3第3章设计方法.ppt

第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 第三章第三章 按近似概率理论的按近似概率理论的 极限状态设计法极限状态设计法 工程结构的设计需要保证工程结构的设计需要保证技术先进、技术先进、安全适用、安全适用、安全适用、安全适用、经济合理；经济合理；经济合理；经济合理；实际实际工工程结构中存在多种程结构中存在多种不确定性；不确定性；混凝土结构基本设计原则就是研究工程设计中的混凝土结构基本设计原则就是研究工程设计中的各种不确定性问题，取得各种不确定性问题，取得安全适用与经济合理之安全适用与经济合理之间的均衡。间的均衡。第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 本章目本章目录录：3.1 极限状态极限状态 3.2 以近似概率的极限状态设计法以近似概率的极限状态设计法 3.3 实用设计表达式实用设计表达式 本章小结本章小结本章目录第三章 按近似概率理论的极限状态设计法3.1极限状态3.1 3.1 极限状态极限状态3.1.1 3.1.1 3.1.1 3.1.1 结构上的作用结构上的作用结构上的作用结构上的作用 第三章 按近似概率理论的极限状态设计法3.1极限状态二、荷载的分类二、荷载的分类按作用时间的长短和性质，荷载分为三类：按作用时间的长短和性质，荷载分为三类：1.1.永永久久荷荷载载在在结结构构设设计计使使用用年年限限内内，其其值值不不随随时时间间而而变变化化，或或其其变变化化与与平平均均值值相相比比可可以以忽忽略略不不计计，或或其其变变化化是是单单调调的的并并能趋于限值的荷载。能趋于限值的荷载。2.2.可可变变荷荷载载在在结结构构设设计计基基准准期期内内其其值值随随时时间间而而变变化化，其其变变化与平均值不可忽略的荷载。化与平均值不可忽略的荷载。3.3.偶偶然然荷荷载载在在结结构构设设计计基基准准期期内内不不一一定定出出现现，但但一一旦旦出出现现其值很大且作用时间很短的荷载。其值很大且作用时间很短的荷载。第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 三、荷载标准值三、荷载标准值三、荷载标准值三、荷载标准值 是荷载的是荷载的基本代表值基本代表值。1 1、定义、定义 将荷载视为随机变量，采用数理统计的方法加以处理而得到将荷载视为随机变量，采用数理统计的方法加以处理而得到的具有一定概率的最大荷载值的具有一定概率的最大荷载值2 2、确定、确定 （1 1 1 1）永久荷载标准值：永久荷载标准值：永久荷载标准值：永久荷载标准值：按设计尺寸与材料重力密度标准值的按设计尺寸与材料重力密度标准值的乘积计算。一般相当于设计基准期内最大荷载概率分布的乘积计算。一般相当于设计基准期内最大荷载概率分布的0.50.5分分位值。位值。（2 2 2 2）可变荷载标准值：可变荷载标准值：可变荷载标准值：可变荷载标准值：设计基准期内设计基准期内最大荷载概率分布的某最大荷载概率分布的某 个分位值个分位值。（可查混凝土规范。（可查混凝土规范GB50009-2001）3.1极限状态第三章 按近似概率理论的极限状态设计法3.1极限状态3.1.2 3.1.2 结构的功能结构的功能（包括（包括安全性安全性、适应性适应性和和耐久性耐久性）一、结构的安全等级一、结构的安全等级安全等级破坏后的影响程度建筑物的类型一级很严重重要的建筑物二级严重一般的建筑物三级不严重次要的建筑物第三章 按近似概率理论的极限状态设计法3.1极限状态二、结构的设计使用年限和设计基准期二、结构的设计使用年限和设计基准期 1 1、结结构构的的设设计计使使用用年年限限是是指指设设计计规规定定的的结结构构或或结结构构构构件件不不需需要进行大修要进行大修即可按达到其即可按达到其预定功能预定功能的使用时期。的使用时期。2 2、结构的设计使用年限、结构的设计使用年限不同于与不同于与实际寿命实际寿命和和设计基准期设计基准期。GB50068GB5006820012001规定：结构设计使用年限分类规定：结构设计使用年限分类类别类别 设计使用年限（年）设计使用年限（年）示示 例例15临时性结构临时性结构225易于替换的结构构件易于替换的结构构件350普通房屋和构筑物普通房屋和构筑物4100纪念性建筑和特别重要的建筑结构纪念性建筑和特别重要的建筑结构第三章 按近似概率理论的极限状态设计法3.1极限状态3.1 结构的功能三、结构的功能三、结构的功能三、结构的功能三、结构的功能（包括（包括安全性安全性、适应性适应性和和耐久性耐久性）1 1 1 1、安全性安全性安全性安全性 结结构构在在设设计计规规定定的的使使用用年年限限内内，能能承承受受在在正正常常施施工工和和正正常常使使用用时时可可能能出出现现的的各各种种作作用用。在在设设计计规规定定的的偶偶然然事事件件发发生生时时及及发发生生后，仍能保持必需的后，仍能保持必需的整体稳定性。整体稳定性。设计使用年限：设计使用年限：设计使用年限：设计使用年限：一般为一般为50年年。各各各各种种种种作作作作用用用用：指指荷荷载载、外外加加变变形形（如如超超静静定定结结构构的的支支座座不不均均匀匀沉沉降）和约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）；降）和约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）；偶然事件：偶然事件：偶然事件：偶然事件：如地震、爆炸、火灾、撞击等；如地震、爆炸、火灾、撞击等；整整整整体体体体稳稳稳稳定定定定性性性性：指指建建筑筑结结构构仅仅产产生生局局部部的的损损坏坏而而不不致致发发生生连连续续倒倒塌。塌。第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 3.1 结构的功能 结结构构在在设设计计规规定定的的使使用用年年限限内内，在在正正常常使使用用时时具具有有良良好好的的工作性能工作性能。良良良良好好好好的的的的工工工工作作作作性性性性能能能能：指指不不发发生生影影响响正正常常使使用用的的过过大大的的变变形形（挠挠度度、侧侧移移）、振振动动（频频率率、振振幅幅），或或产产生生让让使使用用者者感感到到不不安安的过大的裂缝宽度等。的过大的裂缝宽度等。三、三、三、三、耐久性耐久性耐久性耐久性 结构在设计规定的使用年限内，在正常维护下具有足够的结构在设计规定的使用年限内，在正常维护下具有足够的耐久性能耐久性能。耐久性能：耐久性能：耐久性能：耐久性能：指在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀）指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，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年限内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。在其预定使用年限内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 二、二、二、二、适用性适用性适用性适用性3.2 极限状态3.1.3 3.1.3 极限状态极限状态 结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构为结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构为可靠可靠（或有效）。反之，则结构为（或有效）。反之，则结构为不可靠不可靠（或失效）。（或失效）。区分结构区分结构“可靠可靠”与与“失效失效”的的临界工作状态临界工作状态称为称为“极限极限状态状态”第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 一、极限状态的概念一、极限状态的概念 整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态为该功此特定状态为该功能的极限状态。能的极限状态。二、两类极限状态二、两类极限状态 承载能力承载能力极限状态与极限状态与正常使用正常使用极限状态。极限状态。3.2 极限状态第三章 按近似概率理论的极限状态设计法（1 1 1 1）概概概概念念念念：承承载载能能力力极极限限状状态态对对应应于于结结构构或或结结构构构构件件达达到到最最大大承载力承载力或或不适于继续承载的变形不适于继续承载的变形。对应于结构的。对应于结构的安全性安全性。（2 2 2 2）标志）标志）标志）标志整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移）。整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移）。结结构构构构件件或或连连接接因因超超过过材材料料强强度度而而破破坏坏（包包括括疲疲劳劳破破坏坏）或或因因过度变形而不适于继续承载。过度变形而不适于继续承载。结结构构转转变变为为机机动动体体系系（超超静静定定结结构构中中出出现现足足够够多多塑塑性性铰铰）。结构或结构构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）结构或结构构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）。地基丧失承载能力而破坏。地基丧失承载能力而破坏。3.2 极限状态第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 1 1、承载能力极限状态、承载能力极限状态 3.2 极限状态（1 1 1 1）概概概概念念念念：正正常常使使用用极极限限状状态态对对应应于于结结构构或或结结构构构构件件达达到到正正常常使使用用或或耐耐久久性性能能的的某某项项规规定定限限值值。对对应应于于结结构构的的适适应性和耐久性应性和耐久性。（2 2 2 2）标志：）标志：）标志：）标志：影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或外观的变形；影影响响正正常常使使用用或或耐耐久久性性能能的的局局部部损损坏坏（包包括括裂裂缝缝、钢钢筋筋锈蚀、漏水等）；锈蚀、漏水等）；影响正常使用的振动；影响正常使用的振动；影响正常使用的其他特定状态。影响正常使用的其他特定状态。第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 2 2、正常使用极限状态、正常使用极限状态 第三章 按近似概率理论的极限状态设计法3.1 极限状态3.1.43.1.4极限状态方程极限状态方程S荷载效应荷载效应 结构上的各种作用（如荷载、不均匀沉降、温度变形、收结构上的各种作用（如荷载、不均匀沉降、温度变形、收缩变形、地震等）产生的效应总和（缩变形、地震等）产生的效应总和（如弯矩如弯矩M、轴力轴力N、剪力剪力V、扭矩扭矩T、挠度挠度 f、裂缝宽度裂缝宽度 w 等）等）R结构抗力结构抗力 结构抵抗作用效应的能力，如受弯承载力结构抵抗作用效应的能力，如受弯承载力Mu、受剪承载受剪承载力力Vu、容许挠度容许挠度f、容许裂缝宽度容许裂缝宽度w结构力学的主要内容结构力学的主要内容本课程的主要内容本课程的主要内容3.2 极限状态第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 3.2 以近似概率的极限状态设计法 结结构构在在设设计计规规定定的的使使用用年年限限内内，在在规规定定的的条条件件下下（正正常常设设计计、正正常常施施工工、正正常常使使用用和和维维护护），完完成成预预定定功功能能（安安全全性性、适适用用性性和和耐耐久久性性）的的能能力力。即即是是安安全全性性、适适用用性性和和耐耐久久性的总称。性的总称。第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 一、可靠性一、可靠性一、可靠性一、可靠性3.2 3.2 以近似概率的极限状态设计法以近似概率的极限状态设计法3.2.1 3.2.1 3.2.1 3.2.1 结构的可靠度结构的可靠度结构的可靠度结构的可靠度二、结构可靠度二、结构可靠度二、结构可靠度二、结构可靠度 结构可靠度：结构可靠度：是结构可靠性的是结构可靠性的概率度量概率度量。3.2 以近似概率的极限状态设计法第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 3.2 以近似概率的极限状态设计法第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 第三章 按近似概率理论的极限状态设计法3.3 结构设计方法结构功能函数结构功能函数 Z=R-SPf=P(S R)=P(Z 0)3.2 以近似概率的极限状态设计法第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 3.2 以近似概率的极限状态设计法第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 3.3 实用设计表达式 f(S)SSk f(R)RRk第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 3.3.1 3.3.1 设计验算点的确定、分项系数设计验算点的确定、分项系数设计验算点的确定、分项系数设计验算点的确定、分项系数一、一、一、一、S Sk k 、R Rk k的概率密度曲线的概率密度曲线的概率密度曲线的概率密度曲线3.3 实用设计表达式实用设计表达式Sk f(S)，f(R)S，RRk第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 二、设计验算点的确定二、设计验算点的确定二、设计验算点的确定二、设计验算点的确定3.3 实用设计表达式Sk f(S)，f(R)S，RRk第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 二、设计验算点的确定二、设计验算点的确定二、设计验算点的确定二、设计验算点的确定3.3 实用设计表达式Sk f(S)，f(R)S，RRk第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 二、设计验算点的确定二、设计验算点的确定二、设计验算点的确定二、设计验算点的确定3.3 实用设计表达式Pf=PfSk f(S)，f(R)S，RRk第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 设计验算点设计验算点 SKRKS=R二、设计验算点的确定二、设计验算点的确定二、设计验算点的确定二、设计验算点的确定3.3 实用设计表达式第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 S-作用效应设计值，作用效应设计值，s 作用效应分项系数作用效应分项系数R-结构抗力设计值，结构抗力设计值，R 结构抗力分项系数结构抗力分项系数等价于等价于3.3 实用设计表达式第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 3.3.2 承载能力极限状态设计表达式承载能力极限状态设计表达式 0 S R 0 0 1.1(1.1(一级或一级或一级或一级或100100年年年年)1.0(1.0(二级或二级或二级或二级或5050年年年年)0.9(0.9(三级或三级或三级或三级或5 5年年年年)一、结构重要性系数一、结构重要性系数一、结构重要性系数一、结构重要性系数二、二、二、二、承载能力极限状态设计表达式承载能力极限状态设计表达式承载能力极限状态设计表达式承载能力极限状态设计表达式3.3 实用设计表达式第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 基本组合基本组合-由可变荷载效应控制由可变荷载效应控制基本组合基本组合-由永久荷载效应控制由永久荷载效应控制三、承载能力极限状态的三、承载能力极限状态的荷载效应组合设计值荷载效应组合设计值3.3 实用设计表达式第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 简化的基本组合简化的基本组合简化的基本组合简化的基本组合-适用于一般的排架、框架结构适用于一般的排架、框架结构 可变荷载效应控制时按下例两式中的不利值确定可变荷载效应控制时按下例两式中的不利值确定永久荷载效应控制仍按原式采用永久荷载效应控制仍按原式采用3.3 实用设计表达式第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 G G G G、QiQiQiQi 、CiCiCiCi的取的取的取的取值值值值3.3 实用设计表达式3.3.33.3.3、正常使用极限状态设计表达式、正常使用极限状态设计表达式第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 一、正常使用极限状态设计表达式：一、正常使用极限状态设计表达式：一、正常使用极限状态设计表达式：一、正常使用极限状态设计表达式：S S C C三、三、三、三、S S-正常使用极限状态的荷载效应组合值正常使用极限状态的荷载效应组合值二、二、二、二、C C-正常使用极限状态所规定的变形、裂缝宽度和应正常使用极限状态所规定的变形、裂缝宽度和应力等的限值。具体见力等的限值。具体见GB50010-2002GB50010-2002表表3.3.23.3.2和表和表3.3.43.3.4。标准组合标准组合标准组合标准组合准永久组合准永久组合准永久组合准永久组合-准永久系数准永久系数。对民用建筑一般为。对民用建筑一般为0.30.5。具体。具体查查荷载规荷载规 范范GB50009-2001。3.3 实用设计表达式第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 3.3 实用设计表达式第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 3.3 实用设计表达式第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 1 1、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 根据材料强度概率分布的某个分位值确定。根据材料强度概率分布的某个分位值确定。混凝土混凝土的分位值取的分位值取0.05（即（即95%的保证率）；的保证率）；钢筋钢筋的分位值取的分位值取0.0227（即（即97.73%的保证率）。的保证率）。混凝土混凝土材料分项系数为材料分项系数为1.4；钢筋钢筋材料分项系数：普通钢筋为材料分项系数：普通钢筋为1.1；预应力钢筋为；预应力钢筋为1.2。fy、fc查查GB50010-2002表表4.1.4和表和表4.2.3。2 2、材料强度设计值、材料强度设计值、材料强度设计值、材料强度设计值 等于材料强度标准值除以材料分项系数。等于材料强度标准值除以材料分项系数。3.3 实用设计表达式第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 S-作用效应设计值，作用效应设计值，s 作用效应分项系数作用效应分项系数R-结构抗力设计值，结构抗力设计值，R 结构抗力分项系数结构抗力分项系数等价于等价于3.3 实用设计表达式第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 3.3 实用设计表达式第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 3.3 实用设计表达式第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 包括荷载标准值、组合值和准永久值。包括荷载标准值、组合值和准永久值。3、荷载代表值、荷载代表值1 1 1 1、荷载标准值：、荷载标准值：、荷载标准值：、荷载标准值：前面已讲前面已讲3 3、荷载准永久值：、荷载准永久值：、荷载准永久值：、荷载准永久值：等于荷载准永久值系数与荷载标准值的乘等于荷载准永久值系数与荷载标准值的乘积。积。2 2、荷载组合值：、荷载组合值：、荷载组合值：、荷载组合值：等于荷载组合值系数与荷载标准值的乘积。等于荷载组合值系数与荷载标准值的乘积。3.3 实用设计表达式第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 3.3 实用设计表达式小结一一一一、本本本本章章章章的的的的目目目目的的的的：是是介介绍绍一一种种既既安安全全可可靠靠又又经经济济实实用用的的设设计计方方法法，这只有这只有技术先进技术先进才能实现才能实现二、本章的主要内容二、本章的主要内容二、本章的主要内容二、本章的主要内容1、结构的功能：安全性、适用性和耐久性；可靠性与可靠度、结构的功能：安全性、适用性和耐久性；可靠性与可靠度2、两类极限状态：概念和标志、两类极限状态：概念和标志3、结构设计中的不确定性、结构设计中的不确定性4、以概率论为基础的极限状态设计法、以概率论为基础的极限状态设计法（1）失效概率与可靠指标失效概率与可靠指标（2）极限状态设计表达式极限状态设计表达式 0S R（3）荷荷载载效效应应组组合合：基基本本组组合合（可可变变荷荷载载效效应应控控制制、永永久久荷荷载载效效应控制、简化组合）、标准组合及准永久组合应控制、简化组合）、标准组合及准永久组合（4）荷载荷载的实测值、标准值、组合值、准永久值和设计值的实测值、标准值、组合值、准永久值和设计值（5）材料强度的实测值、标准值和设计值材料强度的实测值、标准值和设计值本章小结本章小结第三章 按近似概率理论的极限状态设计法