚴重次要的建筑物結(jié)構(gòu)的設計使用年限房屋橋梁大壩結(jié)構(gòu)的安全等級結(jié)構(gòu)的功能要求2、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。結(jié)構(gòu)的功能要求3、耐久性Durability

◎結(jié)構(gòu)在正常使用和正常維護條件下，應具有足夠的耐久性。即在各種因素的影響下（混凝土碳化、鋼筋銹蝕），結(jié)構(gòu)的承載力和剛度不應隨時間有過大的降低，而導致結(jié)構(gòu)在其預定使用期間內(nèi)喪失安全性和適用性，降低使用壽命?！蛉纾╳max≤[wmax]）結(jié)構(gòu)的功能要求結(jié)構(gòu)的可靠性

reliability結(jié)構(gòu)的功能要求■

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)（設計工作壽命=50年），在規(guī)定的條件下（正常設計、正常施工、正常使用和維護），完成預定結(jié)構(gòu)功能的能力?！鼋Y(jié)構(gòu)可靠性越高，建設造價投資越大?！?/p>

如何在結(jié)構(gòu)可靠與經(jīng)濟之間取得均衡，就是設計方法要解決的問題。■經(jīng)濟的概念不僅包括第一次建設費用，還應考慮維修，損失及修復的費用結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(tài)1、承載力極限狀態(tài)2、正常使用極限狀態(tài)1、承載力極限狀態(tài)UltimateLimitState超過該極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不能滿足預定的安全性功能要求◆結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載力（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（如細長受壓構(gòu)件的壓曲失穩(wěn)）結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(tài)2、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）；◆其他正常使用要求。結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(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”?！?/p>

區(qū)分“可靠”與“失效”的臨界工作狀態(tài)稱為“極限狀態(tài)”結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)的作用1、作用及作用效應2、荷載的分類3、荷載的隨機性與概率模式4、荷載的標準值5、荷載的分項系數(shù)和組合系數(shù)（1）作用

引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的一切原因。直接作用：直接以力的形式作用于結(jié)構(gòu)，也稱荷載；間接作用：不是直接以力的形式出現(xiàn)，但是對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形和內(nèi)力；

混凝土的收縮、溫度變化、基礎(chǔ)不均勻沉降、地震等。1、作用及作用效應（2）作用效應

作用在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的內(nèi)力和變形等。◆由直接作用（荷載）引起的效應稱為荷載效應。結(jié)構(gòu)的作用（1）時間的長短和性質(zhì)

永久荷載G：不隨時間變化，或變化幅度可以忽略可變荷載Q：隨時間變化，且變化幅度不可以忽略

偶然荷載：可能存在，但不一定出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)效應很大，如爆炸2、荷載的分類結(jié)構(gòu)的作用（2）位置

固定荷載：在結(jié)構(gòu)空間位置上具有固定的分布可動荷載：在結(jié)構(gòu)空間位置的一定范圍內(nèi)可以任意分布，如吊車2、荷載的分類結(jié)構(gòu)的作用（3）結(jié)構(gòu)反應(荷載加速度)

靜態(tài)荷載：對結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生動力效應，或小的可以忽略動態(tài)荷載：對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動力效應，且不可以忽略，如爆炸、沖擊（1）永久荷載◆

性質(zhì)：其量值是不確定的，其量值不隨時間變化◆

數(shù)學描述：隨機變量概率模式，基本服從正態(tài)分布3、荷載的隨機性與概率模式（2）可變荷載◆性質(zhì)：其量值是不確定的，其量值隨時間變化◆數(shù)學描述：把隨機過程模式簡化成隨機變量模式◆簡化方法：分析荷載最大值分布規(guī)律，是一隨機變量◆分布規(guī)律：極值I型概率分布模式結(jié)構(gòu)的作用（1）實質(zhì)

以確定值（代表值）表達不確定的隨機變量，便于設計時，定量描述和運算；4、荷載標準值（2）取值原則根據(jù)荷載概率分布特征，控制保證率。結(jié)構(gòu)的作用（3）標準值取值

◆永久荷載的標準值Gk

取正態(tài)分布的平均值，保證率為50％；◆可變荷載的代表值Qk

標準值：基本代表值，保證率95％；組合值：兩種或兩種以上的可變荷載組合時，同時以標準值出現(xiàn)的概率很小，乘以組合系數(shù)yc進行折減；準永久值：對可變荷載穩(wěn)定性的描述，乘以準永久系數(shù)yq折減；頻遇值：對可變荷載在設計基準期內(nèi)超越的時間或次數(shù)的描述，乘以頻遇值系數(shù)yf求得；4、荷載標準值結(jié)構(gòu)的作用結(jié)構(gòu)的抗力1、抗力及其不定因素2、材料強度的標準值3、抗力的概率分布模式4、鋼筋強度的標準值和設計值5、混凝土強度的標準值和設計值◆抗力抵抗作用效應的能力◆性質(zhì)與時間有關(guān)的隨機過程（1）材料的性能、結(jié)構(gòu)尺寸等都是隨機變量；（2）有些材料的力學性能是隨時間變化的，如強度、變形模量等；◆簡化忽略隨時間的變化，用隨機變量模型描述◆抗力不定因素材料性能的不定性、幾何參數(shù)的不定性、計算模式的不定性1、抗力及其不定因素結(jié)構(gòu)的抗力2、材料強度的標準值fk◆

實質(zhì)：以確定值（標準值）表達不確定值◆

標準值取值：根據(jù)材料強度概率分布取具有95％以上的保證率的要求確定3、抗力的概率分布模式fk95％：fk=m-1.645s97.5％：fk=m-2s5％結(jié)構(gòu)的抗力已知混凝土立方體抗壓強度實驗統(tǒng)計結(jié)果：,服從正態(tài)分布。求立方體抗壓強度標準值。解：結(jié)構(gòu)的抗力4、鋼筋強度的標準值標準值：根據(jù)可靠度要求，混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范取具有95％以上的保證率的屈服強度作為鋼筋的強度標準值fyk。5、混凝土強度的標準值標準值：根據(jù)可靠度要求，混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范取具有95％以上的保證率的強度作為強度標準值fk。結(jié)構(gòu)的抗力結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)S——作用效應

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）引起的效應如彎矩M、軸力N、剪力V、扭矩T、撓度f、裂縫寬度w等R——結(jié)構(gòu)抗力結(jié)構(gòu)抵抗作用效應的能力，如受彎承載力Mu、受剪承載力Vu、容許撓度[f]、容許裂縫寬度[w]R=R(fc,fy,A,h0,As,…)本課程的主要內(nèi)容

S=S(Q)結(jié)構(gòu)力學的主要內(nèi)容Z=R–S由此可采用結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)來描述結(jié)構(gòu)完成預定功能的狀況。因結(jié)構(gòu)的抗力R和作用效應S均具有隨機性，所以只能用功能函數(shù)Z的概率來描述。結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)Z>0R>SZ=0R=SZ<0R<S可靠極限狀態(tài)失效◆以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設計法

由于實際結(jié)構(gòu)中的不確定性，因此無論如何設計結(jié)構(gòu)，都會有失效的可能性存在，只是可能性大小不同而已。為了科學定量的表示結(jié)構(gòu)可靠性的大小，采用概率方法是比較合理的。失效概率probabilityoffailurePf

=P(Z<0)=

P(R<S)結(jié)構(gòu)的可靠度可靠概率Ps=1-Pf當失效概率Pf小于某個值時，人們因結(jié)構(gòu)失效的可能性很小而不再擔心，即可認為結(jié)構(gòu)設計是可靠的。該失效概率限值稱為容許失效概率[Pf]。

由于R、S均為隨機變量，假定服從正態(tài)分布，所以Z也是隨機變量，Z的概率分布曲線也是一條正態(tài)分布曲線。這樣，失效概率可表示為

絕對可靠的結(jié)構(gòu)是不存在的，只要失效概率很小，就可認為該結(jié)構(gòu)是可靠的。結(jié)構(gòu)的可靠度b

—可靠指標

reliabilityindex可靠指標βZ的平均值μZ和標準差σZ為

令μZ=βσZ，則β與pf之間存在著相應的關(guān)系，稱β為結(jié)構(gòu)的“可靠指標”?？煽慷戎笜四繕丝煽恐笜薣β]

在設計時，要使所設計的結(jié)構(gòu)既安全可靠，又經(jīng)濟合理，則在規(guī)定的條件下，失效概率低于一個允許的水平，即pf≤[pf]

當用可靠指標β表示時，則為β≥[β][β]——允許的可靠指標，或稱目標可靠指標，根據(jù)結(jié)構(gòu)的安全等級和破壞類型，在對代表性的構(gòu)件進行可靠度分析的基礎(chǔ)上得出的。可靠度指標◆根據(jù)統(tǒng)計，觸電的年死亡率為6×10-6◆b=3.7時，Pf=1.1×10-4，按設計基準期50年考慮，年失效概率為1.1×10-4/50=2.2×10-6◆50年后并不是結(jié)構(gòu)就失效，而是失效概率增加。同時，結(jié)構(gòu)失效也并不表示結(jié)構(gòu)倒塌，結(jié)構(gòu)倒塌也不一定造成人員傷亡?！粑覈鴮τ谝话愎こ探Y(jié)構(gòu)，當為延性破壞時，其可靠指標取b=3.2，對脆性破壞取b=3.7?？煽慷戎笜私Y(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)設計的目標可靠指標[β]

對于正常使用極限計算，可靠指標通常取為1~2。

破壞類型安全級別一級二級三級延性破壞3.73.22.7脆性破壞4.23.73.2對于重要的工程結(jié)構(gòu)，應提高可靠指標?？煽慷戎笜诵猄的均值和標準差抗力R的均值和標準差結(jié)構(gòu)狀態(tài)函數(shù)Z的均值和標準差結(jié)構(gòu)可靠指標β≥[β]

失效概率Pf≤[Pf]可靠度指標和失效概率的計算實用設計表達式分項系數(shù)承載力極限狀態(tài)設計表達式正常使用極限狀態(tài)設計表達式1、鋼筋強度的設計值設計值fy：鋼筋強度標準值除以材料分項系數(shù)分項系數(shù)gs取值范圍為1.1～1.5分項系數(shù)強度等級代號符號強度標準值（N/mm2）強度設計值（N/mm2）HPB235235210HRB335335300HRB400400360RRB400400360附表2-3

熱軋鋼筋強度標準值和設計值分項系數(shù)2、混凝土強度的設計值設計值f：混凝土強度標準值除以材料分項系數(shù)分項系數(shù)gc取值為1.4分項系數(shù)材料強度設計值已知砼強度等級為C30，問：分項系數(shù)◆極限狀態(tài)設計法

除要求對承載力極限狀態(tài)進行設計外，還包括對撓度和裂縫寬度（正常使用）極限狀態(tài)的設計。針對荷載、材料的不同變異性，不再采用單一的安全系數(shù)，而采用多系數(shù)表達。正常使用極限狀態(tài)承載力極限狀態(tài)實用設計表達式規(guī)范設計表達式g0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)承載力極限狀態(tài)設計表達式可變荷載效應控制永久荷載效應控制實用設計表達式Sk：作用效應標準值；

Rk：結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常使用