[高等教育]2 建筑结构概率极限状态设计法2003.ppt

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1、1,工 程 结 构,土木工程学院：李雪红 郭樟根,李雪红：13814057406 QQ:1595310416,2,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.1 概念设计和数值设计2.2 结构的功能要求2.3 结构的极限状态2.4 概率极限状态设计法2.5 实用设计表达式2.6 建筑结构设计过程,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.1 概念设计和数值设计,概念设计和数值设计,20世纪70年代以来，工程界提出了概念设计的思想。概念设计是相对于数值设计而言的，其提出背景是大量的地震灾害调查。,先看一个例子：,2.1 概念设计和数值设计,1972.12.23，南美洲马那瓜地震,概念设计和数值设计,2 建筑结

2、构概率极限状态设计法,2.1 概念设计和数值设计,概念设计和数值设计,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.1 概念设计和数值设计,从建筑结构抗震设计的角度而言，所谓概念设计是指根据地震震害和工程经验等形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。,建筑结构静力设计中，同样应强调概念设计。,概念设计和数值设计,2 建筑结构概率极限状态设计法,7,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.1 概念设计和数值设计2.2 结构的功能要求2.3 结构的极限状态2.4 概率极限状态设计法2.5 实用设计表达式2.6 建筑结构设计过程,2.2 结构的功能要求,结构的功能要求,安全性 S

3、afety 结构在预定的使用期间内，应能承受在正常施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载、外加变形（如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）等的作用。在偶然事件（如地震、爆炸）发生时和发生后，结构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。建筑结构的安全等级：三个级别,2 建筑结构概率极限状态设计法,适用性 Serviceability 结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。耐久性 Durability 结构在规定的工作环境中、在预定时期内、在正常维护的条件下结构能够被使用到规定的设计使用年限的性能。即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋

4、锈蚀），结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低，而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。,结构的功能要求,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.2 结构的功能要求,2 建筑结构概率极限状态设计法,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.2 结构的功能要求,可靠性安全性、适用性和耐久性的总称 就是指结构在规定的使用期限内，在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护），完成预定结构功能的能力。,可靠度,就是指结构在规定的使用期限内，在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护），完成预定结构功能的概率。,结构的功能要求,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.2 结构的

5、功能要求,13,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.1 概念设计和数值设计2.2 结构的功能要求2.3 结构的极限状态2.4 概率极限状态设计法2.5 实用设计表达式2.6 建筑结构设计过程,结构的极限状态,结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠”的或“有效”的。反之，则结构为“不可靠”或“失效”。区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限状态”，他是结构或构件能够满足设计规定的某一功能要求的临界状态。,2.3 结构的极限状态,2 建筑结构概率极限状态设计法,结构的极限状态,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.3 结构的极限状态,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.3 结构

6、的极限状态,承载力能力极限状态 Ultimate Limit State:是指结构或构件达到最大承载力、或达到不适于继续承载的变形的状态，也可以理解为结构或结构构件发挥允许的最大承载功能的状态。超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求。,结构的极限状态,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.3 结构的极限状态,主要包括以下几种情况：结构或构件达到最大承载力（包括疲劳）结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移）结构塑性变形过大而不适于继续使用 结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰）结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）结构因局部破坏而发生连续倒塌,结构的极

7、限状态,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.3 结构的极限状态,承载力能力极限状态计算内容：结构构件应进行承载力（包括失稳）计算 直接承受重复荷载的构件应进行疲劳验算 有抗震设防要求时，应进行抗震承载力计算 必要时尚应进行结构的倾覆、滑移、漂浮验算 对于可能遭受偶然作用，且倒塌可能引起严重后果的重要结构，宜进行防连续倒塌设计,结构的极限状态,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.3 结构的极限状态,正常使用极限状态 Serviceability Limit State 是指结构或构件达到适用性能或耐久性能的某项规定限值的极限状态，可以理解为结构或结构构件达到使用功能上允许的某一限值的状态。超过该

8、极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久的功能要求。,结构的极限状态,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.3 结构的极限状态,主要包括以下几种情况：过大的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、不能正常使用（吊车）等）；过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）；过大的振动（不舒适）；影响正常使用的其他特定状态。,结构的极限状态,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.3 结构的极限状态,正常使用极限状态验算内容：对需要控制变形的构件，应进行变形验算 对不允许出现裂缝的构件，应进行混凝土拉应力验算 对允许出现裂缝的构件，应进行受力裂缝宽度验算 对舒适度有要求的构件，应进行竖向自振频率验算,结构的极限

9、状态,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.3 结构的极限状态,23,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.1 概念设计和数值设计2.2 结构的功能要求2.3 结构的极限状态2.4 概率极限状态设计法2.5 实用设计表达式2.6 建筑结构设计过程,2.4 概率极限状态设计法,概率极限状态设计法,由于实际结构中施工条件、质量控制、计算简图、计算理论等的不确定性，因此无论如何设计结构，都会有失效的可能性存在，只是可能性大小不同而已。为了科学定量的表示结构可靠性的大小，采用概率方法是比较合理的。,几个概念：,2 建筑结构概率极限状态设计法,荷载效应S和结构抗力R,S荷载效应 荷载引起的结构构件的内力和变

10、形。如弯矩M、轴力N、剪力V、扭矩T、挠度 f、裂缝宽度 w 等,S=CQ,影响S的不确定性因素：荷载本身的变异性；内力计算假定与设计受力情况之间的差异。,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.4 概率极限状态设计法,R结构抗力 结构抵抗作用效应的能力，如受弯承载力Mu、受剪承载力Vu、容许挠度f、容许裂缝宽度w,影响R的不确定性因素：结构构件材料性能的变异性；结构构件几何参数的变异性；结构构件抗力计算模式的不确定性。,荷载效应S和结构抗力R,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.4 概率极限状态设计法,Z结构的功能函数，反映了结构构件完成预定功能的工作状态。,R、S、Z均为随机变量，并且假定均为

11、正态分布。,结构的功能函数Z,极限状态方程,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.4 概率极限状态设计法,结构的可靠度、失效概率和可靠指标,结构的可靠度：结构在规定时间内，规定的条件下，完成预定功能的概率称为。它是结构可靠性的概率度量。,失效概率限值称为容许失效概率Pf。,失效概率,pf=P(R S)=P(Z 0),ps=P(R S)=P(Z 0),2 建筑结构概率极限状态设计法,2.4 概率极限状态设计法,为结构的可靠指标。,可按下列公式计算,结构的可靠指标,结构的可靠度、失效概率和可靠指标,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.4 概率极限状态设计法,结构的可靠度、失效概率和可靠指标,2 建筑

12、结构概率极限状态设计法,2.4 概率极限状态设计法,直接与基本变量的平均值和标准差有关，并且还考虑了基本变量的概率分布类型。即：概括了各有关基本变量的统计特性，从而可较全面地反映各影响因素的变异性。此外，从结构功能函数出发，综合考虑了荷载和抗力变异性对结构可靠度的影响。,结构的可靠度、失效概率和可靠指标,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.4 概率极限状态设计法,规范规定的作为设计结构或构件时所应达到的可靠指标。是根据设计所要求的结构可靠度确定的，也称目标可靠指标。,设计可靠指标,对于正常使用极限状态，根据其可逆程度宜取01.5。,结构的可靠度、失效概率和可靠指标,2 建筑结构概率极限状态设计

13、法,2.4 概率极限状态设计法,以结构的失效概率或可靠指标来度量结构的可靠度，并建立了结构可靠度与结构极限状态之间的数学关系，这种设计方法就是所谓的“以概率理论为基础的极限状态设计法”，简称“概率极限状态设计法”。,概率极限状态设计法,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.4 概率极限状态设计法,理论上，当荷载、材料性能及几何尺寸等变量的概率分布及统计参数为己知时，可直接按设计可靠指标进行设计。对于一般结构，这样设计过于繁琐也没有必要。目前我国和很多国家采用极限状态分项系数实用设计表达式。简言之，概率极限状态设计法用设计可靠指标度量结构可靠度，用分项系数的设计表达式进行设计。即：通过荷载取值、材

14、料强度取值以及分项系数三方面来保证相应的可靠度的。,概率极限状态设计法,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.4 概率极限状态设计法,35,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.1 概念设计和数值设计2.2 结构的功能要求2.3 结构的极限状态2.4 概率极限状态设计法2.5 实用设计表达式2.6 建筑结构设计过程,2.5 实用设计表达式,实用设计表达式,极限状态方程 以基本变量标准值和分项系数形式表达 实用设计表达式其中：各分项系数的取值是根据目标可靠指标及基本变量的统计参数用概率方法确定的。,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.5 实用设计表达式,基本变量的标准值,荷载标准值：指在结构使用期间

15、正常情况下可能出现的最大荷载值。统一标准规定，荷载标准值由设计基准期内最大荷载概率分布的特征值（例如平均值、中值、众值等）确定。,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.5 实用设计表达式,材料强度标准值 材料强度标准值的取值原则是在符合规定质量的材料强度实测值的总体中，标准强度应具有不小于95的保证率，即按概率分布的0.05分位数确定。,保证率：随机变量的值不小于某一定值的概率，称为关于这一定值的保证率。,基本变量的标准值,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.5 实用设计表达式,分项系数,各分项系数不仅与目标可靠指标有关，而且与结构极限状态方程中所包含的全部基本变量的统计参数有关。,包括永久荷载

16、分项系数G、可变荷载分项系数Q、结构抗力分项系数R（可用材料分项系数表达）。,分项系数:考虑设计可靠指标的等价作用。,分项系数的确定原则：在各项标准值已给定的情况下，要选择一组分项系数，使按实用表达式设计与按概率极限状态设计法设计，结构构件可靠指标的误差最小。,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.5 实用设计表达式,荷载设计值=荷载标准值*荷载分项系数(恒载分项系数一般取G=1.2、1.35、1.0等，活载分项系数一般取Q=1.4、1.3）；,材料强度设计值材料强度标准值,材料强度设计值=材料强度标准值/材料分项系数（钢筋s=1.1-1.2,混凝土c=1.4）,荷载设计值荷载标准值,荷载与材料

17、强度设计值,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.5 实用设计表达式,2 建筑结构概率极限状态设计法,荷载效应组合,2.5 实用设计表达式,荷载效应组合,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.5 实用设计表达式,承载力能力极限状态设计表达式,S:荷载效应组合设计值；R:结构抗力设计值；0：结构重要性系数；用来反映安全等级的要求。,结构重要性系数,实用设计表达式,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.5 实用设计表达式,fck、fsk分别为混凝土和钢筋的强度标准值，fck/c、fsk/s分别为混凝土和钢筋的强度设计值fc、fs，b、h0、As截面尺寸和配筋。,R:结构抗力设计值；,2 建筑结构概率极限

18、状态设计法,实用设计表达式,2.5 实用设计表达式,R:结构抗力设计值；,2 建筑结构概率极限状态设计法,实用设计表达式,2.5 实用设计表达式,ak为几何参数标准值，当几何参数的变异性对结构性能有明显的不利影响时，应增减一个附加值。,R:结构抗力设计值；,2 建筑结构概率极限状态设计法,实用设计表达式,2.5 实用设计表达式,对偶然作用下、结构防连续倒塌、既有结构等的承载能力极限状态设计时按照规范的有关规定进行。,R:结构抗力设计值；,2 建筑结构概率极限状态设计法,实用设计表达式,荷载效应组合设计值S,按承载能力极限状态设计时，应采用荷载效应的基本组合。,由可变荷载效应控制时：,2 建筑结

19、构概率极限状态设计法,实用设计表达式,2.5 实用设计表达式,对于一般排架、框架结构，可采用简化规则，用下式代替：,取其中的最不利值：,2 建筑结构概率极限状态设计法,实用设计表达式,2.5 实用设计表达式,由永久荷载效应控制时：,2 建筑结构概率极限状态设计法,实用设计表达式,2.5 实用设计表达式,承载能力极限状态设计过程：,2 建筑结构概率极限状态设计法,实用设计表达式,2.5 实用设计表达式,正常使用极限状态设计表达式,C:结构构件达到正常使用要求所规定的变形、裂缝宽度、应力和自振频率等的限值；,S：正常使用极限状态荷载效应组合设计值；应根据不同的设计要求，采用作用效应的标准组合、频遇

20、组合或准永久组合。,2 建筑结构概率极限状态设计法,实用设计表达式,2.5 实用设计表达式,荷载效应组合设计值S,按正常使用极限状态设计时，作用效应S 应根据不同的设计要求，采用作用效应的标准组合、频遇组合或准永久组合。,1、标准组合,主要用于：当一个极限状态被超过时结构将产生永久性损害的情况。,2 建筑结构概率极限状态设计法,实用设计表达式,2.5 实用设计表达式,对于一般排架、框架结构，可采用简化规则，取其中的铰大值：,2 建筑结构概率极限状态设计法,实用设计表达式,2.5 实用设计表达式,2、频遇组合,主要用于：当一个极限状态被超过时结构将产生局部损坏、较大变形或短暂振动等情况。,2 建

21、筑结构概率极限状态设计法,实用设计表达式,2.5 实用设计表达式,3、准永久组合,主要用于：当荷载的长期效应为决定性因素时的情况。,2 建筑结构概率极限状态设计法,实用设计表达式,57,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.1 概念设计和数值设计2.2 结构的功能要求2.3 结构的极限状态2.4 概率极限状态设计法2.5 实用设计表达式2.6 建筑结构设计过程,2.6 建筑结构设计过程,建筑结构设计过程,建筑工程设计的一般程序一般必须经过三阶段设计即初步设计、技术设计、施工图设计。,初步设计阶段是建筑设计中具有战略意义的环节。初步设计提出的图纸和文件主要有：建筑总平面图包括建筑物的位置、标高、道

22、路绿化以及基地设施的布置和说明：建筑物各层平面图、立面图、剖面图，并应说明结构方案、尺寸、材料；设计方案的构思说明书，结构方案及构造特点，主要技术经济指标；建筑设计造价估算书包括主要建筑材料的控制数据。大型、复杂的建设项日，可辅以建筑透视图或建筑模型。,2 建筑结构概率极限状态设计法,2.6 建筑结构设计过程,技术设计阶段的主要任务是在初步设计的基础上，确定建筑、结构、设备等工种的技术问题、技术设计的内容，各工种间相互提供资料、技术设计图纸和设计文件。,施工图设计的主要任务是在技术设计的基础上，深入了解材料供应、施工技术、设备等条件，并反映在施工图纸中。设计文件包括建筑、结构、设备等工种的全部

23、施工图纸，工程说明书、结构计算书和设计预算书。,2 建筑结构概率极限状态设计法,建筑结构设计过程,2.6 建筑结构设计过程,建筑结构设计的一般过程,(1)结构选型选择结构方案，包括：结构型式和结构承重体系。主要内容有：承重结构方案与布置；楼(屋)盖结构方案与布置；基础结构方案与布置以及结构主要构造措施及特殊部位的处理方案。,2 建筑结构概率极限状态设计法,建筑结构设计过程,2.6 建筑结构设计过程,(2)结构布置在选定结构方案的基础上，确定各结构构件之间的相互关系，初步定出结构的全部尺寸。确定了结构布置也就确定了结构的计算简图，确定了各种荷载的传递路径。计算简图虽是对实际结构的简化，但应反映结

24、构的主要特点及实际受力情况，用于内力、位移的计算。所以结构布置是否合理将影响结构的性能。,2 建筑结构概率极限状态设计法,建筑结构设计过程,2.6 建筑结构设计过程,(3)确定材料和构件尺寸按规范要求选定合适等级的材料，并按各项使用要求初步确定构件尺寸。结构构件的尺寸可用估算方法或按工程经验定出，包括参考有关于册，但应满足规范要求。,2 建筑结构概率极限状态设计法,建筑结构设计过程,2.6 建筑结构设计过程,(4)荷载计算 根据使用功能要求和工程所在地区抗震设防等级确定永久荷载、可变荷载(楼、屋面活荷载、风荷载等)以及地震作用。,2 建筑结构概率极限状态设计法,建筑结构设计过程,2.6 建筑结

25、构设计过程,(5)内力分析及组合计算各种荷载下结构的内力，在此基础上进行内力组合。各种荷载同时出现的可能性是多样的，而且活荷载位置是可能变化的，因此结构承受的荷载以及相应的内力情况也是多样的，这些应用内力组合来表达。内力组合即4.2节中所述荷载效应组合。在其中求出截面的最不利内力组合值作为极限状态设计计算承载能力、变形、裂缝等的依据。,2 建筑结构概率极限状态设计法,建筑结构设计过程,2.6 建筑结构设计过程,(6)结构构件设计 采用不同结构材料的建筑结构，应按相应的设计规范计算结构构件控制截面的承载力，必要时应验算位移、变形、裂缝以及振动等的限值要求。所谓控制截面是指构件中内力最不利的截面、

26、尺寸改变处的截面以及材料用量改变的截面等。,2 建筑结构概率极限状态设计法,建筑结构设计过程,2.6 建筑结构设计过程,(7)构造设计目前，各类建筑结构设计的相当一部分内容尚无法通过计算确定，可采取构造措施进行设计。大量工程实践经验表明，每项构造措施都有其作用原理和效果，因此构造设计是十分重要的设计工作。构造设计主要是根据结构布置和抗震设防要求确定结构整体及各部分的连接构造。,2 建筑结构概率极限状态设计法,建筑结构设计过程,2.6 建筑结构设计过程,实际工作中，随着设计的不断细化，结构布置、材料选用、构件尺寸等都不可避免要作调整，如果变化较大时，应重新计算荷载和内力、内力组合以及承载力，验算

27、正常使用极限状态的要求。,2 建筑结构概率极限状态设计法,建筑结构设计过程,2.6 建筑结构设计过程,结构设计应完成的主要文件：,(1)结构选型和承重体系设计说明书,(2)结构设计计算书,(3)结构设计施工图纸,2 建筑结构概率极限状态设计法,建筑结构设计过程,2.6 建筑结构设计过程,到本节为止，阐述了建筑结构设计的总体问题。在有了整体认识的基础上，下面将具体介绍各类建筑结构设计的主要内容和方法。,2 建筑结构概率极限状态设计法,建筑结构设计过程,1.正确理解概念设计和数值设计；2.重点掌握一些基本概念：安全性、适用性、耐久性；可靠性、可靠度；承载能力极限状态、正常使用极限状态并会判断；荷载效应、结构抗力、功能函数；可靠概率、失效概率、可靠指标；3.重点理解荷载标准值、材料强度标准值及其确定原则；4.重点理解分项系数的含义及其确定方法；5.了解结构重要性系数的意义；6.理解并掌握承载能力极限状态和正常使用极限状态的荷载效应组合表达式（难点）。7.了解建筑结构设计的一般程序、过程及所提交的成果。,2 建筑结构概率极限状态设计法,本章重点,71,思 考 题,本章课后所列思考题,2 建筑结构概率极限状态设计法,预 习,钢筋和混凝土材料的力学性能。,2 建筑结构概率极限状态设计法,