结构设计方法DesignApproach.ppt

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1、第三章 结构设计方法,第三章 结构设计方法 Design Approach,第三章 结构设计方法,Questions1 What working states should be considered for practical structures?2 How to ensure the safety and serviceability of your design?3 What factors must be considered to ensure the safety and serviceability?,第三章 结构设计方法,工程结构的设计需要保证安全可靠、经济合理 由于实际工程

2、结构中存在多种不确定性 结构设计方法就是研究工程设计中的各种不确定性问题，取得安全可靠与经济合理之间的均衡,第三章 结构设计方法,容许应力设计方法 allowable stress,安全系数 K 是一个大于1.0的数值 K 越大，结构安全度就越高，同时结构材料用量也越多 为取得安全可靠与经济合理的均衡，在综合考虑各种不确定性因素影响后，可选取一个合适的安全系数。,第三章 结构设计方法,材料力学研究的是：单一材料、线弹性、简单结构 实际工程结构远比它复杂 如钢筋混凝土梁的受弯，从安全角度考虑，需要确定其极限受弯承载力；而为控制正常使用阶段的裂缝和挠度变形，需要确定带裂缝工作阶段的受力情况。采用容

3、许应力设计方法，无法统一这两方面的要求,第三章 结构设计方法,因此，首先根据工程结构需要满足实际使用的各种要求(结构的功能)对安全可靠有更具体的科学定义 另一方面，需要尽可能详细了解结构在不同情况下（施工、使用、破坏）可能受到的各种外界影响的大小和变化情况 外界影响：各种荷载、温度变化、沉降、收缩徐变、地震、侵蚀、冻融等 以及结构尺寸、材料强度等的变异情况，以便科学全面合理的确定结构可靠性。,第三章 结构设计方法,3.4 结构设计方法,永久荷载G：自重、土压力、预应力等；可变荷载Q：使用活荷载、风荷载、雪荷载；偶然荷载（作用）：爆炸力、撞击力。桥梁：P.312,作用：使结构产生内力和变形的原因

4、，分为直接作用和间接作用两种。（P.33）荷载是直接作用，混凝土的收缩、徐变、温度变化、地基不均匀沉降、地震是间接作用。,作用效应(S)：结构上的作用使结构产生的内力（弯矩、剪力、扭矩）和变形、裂缝的统称。（P.33）作用（荷载）效应=作用（荷载）效应系数（C)*荷载值 P.43承担均布荷载q的简支梁，其跨中弯矩 M=1/8*ql2，则荷载效应系数C=l 2/8。,基本术语,第三章 结构设计方法,3.4 结构设计方法,荷载标准值是指其在结构的使用期间可能出现的最大荷载值。根据统计分析可以确定一个具有一定保证率（如95%）的上限荷载分位值，该特征值称为荷载标准值（符号Gk，Qk）。,自重恒荷载标

5、准值可按结构构件的体积乘比重。钢筋混凝土的比重为25kN/m3。使用活荷载的标准值可按建筑结构荷载规范(GB50009-2001)或公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(TJT023-85)选取。如住宅、教室楼面的使用活荷载为2.0 kN/m2。,第三章 结构设计方法,正态分布的几个基本概念（补充）,正态分布曲线各段的概率分布,平均值:,标准差(或均方差):,3.2.3 极限状态设计法,变异系数：,3.2.3 结构设计方法,第三章 结构设计方法,强度标准值和荷载标准值的确定方法,材料强度标准值：根据统计分析可以确定一个具有一定保证率（95%）的下限强度分位值，该特征值称为材料强度标准值（符

6、号fc，fs）。材料强度标准值=-1.645 P.43,第三章 结构设计方法,3.1 结构的功能,3.1 结构的功能 Functions of Structure,安全性 Safety(P.34)如（MMu）结构在预定的使用期间内（design life 一般为50年），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。,第三章 结构设计方法,3.1 结构的功能,适用性 Serviceab

7、ility 如（f f）结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。如不发生影响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振动（频率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。耐久性 Durability 如（wmax wmax）结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀），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。,第三章 结构设计方法,3.1 结构的功能,结构的可靠性 reliability 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（design life=

8、50年），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。(P.37)结构可靠性越高，建设造价投资越大。如何在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计方法要解决的问题。,第三章 结构设计方法,3.1 结构的功能,显然这种可靠与经济的均衡受到多方面的影响，如国家经济实力、设计工作寿命(design life)、维护和修复等。规范规定的设计方法，是这种均衡的最低限度，也是国家法律。设计人员可以根据具体工程的重要程度、使用环境和情况，以及业主的要求，提高设计水准，增加结构的可靠度。经济的概念不仅包括第一次建设费用，还应考虑维修，损失及修复的费用，乃至可能对社会和经济所造成的

9、影响,第三章 结构设计方法,3.2 极限状态,3.2 极限状态 Limit State(P.35),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”,第三章 结构设计方法,3.2 极限状态,3.2 极限状态 Limit State(P.35),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”,A limit state is that loading condition w

10、hich,if exceeded,will render the structure unserviceable.,第三章 结构设计方法,承载力能力极限状态 Ultimate Limit State超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求An ultimate limit state occurs at the collapse,or partial collapse,of a structure.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

11、稳定（如细长受压构件的压曲失稳）,3.2 极限状态,第三章 结构设计方法,3.2 极限状态,正常使用极限状态 Serviceability Limit State 超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久的功能要求。An serviceability limit state is produced by excessive the deflection,cracking,or vibration.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）；其他正常使用要求。,第三章 结构设计方法,3.2 极限状态

12、,An ultimate limit state is necessary to determine the maximum load carrying capacity of a structure.An serviceability limit state is necessary to ensure satisfactory behavior under working load condition.,第三章 结构设计方法,3.2 极限状态,结构功能的表达 P.35,Z：结构的功能函数,第三章 结构设计方法,3.2 极限状态,S作用效应 Action Effect 结构上的作用（使结构产

13、生内力和变形的原因，如荷载、不均匀沉降、温度变形、收缩变形、地震等）引起的效应如弯矩M、轴力N、剪力V、扭矩T、挠度 f、裂缝宽度 w 等,S=S(Q)=C*Q,R结构抗力 Resistance 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,R=R(fc,fy,A,h0,As,),结构力学的主要内容,本课程的主要内容,第三章 结构设计方法,3.3 结构中的不确定性,3.3 结构设计中的不确定性 Uncertainties and unexpected deviations factor in Design,恒载 g与构件尺寸、材料容重等有关 活载 q（楼

14、面活载、雪荷载）的数值是随时在变化的 计算跨度 l 的不准确,材料强度 fy 和 fc 的离散截面尺寸h0和 b 的施工误差应力-应变关系参数 k1 和 k2,不一定安全（可靠）,第三章 结构设计方法,3.4 结构设计方法,以概率理论为基础的极限状态设计法,由于实际结构中的不确定性，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。,失效概率越小，表示结构可靠性越大。因此，可以用失效概率来定量表示结构可靠性的大小。结构可靠性的概率度量称为结构可靠度reliability degree。(P.38)当失效概率Pf小

15、于某个值时，人们因结构失效的可能性很小而不再担心，即可认为结构设计是可靠的。该失效概率限值称为容许失效概率Pf。,失效概率failure probability,Pf=P(S R),第三章 结构设计方法,3.5 结构设计方法,S*,R*,以概率理论为基础的极限状态设计法,R-S,S,R,R,P.37 图3-2,第三章 结构设计方法,3.4 结构设计方法,结构功能函数 Z=R-S,Pf=P(S R)=P(Z 0),P.38式3-7,第三章 结构设计方法,3.4 结构设计方法,根据统计，触电的年死亡率为610-6 b=3.7时，Pf=1.110-4，按设计基准期50年考虑，年失效概率为1.110-

16、4/50=2.210-6 50年后并不是结构就失效，而是失效概率增加。同时，结构失效也并不表示结构倒塌，结构倒塌也不一定造成人员伤亡。我国对于一般工程结构，当为延性破坏时，其可靠指标取b=3.2，对脆性破坏取b=3.7。对于重要的工程结构，应提高可靠指标。,第三章 结构设计方法,3.5 结构设计方法,实用设计表达式,安全性 承载力能力极限状态 不安全,S*:作用效应设计值；0：结构重要性系数(P.42)R:结构抗力设计值,S*S,R*C?,C:结构构件达到正常使用要求所规定的变形、裂缝宽度和应力等的限值。,3.5 结构设计方法,第三章 结构设计方法,表 3-1 结构重要性系数 P.34 P.4

17、2,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。,第三章 结构设计方法,3.4 结构设计方法,基本术语,分项系数:考虑目标可靠指标的等价作用。P.39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，活载分项系数一般取Q=1.4）；P.47材料强度设计值=材料强度标准值/材料分项系数（钢筋s,混凝土c,，不需记 可直接查表）P.47荷载组合值：按极限状态设计时，为保证结构的可靠性而对同时出现的各种荷载进行组合，使组合后的荷载效应在设计基准期内的超越概率，能与该荷载单独出现时的相应概

18、率趋于一致的荷载值。荷载组合值=荷载组合系数（c)*荷载标准值荷载组合系数（c）可由建筑结构荷载规范查出。,第三章 结构设计方法,3.4 结构设计方法,作用效应设计值S*,按承载能力极限状态设计时，作用效应S*应考虑作用效应的基本组合，必要时尚应考虑作用效应的偶然组合。,1、基本组合对由可变荷载效应控制的组合,Q1k:主导可变荷载;Qik:伴随可变荷载,第三章 结构设计方法,3.4 结构设计方法,2、偶然组合 由有关规范另行规定,第三章 结构设计方法,3.4 结构设计方法,基本术语,荷载频遇值：对可变荷载，在设计基准期内，其超过的总时间为规定的较小比率或超过频率为规定频率的荷载值。P.43荷载

19、频遇值=荷载频遇值系数（f)*荷载标准值,荷载超过某水平Qx的表示方法:超过的总持续时间Tx=ti与设计基准期T的比率x=Tx/T;,第三章 结构设计方法,3.4 结构设计方法,基本术语,荷载超过某水平Qx的表示方法:,超过的总持续时间Tx=ti与设计基准期T的比率x=Tx/T;,单位时间内平均超过的次数,第三章 结构设计方法,3.4 结构设计方法,基本术语,荷载超过某水平Qx的表示方法:,超过的总持续时间Tx=ti与设计基准期T的比率x=Tx/T;,单位时间内平均超过的次数,第三章 结构设计方法,3.4 结构设计方法,基本术语,荷载准永久值：对可变荷载，在设计基准期内，其超过的总时间约为设计

20、基准期的一半的荷载值。荷载准永久值=荷载准永久值系数（q)*荷载标准值,荷载标准值荷载频遇值荷载准永久值,荷载频遇值系数（f）、荷载准永久值系数（q）可由建筑结构荷载规范查出。,第三章 结构设计方法,3.4 结构设计方法,第三章 结构设计方法,3.4 结构设计方法,作用效应设计值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,正常使用极限状态，可靠度要求可适当降低，所有分项系数取1.0,第三章 结构设计方法,3.4 结构设计方法,作用效应设计值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

21、应的标准组合、频遇组合或准永久组合。,2、频遇组合,频遇组合系指永久荷载标准值、主导可变荷载的频遇值与伴随可变荷载的准永久值的效应组合。,第三章 结构设计方法,3.4 结构设计方法,作用效应标准组合值、频遇组合值、准永久组合值,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。,当考虑短期效应时，可根据不同的设计要求，分别采用荷载作用效应的标准组合或频遇组合，当考虑长期效应时，采用准永久组合。,3、准永久组合,第三章 结构设计方法,例 3-1 P.44某办公楼楼面采用预应力混凝土板，安全等级二级，计算跨度3.18m，板宽0.9m，板自重2

22、.04kN/m2，后浇混凝土层厚40mm，板底抹灰厚20mm，可变荷载1.5kN/m2，准永久值系数为0.4，试计算按承载能力极限状态和正常使用极限状态设计时的截面弯矩值。,3.2.3 极限状态设计法,永久荷载标准值计算如下：,第三章 结构设计方法,3.2.3 极限状态设计法,沿板长每米均布荷载标准值为：,沿板长每米可变荷载标准值为：,简支板在均布荷载作用下的弯矩为：,故荷载效应系数为：,因只有一个可变荷载，按承载能力极限状态进行设计时的组合公式为：,第三章 结构设计方法,3.2.3 极限状态设计法,按承载能力极限状态设计时的截面弯矩值为：,按正常使用极限状态设计时的截面弯矩值为：,按荷载标准

23、组合时：,按准永久组合时：,第三章 结构设计方法,3.4 结构设计方法,公路桥涵设计 P.312,1、使用规范：建筑：混凝土结构设计规范GB50010-2002 近似概率公路桥涵:公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTJ023-85 半概率,2、设计表达式及符号,3、抗剪(P.333式11-46)、抗扭计算公式(P.333式11-60)、,第三章 结构设计方法,3.4 结构设计方法,桥规：,第三章 结构设计方法,3.4 结构设计方法,公路桥涵设计 P.312,按承载能力极限状态设计时，作用效应S*应考虑下列作用效应的组合：,1、当结构重力产生的效应与汽车荷载产生的效应同号时：,SQ1k

24、：基本可变荷载中汽车、人群产生的效应标准值；S”Q1k：基本可变荷载中平板挂车或履带车产生的效应标准值；SQ2k：其它可变荷载中一种或几种产生的效应标准值；SGk：永久荷载效应标准值；,第三章 结构设计方法,3.4 结构设计方法,公路桥涵设计 P.313,按承载能力极限状态设计时，作用效应S*应考虑下列作用效应的组合：,2、当结构重力产生的效应与汽车荷载产生的效应异号时：,SQ1k：基本可变荷载中汽车、人群产生的效应标准值；S”Q1k：基本可变荷载中平板挂车或履带车产生的效应标准值；SQ2k：其它可变荷载中一种或几种产生的效应标准值；SGk：永久荷载效应标准值；,第三章 结构设计方法,3.4 结构设计方法,公路桥涵设计 P.377,按正常使用极限状态设计时，作用效应 S 应考虑下列作用效应的组合：,按荷载组合原则简单叠加，不带任何荷载系数！,SQ1k：基本可变荷载中汽车、人群产生的效应标准值；S”Q1k：基本可变荷载中平板挂车或履带车产生的效应标准值；SQ2k：其它可变荷载中一种或几种产生的效应标准值；SGk：永久荷载效应标准值；,