结构设计基本原理原.ppt

第第3 3章章 结构设计基本原理结构设计基本原理p本本章章主主要要内内容容结构可靠度结构可靠度 荷载和材料强度标准值荷载和材料强度标准值概率极限状态设计法概率极限状态设计法 要点要点n n作用于结构上的荷载取值作用于结构上的荷载取值作用于结构上的荷载取值作用于结构上的荷载取值 结构构件自重；结构构件自重；结构构件自重；结构构件自重；外部作用（活荷载、风荷载、雪荷载、地震作用等）外部作用（活荷载、风荷载、雪荷载、地震作用等）外部作用（活荷载、风荷载、雪荷载、地震作用等）外部作用（活荷载、风荷载、雪荷载、地震作用等）n n材料强度取值材料强度取值材料强度取值材料强度取值 钢筋强度；混凝土强度钢筋强度；混凝土强度钢筋强度；混凝土强度钢筋强度；混凝土强度n n结构设计方法结构设计方法结构设计方法结构设计方法 荷载值、材料强度值确定后荷载值、材料强度值确定后荷载值、材料强度值确定后荷载值、材料强度值确定后 如何设计，保证结构具有如何设计，保证结构具有如何设计，保证结构具有如何设计，保证结构具有适当的可靠度适当的可靠度适当的可靠度适当的可靠度n n地位和作用地位和作用地位和作用地位和作用：总原则总原则总原则总原则（纲领）（纲领）（纲领）（纲领）预期预期预期预期的可靠度的可靠度的可靠度的可靠度（难点）（难点）（难点）（难点）适用于所有结构和构件：适用于所有结构和构件：适用于所有结构和构件：适用于所有结构和构件：建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准p 作用、作用效作用、作用效应应及及结结构抗力构抗力p 结结构可靠度构可靠度及安全等及安全等级级p 混凝土混凝土结结构构件构构件设计计设计计算方法的演算方法的演变变3.1 3.1 结构可靠度及结构设计方法结构可靠度及结构设计方法结构上的作用、作用效应及结构抗力1.结构上的作用结构上的作用和作用效应和作用效应 作用：作用：使结构或构件产生内力和变形的各种使结构或构件产生内力和变形的各种原因原因p直接作用（直接作用（荷载）：以力的形式荷载）：以力的形式直接作用于结构上直接作用于结构上p间接作用：间接作用：以变形的形式以变形的形式作用在结构上作用在结构上 作用按时间变异的分类作用按时间变异的分类 永久作用永久作用 G：其值不随时间变化（恒载）其值不随时间变化（恒载）可变作用可变作用 Q：其值随时间变化（活荷载）其值随时间变化（活荷载）偶然作用：偶然作用：量值很大且持续时间很短的作用量值很大且持续时间很短的作用作用效应作用效应 S（effect of an action）由作用产生的内力和变形（轴力、剪力、弯矩、扭矩、变形、由作用产生的内力和变形（轴力、剪力、弯矩、扭矩、变形、裂缝等）裂缝等）作用效应作用效应 S 是随机变量或随机过程是随机变量或随机过程3.1.1 3.1.1 结构上的作用、作用效应及结构抗力结构上的作用、作用效应及结构抗力2.2.结构抗力结构抗力结构抗力结构抗力 R R（resistanceresistance）整个结构或结构构件承受作用效应（即内力和变形）的能整个结构或结构构件承受作用效应（即内力和变形）的能整个结构或结构构件承受作用效应（即内力和变形）的能整个结构或结构构件承受作用效应（即内力和变形）的能力，如构件的承载能力、刚度及抗裂能力等。力，如构件的承载能力、刚度及抗裂能力等。力，如构件的承载能力、刚度及抗裂能力等。力，如构件的承载能力、刚度及抗裂能力等。影响因素影响因素影响因素影响因素 材料性能（强度、变形模量等）材料性能（强度、变形模量等）材料性能（强度、变形模量等）材料性能（强度、变形模量等）几何参数（构件尺寸等）几何参数（构件尺寸等）几何参数（构件尺寸等）几何参数（构件尺寸等）计算模式的精确性（构件抗力计算模型）计算模式的精确性（构件抗力计算模型）计算模式的精确性（构件抗力计算模型）计算模式的精确性（构件抗力计算模型）结构抗力结构抗力结构抗力结构抗力 R R 是随机变量是随机变量是随机变量是随机变量3.3.设设计计基基准准期期设设计计基基准准期期 T T （design reference perioddesign reference period）为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数，间参数，间参数，间参数，建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准规定为规定为规定为规定为5050年年年年.3.1.2 结构的预定功能及结构可靠度1.结构设计的基本要求结构设计的基本要求p满足使用功能：满足使用功能：结构的结构的预定功能要求预定功能要求 安全性安全性（safety class）：不发生构件破坏或结构倒塌不发生构件破坏或结构倒塌 适用性适用性（serviceability）:变形和裂缝宽度不超限变形和裂缝宽度不超限 耐久性耐久性（durability）：结构材料的风化、腐蚀和老化不：结构材料的风化、腐蚀和老化不超过一定限度超过一定限度p经济问题经济问题在现有技术的基础上，以最经济的手段获得预定功能要求在现有技术的基础上，以最经济的手段获得预定功能要求 合理地解决结构可靠与经济之间的矛盾合理地解决结构可靠与经济之间的矛盾3.1.2 3.1.2 结构的预定功能及结构可靠度结构的预定功能及结构可靠度2.结构的可靠度结构的可靠度结构的可靠度结构的可靠度n n结构的可靠性结构的可靠性结构的可靠性结构的可靠性 结构的安全性、适用性和耐久性总称结构的安全性、适用性和耐久性总称结构的安全性、适用性和耐久性总称结构的安全性、适用性和耐久性总称结构的可靠性。结构的可靠性。结构的可靠性。结构的可靠性。结构在结构在结构在结构在规定的时间规定的时间规定的时间规定的时间内，在内，在内，在内，在规定的条件规定的条件规定的条件规定的条件下，下，下，下，完成预定功能的完成预定功能的完成预定功能的完成预定功能的能能能能力。力。力。力。（定性描述）（定性描述）（定性描述）（定性描述）n n结构可靠度结构可靠度结构可靠度结构可靠度结构在结构在结构在结构在规定的时间规定的时间规定的时间规定的时间内，在内，在内，在内，在规定的条件规定的条件规定的条件规定的条件下，完成下，完成下，完成下，完成预定预定预定预定功能功能功能功能的的的的概率概率概率概率。是可靠性的概率度量。是可靠性的概率度量。是可靠性的概率度量。是可靠性的概率度量。（定量描述）（定量描述）（定量描述）（定量描述）p 规定的时间规定的时间：设计使用年限设计使用年限（design working life）设计规定的设计规定的结构或结构构件结构或结构构件不需进行大修不需进行大修即可按其预定目的即可按其预定目的使用的时期使用的时期 设计使用年限、设计基准期、使用寿命、耐久年限等概念之间设计使用年限、设计基准期、使用寿命、耐久年限等概念之间的区别。的区别。纪念性建筑和特别重要的建筑物纪念性建筑和特别重要的建筑物1004普通房屋和构筑物普通房屋和构筑物503易于替换的结构构件易于替换的结构构件252临时性结构临时性结构51示示 例例设计使用年限（年）设计使用年限（年）类类 别别 p 规定的条件规定的条件 正常设计、正常施工、正常使用正常设计、正常施工、正常使用3.1.2 结构的预定功能及结构可靠度结构的安全等级n 结构的安全等级结构的安全等级(safety class)p安安全全等等级级根根据据结结构构破破坏坏可可能能产产生生的的后后果果，即即危危及及人人的的生生命命、造成的经济损失、产生社会影响等的造成的经济损失、产生社会影响等的严重程度严重程度确定确定。安全等级安全等级安全等级安全等级破坏后果破坏后果破坏后果破坏后果建筑物类型建筑物类型建筑物类型建筑物类型一级一级一级一级很严重很严重很严重很严重重要的房屋重要的房屋重要的房屋重要的房屋二级二级二级二级严严严严 重重重重一般的房屋一般的房屋一般的房屋一般的房屋三级三级三级三级不严重不严重不严重不严重次要的房屋次要的房屋次要的房屋次要的房屋p 建建筑筑物物中中各各类类结结构构构构件件的的安安全全等等级级宜宜与与整整个个结结构构的的安安全全等等级级相相同同，但但允允许许对对部部分分结结构构构构件件根根据据其其重重要要程程度度和和综综合合效效益进行适当的调整。益进行适当的调整。p用安全等级用安全等级区分结构的可靠度区分结构的可靠度建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准规定的建筑结构安全等级规定的建筑结构安全等级n 混凝土结构构件设计计算方法的演变混凝土结构构件设计计算方法的演变p 容许应力法容许应力法 特点特点：计算简单；未考虑材料的塑性；经验的安全系数计算简单；未考虑材料的塑性；经验的安全系数p 按破坏阶段的设计方法按破坏阶段的设计方法 特点特点：考虑材料塑性，计算结果较准确；：考虑材料塑性，计算结果较准确；经验的安全系数经验的安全系数p多系数极限状态设计法多系数极限状态设计法 特点特点：较全面地考虑了主要因素；不能计算结构的可靠度：较全面地考虑了主要因素；不能计算结构的可靠度3.1.4 混凝土结构构件设计计算方法3.1.4 混凝土结构构件设计计算方法n n概率极限状态设计法概率极限状态设计法概率极限状态设计法概率极限状态设计法 水准水准水准水准I I 半概率法半概率法半概率法半概率法把可以统计的因素（荷载值和材料强度值等）用概率方法加把可以统计的因素（荷载值和材料强度值等）用概率方法加把可以统计的因素（荷载值和材料强度值等）用概率方法加把可以统计的因素（荷载值和材料强度值等）用概率方法加以处理，无统计资料的因素用经验系数处理。对结构的可以处理，无统计资料的因素用经验系数处理。对结构的可以处理，无统计资料的因素用经验系数处理。对结构的可以处理，无统计资料的因素用经验系数处理。对结构的可靠度还不能做出定量的估计。靠度还不能做出定量的估计。靠度还不能做出定量的估计。靠度还不能做出定量的估计。TJ10-74TJ10-74基本上属于此法。基本上属于此法。基本上属于此法。基本上属于此法。水准水准水准水准 近似概率法近似概率法近似概率法近似概率法将结构抗力和荷载效应作为随机变量，按将结构抗力和荷载效应作为随机变量，按将结构抗力和荷载效应作为随机变量，按将结构抗力和荷载效应作为随机变量，按给定的概率分布给定的概率分布给定的概率分布给定的概率分布估估估估算失效概率或可靠指标，采用算失效概率或可靠指标，采用算失效概率或可靠指标，采用算失效概率或可靠指标，采用平均值平均值平均值平均值和和和和标准差标准差标准差标准差两个统计参两个统计参两个统计参两个统计参数，对设计表达式进行线性化处理，称为数，对设计表达式进行线性化处理，称为数，对设计表达式进行线性化处理，称为数，对设计表达式进行线性化处理，称为“一次二阶矩法一次二阶矩法一次二阶矩法一次二阶矩法”，是一种实用的近似概率计算法。，是一种实用的近似概率计算法。，是一种实用的近似概率计算法。，是一种实用的近似概率计算法。水准水准水准水准 全概率法全概率法全概率法全概率法3.1 3.1 结构可靠度及结构设计方法结构可靠度及结构设计方法小结n n结构上的结构上的结构上的结构上的作用、作用效应作用、作用效应作用、作用效应作用、作用效应n n结构的结构的结构的结构的抗力抗力抗力抗力n n设计基准期设计基准期设计基准期设计基准期；设计使用年限设计使用年限设计使用年限设计使用年限；实际寿命实际寿命实际寿命实际寿命n n结构结构结构结构可靠性可靠性可靠性可靠性，结构，结构，结构，结构可靠度可靠度可靠度可靠度n n结构的结构的结构的结构的安全等级安全等级安全等级安全等级n n概率极限状态设计法概率极限状态设计法概率极限状态设计法概率极限状态设计法 影响结构可靠度的主要因素（荷载值、材料强度值等）影响结构可靠度的主要因素（荷载值、材料强度值等）影响结构可靠度的主要因素（荷载值、材料强度值等）影响结构可靠度的主要因素（荷载值、材料强度值等）用用用用概率的方法概率的方法概率的方法概率的方法确定；确定；确定；确定；结构的工作状态取结构的工作状态取结构的工作状态取结构的工作状态取“极限状态极限状态极限状态极限状态”。p 荷荷载标载标准准值值的确定的确定p 材料材料强强度度标标准准值值的确定的确定p 各种各种强强度度值值之之间间的关系的关系3.2 3.2 荷载和材料强度的取值荷载和材料强度的取值荷载标准值的确定n 荷载的统计特性荷载的统计特性p 永久荷载永久荷载 G 是是随机变量；随机变量；永久荷载永久荷载 G G 符合符合正态分布正态分布p 可变荷载可变荷载 Q 是是随机过程；随机过程；楼面活荷载、风荷载和雪荷载符合楼面活荷载、风荷载和雪荷载符合极值极值 I 型分布型分布n 荷载标准值荷载标准值 结构在使用期间，在正常结构在使用期间，在正常情况下，可能出现的具有一情况下，可能出现的具有一定保证率（定保证率（assurance factor）的的偏大荷载值偏大荷载值 。2223242526272800.050.10.150.20.250.30.350.4n 正态分布正态分布永久荷载永久荷载x(kN/m3)概率密度概率密度 p(x)概率密度函数概率密度函数p(x)概率密度函数的性质概率密度函数的性质荷载标准值的确定n 极值极值I型分布型分布荷载标准值的确定 概率密度函数概率密度函数p(x)概率密度函数的性质概率密度函数的性质活荷载活荷载x 概率密度概率密度 p(x)-4-20246800.050.10.150.20.250.30.350.4荷载标准值的确定n 荷载标准值荷载标准值p荷荷载载标标准准值值是是建建筑筑结结构构按按极极限限状状态态设设计计时时采采用用的的荷荷载载基基本代表值本代表值。p如如果果荷荷载载符符合合正正态态分分布布，且且具具有有95%的的保保证证率率，则则标标准准值值Pk为为m mPPk232426282200.050.10.150.20.250.30.350.4永久荷载永久荷载x概率密度概率密度 p(x)Pk=m mPs sP3.2.1 荷载标准值的确定n 荷载标准值荷载标准值p永永久久荷荷载载标标准准值值Gk：可可按按结结构构设设计计规规定定的的尺尺寸寸和和荷荷载载规规范范规规定定的的材材料料容容重重平平均均值值确确定定，一一般般相相当当于于永永久久荷荷载载概概率率分布的平均值。分布的平均值。p办公楼、住宅楼面均布活荷载标准值办公楼、住宅楼面均布活荷载标准值Qk均为均为2。p风风荷荷载载标标准准值值是是由由基基本本风风压压乘乘以以风风压压高高度度变变化化系系数数、风风载载体型系数和风振系数确定的。体型系数和风振系数确定的。p雪雪荷荷载载标标准准值值是是由由建建筑筑物物所所在在地地的的基基本本雪雪压压乘乘以以屋屋面面积积雪雪分布系数确定的。分布系数确定的。注注：上述：上述荷载标准值荷载标准值可由可由建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范查取；查取；各种可变荷载标准值的各种可变荷载标准值的保证率不同保证率不同。3.2.2 材料强度标准值的确定n 材料强度的变异性及统计特性材料强度的变异性及统计特性p 钢筋屈服强度的概率分布基本符合钢筋屈服强度的概率分布基本符合正态分布正态分布。p 混凝土立方体抗压强度的实测值也符合混凝土立方体抗压强度的实测值也符合正态分布正态分布。n 材料强度标准值材料强度标准值p 钢筋和混凝土的强度标准值钢筋和混凝土的强度标准值 fk=m mf-asasf。偏低值偏低值m mf2426282200.050.10.150.20.250.30.350.4材料强度材料强度x概率密度概率密度 p(x)fkp a a为为与与材材料料实实际际强强度度 f 低低于于fK的的概概率率有有关关的的保保证率系数证率系数。3.2.2 材料强度标准值的确定p 钢筋的强度标准值钢筋的强度标准值n对对于于热热轧轧钢钢筋筋，废废品品限限值值相相当当于于屈屈服服强强度度平平均均值值减减去去2倍倍标准差，即标准差，即a a=2=2，保证率为保证率为97.73%。n混混凝凝土土规规范范规规定定的的钢钢筋筋强强度度标标准准值值具具有有不不小小于于95%保证率。保证率。n热轧钢筋强度标准值热轧钢筋强度标准值(N/mm2)种种种种 类类类类符号符号符号符号d d/mm/mmf fyKyK热热热热轧轧轧轧钢钢钢钢筋筋筋筋HPB 300HPB 300A A A A622622300300HRB 335/HRBF 335 HRB 335/HRBF 335 B B B B/B B B BF F650650335335HRB 400/HRBF400/RRB400HRB 400/HRBF400/RRB400C C C C/C C C CF F/C C C CR R650650400400HRB 500/HRBF500HRB 500/HRBF500C C C C/C C C CR R 6506505005003.2.2 材料强度标准值的确定p 混凝土的强度标准值混凝土的强度标准值n混混凝凝土土规规范范规规定定的的混混凝凝土土的的强强度度标标准准值值为为具具有有95%保保证证率的强度值。率的强度值。n立方体抗压强度标准值立方体抗压强度标准值 fcu,kn轴心抗压强度标准值轴心抗压强度标准值 fck3.2.2 材料强度标准值的确定p混凝土规范混凝土规范中的混凝土强度标准值规定中的混凝土强度标准值规定混凝土强度标准值混凝土强度标准值混凝土强度标准值混凝土强度标准值(N/mm(N/mm2 2)强度强度强度强度种类种类种类种类混凝土强度等级混凝土强度等级混凝土强度等级混凝土强度等级C15C15C20C20C25C25C30C30C35C35C40C40C45C45C50C50C55C55C60C60C65C65C70C70C75C75C80C80f fckck10.010.013.413.416.716.720.120.123.423.426.826.829.629.632.432.435.535.538.538.541.541.544.544.547.447.450.250.2f ftktk1.271.271.541.541.781.782.012.012.202.202.392.392.512.512.642.642.742.742.852.852.932.932.992.993.053.053.113.11n轴心抗拉强度标准值轴心抗拉强度标准值 ftk混凝土强度的混凝土强度的基本代表值基本代表值为为 fcu,k。3.2 3.2 荷载和材料强度取值荷载和材料强度取值小结n n重要思想重要思想重要思想重要思想：荷载取具有一定保证率的荷载取具有一定保证率的荷载取具有一定保证率的荷载取具有一定保证率的偏大荷载值偏大荷载值偏大荷载值偏大荷载值（不取最大值）（不取最大值）（不取最大值）（不取最大值）材料强度取具有一定保证率的材料强度取具有一定保证率的材料强度取具有一定保证率的材料强度取具有一定保证率的偏小强度值偏小强度值偏小强度值偏小强度值（不取最小值）（不取最小值）（不取最小值）（不取最小值）。安全与经济的统一；适当的可靠度安全与经济的统一；适当的可靠度安全与经济的统一；适当的可靠度安全与经济的统一；适当的可靠度n n荷载标准值荷载标准值荷载标准值荷载标准值：按按按按荷载规范荷载规范荷载规范荷载规范查取；查取；查取；查取；各种荷载的保证率不一致（统计资料不完备，工程经验）各种荷载的保证率不一致（统计资料不完备，工程经验）各种荷载的保证率不一致（统计资料不完备，工程经验）各种荷载的保证率不一致（统计资料不完备，工程经验）n n材料强度标准值材料强度标准值材料强度标准值材料强度标准值：均具有大于或等：均具有大于或等：均具有大于或等：均具有大于或等95%95%的保证率（钢筋强度保证率为的保证率（钢筋强度保证率为的保证率（钢筋强度保证率为的保证率（钢筋强度保证率为97.78%97.78%；混凝土强度保证率；混凝土强度保证率；混凝土强度保证率；混凝土强度保证率95%95%）根据根据根据根据混凝土强度等级混凝土强度等级混凝土强度等级混凝土强度等级（立方体抗压强度标准值（立方体抗压强度标准值（立方体抗压强度标准值（立方体抗压强度标准值:基本代表值基本代表值基本代表值基本代表值）查规范。）查规范。）查规范。）查规范。n n材料强度平均值（结构分析材料强度平均值（结构分析材料强度平均值（结构分析材料强度平均值（结构分析设计设计设计设计）p 承承载载能力与正常使用极限状能力与正常使用极限状态态p 结结构可靠度的构可靠度的计计算算p 概率极限状概率极限状态设计态设计法法3.3 3.3 概率极限状态设计方法概率极限状态设计方法3.3 概率极限状态设计法提要n n结构的极限状态结构的极限状态结构的极限状态结构的极限状态 定义；两类极限状态（安全性，适用性和耐久性）定义；两类极限状态（安全性，适用性和耐久性）定义；两类极限状态（安全性，适用性和耐久性）定义；两类极限状态（安全性，适用性和耐久性）n n结构的设计状况结构的设计状况结构的设计状况结构的设计状况 结构物在建造和使用过程中结构物在建造和使用过程中结构物在建造和使用过程中结构物在建造和使用过程中所承受的作用、所处环境条件、所承受的作用、所处环境条件、所承受的作用、所处环境条件、所承受的作用、所处环境条件、经历时间长短等都是不同的经历时间长短等都是不同的经历时间长短等都是不同的经历时间长短等都是不同的，设计时所采用的结构体系、，设计时所采用的结构体系、，设计时所采用的结构体系、，设计时所采用的结构体系、可可可可靠度水准靠度水准靠度水准靠度水准、设计方法等也应有所区别。、设计方法等也应有所区别。、设计方法等也应有所区别。、设计方法等也应有所区别。n n结构的功能函数和极限状态方程结构的功能函数和极限状态方程结构的功能函数和极限状态方程结构的功能函数和极限状态方程 作用效应作用效应作用效应作用效应S S与结构抗力与结构抗力与结构抗力与结构抗力R R的关系式；的关系式；的关系式；的关系式；S S=R Rn n结构可靠度计算结构可靠度计算结构可靠度计算结构可靠度计算 失效概率；可靠指标失效概率；可靠指标失效概率；可靠指标失效概率；可靠指标 n n概率极限状态设计的一般方法（概率极限状态设计的一般方法（概率极限状态设计的一般方法（概率极限状态设计的一般方法（少数重要结构采用少数重要结构采用少数重要结构采用少数重要结构采用）3.3.1 结构的极限状态p 结构的极限状态结构的极限状态n整整个个结结构构或或结结构构的的一一部部分分超超过过某某一一特特定定状状态态就就不不能能满满足足设设计计规规定定的的某某一一功功能能要要求求，此此特特定定状状态态称称为为该该功功能能的的极极限状态限状态。n极限状态实质上是极限状态实质上是区分结构可靠与失效的界限区分结构可靠与失效的界限。p 结构的极限状态分类结构的极限状态分类n 承载能力极限状态承载能力极限状态安全性安全性极限状态。主要是破坏（强度）极限状态极限状态。主要是破坏（强度）极限状态n 正常使用极限状态正常使用极限状态适适用用性性和和耐耐久久性性极极限限状状态态。主主要要是是变变形形和和裂裂缝缝宽宽度度极极限限状状态态3.3.1 结构的极限状态n n承载能力极限状态（承载能力极限状态（承载能力极限状态（承载能力极限状态（安全性安全性安全性安全性）3 3点点：结构或构件达到结构或构件达到结构或构件达到结构或构件达到最大承载能力（强度破坏）最大承载能力（强度破坏）最大承载能力（强度破坏）最大承载能力（强度破坏）；达到达到达到达到不适于继续承载的变形（失稳、滑移、倾覆等）；或因不适于继续承载的变形（失稳、滑移、倾覆等）；或因不适于继续承载的变形（失稳、滑移、倾覆等）；或因不适于继续承载的变形（失稳、滑移、倾覆等）；或因结构局部破坏而引发的连续倒塌。结构局部破坏而引发的连续倒塌。结构局部破坏而引发的连续倒塌。结构局部破坏而引发的连续倒塌。标志和限值标志和限值n n结构构件出现结构构件出现结构构件出现结构构件出现强度破坏强度破坏强度破坏强度破坏（最主要的承载能力问题）（最主要的承载能力问题）（最主要的承载能力问题）（最主要的承载能力问题）n n结构或构件作为结构或构件作为结构或构件作为结构或构件作为刚体失去平衡刚体失去平衡刚体失去平衡刚体失去平衡（如倾覆等）（如倾覆等）（如倾覆等）（如倾覆等）n n结构转变为结构转变为结构转变为结构转变为机动体系机动体系机动体系机动体系 n n结构或构件结构或构件结构或构件结构或构件丧失稳定丧失稳定丧失稳定丧失稳定（如压屈等）（如压屈等）（如压屈等）（如压屈等）n n地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）对于任何承载的结构或构件，都需要按承载能力极限状态进对于任何承载的结构或构件，都需要按承载能力极限状态进对于任何承载的结构或构件，都需要按承载能力极限状态进对于任何承载的结构或构件，都需要按承载能力极限状态进行设计。行设计。行设计。行设计。结构的极限状态n n正常使用极限状态（正常使用极限状态（正常使用极限状态（正常使用极限状态（适用性和耐久性适用性和耐久性适用性和耐久性适用性和耐久性）两点两点：结构或构件达到结构或构件达到结构或构件达到结构或构件达到适用性适用性适用性适用性和和和和耐久性耐久性耐久性耐久性极限状态极限状态极限状态极限状态标志和限值标志和限值n n结构变形或振幅达到某一限值；结构变形或振幅达到某一限值；结构变形或振幅达到某一限值；结构变形或振幅达到某一限值；n n不允许出现裂缝的构件，混凝土应力超过混凝土的抗拉强度；不允许出现裂缝的构件，混凝土应力超过混凝土的抗拉强度；不允许出现裂缝的构件，混凝土应力超过混凝土的抗拉强度；不允许出现裂缝的构件，混凝土应力超过混凝土的抗拉强度；n n允许出现裂缝的构件，裂缝宽度超过某一限值；允许出现裂缝的构件，裂缝宽度超过某一限值；允许出现裂缝的构件，裂缝宽度超过某一限值；允许出现裂缝的构件，裂缝宽度超过某一限值；n n其他特定状态，如相对沉降量过大等其他特定状态，如相对沉降量过大等其他特定状态，如相对沉降量过大等其他特定状态，如相对沉降量过大等。注意：注意：注意：注意：n n两类极限状态中，两类极限状态中，两类极限状态中，两类极限状态中，承载能力极限状态最重要承载能力极限状态最重要承载能力极限状态最重要承载能力极限状态最重要，对所有结构均应，对所有结构均应，对所有结构均应，对所有结构均应考虑考虑考虑考虑n n两类极限状态中，两类极限状态中，两类极限状态中，两类极限状态中，均有变形限值均有变形限值均有变形限值均有变形限值，但量值不同，应注意区分。，但量值不同，应注意区分。，但量值不同，应注意区分。，但量值不同，应注意区分。3.3.2 结构的设计状况p 结构的设计状况结构的设计状况n 持持久久设设计计状状况况：在在结结构构使使用用过过程程中中一一定定出出现现，其其持持续续期期很很长长的的状状况况。房房屋结构承受家具和正常人员荷载的状况屋结构承受家具和正常人员荷载的状况 n 短短暂暂设设计计状状况况：出出现现概概率率较较大大，而而与与设设计计使使用用年年限限相相比比，持持续续时时间间很很短短的状况。的状况。结构施工和维修时承受堆料和施工荷载的状况结构施工和维修时承受堆料和施工荷载的状况 n 偶偶然然设设计计状状况况：在在结结构构使使用用过过程程中中出出现现概概率率很很小小，且且持持续续期期很很短短的的状状况况。结构遭受火灾、爆炸、撞击、罕遇地震等作用的状况结构遭受火灾、爆炸、撞击、罕遇地震等作用的状况 n地震设计状况：结构遭受地震时的情况。p 以上以上4种状况均应进行承载能力极限状态设计种状况均应进行承载能力极限状态设计n对对偶然设计状况偶然设计状况，允许主要承重结构因出现设计规定的偶然事件而局，允许主要承重结构因出现设计规定的偶然事件而局部破坏，但其剩余部分具有在一段时间内部破坏，但其剩余部分具有在一段时间内不发生连续倒塌不发生连续倒塌的可靠度；可的可靠度；可不不进行正常使用极限状态设计；进行正常使用极限状态设计；n对对持久设计状况持久设计状况，尚应进行正常使用极限状态设计；，尚应进行正常使用极限状态设计；n对对短短暂暂设设计计状状况况和和地地震震设设计计状状况况，可可根根据据需需要要进进行行正正常常使使用用极极限限状状态态设设计。计。3.3.3 结构的功能函数和极限状态方程p 结构的结构的“工作状态工作状态”结结构构在在使使用用期期间间的的工工作作情情况况称称为为“工工作作状状态态”，可可用用功功能能函数描述。函数描述。p结构的功能函数结构的功能函数 Z的一般表达式的一般表达式n Z=g(X1,X2,Xn)随机性基本变量随机性基本变量p 结构极限状态方程的结构极限状态方程的一般表达式一般表达式n Z=g(X1,X2,Xn)=0p 只包含两个变量的功能函数只包含两个变量的功能函数 n Z=g(R,S)=R Sp 只包含两个变量只包含两个变量的结构极限状态方程的结构极限状态方程 n Z=g(R,S)=R S=03.3.3 3.3.3 结构的功能函数和极限状态方程结构的功能函数和极限状态方程n n用功能函数用功能函数用功能函数用功能函数Z Z判别结构的工作状态判别结构的工作状态判别结构的工作状态判别结构的工作状态 当当当当Z Z00时，结构处于时，结构处于时，结构处于时，结构处于可靠状态可靠状态可靠状态可靠状态；当当当当Z Z00时，结构处于时，结构处于时，结构处于时，结构处于失效状态失效状态失效状态失效状态；当当当当Z Z=0=0时，结构处于时，结构处于时，结构处于时，结构处于极限状态极限状态极限状态极限状态。n n结构的失效概率结构的失效概率结构的失效概率结构的失效概率 结构功能函数结构功能函数结构功能函数结构功能函数Z Z=R R-S S00的概率的概率的概率的概率称为结构构件的失效概率称为结构构件的失效概率称为结构构件的失效概率称为结构构件的失效概率 。功能函数功能函数功能函数功能函数Z Z=R R-S S服从正态分布，服从正态分布，服从正态分布，服从正态分布，。结构的失效概率可直接通过结构的失效概率可直接通过结构的失效概率可直接通过结构的失效概率可直接通过 Z Z 0 0 的概率来表达：的概率来表达：的概率来表达：的概率来表达：3.3.4 结构可靠度的计算p 结构的失效概率结构的失效概率 pf0随机变量随机变量 R,S概率密度概率密度 pm m Sm m Rm m R m m spf=P(Z=R-S 0)3.3.4 结构可靠度的计算p 结构的失效概率结构的失效概率 pf (R,S 均服从正态分布均服从正态分布)bsbsZ0随机变量随机变量 Z概率密度概率密度 pm m Zpf=P(Z 0)m m Z=m m R m m S3.3.4 结构可靠度的计算p 结构构件的可靠指标结构构件的可靠指标b bn 失效概率计算复杂，故引入失效概率计算复杂，故引入可靠指标可靠指标b b 来评价结构的可靠性来评价结构的可靠性。n b b 越大，失效概率就越小，即结构越可靠，故越大，失效概率就越小，即结构越可靠，故b b 称为称为可靠指标可靠指标。n当当基基本本变变量量为为非非正正态态分分布布时时，结结构构构构件件的的可可靠靠指指标标应应以以结结构构构构件件作作用用效应和抗力效应和抗力当量正态分布当量正态分布的平均值和标准差按上式计算。的平均值和标准差按上式计算。3.3.4 结构可靠度的计算pp结构构件的可靠指标结构构件的可靠指标结构构件的可靠指标结构构件的可靠指标 当仅有作用效应和结构抗力两个基本变量且均当仅有作用效应和结构抗力两个基本变量且均当仅有作用效应和结构抗力两个基本变量且均当仅有作用效应和结构抗力两个基本变量且均按正态分布按正态分布按正态分布按正态分布时时时时 当基本变量当基本变量当基本变量当基本变量不按正态分布不按正态分布不按正态分布不按正态分布时，用当量正态分布的平均值和标时，用当量正态分布的平均值和标时，用当量正态分布的平均值和标时，用当量正态分布的平均值和标准差代入上式计算。例如，当荷载效应和结构抗力均服从准差代入上式计算。例如，当荷载效应和结构抗力均服从准差代入上式计算。例如，当荷载效应和结构抗力均服从准差代入上式计算。例如，当荷载效应和结构抗力均服从对对对对数正态分布数正态分布数正态分布数正态分布时时时时 3.3.4 结构可靠度的计算p 可靠指标与失效概率的对应关系可靠指标与失效概率的对应关系p 计算可靠指标计算可靠指标 b b 的一般方法的一般方法n使用原因使用原因n 变量不一定服从正态分布变量不一定服从正态分布n 极限状态方程是非线性的极限状态方程是非线性的n 变量通常多于二个变量通常多于二个n国际结构安全度联合委员会国际结构安全度联合委员会JCSS推荐的方法推荐的方法:一次二阶一次二阶矩法（矩法（JC法法）b b b b1.01.01.51.52.02.02.52.5p pf f1.59101.5910-1-1 6.68106.6810-2-22.28102.2810-2-26.21106.2110-3-3b b b b2.72.73.23.23.73.74.24.2p pf f3.50103.5010-3-3 6.90106.9010-4-41.10101.1010-4-41.30101.3010-5-53.3.4 结构可靠度的计算p 设计可靠指标设计可靠指标 b b n定定义义:设设计计规规范范所所规规定定的的、作作为为设设计计结结构构或或结结构构构构件件时时所所应应达达到到的的可可靠靠指指标标，称称为为设设计计可可靠靠指指标标，它它是是根根据据设设计计所所要要求求达达到到的的结结构构可可靠靠度度而而取取定定的的，所所以以又又称称为为目目标标可可靠靠指指标标（target reliability index）。n确定方法确定方法:校准法（校准法（工程经验；可靠与经济的统一工程经验；可靠与经济的统一）n建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准规定的可靠指标规定的可靠指标结构构件承载能力极限状态的设计可靠指标结构构件承载能力极限状态的设计可靠指标 破坏类型破坏类型破坏类型破坏类型安全等级安全等级安全等级安全等级一级一级一级一级二级二级二级二级三级三级三级三级延性破坏延性破坏延性破坏延性破坏3.73.73.23.22.72.7脆性破坏脆性破坏脆性破坏脆性破坏4.24.23.73.73.23.23.3.4 结构可靠度的计算n n承载能力极限状态的可靠指标承载能力极限状态的可靠指标承载能力极限状态的可靠指标承载能力极限状态的可靠指标 延性破坏：结构破坏前延性破坏：结构破坏前延性破坏：结构破坏前延性破坏：结构破坏前有明显的变形或其他预兆。有明显的变形或其他预兆。有明显的变形或其他预兆。有明显的变形或其他预兆。其危害小，其危害小，其危害小，其危害小，其危害小，其危害小，其危害小，其危害小，相对低一些。相对低一些。相对低一些。相对低一些。脆性破坏：结构破坏前脆性破坏：结构破坏前脆性破坏：结构破坏前脆性破坏：结构破坏前没有明显的变形或其他预兆。没有明显的变形或其他预兆。没有明显的变形或其他预兆。没有明显的变形或其他预兆。其危害大，其危害大，其危害大，其危害大，相对高一些。相对高一些。相对高一些。相对高一些。结构安全等级高，结构安全等级高，结构安全等级高，结构安全等级高，相对高一些。相对高一些。相对高一些。相对高一些。n n正常使用极限状态的可靠指标正常使用极限状态的可靠指标正常使用极限状态的可靠指标正常使用极限状态的可靠指标 可逆极限状态可逆极限状态可逆极限状态可逆极限状态：产生超越状态的作用被移去后，将