第02章结构按极限状态法设计计算的原则精选文档.ppt
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1、第02章结构按极限状态法设计计算的原则本讲稿第一页,共五十九页混凝土结构设计理论的发展混凝土结构设计理论的发展以弹性理论为基础,我国以弹性理论为基础,我国1985年以前采用此方法。年以前采用此方法。考虑材料的塑性破坏考虑材料的塑性破坏将破坏阶段法的单一的安全系数将破坏阶段法的单一的安全系数改为分项安全系数,即为荷载系改为分项安全系数,即为荷载系数,材料系数,工作条件系数。数,材料系数,工作条件系数。1、容许应力法、容许应力法2、破坏阶段法、破坏阶段法3、极限状态法、极限状态法4、以可靠性为基础、以可靠性为基础的概率极限状态设的概率极限状态设计法计法我国现行公路工程设计我国现行公路工程设计的总原
2、则的总原则本讲稿第二页,共五十九页概率设计按精确程度可分三个水准:概率设计按精确程度可分三个水准:半概率半概率近似概率(我国)近似概率(我国)全概率全概率最优失效概率最优失效概率本讲稿第三页,共五十九页 经过大量的试验,用统计方法确定各个变量经过大量的试验,用统计方法确定各个变量的规律,确定结构的失效概率,来度量结构的可的规律,确定结构的失效概率,来度量结构的可靠性,用:靠性,用:结构的可靠性理论作为基础的概率极限状态结构的可靠性理论作为基础的概率极限状态设计法作为现行公路工程设计的总原则。设计法作为现行公路工程设计的总原则。本讲稿第四页,共五十九页第一节第一节 概率极限状态法设计的基本概念概
3、率极限状态法设计的基本概念一、结构的可靠性与可靠度一、结构的可靠性与可靠度任何一个建筑物在规定的使用期限内都应满足任何一个建筑物在规定的使用期限内都应满足安全、适用、耐久三个方面的功能要求:安全、适用、耐久三个方面的功能要求:(一)安全性:(一)安全性:在正常施工和正常使用条件下,在正常施工和正常使用条件下,承受可能出现的各种功能的能力,以及各种偶然事承受可能出现的各种功能的能力,以及各种偶然事件发生时和发生后,仍能保持必要的整体性而不至件发生时和发生后,仍能保持必要的整体性而不至倒塌的能力。倒塌的能力。本讲稿第五页,共五十九页(二)适用性:(二)适用性:结构在正常使用条件下具有结构在正常使用
4、条件下具有良好工作的性能。良好工作的性能。(三)耐久性:(三)耐久性:结构在正常维护条件下,随时结构在正常维护条件下,随时间变化仍能满足功能要求的能力。间变化仍能满足功能要求的能力。本讲稿第六页,共五十九页安全性、适用性、耐久性这三者可以统称为结安全性、适用性、耐久性这三者可以统称为结构的可靠性(构的可靠性(Reliability),即:),即:结构在规定的时间结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的内,在规定的条件下,完成预定功能的能力能力。可靠性用可靠度(可靠性用可靠度(Degree of Reliability),来),来进行数量描述,即:进行数量描述,即:结构在规定的时间内,
5、在规定结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的的条件下,完成预定功能的概率概率。本讲稿第七页,共五十九页规定的时间一般是指设计基准期,我国现行规定的时间一般是指设计基准期,我国现行公路桥规规定桥梁的设计基准期(公路桥规规定桥梁的设计基准期(Design Reference Period)为)为100年年。规定的条件一般是指正常设计、正常施工规定的条件一般是指正常设计、正常施工和正常使用条件。和正常使用条件。本讲稿第八页,共五十九页二、结构的极限状态(二、结构的极限状态(Structual Limit State)结构或构件能够满足设计规定的某一功能要求的一结构或构件能够满足设计规定的
6、某一功能要求的一种特定临界状态。种特定临界状态。极限状态主要分为两类:极限状态主要分为两类:1、承载能力极限状态、承载能力极限状态(Ultimate Limit State)2、正常使用极限状态、正常使用极限状态(Serviceability Limit State)本讲稿第九页,共五十九页 1、承载能力极限状态:、承载能力极限状态:结构或构件达到最大承载力、出现疲劳破坏或不结构或构件达到最大承载力、出现疲劳破坏或不适于继续承载的变形。适于继续承载的变形。本讲稿第十页,共五十九页主要表现:主要表现:(1)构件或连接的材料强度超过破坏,过度塑构件或连接的材料强度超过破坏,过度塑性变形;性变形;(
7、2)整个结构或其部分作为刚体失衡,如侧整个结构或其部分作为刚体失衡,如侧移、倾覆等;移、倾覆等;(3)结构体系变为机动体系;结构体系变为机动体系;(4)结构或构件失稳,如压屈等。结构或构件失稳,如压屈等。本讲稿第十一页,共五十九页 2、正常使用极限状态:、正常使用极限状态:结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。规定限值。本讲稿第十二页,共五十九页主要表现:主要表现:(1)影响正常使用或外观的变形;影响正常使用或外观的变形;(2)影响正常使用或耐久性的局部损坏(包影响正常使用或耐久性的局部损坏(包括裂缝);括裂缝);(3)影响正常使用的震动;影响正
8、常使用的震动;(4)影响正常使用的其它状态,如渗漏、腐影响正常使用的其它状态,如渗漏、腐蚀、冻害等。蚀、冻害等。设计时是先按承载能力极限状态设计构件,再设计时是先按承载能力极限状态设计构件,再按正常使用极限状态进行验算。按正常使用极限状态进行验算。本讲稿第十三页,共五十九页三、结构的抗力以及功能函数三、结构的抗力以及功能函数1、结构的抗力(、结构的抗力(Resistance)结构或构件承受作用效应的能力。结构或构件承受作用效应的能力。本讲稿第十四页,共五十九页2、结构的功能函数(、结构的功能函数(Function)若若R为结构抗力,为结构抗力,S为作用效应,则功能函数为作用效应,则功能函数Z=
9、g(R、S)。)。Z=R S,就是,就是最简单的功能函数,随最简单的功能函数,随条件的变化,条件的变化,Z 有三种有三种可能性:可能性:本讲稿第十五页,共五十九页(1)Z=R-S0,结构抗力大于作用效应,即结,结构抗力大于作用效应,即结构可靠;构可靠;(2)Z=R-S0,结构抗力小于作用效应,即,结构抗力小于作用效应,即结构失效;结构失效;(3)Z=R-S=0,结构抗力等于作用效应,即,结构抗力等于作用效应,即处于极限状态。处于极限状态。因此可以看出,结构安全可靠的基本条件是:因此可以看出,结构安全可靠的基本条件是:Z0或或RS。本讲稿第十六页,共五十九页第二节第二节 我国现行公路桥规的计算原
10、则我国现行公路桥规的计算原则一、三种设计状况一、三种设计状况1、持久状况持久状况,对应桥梁的使用阶段,进行承载,对应桥梁的使用阶段,进行承载能力极限状态和正常使用极限状态的计算;能力极限状态和正常使用极限状态的计算;2、短暂状况短暂状况,对应桥梁的施工阶段,对应桥梁的施工阶段,一般一般只进只进行承载能力极限状态的计算;行承载能力极限状态的计算;本讲稿第十七页,共五十九页3、偶然状况偶然状况,对于桥梁在使用过程中可能,对于桥梁在使用过程中可能出现的偶然状况,如地震等,其出现概率极小,出现的偶然状况,如地震等,其出现概率极小,持续时间短,只需进行承载能力极限状态的计持续时间短,只需进行承载能力极限
11、状态的计算。算。本讲稿第十八页,共五十九页二、承载能力极限状态计算表达式二、承载能力极限状态计算表达式1、结构的重要性系数、结构的重要性系数0公路桥规按不同的安全等级进行设计,以体现公路桥规按不同的安全等级进行设计,以体现不同情况桥涵的可靠度差异,如表:不同情况桥涵的可靠度差异,如表:本讲稿第十九页,共五十九页安全等级安全等级 破坏后果破坏后果桥涵类型桥涵类型结构重要性结构重要性系数系数0一级一级很严重很严重特大桥、特大桥、重要大桥重要大桥1.1二级二级严严 重重大桥、中桥、大桥、中桥、重要小桥重要小桥1.0三级三级不严重不严重小桥、涵洞小桥、涵洞0.9公路桥涵结构的安全等级公路桥涵结构的安全
12、等级本讲稿第二十页,共五十九页2、承载能力极限状态计算表达式、承载能力极限状态计算表达式 0结构重要性系数,对结构安全等级分为一、结构重要性系数,对结构安全等级分为一、二、三级,分取二、三级,分取1.1、1.0、0.9;Sd承载能力极限状态设计的荷载效应组合(即承载能力极限状态设计的荷载效应组合(即作用效应)的设计值;作用效应)的设计值;R结构构件的承载力(即抗力)设计值;结构构件的承载力(即抗力)设计值;本讲稿第二十一页,共五十九页R()结构构件的承载力函数;结构构件的承载力函数;fd 分别为混凝土、钢筋的强度设计值;分别为混凝土、钢筋的强度设计值;ad 几何参数标准值,当几何参数的变异性对
13、结几何参数标准值,当几何参数的变异性对结构性能有明显不利的影响时,可另增减一构性能有明显不利的影响时,可另增减一个附加值。个附加值。2 2、承载能力极限状态计算表达式、承载能力极限状态计算表达式 本讲稿第二十二页,共五十九页二、二、持久状况持久状况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 按正常使用极限状态设计时,应验算结构构件按正常使用极限状态设计时,应验算结构构件的的应力、变形、抗裂度应力、变形、抗裂度或或裂缝宽度。裂缝宽度。由于结构构件达到或超过正常使用极限状态时,由于结构构件达到或超过正常使用极限状态时,其危害程度上不足以引起结构大规模的破坏,因此其危害程度上不足以引起结构
14、大规模的破坏,因此对它的可靠度,设计时应该适当的降低。对它的可靠度,设计时应该适当的降低。本讲稿第二十三页,共五十九页按正常使用极限状态设计时,采用下列极限状态按正常使用极限状态设计时,采用下列极限状态表达式:表达式:C1结构构件达到正常使用要求所规定的限值,结构构件达到正常使用要求所规定的限值,例如变形、裂缝等限值;例如变形、裂缝等限值;S 正常使用极限状态荷载效应(变形、裂缝等)正常使用极限状态荷载效应(变形、裂缝等)组合。组合。SC1 本讲稿第二十四页,共五十九页第三节第三节 材料强度的取值材料强度的取值一、材料强度指标的取值原则一、材料强度指标的取值原则 1、材料性能标准值、材料性能标
15、准值fk(Characteristic Value)材料性能标准值是极限状态设计表达式中材料性能标准值是极限状态设计表达式中所取材料性能的基本代表值。所取材料性能的基本代表值。本讲稿第二十五页,共五十九页 由于材料的离散性,同一等级的混凝土的实由于材料的离散性,同一等级的混凝土的实际强度并不完全一致,它构成一种分布际强度并不完全一致,它构成一种分布正态正态分布(如下图),可有两个特征值分布(如下图),可有两个特征值平均值平均值f 和标准差和标准差f 来确定反映其分布特性。来确定反映其分布特性。本讲稿第二十六页,共五十九页本讲稿第二十七页,共五十九页 混凝土强度标准值取实测值概率分布混凝土强度标
16、准值取实测值概率分布0.05分位数确定。可用下式表达:分位数确定。可用下式表达:f k 材料强度标准值;材料强度标准值;f 材料强度统计平均值;材料强度统计平均值;f 材料强度标准差;材料强度标准差;f 材料材料强强度度变变异系数,异系数,f=f /f。本讲稿第二十八页,共五十九页fc材料分材料分项项系数根据系数根据经验经验取取值值,规规范中混范中混凝土取凝土取1.45。2、材料强度的设计值、材料强度的设计值fd(Design Value)材料强度的设计值是材料标准强度除以材料性能材料强度的设计值是材料标准强度除以材料性能的分项系数后的值,如下:的分项系数后的值,如下:本讲稿第二十九页,共五十
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