_按近似概率理论的极限状态设计法.ppt
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1、极限状态结构上的作用结构上的作用(action)(action)和作用效应和作用效应(effect of an action)(effect of an action)结构上的作用结构上的作用是指施加在结构上的集中力或分布力,以及引起结构外加变是指施加在结构上的集中力或分布力,以及引起结构外加变形或约束变形的原因(地震、基础差异沉降、温度变化、混凝土收缩等)。形或约束变形的原因(地震、基础差异沉降、温度变化、混凝土收缩等)。(1)按随时间的变异按随时间的变异可分为三类:可分为三类:永久作用永久作用可变作用可变作用偶然作用偶然作用1.1.结构上的作用(荷载)可按下列性质分类:结构上的作用(荷载)
2、可按下列性质分类:在设计基准期内其量值不随时间变在设计基准期内其量值不随时间变化,或其变化与平均值相比可以忽化,或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用。略不计的作用。如结构自重、土压力、如结构自重、土压力、预应力、地基沉降、焊预应力、地基沉降、焊接等。接等。在在设计设计基准期内其量基准期内其量值值随随时间变时间变化,化,且其且其变变化与平均化与平均值值相比不可忽略的相比不可忽略的作用。作用。在在设计设计基准期内不一定出基准期内不一定出现现,而一,而一旦出旦出现现其量其量值值很大且持很大且持续时间续时间很短很短的作用。的作用。如楼面活荷载、吊车荷如楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、载、风荷载
3、、雪荷载、温度变化等。温度变化等。如爆炸力、撞击力、罕如爆炸力、撞击力、罕遇的地震等。遇的地震等。(2)按随空间位置的变异按随空间位置的变异可分为二类:可分为二类:固定作用固定作用自由作用自由作用在结构上具有固定分布的作在结构上具有固定分布的作用。其特点是在结构上出现用。其特点是在结构上出现的空间位置固定不变,但其的空间位置固定不变,但其量值可能具有随机性。量值可能具有随机性。在结构上一定范围内可以任在结构上一定范围内可以任意分布的作用。意分布的作用。如房屋建筑楼面上位置如房屋建筑楼面上位置固定的设备荷载、屋盖固定的设备荷载、屋盖上的水箱等。上的水箱等。如楼面的人员荷载、吊如楼面的人员荷载、吊
4、车荷载等。车荷载等。静态作用静态作用动态作用动态作用 (3)按结构的反应特点按结构的反应特点可分为二类:可分为二类:上述各种作用作用在结构或结构构件上,由此在结构内产上述各种作用作用在结构或结构构件上,由此在结构内产生的内力和变形(如轴力、剪力、弯矩以及挠度、转角和裂缝生的内力和变形(如轴力、剪力、弯矩以及挠度、转角和裂缝等)称为等)称为作用效应作用效应。使结构产生的加速度可以忽略不计的使结构产生的加速度可以忽略不计的作用。作用。使结构产生的加速度不可忽略不计的使结构产生的加速度不可忽略不计的作用。在结构分析时一般均应考虑其作用。在结构分析时一般均应考虑其动力效应。动力效应。如如结结构自重、住
5、宅或构自重、住宅或办办公楼的楼面活荷公楼的楼面活荷载载如吊车荷载、地震作用、如吊车荷载、地震作用、大型动力设备的作用、大型动力设备的作用、高耸结构上的风荷载等。高耸结构上的风荷载等。2 2 荷载标准值荷载标准值 荷载标准值荷载标准值是建筑结构按极限状态设计时采用的是建筑结构按极限状态设计时采用的荷载基本代表值荷载基本代表值。实际。实际荷载荷载随机变量、随机过程。随机变量、随机过程。应用数理统计的应用数理统计的 方法,确定的具有一定概率的最大荷载值称为荷载标准方法,确定的具有一定概率的最大荷载值称为荷载标准值。荷载标准值可由设计基准期最大荷载概率分布的某一分位值确定,若为值。荷载标准值可由设计基
6、准期最大荷载概率分布的某一分位值确定,若为正态分布,则如图中的正态分布,则如图中的 。荷载标准值的概率含义荷载标准值的概率含义 永久荷载标准值永久荷载标准值按结构设计按结构设计 规定的尺寸和材料容重平均值确定。规定的尺寸和材料容重平均值确定。在结构设计中,各类可变荷载标准值及各种材料容重可由在结构设计中,各类可变荷载标准值及各种材料容重可由建筑结构荷建筑结构荷载规范载规范查取。查取。可变荷载标准值可变荷载标准值楼面活荷载标准值楼面活荷载标准值风荷载标准值风荷载标准值雪荷载标准值雪荷载标准值 可变荷载准永久值 在在进进行行结结构构构构件件的的变变形形和和裂裂缝缝验验算算时时,需需要要考考虑虑荷荷
7、载载长长期期作作用用对对构构件件刚刚度度和和裂裂缝缝的的影影响响,此此时时,可可变变荷荷载载只只能能取取其其在在设设计计基基准准期期内内经经常常作作用用在在结结构构上上的的那那部部分分荷荷载载作作为为其其代代表表值值,它它对对结结构构的的影影响响类类似似于于永永久久荷荷载载。荷荷载载准准永永久久值值=q qQ QK K 其中其中q q为荷载准永久值系数,为荷载准永久值系数,Q QK K 为荷载标准值。为荷载标准值。可变荷载组合值 当结构承受两种或两种以上可变荷载时,由于所有可变荷载同时达到各自最大值当结构承受两种或两种以上可变荷载时,由于所有可变荷载同时达到各自最大值的可能性极小,因此除主导的
8、可变荷载外,其它伴随的可变荷载均应乘以一个小于的可能性极小,因此除主导的可变荷载外,其它伴随的可变荷载均应乘以一个小于1 1的组合系数的组合系数(cc)作为可变荷载的组合值。作为可变荷载的组合值。可变荷载的频遇值 可变荷载的频遇值是正常使用极限状态按频遇组合设计时采用的一种可变可变荷载的频遇值是正常使用极限状态按频遇组合设计时采用的一种可变荷载组合值。它是在统计基础上确定的。在设计基准期内被超越的总时间仅为荷载组合值。它是在统计基础上确定的。在设计基准期内被超越的总时间仅为设计基准期的一小部分,或其超越频率限于某一给定值。设计基准期的一小部分,或其超越频率限于某一给定值。可变荷载的频遇值可变荷
9、载的频遇值=f fQ QK K 其中:其中:f f 可变荷载频遇值系数可变荷载频遇值系数在竖向荷载作用下,按受荷面积、层数、每层的单位面积重量估算每个柱及桩的竖向力。同理也可以计算建筑物的总重量如图柱网尺寸为66的12层办公楼,单位面积的:恒载11 kN/m2;活载2.0 kN/m2;则每个中柱的受荷面积为36 m2,则每个中柱受荷载36(11+2)=468 kN,底层中柱受轴力46812=5616 kN,建筑物总重量:13264612=44928 kN。风荷载风荷载一、风作用的类型一、风作用的类型 (1)1)顺风向力顺风向力由与风向一致的风力作用由与风向一致的风力作用 (2)(2)横风向力横
10、风向力结构物背后的旋涡引起结构物的横风向结构物背后的旋涡引起结构物的横风向(与风向垂与风向垂直直)力力 (3)(3)风力扭矩风力扭矩由横风向力、顺风向力引起由横风向力、顺风向力引起二、风作用效应二、风作用效应(1)(1)使结构物或结构构件受到过大的风力或不稳定;使结构物或结构构件受到过大的风力或不稳定;(2)(2)使结构物或结构构件产生过大的挠度或变形,引起外墙、外装修使结构物或结构构件产生过大的挠度或变形,引起外墙、外装修材料的损坏;材料的损坏;(3)(3)由反复的风振动作用,引起结构或结构构件的疲劳损坏;由反复的风振动作用,引起结构或结构构件的疲劳损坏;(4)(4)气动弹性的不稳定,致使结
11、构物在风运动中产生加剧的气动力;气动弹性的不稳定,致使结构物在风运动中产生加剧的气动力;(5)(5)由于过大的动态运动,使建筑物的居住者或有关人员产生不舒适由于过大的动态运动,使建筑物的居住者或有关人员产生不舒适感。感。建筑物周围的风场建筑物周围的风场建筑物外表面风压建筑物外表面风压0 基本风压(KN/m2);z风压高度变化系数;s风载体形系数;z为高度z处的风振系数;1、基本风压查荷载规范;是按一般空旷平坦地面上离地10米高度处统计得到的50年一遇的10分钟平均最大风速换算而得到的。2、体型系数可以查阅荷载规范,复杂体型由风洞试验确定垂直于建筑物表面上的风荷载标准值:垂直于建筑物表面上的风荷
12、载标准值:4 4、风振系数由结构动力分析确定,主要考虑高度大于风振系数由结构动力分析确定,主要考虑高度大于3030米,高宽比米,高宽比大于大于1.51.5的建筑在风力作用下的共振效应。的建筑在风力作用下的共振效应。从上式可见,作用于建筑物表面的风荷载为到三角形分布的面荷载。从上式可见,作用于建筑物表面的风荷载为到三角形分布的面荷载。总的风力为每步风荷载乘受风面积,作用位置与建筑与建筑体形有关。总的风力为每步风荷载乘受风面积,作用位置与建筑与建筑体形有关。高度变化系数由地面粗糙度确定高度变化系数由地面粗糙度确定风荷载效应估算风荷载效应估算基本方法与地震水平作用估算相同,但:基本方法与地震水平作用
13、估算相同,但:1 1、对于低层建筑,风荷载大小可用单位面积风载(以建、对于低层建筑,风荷载大小可用单位面积风载(以建筑物顶端风压力估计)乘以受风面积计算筑物顶端风压力估计)乘以受风面积计算2 2、对于高层建筑,风荷载按上大下小的阶梯形分布计算,、对于高层建筑,风荷载按上大下小的阶梯形分布计算,每阶的风压值取该段建筑物最大标高的单位风载乘以相每阶的风压值取该段建筑物最大标高的单位风载乘以相应建筑物宽度确定。应建筑物宽度确定。3 3、风荷载的合力作用点与建筑物体型有关。、风荷载的合力作用点与建筑物体型有关。结构的功能结构的功能 Functions of Structure1 1 结构的安全等级结构
14、的安全等级(safety class)结构的安全等级结构的安全等级根据结构破坏可能产生的后果,即危及人的生命、造成根据结构破坏可能产生的后果,即危及人的生命、造成的经济损失、产生社会影响等的严重程度确定。的经济损失、产生社会影响等的严重程度确定。安全等安全等级级破坏后果破坏后果建筑物建筑物类类型型一一级级很很严严重重重要的房屋重要的房屋二二级级严严 重重一般的房屋一般的房屋三三级级不不严严重重次要的房屋次要的房屋建筑结构的安全等级建筑结构的安全等级 建筑物中各类建筑物中各类结构构件的安全等级结构构件的安全等级宜与宜与整个结构的安全等级整个结构的安全等级相同相同,但,但允允许许对部分结构构件根据
15、其重要程度和综合效益进行适当的对部分结构构件根据其重要程度和综合效益进行适当的调整。调整。结构的安全等级结构的安全等级用结构重要性系数用结构重要性系数0体现。体现。2 2 设计使用年限设计使用年限(design working life)设计使用年限设计使用年限是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期,即结构在规定的条件下所应达到的使用年限。定目的使用的时期,即结构在规定的条件下所应达到的使用年限。设计使用年限设计使用年限的概念不同于的概念不同于实际寿命实际寿命或或耐久年限耐久年限。建筑结构可靠度设建筑结构可靠度设计统
16、一标准计统一标准规定了各类建筑结构的设计使用年限。规定了各类建筑结构的设计使用年限。类别类别设计设计使用年限(年)使用年限(年)示例示例15临时临时性性结结构构225易于替易于替换换的的结结构构件构构件350普通房屋和构筑物普通房屋和构筑物4100纪纪念性建筑和特念性建筑和特别别重要的建筑物重要的建筑物 设计使用年限分类设计使用年限分类3 3 建筑结构的功能建筑结构的功能 Functions of Structures安安全全性性Safety(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
17、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收缩缩变变形形受受到到约约束束时时)等等的的作作用用。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,不不应应发发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。适适用用性性Serviceability(f f):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
18、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的过过大大的裂缝宽度。的裂缝宽度。耐久性耐久性Durability(wmax wmax):结构在正常使用和正常维):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(护条件下,应具有足够的耐久性。即在各种因素的影响下(混凝混凝土碳化、钢筋锈蚀土碳化、钢筋锈蚀),结构的承载力和刚度不应随时间有过大的),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期间内丧失安全性和适用性,降低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。使用
19、寿命。结构功能的极限状态结构功能的极限状态 Limit State 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指定的某一功能要求,这个特定状态称为该功能的极限状态。指定的某一功能要求,这个特定状态称为该功能的极限状态。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”。区分区分结构结构“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“极限状态极限状态”。承载力能力极限状态承载力能力
20、极限状态Ultimate Limit State: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)正常使用极
21、限状态正常使用极限状态Serviceability Limit State: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。下列破坏分别属于超出了什么极限状态?下列破坏分别属于超出了什么极限状态?A A、雨棚出现倾覆、雨棚出现倾覆
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