作用与荷载6.1-6.2(精品).ppt

第6章 结构设计方法目 录6.1 结构设计的基本概念6.2 作用的统计分析6.3 结构抗力的统计分析6.4 结构概率可靠度设计方法6.5 现行规范结构极限状态设计表达式6.6 工民建结构的作用效应组合6.7 桥涵结构的作用效应组合6.1 结构设计的基本概念一、结构的功能要求一、结构的功能要求v安全性安全性Safety：能承受在正常施工、正常使用时可能出现的各种作用，在：能承受在正常施工、正常使用时可能出现的各种作用，在偶然作偶然作用用下或偶然事件发生时或发生后，结构应保持必要的稳定性，不致倒塌。下或偶然事件发生时或发生后，结构应保持必要的稳定性，不致倒塌。v适用性适用性Serviceability：正常使用时具有良好的工作性能，能满足预定的使用要：正常使用时具有良好的工作性能，能满足预定的使用要求。求。v耐久性耐久性Durability：在正常使用、维护下条件下具有足够的耐久性。：在正常使用、维护下条件下具有足够的耐久性。v整体稳定性整体稳定性Integral stability：当结构发生局部破坏时，不至于导致整个结构的：当结构发生局部破坏时，不至于导致整个结构的倒塌或破坏。倒塌或破坏。v*以上功能统称为结构的可靠性，即结构的可靠性包括安全性、适用性、耐久以上功能统称为结构的可靠性，即结构的可靠性包括安全性、适用性、耐久性、整体稳定性等内容。性、整体稳定性等内容。v结构的可靠性定义为结构在规定的时间内（设计基准期内），在规定的条件下结构的可靠性定义为结构在规定的时间内（设计基准期内），在规定的条件下（结构正常设计、正常施工、正常使用与维护），完成预定功能（如强度、刚度、（结构正常设计、正常施工、正常使用与维护），完成预定功能（如强度、刚度、抗裂性、稳定性、耐久性等）的能力。抗裂性、稳定性、耐久性等）的能力。v结构的可靠度定义为结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概结构的可靠度定义为结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。率。二、结构的极限状态二、结构的极限状态极限状态：极限状态：整个结构或结构的一部分超过某一特定状态，如不能整个结构或结构的一部分超过某一特定状态，如不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态即该功能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态即该功能的极限状态，它的实质是结构可靠（有效）与不可靠的极限状态，它的实质是结构可靠（有效）与不可靠（失效）的界限，亦称界限状态。（失效）的界限，亦称界限状态。v1）承载能力极限状态（强度、稳定）承载能力极限状态（强度、稳定）v定义：该类极限状态对应于整个结构或结构的一部定义：该类极限状态对应于整个结构或结构的一部分达到最大承载力、疲劳破坏或不适继续承载的变形分达到最大承载力、疲劳破坏或不适继续承载的变形v主要标志：失去平衡、材料破坏或者过度塑性变形、主要标志：失去平衡、材料破坏或者过度塑性变形、形成可变机构、失稳、疲劳破坏形成可变机构、失稳、疲劳破坏v允许出现概率很低：因为危及人力、财产的重大损允许出现概率很低：因为危及人力、财产的重大损失失v2）正常使用极限状态（变形、裂缝宽度、振动参数）正常使用极限状态（变形、裂缝宽度、振动参数超过设计规定的限值）超过设计规定的限值）v定义：该类极限状态对应于整个结构或结构的一部定义：该类极限状态对应于整个结构或结构的一部分达到正常使用或耐久性的某项规定值。分达到正常使用或耐久性的某项规定值。v主要标志：影响正常使用或有碍观瞻的外观变形；主要标志：影响正常使用或有碍观瞻的外观变形；v 影响正常使用或或耐久性的局部破坏（裂缝）；影响正常使用或或耐久性的局部破坏（裂缝）；v 影响正常使用的振动；影响正常使用的振动；v 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；v允许出现概率可适当高些：因为该极限状态可理解允许出现概率可适当高些：因为该极限状态可理解为使用功能的破坏或受损或结构质量恶化，对生命为使用功能的破坏或受损或结构质量恶化，对生命危害较小，危害较小，v3）整体稳定性（安全极限状态）整体稳定性（安全极限状态）v定义：该类极限状态对应于整个结构或结构定义：该类极限状态对应于整个结构或结构的一部分达到正常使用或耐久性的某项规定的一部分达到正常使用或耐久性的某项规定值。值。v主要标志：影响正常使用或有碍观瞻的外观主要标志：影响正常使用或有碍观瞻的外观变形；变形；v 影响正常使用或或耐久性的局部破坏（裂缝）影响正常使用或或耐久性的局部破坏（裂缝）；v 影响正常使用的振动；影响正常使用的振动；v 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；三、结构的安全等级我国我国建筑结构设计统一标准建筑结构设计统一标准根据结构破坏根据结构破坏时可能产生后果的严重性，对不同的建筑结构时可能产生后果的严重性，对不同的建筑结构采用了不同的安全等级（采用了不同的安全等级（3级）级）v建筑结构及公路桥涵的安全等级建筑结构及公路桥涵的安全等级见见p175 表表6.1-6.2v*对于特殊的建筑物，其安全等级可根据情对于特殊的建筑物，其安全等级可根据情况而定；有抗震或其他要求的建筑，其安全等况而定；有抗震或其他要求的建筑，其安全等级还应符合抗震规范或其他特定规范要求。级还应符合抗震规范或其他特定规范要求。四、结构的设计使用年限与设计基准期 结构的设计基准期与结构的设计使用年限是两个不同的概念。结构的设计基准期是指为确定可变荷载及与时间有关的材料性能取值时而选用的时间参数，它不等同于结构的设计使用年限。我国针对不同的工程结构，规定了不同的设计基准期，如建筑结构为50年，桥梁结构为100年，水泥混凝土路面结构不大于30年，沥青混凝土路面结构不大于15年。见p176表6.3五、结构的设计状况五、结构的设计状况v（1）建筑结构设计时，应根据结构在施工和使用中的环境条件和影响，区分下列三种设计状况：v1）持久状况。在结构使用过程中一定出现，其持续期很长的状况，持续期一般与设计使用年限为同一数量级。v2）短暂状况。在结构施工和使用过程中出现概率较大，而与设计使用年限相比，持续期很短的状况，如施工和维修等。v3）偶然状况。在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的状况，如火灾、爆炸、撞击等。v对于不同的设计状况，可采用相应的结构体系、可靠度水准和基本变量等。v（2）建筑结构的三种设计状况应分别进行下列极限状态设计：v1）对三种设计状况，均应进行承载能力极限状态设计。v2）对持久状况，尚应进行正常使用极限状态设计。v3）对短暂状况，可根据需要进行正常使用极限状态设计。6.2 6.2 荷载的统计分析荷载的统计分析内内 容容 提提 要要 6.2.16.2.1 荷载的概率模型荷载的概率模型 一、随机过程的几个概念一、随机过程的几个概念 二、平稳二项随机过程二、平稳二项随机过程 三、荷载统计分析三、荷载统计分析 四、几种主要荷载的统计分析结果四、几种主要荷载的统计分析结果 6.2.26.2.2 荷载的各种代表值（荷载的各种代表值（补充）补充）一、标准值一、标准值 二、荷载准永久值二、荷载准永久值 三、荷载组合值三、荷载组合值 四、荷载频遇值四、荷载频遇值 6.2.36.2.3 荷载效应和荷载组合（补充）荷载效应和荷载组合（补充）一、荷载效应一、荷载效应 二、荷载效应组合二、荷载效应组合 6.2.1 6.2.1 荷载的概率模型荷载的概率模型 荷载荷载 直接作用直接作用 施加于结构上的各种荷载施加于结构上的各种荷载 永久荷载、可变荷载永久荷载、可变荷载 随时间变化的随时间变化的随机变量随机变量可用可用随机过程概率模型随机过程概率模型来描述来描述一、随机过程的几个概念一、随机过程的几个概念1 1、样本函数样本函数q q(t)(t)荷载随时间连续变化的函数荷载随时间连续变化的函数2、随机过程随机过程Q Q(t)(t)Q Q(t)(t),t,t0,T0,T表示表示 一组样本函数一组样本函数q q1 1(t)(t)、q q2 2(t)(t)、q qn n(t(t)的总称的总称3、任意时点荷载任意时点荷载Q Q(t(ti i)随机过程随机过程Q Q(t)(t)在在t=t=t ti i处可能出现的值组成的一个随机变量分布。处可能出现的值组成的一个随机变量分布。记为记为Q Q(t(ti i)=q q1 1(t(ti i)、q q2 2(t(ti i)、q q3 3(t(ti i)即即 随机过程随机过程 Q Q(t)(t),t ,t 0,T0,T 在在t=t=t ti i时点的荷载时点的荷载 Q(t)0 T t样本函数样本函数q q(t)(t)随机过程随机过程Q Q(t)(t)Q Q(t)(t),t,t 0,T0,T任意时点荷载任意时点荷载Q Q(t(ti i)=q q1 1(t(ti i)、q q2 2(t(ti i)、q q3 3(t(ti i)q1(t)q2(t)q3(t)t=tiq1(ti)q2(ti)q3(ti)二二、平稳二项随机过程、平稳二项随机过程 假定：假定：建筑结构设计基准期建筑结构设计基准期T T=50=50年年 荷载一次持续施加于结构上的时段长度荷载一次持续施加于结构上的时段长度=T T/r/r，即将即将T T分为分为r r个相等的时段个相等的时段 在每一时段上在每一时段上荷载出现的概率荷载出现的概率p p，不出现的概率不出现的概率q q（q q=1-=1-p p）在在每每一一时时段段上上，荷荷载载出出现现时时，其其幅幅值值是是非非负负随随机机变变量量，且且在在不不同同时时段段上上其其概率分布函数概率分布函数F FQ Q(x)(x)相同相同 不不同同时时段段 上上荷荷载载幅幅值值随随机机变变量量是是相相互互独独立立的的，且且与与在在时时段段 上上是是否否出出现现荷载无关荷载无关 Q(t)T t 随机过程随机过程 Q Q(t)(t),t,t0,T0,T的样本函数模型化为的样本函数模型化为等时段的矩形波函数等时段的矩形波函数三、荷载统计分析三、荷载统计分析 荷载统计要素荷载统计要素 荷载一次持续的时间荷载一次持续的时间 p p在时段在时段 t ti i 上荷载出现的概率上荷载出现的概率 F FQ Q(x)(x)任意时段上随机变量的概率分布任意时段上随机变量的概率分布 随机过程随机过程Q Q(t)(t)(采用一次二阶矩结构可靠度分析采用一次二阶矩结构可靠度分析)设计基准期内最大荷载随机变量设计基准期内最大荷载随机变量Q QT T=max=max Q Q(t)(t)0 t T 设计基准期内最大荷载设计基准期内最大荷载Q QT T的概率分布函数的概率分布函数F FT T(x)(x)任意时点任意时点 上荷载的概率分布函数上荷载的概率分布函数 F(x)=P Q(t)x,t =P Q(t)0P Q(t)x,t Q(t)0+P Q(t)=0P Q(t)x,t Q(t)=0 =p Fi(x)+q 1 =p Fi(x)+(1-p)=1-p 1-Fi(x)设计基准期内最大荷载设计基准期内最大荷载Q QT T的概率分布函数的概率分布函数F FT T(x)(x)令令N=N=p pr r 荷载在荷载在T T内出现的平均次数内出现的平均次数 设计基准期内最大荷载设计基准期内最大荷载Q QT T的概率分布函数的概率分布函数F FT T(x)(x)等于任意时点荷载概率分等于任意时点荷载概率分布函数布函数F Fi i(x(x)的的N N次方次方四、几种主要荷载的统计分析结果四、几种主要荷载的统计分析结果1 1、永久荷载、永久荷载 -随机过程随机过程 G G(t)=(t)=G G,t t 0,0,T T 荷载一次出现的持续时间荷载一次出现的持续时间 =T TG T t样本函数模型（一条与时间轴平行的直线）样本函数模型（一条与时间轴平行的直线）设计基准期内的时段数设计基准期内的时段数 T T/=1=1 在每一时段内出现的概率在每一时段内出现的概率 p p=1=12 2、民用楼面活荷载、民用楼面活荷载 持久性活荷载持久性活荷载 Li 楼面上在某个时段内基本保持不变的荷载楼面上在某个时段内基本保持不变的荷载,如住宅内的家具、物如住宅内的家具、物品、工业房屋内的机器、设备和堆料等。品、工业房屋内的机器、设备和堆料等。荷载一次出现的持续时间荷载一次出现的持续时间 =T/5T/5 设计基准期内的时段数设计基准期内的时段数 T T/=5=5 在每一时段内出现的概率在每一时段内出现的概率 p p=1=1Li0 Tt 临时性活荷载临时性活荷载 L Lr r(t(t)-)-楼面上偶然出现短期荷载，如聚汇的人群、维修楼面上偶然出现短期荷载，如聚汇的人群、维修时工具和材料的堆积、室内扫除时家具的集聚等。时工具和材料的堆积、室内扫除时家具的集聚等。样本函数模型样本函数模型t0Lr(t)T 设计基准期内的时段数设计基准期内的时段数 r=r=T T/=10=10 在每一时段内出现的概率在每一时段内出现的概率 p p=1 =1 N=N=p p r=10r=103 3、风荷载、风荷载 w wy y(年最大风压年最大风压)、雪荷载、雪荷载s sy y(年最大雪压年最大雪压)设计基准期内的时段数设计基准期内的时段数 r=50r=50 在每一时段内出现的概率在每一时段内出现的概率 p p=1 =1 N=N=p p r=50r=50t0T wysy6.2.26.2.2 荷载的各种代表值（补充）荷载的各种代表值（补充）荷荷载载代代表表值值设设计计中中用用以以验验证证极极限限状状态态所所采采用用的的荷荷载载值值，包包括括标标准准值值、组合值、频遇值和准永久值组合值、频遇值和准永久值一、标准值一、标准值(characteristic valuecharacteristic value)按设计基准期（按设计基准期（T T=50=50年）内最大荷载概率分布的某一分位值确定年）内最大荷载概率分布的某一分位值确定1 1、恒载标准值、恒载标准值G Gk k 正态分布正态分布N N(G、G)相相当当于于永永久久荷荷载载概概率率分分布布（即即设设计计基基准准期期内内最最大大荷荷载载概概率率分分布布）的的0.50.5分分位值，即正态分布的平均值位值，即正态分布的平均值 G Gk=结构设计规定的尺寸结构设计规定的尺寸和和材料或结构构件单位体积的自重材料或结构构件单位体积的自重平均值确定平均值确定 对易于超重的钢筋混凝土板类（屋面板、楼板等）的标准值对易于超重的钢筋混凝土板类（屋面板、楼板等）的标准值 Gk=0.95 G 即即 G G=1.06 =1.06 G Gk k（由于存在超重现象，实际的平均值为由于存在超重现象，实际的平均值为G Gk k的的1.061.06倍）倍）对截面较大的梁、柱等承重构件的标准值对截面较大的梁、柱等承重构件的标准值 Gk=1.0 G 对自重变异性较大的材料和构件（如屋面保温材料、防水材料、找对自重变异性较大的材料和构件（如屋面保温材料、防水材料、找平层以及钢筋混凝土薄板等），为在设计表达式中采用统一的永久平层以及钢筋混凝土薄板等），为在设计表达式中采用统一的永久荷载分项系数而又能使结构构件具有规定的可靠指标，荷载分项系数而又能使结构构件具有规定的可靠指标，其标准值应其标准值应根据对结构的有利或不利状态，分别取其自重的下限值或上限值根据对结构的有利或不利状态，分别取其自重的下限值或上限值 特性特性 2 2、民用建筑楼面活载标准值、民用建筑楼面活载标准值 极值极值型型 Lk=LT+LT 办公楼办公楼 Lk=LT+1.5 LT Lk=1.5kN/m2 分位分位值值 p=92.1%住住 宅宅 Lk=LT+0.7 LT Lk=1.5kN/m2 分位值分位值 p=79.1%住宅的活荷载标准值偏低较多住宅的活荷载标准值偏低较多 考虑到建设工程量比较大的住宅和办公楼的荷载标准值与国外相比考虑到建设工程量比较大的住宅和办公楼的荷载标准值与国外相比显然偏低显然偏低 鉴于国内民用建筑楼面活荷载今后的变化趋势难以预测鉴于国内民用建筑楼面活荷载今后的变化趋势难以预测 住宅、办公楼的楼面活荷载标准值规定住宅、办公楼的楼面活荷载标准值规定L Lk k=2.0kN/m=2.0kN/m2 2 办公楼办公楼 Lk=LT+3.16 LT 住住 宅宅 Lk=LT+2.38 LT3 3、风荷载标准值、风荷载标准值 wk 极值极值型型 不按风向时不按风向时 /wT=1.109wk wk =0.9 /wT 按按风向时风向时 wT=0.999wk wk =1.0 wT 即即规范规范(GB50009)(GB50009)规定的风荷载标准值规定的风荷载标准值w wk k接近于设计基准期最大风荷接近于设计基准期最大风荷载的平均值载的平均值 wTwT。4 4、雪荷载标准值、雪荷载标准值sok 设计基准期最大雪荷载设计基准期最大雪荷载ST 极值极值型型 平均重现期为平均重现期为R R的最大雪压的最大雪压xR xR=u-lnln(R/R-1)/GB50009GB50009给出了重现期为给出了重现期为1010年、年、5050年和年和100100年的雪压值，其他重现期年的雪压值，其他重现期R R的相应值按下式确定的相应值按下式确定 xR=x10+(x100-x10)(lnR/ln10-1)设计基准期内荷载设计基准期内荷载达到和超过达到和超过该值的总持续时间该值的总持续时间T Tq q=t ti i与整个设计与整个设计基准期基准期T T之比等于之比等于0.50.5确定。即确定。即T Tq q /T T=0.5=0.5可变荷载准永久值可变荷载准永久值 Qx=q Qk q q荷载的准永久值系数，且荷载的准永久值系数，且 q q=荷载准永久值荷载准永久值 /荷载标准值荷载标准值 1.0 1.0 见见GB50009GB50009表表4.1.14.1.1、表、表4.3.14.3.1tQ Tt i 准永久值准永久值 Qx二、准永久值二、准永久值(quasi-permanent valuequasi-permanent value)三、组合值三、组合值（当承受（当承受 2 2个可变荷载时）个可变荷载时）(com(combibination value)nation value)考虑施加在结构上的各种可变荷载不可能同时达到各自的最大值考虑施加在结构上的各种可变荷载不可能同时达到各自的最大值 确确定定原原则则：要要求求结结构构在在单单一一可可变变荷荷载载作作用用下下的的可可靠靠度度与与在在两两个个及及其其以以上可变荷载作用下的可靠度保持一致上可变荷载作用下的可靠度保持一致 c Qk 可变荷载组合值可变荷载组合值四、荷载频遇值四、荷载频遇值 (frequent valuefrequent value)设计基准期内荷载设计基准期内荷载达到和超过达到和超过该值的总持续时间该值的总持续时间T Tq q=t ti i与整个设计基与整个设计基准期准期T T之比小于之比小于0.10.1确定。即确定。即T Tq q /T T0.10.1 f Qk 可变荷载可变荷载频遇值频遇值 c 荷载组合值系数荷载组合值系数(见见GB50009GB50009表表4.1.14.1.1、表、表4.3.1)4.3.1)f 荷载荷载频遇值频遇值系数系数(见见GB50009GB50009表表4.1.14.1.1、表、表4.3.1)4.3.1)准永久值系数准永久值系数 q 组合值系数组合值系数 c 频遇值频遇值系数系数 f风荷载风荷载 0 0.6 0.4雪荷载雪荷载 0.5(I)0.2(II)0(III)0.7 0.6楼面活荷载楼面活荷载 见规范见规范 0.7 见规范见规范 荷载代表值荷载代表值(representative value of a load)(representative value of a load)荷载标准值荷载标准值 Gk、Qk 荷载组合值荷载组合值 c Qk 荷载准永久值荷载准永久值 q Qk 荷载荷载频遇值频遇值 f Qk 荷载的基本代表值荷载的基本代表值 荷载标准值荷载标准值6.2.36.2.3 荷载效应和荷载组合荷载效应和荷载组合 （补充）一、荷载效应（一、荷载效应（S S）(effect of a loadeffect of a load)-由荷载引起结构或结构构件的反应由荷载引起结构或结构构件的反应,如内力、变形和裂缝等如内力、变形和裂缝等最大弯矩最大弯矩:Mmax=q l 2/8=l 2/8 q最大剪力最大剪力:Vmax=q l/2=l/2 q最大挠度最大挠度:fmax=5ql 4/384EI=5l 4/384EI q S(t)=荷载效应系数荷载效应系数C C 荷载荷载Q Q(t)(t)反映荷载作用方式、结构计算简图、几何特征等反映荷载作用方式、结构计算简图、几何特征等荷载效应与荷载呈线性关系荷载效应与荷载呈线性关系lq二、荷载效应组合二、荷载效应组合（当结构上同时作用有多种可变荷载时）（当结构上同时作用有多种可变荷载时）与与计计算算结结构构可可靠靠度度方方法法（一一次次二二阶阶矩矩概概率率理理论论）相相适适应应，GB50068-GB50068-20012001采采用用JCSSJCSS（结结构构安安全全度度联联合合委委员员会会）建建议议的的一一种种近近似似的的荷荷载载组组合合概率模型概率模型1 1、基本假定、基本假定 假定荷载假定荷载Q Q(t)(t)是是等时段的平稳随机过程等时段的平稳随机过程 荷载荷载Q Q(t)(t)与荷载效应与荷载效应S S(t)(t)满足线性关系满足线性关系，即即S S(t)=C(t)=C Q Q(t)(t)设计基准期设计基准期T=50T=50年年 相相互互排排斥斥的的随随机机荷荷载载不不考考虑虑他他们们的的组组合合，仅仅考考虑虑在在00，T T 内内可可能能相相遇的各种可变荷载的组合遇的各种可变荷载的组合 当当一一种种荷荷载载取取设设计计基基准准期期内内最最大大荷荷载载或或时时段段最最大大荷荷载载时时，其其它它参参与与组组合合的的荷荷载载仅仅在在该该最最大大荷荷载载持持续续时时间间内内取取相相对对最最大大值值，或或取取任任意意时时点点荷荷载载 S3(t)3 T t S2(t)2 T t S1(t)1 T t JCSSJCSS组合规则组合规则