第2章 结构设计的原则和方法.ppt
钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构侯献语侯献语结构设计的原则和方法结构设计的原则和方法结构设计的基本要求结构设计的基本要求1结构上的荷载结构上的荷载2结构抗力和材料强度结构抗力和材料强度3概率极限状态设计法概率极限状态设计法42.1 结构设计的基本要求结构设计的基本要求2.1.1 结构的功能要求结构的功能要求安全性安全性适用性适用性耐久性耐久性结构的可靠性结构的可靠性：在：在规定的时间规定的时间内（设计使用年限），在内（设计使用年限），在规定规定 的条件下的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护），结（正常设计、正常施工、正常使用和维护），结构完成构完成预定功能要求预定功能要求（安全性、适用性、耐久性）的（安全性、适用性、耐久性）的能力。能力。建筑结构的设计使用年限建筑结构的设计使用年限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设计使用年限标准规定的设计使用年限标准p 规定的条件规定的条件 正常设计、正常施工、正常使用、正常维护正常设计、正常施工、正常使用、正常维护p 预定功能预定功能 承受各种作用、没有过大变形和裂缝、有足够的耐久性能承受各种作用、没有过大变形和裂缝、有足够的耐久性能2.1 结构设计的基本要求结构设计的基本要求2.1.2 结构功能的极限状态结构功能的极限状态承载能力极限状态承载能力极限状态结构功能结构功能的极限状态的极限状态正常使用极限状态正常使用极限状态1)整个结构或结构的一部整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡；分作为刚体失去平衡；2)结构构件或其连接因超结构构件或其连接因超过材料强度而破坏过材料强度而破坏(包括包括疲劳破坏疲劳破坏)；3)结构转变为机动体系；结构转变为机动体系；4)结构或构件丧失稳定结构或构件丧失稳定 1)影响正常使用或外观影响正常使用或外观的变形的变形；2)影响正常使用或耐久影响正常使用或耐久性能的局部损坏性能的局部损坏；3)影响正常使用的振动影响正常使用的振动；4)影响正常使用的其它影响正常使用的其它特定状态特定状态 安全性安全性适用性、耐久性适用性、耐久性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、产生社会影响等的严重程度确定。造成的经济损失、产生社会影响等的严重程度确定。安全等级安全等级破坏后果破坏后果建筑物类型建筑物类型一级一级很严重很严重重要的房屋重要的房屋二级二级严严 重重一般的房屋一般的房屋三级三级不严重不严重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。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2.1.3 结构的安全等级结构的安全等级2.2 结构上的作用与荷载结构上的作用与荷载直接作用直接作用 结构上的作用结构上的作用间接作用间接作用1)结构的自重；结构的自重；2)楼面上的人群及物品楼面上的人群及物品 重量；重量；1)风压力；风压力；2)雪压力；雪压力；3)积水、积灰、土压力。积水、积灰、土压力。1)地震作用；地震作用；2)基础不均匀沉降；基础不均匀沉降；3)温度变化；温度变化；4)混凝土收缩和变形；混凝土收缩和变形；5)焊接等。焊接等。2.2.1 结构上的作用结构上的作用 作用在结构上并使结构产生内力（如弯矩、剪力、轴向力、扭矩等）、变形、作用在结构上并使结构产生内力（如弯矩、剪力、轴向力、扭矩等）、变形、裂缝等的各种原因称为结构上的作用。裂缝等的各种原因称为结构上的作用。按随时间的的变异性和出现的可能性，按随时间的的变异性和出现的可能性，作用作用分为三类：分为三类：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.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.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。2.2.2 荷载的分类荷载的分类2.2.3 荷载的代表值荷载的代表值荷载大小荷载大小如何确定如何确定 由于各种荷载都具有一定的变异性，在结构设计时，应由于各种荷载都具有一定的变异性，在结构设计时，应根据各种极限状态的设计要求取用不同的荷载量值，即为荷根据各种极限状态的设计要求取用不同的荷载量值，即为荷载代表值。载代表值。荷载代表值荷载代表值荷载标准值荷载标准值荷载标准值荷载标准值永久荷载代表值永久荷载代表值可变荷载代表值可变荷载代表值荷载组合值荷载组合值荷载频遇值荷载频遇值荷载准永久值荷载准永久值2.2.3 荷载的代表值荷载的代表值1）定义）定义：指在正常使用情况下，在其设计基准期内指在正常使用情况下，在其设计基准期内可能可能出现的出现的 具有具有一定保证率一定保证率的的最大荷载值最大荷载值。是荷载的基本代表值是荷载的基本代表值2）确定）确定a.a.永久荷载标准值永久荷载标准值G Gk k：可按结构设计规定的尺寸和可按结构设计规定的尺寸和荷载规荷载规范范规定的材料单位体积的自重计算确定。规定的材料单位体积的自重计算确定。1.荷载标准值荷载标准值例：某矩形截面钢筋混凝土梁，计算跨度为例：某矩形截面钢筋混凝土梁，计算跨度为4.5m4.5m，截面，截面尺寸为尺寸为200200500mm500mm，钢筋混凝土的自重查表得，钢筋混凝土的自重查表得25kN/m25kN/m3 3,则梁沿跨度方向均匀分布的自重标准值为则梁沿跨度方向均匀分布的自重标准值为b.b.可变荷载的标准值可变荷载的标准值是根据观测资料和实验数据，并考虑工程实践经验而确定的是根据观测资料和实验数据，并考虑工程实践经验而确定的可由荷载规范查的，见表可由荷载规范查的，见表1-4.1-4.2.2.3 荷载的代表值荷载的代表值1.荷载标准值荷载标准值例如：办公楼、住宅楼面均布活荷载标准值例如：办公楼、住宅楼面均布活荷载标准值Q Qk k均为均为2.0kN/m2.0kN/m2 2。2.可变荷载组合值可变荷载组合值3.可变荷载频遇值可变荷载频遇值4.可变荷载准永久值可变荷载准永久值指有两种或两种以上可变荷载同时作用于结构上时，由于各可变荷载同时达到指有两种或两种以上可变荷载同时作用于结构上时，由于各可变荷载同时达到其标准值的可能性极小，产生最大效应的荷载其标准值，其他伴随的可变荷载其标准值的可能性极小，产生最大效应的荷载其标准值，其他伴随的可变荷载采用小于其标准值的组合值为荷载代表值。采用小于其标准值的组合值为荷载代表值。针对结构上偶尔出现的较大荷载用可变荷载频遇值。针对结构上偶尔出现的较大荷载用可变荷载频遇值。针对结构上经常作用的可变荷载，即在规定的期限内，该部分可变荷载具有针对结构上经常作用的可变荷载，即在规定的期限内，该部分可变荷载具有较长的总持续时间，对结构的影响类似永久荷载。较长的总持续时间，对结构的影响类似永久荷载。2.2.3 荷载的代表值荷载的代表值2.2.4 荷载分项系数及荷载设计值荷载分项系数及荷载设计值荷载分项系数：荷载分项系数：在在承载能力极限状态设计承载能力极限状态设计中将荷载标准值中将荷载标准值乘以一乘以一 个大于个大于1的调整系数。的调整系数。荷载设计值：荷载设计值：荷载标准值与荷载分项系数的乘积。荷载标准值与荷载分项系数的乘积。比荷载的标准值具有更大的可靠度比荷载的标准值具有更大的可靠度荷载设计值荷载设计值=荷载标准值荷载标准值荷载分项系数荷载分项系数 G 永久荷载分项系数。有利时取永久荷载分项系数。有利时取1.0，不利时取不利时取1.2 Q 活荷载分项系数。活荷载分项系数。一般情况取一般情况取 Q=1.4，当楼面活荷载标准值大于，当楼面活荷载标准值大于4kN/m2，取，取 Q=1.3作用效应作用效应S S结构由于各种原因，引起内力和变形称为结构由于各种原因，引起内力和变形称为作用效应。作用效应。内力：内力：轴力、弯矩、剪力、扭矩、轴力、弯矩、剪力、扭矩、压力、拉力；压力、拉力；变形：变形：挠度、转角、裂缝。挠度、转角、裂缝。2.2.5 荷载效应荷载效应2.2.5 荷载效应荷载效应作用效应取决于作用的方式及结构或构件的几何尺寸及支承条件。作用效应取决于作用的方式及结构或构件的几何尺寸及支承条件。简支梁在跨中一集中荷载作用下跨中弯矩简支梁在跨中一集中荷载作用下跨中弯矩 例：例：简支梁在均布荷载作用下跨中弯矩简支梁在均布荷载作用下跨中弯矩简支梁在均布荷载作用下跨中弯矩简支梁在均布荷载作用下跨中弯矩c 荷载效应系数荷载效应系数Q 荷载荷载 作用效应具有随机性作用效应具有随机性cS=cQ2.3.1 2.3.1 结构的抗力结构的抗力R R 结构抗力是指结构或构件承受各种作用效应的能力。结构抗力是指结构或构件承受各种作用效应的能力。2.3 结构抗力和材料强度结构抗力和材料强度承载能力：承载能力：受弯承载力、受剪承载力、受压承载力等受弯承载力、受剪承载力、受压承载力等抗变形能力：抗变形能力：抗裂性能、刚度等抗裂性能、刚度等hbC20320经计算得此梁能承受的弯矩经计算得此梁能承受的弯矩M=95.78kNm 即该梁的抗弯承载力即该梁的抗弯承载力(亦称抗力亦称抗力)R=95.78kNm 2.3.1 2.3.1 结构的抗力结构的抗力R R 结构抗力的影响因素：结构抗力的影响因素：材料性能的不确定性材料性能的不确定性材料几何参数的不确定性材料几何参数的不确定性结构计算模式的不确定性结构计算模式的不确定性 结构的抗力具有结构的抗力具有随机性随机性。2.3 结构抗力结构抗力配筋情况配筋情况结构抗力主要取决于材料强度结构抗力主要取决于材料强度 2.3 结构抗力和材料强度结构抗力和材料强度2.3.2 2.3.2 材料强度取值材料强度取值材料强度标准值材料强度标准值 是根据标准试件用标准是根据标准试件用标准实验方法测得实验方法测得的具有的具有95%95%以上以上保证率的强度值保证率的强度值混凝土强度标准值混凝土强度标准值(N/mm2)强度强度种类种类混凝土强度等级混凝土强度等级C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60C65C70C75C80fck10.013.416.720.123.426.829.632.435.538.541.544.547.450.2ftk1.271.541.782.012.202.392.512.642.742.852.932.993.053.11材料强度标准值材料强度标准值 材料强度设计值材料强度设计值主要用于正常使用极限状态的验算主要用于正常使用极限状态的验算 材料强度的标准值是结构设计时采用的材料强度的基本代表值材料强度的标准值是结构设计时采用的材料强度的基本代表值 2.3 结构抗力和材料强度结构抗力和材料强度2.3.2 2.3.2 材料强度取值材料强度取值材料强度设计值材料强度设计值 材料分项系数为一个材料分项系数为一个大于大于1的系数的系数混凝土材料分项系数用混凝土材料分项系数用c取为取为1.40 钢筋材料分项系数用钢筋材料分项系数用s表示表示 热轧钢筋热轧钢筋 s取取1.10 预应力钢筋预应力钢筋s取取1.20 在承载能力极限状态设计中，应采用材料强度设计值。在承载能力极限状态设计中，应采用材料强度设计值。500MPa钢筋钢筋 s取取1.15 2.4 概率极限状态设计法概率极限状态设计法2.4.1 2.4.1 结构的可靠度结构的可靠度1.结构的功能函数结构的功能函数Z=R-S Z 0，即即RS 结构可靠结构可靠Z=0，即即R=S 结构处于极限状态结构处于极限状态。即即RS 结构失效结构失效Z 0，结构可靠工作的基本条件为：结构可靠工作的基本条件为：Z0 RS 结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的可能性，用概率来表示，也称可靠概率。能的可能性，用概率来表示，也称可靠概率。以以Ps表示表示 2.2.结构的可靠度结构的可靠度P Ps s+P+Pf f=1=1 结构能够完成预定功能的概率称为结构能够完成预定功能的概率称为“可靠概率可靠概率”，结构不能完成预定功能的概率称为结构不能完成预定功能的概率称为“失效概率失效概率”，以以P Pf f表示。表示。一般采用结构的失效概率一般采用结构的失效概率P Pf f来度量结构的可靠性，来度量结构的可靠性，只要失效概率只要失效概率PfPf足够小，则结构的可靠性必然高。足够小，则结构的可靠性必然高。2.4 概率极限状态设计法概率极限状态设计法 0 S R式中式中 S 内力组合设计值内力组合设计值 0 结构构件的重要性系数，结构构件的重要性系数，对一、二、三级分别取对一、二、三级分别取1.1,1.0,0.9 R 结构构件的承载力设计值结构构件的承载力设计值R=R()=R(fc,fs,k,)1.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2.4.2 极限状态设计表达式极限状态设计表达式1 1）设计表达式）设计表达式172.4 概率极限状态设计法概率极限状态设计法18式中式中 G 永久荷载分项系数。有利时取永久荷载分项系数。有利时取1.0，不利时取不利时取1.23 3）荷载效应组合设计值）荷载效应组合设计值S S（1 1）由可变荷载效应控制的组合）由可变荷载效应控制的组合19（2 2）由永久荷载效应控制的组合）由永久荷载效应控制的组合 L 考虑设计使用年限的调整系数（表考虑设计使用年限的调整系数（表1-6）。）。一般情况取一般情况取 Q=1.4，当楼面活荷载标准值大于，当楼面活荷载标准值大于4kN/m2，取，取 Q=1.3 Qi 活荷载分项系数。活荷载分项系数。SGk 永久荷载标准值。永久荷载标准值。由数理统计分析按一定保证率确定的值，可根据荷由数理统计分析按一定保证率确定的值，可根据荷载规范取值。载规范取值。SQik 活荷载标准值。活荷载标准值。ci 第第i个可变荷载的组合系数个可变荷载的组合系数由数理统计分析按一定保证率确定的值。由数理统计分析按一定保证率确定的值。(95%保证率保证率)结构或构件超过正常使用极限状态时所造成的财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，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力计算中均采用标准值采用标准值2.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111S正常使用极限状态的荷载效应组合设计值。正常使用极限状态的荷载效应组合设计值。C结构或构件达到正常使用要求的规定限值（如变形、结构或构件达到正常使用要求的规定限值（如变形、裂缝、应力等限值），按有关规范的规定采用。裂缝、应力等限值），按有关规范的规定采用。荷载的效应组合荷载的效应组合：式中，式中，qi 第第i个可变荷载的准永久值系数个可变荷载的准永久值系数（1）按荷载的标准组合）按荷载的标准组合：（2）按荷载的准永久组合）按荷载的准永久组合：
