混凝土结构设计方法-周勇.ppt

制制 作作 人人：周：周 勇勇 LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法本章重点本章重点了解结构上的作用、作用效应和结构抗力了解结构上的作用、作用效应和结构抗力的概念及其随机特性；的概念及其随机特性；了解了解混凝土结构设计方法的理论基础混凝土结构设计方法的理论基础可靠度理论；可靠度理论；掌握掌握我国规范的设计方法我国规范的设计方法概率极限状概率极限状态设计法。态设计法。LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法LanzhouUniversityofTechnology3.1极限状态极限状态极限状态极限状态直接作用直接作用：荷载：荷载间间接接作作用用：混混凝凝土土的的收收缩缩、温温度度变变化化、基基础础的的差差异异沉沉降降、地震等地震等作作用用在在结结构构上上并并使使结结构构产产生生内内力力（如如弯弯矩矩、剪剪力力、轴轴向向力力、扭矩等）、变形、裂缝等作用称为作用效应或荷载效应。扭矩等）、变形、裂缝等作用称为作用效应或荷载效应。结构上的作用结构上的作用LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法荷载的分类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.永永久久荷荷载载（恒恒荷荷载载）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能趋趋于于限限值值的的荷荷载载。如如自自重重、土土压压力力、预预应应力力等；等；2.可变荷载（活荷载）可变荷载（活荷载）在结构设计基准期内其值随时间而在结构设计基准期内其值随时间而变化，其变化与平均值不可忽略的荷载。如楼面和屋面活载、变化，其变化与平均值不可忽略的荷载。如楼面和屋面活载、风荷载、雪荷载、风荷载、雪荷载、吊车荷载、车辆荷载等；吊车荷载、车辆荷载等；3.偶然荷载偶然荷载在结构设计基准期内不一定出现，但一旦出现在结构设计基准期内不一定出现，但一旦出现其值很大且作用时间很短的荷载。如爆炸力，撞击等。其值很大且作用时间很短的荷载。如爆炸力，撞击等。LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法荷载的标准值荷载的标准值1.定义定义将将荷荷载载视视为为随随机机变变量量，采采用用数数理理统统计计的的方方法法加加以以处处理理而而得到的具有一定概率的最大荷载值。得到的具有一定概率的最大荷载值。2.确定确定a.结构的自重可根据结构的设计尺寸和材料的重力密度确定；结构的自重可根据结构的设计尺寸和材料的重力密度确定；b.可可变变荷荷载载常常与与时时间间有有关关，在在缺缺少少大大量量统统计计材材料料的的条条件件下下，可近似按随机变量来考虑；可近似按随机变量来考虑；LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法LanzhouUniversityofTechnology 结构的功能要求结构的功能要求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 1.结构的安全等级结构的安全等级建筑结构的安全等级建筑结构的安全等级安全等级桥涵结构一级特大桥、重要大桥二级大桥、中桥、重要小桥三级小桥、涵洞桥涵结构的安全等级桥涵结构的安全等级LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法2.结构的设计使用年限结构的设计使用年限 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要进行大修即可达到其预定功能的使用时期。进行大修即可达到其预定功能的使用时期。设设计计年年限限可可按按建建筑筑结结构构可可靠靠度度设设计计统统一一标标准准确确定定，也也可可经经过过主主管管部部门门的的批批准准按按业业主主的的要要求求确确定定。一一般般建建筑筑结结构构的的设设计计使使用年限为用年限为5050年。年。注意：注意：区别建筑物的设计使用年限与设计基准期。区别建筑物的设计使用年限与设计基准期。（1 1）前者表示结构在规定的条件下所应达到的使用年限；）前者表示结构在规定的条件下所应达到的使用年限；（2 2）后后者者为为确确定定可可变变作作用用及及与与时时间间有有关关的的材材料料性性能能而而选选用用的的时时间间参数；参数；（3 3）两者均不等同于结构的实际寿命或耐久年限。）两者均不等同于结构的实际寿命或耐久年限。LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法类别类别结构类型结构类型结构的设计使用年限结构的设计使用年限（年）（年）临时性结构临时性结构5易于替换的结构构件易于替换的结构构件25普通房屋和构筑物普通房屋和构筑物50纪念性建筑和特别重要建筑纪念性建筑和特别重要建筑100结构的设计使用年限分类结构的设计使用年限分类LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法3.3.结构的功能要求结构的功能要求 安全性安全性如（如（MMu）结结构构在在预预定定的的使使用用期期间间内内（一一般般为为50年年），应应能能承承受受在在正正常常施施工工、正正常常使使用用情情况况下下可可能能出出现现的的各各种种荷荷载载、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降）、约约束束变变形形（如如温温度度和和收缩变形受到约束时）等的作用。收缩变形受到约束时）等的作用。在在偶偶然然事事件件（如如地地震震、爆爆炸炸）发发生生时时和和发发生生后后，结结构构应应能能保保持持整整体体稳稳定定性性，不不应应发发生生倒倒塌塌或或连连续续破破坏坏而而造造成成生生命命财财产的严重损失。产的严重损失。LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法 适用性适用性如（如（ff）结结构构在在正正常常使使用用期期间间，具具有有良良好好的的工工作作性性能能。如如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），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。耐久性耐久性如（如（wmaxwmax）结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。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（即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀混凝土碳化、钢筋锈蚀），），结构的结构的承载力和刚度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。定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法 结构的可靠性结构的可靠性 可靠性可靠性安全性、适用性和耐久性的总称。安全性、适用性和耐久性的总称。就就是是指指结结构构在在规规定定的的使使用用期期限限内内（设设计计工工作作寿寿命命=50年年），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），完成预定结构功能的能力。完成预定结构功能的能力。结构可靠性越高，建设造价投资越大。结构可靠性越高，建设造价投资越大。如如何何在在结结构构可可靠靠与与经经济济之之间间取取得得均均衡衡，就就是是设设计计方方法要解决的问题。法要解决的问题。LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法显显然然这这种种可可靠靠与与经经济济的的均均衡衡受受到到多多方方面面的的影影响响，如如国国家家经济实力、设计工作寿命、维护和修复等。经济实力、设计工作寿命、维护和修复等。规规范范规规定定的的设设计计方方法法，是是这这种种均均衡衡的的最最低低限限度度，也也是是国国家法律。家法律。设设计计人人员员可可以以根根据据具具体体工工程程的的重重要要程程度度、使使用用环环境境和和情情况况以以及及业业主主的的要要求求，提提高高设设计计水水准准，增增加加结结构构的的可可靠靠度。度。经经济济的的概概念念不不仅仅包包括括第第一一次次建建设设费费用用，还还应应考考虑维修，损失及修复的费用。虑维修，损失及修复的费用。LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法3.1.3 3.1.3 结构功能的极限状态结构功能的极限状态 结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠可靠”的或的或“有效有效”的。反之，则结构为的。反之，则结构为“不可靠不可靠”或或“失效失效”。区分结构区分结构“可靠可靠”与与“失效失效”的临界工作状态称为的临界工作状态称为“极限极限状态状态”LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法承载力能力极限状态承载力能力极限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。超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求。结构或构件达到最大承载力（包括疲劳）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）结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法正常使用极限状态正常使用极限状态超超过过该该极极限限状状态态，结结构构就就不不能能满满足足预预定定的的适适用用性性和和耐耐久久性性的功能要求。的功能要求。过过大大的的变变形形、侧侧移移（影影响响非非结结构构构构件件、不不安安全全感感、不不能能正常使用（吊车）等）；正常使用（吊车）等）；过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）；过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）；过大的振动（不舒适）；过大的振动（不舒适）；其他正常使用要求。其他正常使用要求。LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法极限状态极限状态方程方程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）S=S(Q)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wR=R(fc,fy,A,h0,As,)S=R极限状态极限状态SR失效失效本课程的主要内容本课程的主要内容S0时，时，结构处于可靠状态；结构处于可靠状态；Z=R-S=0时，时，结构达到极限状态；结构达到极限状态；Z=R-SR)LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土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(Z1.0所得。fc 混凝土材料强度设计值。fck是由数理统计分析且具有95%的保证率的材料强度。LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法LanzhouUniversityofTechnology是由钢材强度的标准值fyk除以材料分项系数(s 1.0)求得。结构构件的抗力应根据截面的受力状态不同用相应的计算模型确定。fy 钢材强度设计值。fyk是由数理统计且具有95%保证率的材料强度。LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法LanzhouUniversityofTechnology根根据据极极限限状状态态设设计计法法，用用结结构构的的失失效效概概率率Pf来来衡衡量量结结构构的的可可靠靠度度概概念念十十分分明明确确，用用可可靠靠指指标标 表表示示与与Pf一一一一对对应应关关系系更更容容易易为为人人们们接接受受。在在实实用用表表达达式式中中，是是由由结结构构的的破破坏坏形形态态和和安安全全等等级级与与工工程程经经验验校校准准确确定定的的分分项项等等效效来来满满足足可可靠靠度度指指标标要求的。要求的。G,Q,s,c,中隐含着可靠度指标中隐含着可靠度指标 。LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法LanzhouUniversityofTechnologyl结构或构件超过正常使用极限状态时所造成的财产和生命损失要小于超过承载力极限状态的后果，故其可靠度指标要低一些。在荷载效应及结构抗力计算中均 。采用标准值采用标准值l结构或构件在持荷作用下，其裂缝和变形会随时间的推移而发展，因此讨论其荷载组合时应考虑 和 的组合。短期效应短期效应长期效应长期效应3.4.2 正常使用极限状态设计表达式LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法LanzhouUniversityofTechnology 变形及裂缝宽度的验算 变形验算式中 f 受弯构件按荷载短期效应组合并考虑长期效应组合影响计算的最大挠度。flim 规范允许挠度。f flimLanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法LanzhouUniversityofTechnology 裂缝验算规范按使用阶段对结构构件裂缝的不同要求，将裂缝控制等级分为三级：一级：严格要求不裂，使用阶段不允许出现拉应力。二级：一般要求不裂，使用阶段允许出现拉应力，但应作限制。三级：允许开裂，应验算裂缝宽度：wmax wlimLanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法LanzhouUniversityofTechnologyn荷载效应组合值荷载效应组合值1.标准组合：标准组合：主要用于当一个极限状态被超越时将主要用于当一个极限状态被超越时将产生严重的永久性损坏的情况。产生严重的永久性损坏的情况。2.频遇组合：频遇组合：主要用于当一个极限状态被超越时将主要用于当一个极限状态被超越时将产生局部损坏、较大变形或短暂震动等的情况。产生局部损坏、较大变形或短暂震动等的情况。3.准永久组合：准永久组合：主要用于当长期效应是决定性因素主要用于当长期效应是决定性因素的一些情况。的一些情况。LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法LanzhouUniversityofTechnology例：一简支梁，跨度为6米，作用于上的均布荷载，恒载标准值 gk=3kN/m，分项系数G=1.2，活荷载标准值qk=6kN/m，分布系数Q=1.4，分别计算梁跨中截面弯矩的基本效应组合、短期效应组合和长期效应组合(活荷载准永久系数 qi=0.4)解：基本效应组合(内力组合设计值)LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法LanzhouUniversityofTechnology荷载短期效应组合：荷载长期效应组合：LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法LanzhouUniversityofTechnology3.5荷载的代表值与材料强度荷载的代表值与材料强度荷载的代表值与材料强度荷载的代表值与材料强度1.标准值标准值由设计基准期内最大荷载概率分布的某由设计基准期内最大荷载概率分布的某一分位一分位值确定的荷载值，值确定的荷载值，是是永久荷载的唯一代表值永久荷载的唯一代表值。永久荷载采用标准值作为代表值；可变荷载采用标准值、永久荷载采用标准值作为代表值；可变荷载采用标准值、组合值、频遇值和准永久值作为代表值，其中标准值是基组合值、频遇值和准永久值作为代表值，其中标准值是基本代表值，其他代表值都可在标准值的基础上乘以相应的本代表值，其他代表值都可在标准值的基础上乘以相应的系数以后得出。系数以后得出。3.5.1 荷载代表值LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法LanzhouUniversityofTechnology直升飞机坪：直升飞机坪：楼面：楼面：屋面：屋面：不上人屋面不上人屋面上人屋面上人屋面屋顶花园屋顶花园楼面和屋面荷载的标准值可查荷载规范得到。如：楼面和屋面荷载的标准值可查荷载规范得到。如：荷载规范中的荷载值不包括隔墙重量和二次装修重量。荷载规范中的荷载值不包括隔墙重量和二次装修重量。LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法LanzhouUniversityofTechnology3.频遇值频遇值结构上时而出现的较大值结构上时而出现的较大值,但小于标准但小于标准4.值。计算裂缝变形时用。值。计算裂缝变形时用。（frequent）频遇值频遇值=f标准值标准值 t/T0.14.准永久值准永久值可变荷载中较稳定的那一部分值。计可变荷载中较稳定的那一部分值。计5.算裂缝变形时用算裂缝变形时用。（。（quasi-permanent）准永久值准永久值=q标准值标准值t/T=0.5（t为设计基准期内荷载达到和超过该值的总持续时间，为设计基准期内荷载达到和超过该值的总持续时间，T为设计基准期。为设计基准期。）2.组合值组合值当有两个或两个以上可变荷载同时作用当有两个或两个以上可变荷载同时作用时的代表值时的代表值。（。（combination）组合值组合值=c 标准值标准值 LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法LanzhouUniversityofTechnology3.5.2 材料的强度取决于截面尺寸大小和材料强度高低。取决于截面尺寸大小和材料强度高低。材料强度分标准值和设计值。材料强度分标准值和设计值。材料强度标准值材料强度标准值保证率：保证率：95混凝土：混凝土：，钢筋：钢筋：，LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法LanzhouUniversityofTechnology材料强度设计值材料强度设计值混凝土：混凝土：,钢筋：钢筋：,建筑工程中：建筑工程中：桥梁工程中：桥梁工程中：混凝土：混凝土：,钢筋：钢筋：,LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法LanzhouUniversityofTechnology式式中中：混混凝凝土土的的材材料料分分项项系系数数；建建筑筑工工程程取取1.4,公路桥涵工程取公路桥涵工程取1.45；钢钢筋筋的的材材料料分分项项系系数数；建建筑筑工工程程对对热热轧轧钢钢筋取筋取1.1，对钢丝、钢绞线、热处理钢筋取，对钢丝、钢绞线、热处理钢筋取1.2；公路桥涵工程对热轧钢筋取；公路桥涵工程对热轧钢筋取1.2，对钢，对钢绞线、热处理钢筋取绞线、热处理钢筋取1.25。LanzhouUniversityofTechnology第第3章章 混凝土结构设计方法混凝土结构设计方法欢迎置疑和讨论 谢谢！