混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則

3.1極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的基本概念3.2可靠度分析的基本概念3.3極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的實(shí)用表達(dá)式第三章混凝土結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)原則本章目錄目錄

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3.33.1極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的基本概念

3.1.1結(jié)構(gòu)的功能要求1.安全性:正常設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)條件下，能承受可能出現(xiàn)的各種作用而不發(fā)生破壞；當(dāng)發(fā)生爆炸、撞擊、人為錯(cuò)誤等偶然事件時(shí)，結(jié)構(gòu)能保持必需的整體穩(wěn)固性，不出現(xiàn)與起因不相稱的破壞后果，防止出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌；當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)可保持足夠的承載力。

2.適用性:結(jié)構(gòu)在使用過程中應(yīng)保持良好的使用性能。

（不產(chǎn)生過大的變形、裂縫、振動(dòng)等）；3.耐久性:在正常維護(hù)條件下，結(jié)構(gòu)應(yīng)在預(yù)定的設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)滿足各項(xiàng)功能的要求，即應(yīng)具有足夠的耐久性能。（不致因混凝土的老化、鋼筋銹蝕等影響使用年限）；安全性、適用性、耐久性概括稱為結(jié)構(gòu)的可靠性目錄

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3.33.1.2結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)

*極限狀態(tài)是區(qū)分結(jié)構(gòu)“可靠”、“有效”；或“不可靠”、“失效”的標(biāo)志（界限）。極限狀態(tài)（Limitstate）：整個(gè)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(jì)規(guī)定的某一功能

（安全、適用、耐久）的要求，此特定狀態(tài)為該功能的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)分類（1）承載能力極限狀態(tài)（Ultimatelimitstate）對應(yīng)于結(jié)構(gòu)達(dá)到最大承載能力或達(dá)到不適于繼續(xù)承載的變形。（安全性的界限）（2）正常使用極限狀態(tài)（Serviceabilitylimitstate）對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性的某項(xiàng)規(guī)定限值。（適用性、耐久性的界限）

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3.3結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過材料強(qiáng)度而破壞（包括疲勞破壞），或因過度變形而不適于繼續(xù)承載；整個(gè)結(jié)構(gòu)或其中一部分作為剛體失去平衡（如傾覆等）；結(jié)構(gòu)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系；結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如壓屈等）；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；結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的疲勞破壞。承載能力極限狀態(tài)標(biāo)志目錄

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影響正常使用或外觀的變形；影響正常使用或耐久性能的局部損壞；影響正常使用的振動(dòng)；影響正常使用的其它特定狀態(tài)。正常使用極限狀態(tài)標(biāo)志目錄

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3.33.1.3結(jié)構(gòu)上的作用、結(jié)構(gòu)抗力1.結(jié)構(gòu)上的作用施加在結(jié)構(gòu)上的集中力或分布力和引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因。直接作用：永久作用可變作用偶然作用固定作用自由作用靜態(tài)作用動(dòng)態(tài)作用有界作用無界作用空間變異時(shí)間變異作用的方式有無限值結(jié)構(gòu)的反應(yīng)結(jié)構(gòu)上的作用間接作用：目錄

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3.32.作用效應(yīng)“作用效應(yīng)”S

和“作用”Q

可近似表示為線性關(guān)系：

S=CQ

由作用引起的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的反應(yīng)，內(nèi)力和變形等(如軸力、彎矩、剪力、扭矩、撓度、轉(zhuǎn)角和裂縫等）。3.結(jié)構(gòu)抗力結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受作用效應(yīng)的能力，即結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件抵抗內(nèi)力和變形的能力。結(jié)構(gòu)抗力是材料性能、幾何參數(shù)以及計(jì)算模式的函數(shù)，可用下式表式：

式中f為所采用的結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度指標(biāo)，a為結(jié)構(gòu)尺寸的幾何參數(shù)。Back目錄

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3.33.2可靠度分析的基本概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題的不確定性荷載本身的變異性。內(nèi)力計(jì)算假定與實(shí)際受力情況之間的差異。1.S的不確定性結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料性能的變異性結(jié)構(gòu)構(gòu)件幾何參數(shù)的變異性。結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力計(jì)算模式的不確定性。2.

R的不確定性如果S和R都是確定的量，要滿足S≤R是容易做到的。但由于S和R的不確定性，這就使問題變得復(fù)雜了。???目錄

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3.33.2.2數(shù)理統(tǒng)計(jì)的基本概念1.隨機(jī)變量及其統(tǒng)計(jì)特征值作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力都具有不確定性。具有不確定性的現(xiàn)象稱為隨機(jī)現(xiàn)象，表示隨機(jī)出現(xiàn)各種結(jié)果的變量稱隨機(jī)變量。（1）算術(shù)平均值m

--------（2）標(biāo)準(zhǔn)差s----（3）變異系數(shù)d----代表隨機(jī)變量平均水平的特征值衡量隨機(jī)變量離散程度的特征值

s越大表示隨機(jī)變量的分布越分散，即離散性越大s越小，表示隨機(jī)變量的分布越集中，即離散性較小。反映隨機(jī)變量相對離散程度的特征值目錄

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3.32.正態(tài)分布分布函數(shù)：密度函數(shù)：、越小，xF(x)’’f(x)—密度函數(shù)變異越小，隨機(jī)變量越集中。目錄

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3.33.保證率隨機(jī)變量的值不小于（或不大于）某一定值的概率，稱為關(guān)于這一定值的保證率。X不大于特征值u的概率:X大于特征值u的概率:目錄

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3.33.2.3結(jié)構(gòu)的失效概率和可靠指標(biāo)Z=R

–

S≥0即S≤R的概率稱為可靠概率，用Ps表示

Z<0的概率即R≤S的概率稱為失效概率，用Pf表示Pf+Ps=1

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3.3可靠指標(biāo)ββ值越大失效概率Pf越小，可靠概率Ps越大β值越小失效概率Pf越大，可靠概率Ps越小β和Pf（或Ps）存在一一對應(yīng)的關(guān)系β稱為可靠指標(biāo)目錄

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3.3根據(jù)建筑物重要性的不同，即一旦結(jié)構(gòu)失效時(shí)對生命財(cái)產(chǎn)的危害程度以及對社會(huì)影響的不同，還將建筑結(jié)構(gòu)分為三個(gè)安全等級

安全等級破壞后果建筑物類型一

級很嚴(yán)重重要的房屋二

級嚴(yán)重一般的房屋三

級不嚴(yán)重次要的房屋結(jié)構(gòu)的安全等級目標(biāo)可靠度指標(biāo)Back目錄

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3.33.3極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的實(shí)用表達(dá)式重點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)為保證所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)安全可靠，應(yīng)使結(jié)構(gòu)的可靠概率Ps即S<R的概率足夠大，或使失效概率Pf即S>R的概率足夠小。Smax≤R

min對荷載乘以大于1的荷載分項(xiàng)系數(shù)，對材料按照規(guī)定的保證率確定一個(gè)較低的材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，使得按極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式計(jì)算的各種結(jié)構(gòu)所具有的可靠指標(biāo)與規(guī)定的目標(biāo)可靠指標(biāo)之間在總體上誤差最小。為使設(shè)計(jì)表達(dá)式滿足不同安全等級的要求，還引入結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)g

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以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)表達(dá)式，是通過荷載的取值、材料強(qiáng)度的取值以及分項(xiàng)系數(shù)三方面來保證相應(yīng)可靠度的。目錄

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3.33.3.1荷載代表值

永久荷載：

2.荷載分項(xiàng)系數(shù)1.荷載標(biāo)準(zhǔn)值

一般情況下應(yīng)取g

G=1.0；對結(jié)構(gòu)的傾覆、滑移或漂浮驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)取g

G=0.9。（2）可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)（1）永久荷載分項(xiàng)系數(shù)一般情況下應(yīng)取g

Q=1.4；對于標(biāo)準(zhǔn)值大于或等于4kN/m2的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的活荷載，因其變異性相對較小，應(yīng)取g

Q=1.3。當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利時(shí)：對由可變荷載效應(yīng)控制的組合，永久荷載分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)取g

G

=1.2；對由永久荷載效應(yīng)控制的組合，應(yīng)取g

G

=1.35。當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利時(shí)：按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸和標(biāo)準(zhǔn)容重計(jì)算而得

根據(jù)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)最大荷載概率分布的某一分位值確定，即取比統(tǒng)計(jì)平均值要大的某一荷載值。見《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2001

；可變荷載：目錄

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3.33.可變荷載的準(zhǔn)永久值考慮荷載長期作用效應(yīng)而對可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值的折減記為

ΨqQ

k4.荷載（效應(yīng)）組合為使結(jié)構(gòu)在兩種或兩種以上可變荷載同時(shí)作用的情況與僅有一種可變荷載作用的情況具有大致相同的可靠指標(biāo)，對同時(shí)作用的多種可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行折減。1）由可變荷載效應(yīng)控制的組合2）由永久荷載效應(yīng)控制的組合對于一般排架、框架結(jié)構(gòu)由可變荷載效應(yīng)控制的組合，可簡化為：當(dāng)僅有一個(gè)可變荷載作用時(shí)當(dāng)有多個(gè)可變荷載作用時(shí)對于承載能力極限狀態(tài)目錄

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3.3正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合準(zhǔn)永久組合材料強(qiáng)度取值1．材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值在符合規(guī)定質(zhì)量的材料強(qiáng)度實(shí)測總體中，具有不小于95％的保證率的強(qiáng)度值在承載能力極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)中所采用的材料強(qiáng)度代表值2.材料強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值

gc=1.4

gs=1.10，1.15，1.20目錄

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3.3結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)狀況地震設(shè)計(jì)狀況是指在結(jié)構(gòu)使用過程中一定出現(xiàn)，且持續(xù)期很長的設(shè)計(jì)狀況，其持續(xù)期一般與設(shè)計(jì)使用年限為同一數(shù)量級。持久設(shè)計(jì)狀況適用于結(jié)構(gòu)使用時(shí)的正常情況。持久設(shè)計(jì)狀況短暫設(shè)計(jì)狀況是指在結(jié)構(gòu)施工和使用過程中出現(xiàn)概率較大，而與設(shè)計(jì)使用年限相比，其持續(xù)期很短的設(shè)計(jì)狀況。短暫設(shè)計(jì)狀況適用于結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的臨時(shí)情況，包括結(jié)構(gòu)施工和維修時(shí)的情況等。偶然設(shè)計(jì)狀況是指在結(jié)構(gòu)使用過程中出現(xiàn)概率較小，且持續(xù)期很短的設(shè)計(jì)狀況。偶然設(shè)計(jì)狀況適用于結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的異常情況，包括結(jié)構(gòu)遭受火災(zāi)、爆炸、撞擊時(shí)的情況等。是指結(jié)構(gòu)遭受地震時(shí)的設(shè)計(jì)狀況。地震設(shè)計(jì)狀況適用于結(jié)構(gòu)遭受地震時(shí)的情況，在抗震設(shè)防地區(qū)必須考慮地震設(shè)計(jì)狀況目錄

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3.33.3.4承載能力極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)表達(dá)式—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)

—承載能力極限狀態(tài)下作用效應(yīng)的設(shè)計(jì)值

R—結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設(shè)計(jì)值

3.3.5正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式1.變形驗(yàn)算2．裂縫寬度驗(yàn)算一級二級三級嚴(yán)格要求一般要求允許目錄

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3.3[例3.三1]如圖3.三7所示三，某三簡支三梁的三計(jì)算三跨度l0=4三m，承三受永三久線三均布三荷載三標(biāo)準(zhǔn)三值gk=8三kN三/m，集三中永三久荷三載（三作用三于跨三中）三標(biāo)準(zhǔn)三值Gk=1三0k三N，可三變線三均布三荷載三標(biāo)準(zhǔn)三值qk=6三kN三/m，可三變荷三載的