荷載效應課件

混凝土結構設計原理蘭州大學網絡教育學院2010-11-11王亞軍3.1極限狀態(tài)3.2按近似概率理論的極限狀態(tài)設計法3.3實用設計表達式第3章

按近似概率理論的極限狀態(tài)設計法3.1極限狀態(tài)作用：是指施加在結構或構件上的力，以及引起結構強迫變形或約束變形的原因，如地面運動、地基不均勻沉降、溫度變化、混凝土收縮、焊接變形等。作用效應“S”：是上述作用引起的結構或構件的內力（如軸向力、剪力彎矩、扭矩等）和變形（如撓度、側移、裂縫等）。直接作用也稱為荷載。3.1.1結構上的作用作用的分類作用直接作用：間接作用：按時間分永久作用：可變作用：按位置分固定作用可動作用按反應分靜態(tài)作用動態(tài)作用荷載溫度應力、基礎沉降，地震作用自重，土壓力樓面活荷載、風荷載、雪荷載3.1極限狀態(tài)荷載效應：當作用力為集中力或分布力時，其效應可稱為“荷載效應”。3.1.1結構上的作用荷載Q與荷載效應S之間，一般可近似按照線性關系考慮，因此S=CQ式中：C—為荷載效應系數3.1極限狀態(tài)3.1.2結構的功能要求安全等級一級：破壞后果很嚴重的重要建筑物二級：破壞后果嚴重的一般工業(yè)與民用建筑物三級：破壞后果不嚴重的次要建筑物

設計使用年限是指設計規(guī)定的結構或結構構件不需進行大修即可按其預定目的使用的時期。3.1極限狀態(tài)結構設計的目的是要使所設計的結構能夠完成由其用途所決定的全部功能要求。安全性：結構在正常施工和使用時應能承受可能出現的各種荷載及外部作用，以及在偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后能保持必需的整體穩(wěn)定性。適用性：結構在正常使用時有良好的工作性能。耐久性：結構在正常維護下，材料性能雖隨時間變化，但仍能滿足預定功能要求。3.1.2結構的功能要求3.1極限狀態(tài)

把安全性、適用性、耐久性概括起來稱為結構的可靠性。

可靠性：結構在規(guī)定的時間內（如設計使用年限為50年），在規(guī)定的條件下（正常設計、正常施工、正常使用和正常維修不考慮人為過失）完成預定功能的能力。3.1.2結構的功能要求3.1極限狀態(tài)結構能滿足功能要求而良好地工作，稱為結構“可靠”或“有效”。反之，則稱為結構“不可靠”或“失效”。極限狀態(tài)——區(qū)分結構工作狀態(tài)的可靠與失效的標志是“極限狀態(tài)”。它是結構或構件能夠滿足設計規(guī)定的某一功能要求的臨界狀態(tài)。有明確的標志及限值。3.1.3結構的極限狀態(tài)結構的極限狀態(tài)包括：承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)（1）承載能力極限狀態(tài)整個結構或結構的一部分作為剛體失去平衡，如傾覆、滑移；結構構件或連接部位因材料強度超過限值而破壞；結構構件或連接因產生過度的塑性變形而不適于繼續(xù)承載（如受彎構件中的少筋梁）；結構變?yōu)闄C動體而失去承載能力；結構或構件喪失穩(wěn)定（壓屈、側屈、翹屈）；地基喪失承載力而破壞。（2）正常使用極限狀態(tài)影響正常使用或外觀的變形（如梁產生超過了撓度限值的過大撓度）；影響正常使用或耐久性的局部損壞（如不允許出現裂縫的構件開裂，或出現超過允許裂縫寬度的裂縫）；影響正常使用的振動；影響正常使用的其它特定狀態(tài)（如鋼筋銹蝕產生的沿鋼筋的縱向裂縫。3.1極限狀態(tài)結構構件完成預定功能的工作狀況可以用作用效應S和結構抗力R的關系式來描述，稱為結構功能函數，用Z來表示：3.1.4結構的功能函數結構可靠狀態(tài)（結構能完成預定的功能）結構處于臨界的極限狀態(tài)（將，稱為“極限狀態(tài)方程”）結構失效狀態(tài)（結構不能完成預定的功能）3.2按近似概率理論的極限狀態(tài)設計法結構在規(guī)定的時間內（如設計使用年限為50年），在規(guī)定的條件下（正常設計、正常施工、正常使用和正常維修不考慮人為過失）完成預定功能的能力，稱為可靠性。結構的可靠度是結構可靠性的概率度量。因此可以用可靠概率Ps來描述，則失效概率為Pf=1-Ps。3.2.1結構的可靠度3.2按近似概率理論的極限狀態(tài)設計法可靠指標：隨機變量函數的平均值與方差的比值。即：3.2.2可靠指標結構的效應S及結構的抗力R均符合正態(tài)分布，因此結構的功能函數也符合正態(tài)分布。如圖：圖中Z<0部分(陰影)面積即為失效概率Pffz(Z)pfzzzZ結構目標可靠度在確定結構的可靠指標時，應該使結構的失效概率降低到人們可以接受的程度，做到既安全可靠又經濟合理?！督ㄖY構可靠度設計統(tǒng)一標準》規(guī)定：[]的取值與構件的破壞類型及結構的重要性有關。

[]3.3實用設計表達式1、荷載標準值荷載標準值是指在結構的使用期間，在正常情況下出現的最大荷載值。也是荷載的基本代表值。最大值是隨機變量；由最大荷載概率分布的某一分位數來確定；因荷載的不同標準值的取值分位數不同。2、材料強度標準值材料強度標準值的取值原則是在符合規(guī)定質量的材料強度實測值的總體中，標準強度應具有不小于95%的保證率，即按概率分布的0.05分位數取值3.3.1基本變量的標準值3.3實用設計表達式為了將極限狀態(tài)方程轉化為以基本變量標準值和分項系數形式表達的形式，引入分項系數。分項系數分為抗力分項系數和荷載分項系數?？沽Ψ猪椣禂岛奢d分項系數3.3.2分項系數抗力分項系數為方便設計應用，對于承載能力極限狀態(tài)，《規(guī)范》將材料強度標準值除以材料分項系數后的數值稱為材料強度標準值，即：規(guī)范中直接給出了各強度等級材料的設計值，見本教程附表2-2，附表2-7，附表2-9荷載分項系數分類永久荷載分項系數gG可變荷載分項系數gQ可變荷載效應起控制作用一般情況下1.21.4大于4kN/m2樓面均布可變荷載1.21.3永久荷載效應起有利作用1.01.4永久荷載效應起控制作用1.351.43.3實用設計表達式為了反映結構設計中安全等級的不同，在實用設計表達式的荷載效應項上引入了系數g0，稱為結構重要性系數。3.3.3結構重要性系數結構重要性系數取值安全等級破壞后果設計年限建筑物類型取值一級很嚴重100重要的工業(yè)與民用建筑1.1二級嚴重50一般的工業(yè)與民用建筑1.0三級不嚴重5次要的建筑物0.93.3實用設計表達式3.3.4荷載效應的一般組合式當結構上同時作用有多種可變荷載時，如框架結構除了樓（屋）面活荷載外，一般還同時作用有風荷載；而排架結構上作用的可變荷載可能有吊車荷載、風荷載、雪荷載等。為了使結構在兩種或兩種以上可變荷載參與組合的情況下，與僅有一種可變荷載的情況就有大體相同的可靠指標，引入可變荷載的組合系數。承載能力極限狀態(tài)1）由可變荷載效應控制的組合：2）由永久荷載效應控制的組合：對于一般排架、框架結構，可采用下列簡化組合式：式中各個參數代表的意義。Gk—永久荷載；Qi—可變荷載。正常使用極限狀態(tài)當正常使用極限狀態(tài)的驗算包括構件的變形、抗裂度及裂縫寬度驗算。與承載能力極限狀態(tài)相比到達正常使用極限狀態(tài)的危害性要小的多，因此正常使用極限狀態(tài)的目標可靠指標要低一些。在正常使用極限狀態(tài)計算中，按照荷載作用時間的持久性需考慮兩種荷載效應組合：荷載的標準組合和準永久組合。2、準永久組合（長期效應組合）：只包括在整個使用期內出現時間很長的荷載效應，即包括永久荷載和可變荷載的準永久值。1、標準組合（短期效應組合）：包括了在整個使用期內出現時間很短的荷載，即包括永久荷載和所有作用在構件上的可變荷載。例：一簡支梁，跨度為6米，作用于上的均布