第2章设计方法.pptx

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1、2.1结构可靠度2.2荷载和材料强度2.5 公路桥涵工程结构设计方法2.3 极限状态设计法2.4 极限状态设计表达式第第2页页/共共83页页第1页/共83页2.1结构可靠度结构上的作用、作用效应及结构抗力1.结构上的作用及作用效应结构上的作用及作用效应作用定义：作用定义：凡能使结构产生内力、应力、位移、应变、凡能使结构产生内力、应力、位移、应变、裂缝的因素，都称为结构上的作用。裂缝的因素，都称为结构上的作用。直接作用：荷载（恒荷载、活荷载、风荷载、土压力等直接作用：荷载（恒荷载、活荷载、风荷载、土压力等；分类：分类：间接作用：温度、收缩、徐变、地基不均匀沉降、地震等。间接作用：温度、收缩、徐变

2、、地基不均匀沉降、地震等。第第3页页/共共83页页第2页/共83页作用按时间的变异作用按时间的变异分类分类永久作用（恒荷载）：永久作用（恒荷载）：大小、方向、作用点不随时间改变的大小、方向、作用点不随时间改变的荷载为永久荷载，如自重、土压力、预应力等；荷载为永久荷载，如自重、土压力、预应力等；可变作用（活荷载）可变作用（活荷载）：大小、方向或作用点随时间改变而大小、方向或作用点随时间改变而 变化的荷载为可变荷载，如楼面和屋面活载变化的荷载为可变荷载，如楼面和屋面活载、风荷载、风荷载、雪荷载、吊车荷载、车辆荷载等；雪荷载、吊车荷载、车辆荷载等；偶然作用：偶然作用：结构使用期间可能不出现，一旦出现

3、，其作结构使用期间可能不出现，一旦出现，其作 用时间短、效应大的荷载为偶然荷载，如地震、爆用时间短、效应大的荷载为偶然荷载，如地震、爆炸力，撞击等。炸力，撞击等。第第4页页/共共83页页第3页/共83页作用效应作用效应 定义：定义：作用在结构上产生的反应作用在结构上产生的反应，如内力、应力、位，如内力、应力、位 移、应变、裂缝等，称为作用效应。移、应变、裂缝等，称为作用效应。作用及作用效应均为随机变量或随机过程作用及作用效应均为随机变量或随机过程第第5页页/共共83页页第4页/共83页结构抗力结构抗力 定义：定义：结构抵抗作用效应的能力，称为结构抗力结构抵抗作用效应的能力，称为结构抗力。结构抗

4、力的不定性：结构构件材料性能f 的不定性 结构构件几何参数 a 的不定性 结构构件计算模式p 的不定性设计基准期 设计基准期：工程结构设计时，为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数（T=50年）结构上的作用、作用效应及结构抗力均为随机过程第第6页页/共共83页页第5页/共83页结构的预定功能及结构可靠度结构的预定功能及结构可靠度预定功能：结构的安全性、适用性和耐久性。结构的功能要求 结构在规定的设计使用年限内应满足下列功能要求：1、在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用2、在正常使用时具有良好的工作性能3、在正常维护下具有足够的耐久性4、在设计规定的偶然事件发生时

5、及发生后，仍能保持必要的整体稳定性 1项、4项 结构安全性的要求 2项 结构适用性的要求 3项 结构耐久性的要求第第7页页/共共83页页第6页/共83页结构可靠性：结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。结构可靠度：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。第第8页页/共共83页页第7页/共83页 设计使用年限(design working life)-设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预期目的使用的时期-即房屋结构在正常设计、正常施工、正常使用和正常维护下所应达到的使用年限，如达不到这个年限则意味着在设计、施工、使用与维修的某一环节上出现了非正常情况，

6、应查找原因。类别类别设计使用年限（年）设计使用年限（年）示示 例例1 15 5临时性结构临时性结构2 22525易于替换的结构构件易于替换的结构构件3 35050普通房屋和构筑物普通房屋和构筑物4 4100100纪念性建筑和特别重要的建筑结构纪念性建筑和特别重要的建筑结构 GB500682001规定：结构设计使用年限分类第第9页页/共共83页页第8页/共83页规定条件：结构的正常设计、正常施工、正常使用的条件。结构可靠度是以正常设计、正常施工、正常使用为条件的，不考虑人为过失的影响。人为过失应通过其他措施予以避免。第第10页页/共共83页页第9页/共83页结构的安全等级结构的安全等级工程结构安

7、全等级是根据结构破坏造成的后果，即危害人的生命、造成经济损失、产生社会影响的严重程度划分。建筑结构可靠度设计统一标准将建筑结构安全等级划分为三级。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建筑重要建筑二级二级严重严重一般工业与民用建筑一般工业与民用建筑三级三级不严重不严重次要建筑物次要建筑物第第11页页/共共83页页第10页/共83页高耸结构的安全等级安全等级安全等级高耸结构类型高耸结构类型结构破坏后果结构破坏后果一级一级重要的高耸结构重要的高耸结构很严重很严重二级二级一般的高耸结构一般的高耸结构严重严重1 1）对于特殊的高耸结构，其安全等级可根据具体情况另行

8、）对于特殊的高耸结构，其安全等级可根据具体情况另行确定；确定；2 2）结构构件的安全等级宜采用与整个结构相应的安全等级，结构构件的安全等级宜采用与整个结构相应的安全等级，对部分构件可按具体情况调整其安全等级。对部分构件可按具体情况调整其安全等级。第第12页页/共共83页页第11页/共83页2.2荷载和材料强度荷载标准值确定 荷载标准值：设计基准期内最大荷载概率分布的某一分位值。荷载标准值荷载的基本代表值，其他代表值可在其基础上换算得到。第第13页页/共共83页页第12页/共83页永久荷载标准值：一般相当于永久荷载概率分布的0.5分位值，即正态分布的平均值。可按设计尺寸和材料重度标准值计算。对自

9、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），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.第第14页页/共共83页页第13页/共83页可变荷载标准值：办公楼楼面活荷载的标准值：各可变荷载标准值查荷载规范。直升飞机坪：直升飞机坪：屋面：屋面：不上人屋面不上人屋面 上人屋面上人屋面 屋顶花园屋顶花园荷载规范中的荷载值不包括隔墙重量和二次装修重量。一般情况：风、雪荷载均按年一遇。第第15页页/共共83页页第14页/共83页荷载代表值荷载代表值 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 一分位值确

10、定的荷载值，是一分位值确定的荷载值，是永久荷载的唯一代表值。永久荷载的唯一代表值。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。组合值组合值=c标准值标准值第第16页页/共共83页页第15页/共83页4.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 算裂缝变形时用算裂缝变形时用。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。）3.频遇值频遇值结构上时而出现的较大值结构

11、上时而出现的较大值,但小于标准但小于标准 值。计算裂缝变形时用。值。计算裂缝变形时用。频遇值频遇值=f 标准值标准值t/T0,结构处于可靠状态 Z=R-S=0,结构处于极限状态 Z=R-S0,结构处于失效状态SS1S2 R1 R2 R R=S（极限状态）（极限状态）SR(失效状态）失效状态）极限状态设计应满足下式要求：Z=g（X1,X2,Xn)0第第48页页/共共83页页第47页/共83页2.3.结构可靠度的计算1.结构的失效概率Pf概率密度概率密度概率密度函数与失效概率概率密度函数与失效概率fz(Z)zZ=R-S 或 Z=g（X1,X2,Xn)由于复杂。引入可靠指标来度量结构的可靠度。第第4

12、9页页/共共83页页第48页/共83页引入标准正态变量：得出可靠指标与失效概率的关系为：()ZfZsfP0mZZ2.结构的可靠指标（1）可靠指标第第50页页/共共83页页第49页/共83页()ZfZsfP0mZZ1.002.002.703.093.203.704.20Pf15.87*10-22.27*10-23.47*10-31.00*10-36.87*10-41.08*10-51.34*10-5 与与 Pf 的对应关系的对应关系第第51页页/共共83页页第50页/共83页（2）设计可靠指标（目标可靠指标）设计可靠指标是设计规范规定的作为设计依据的可靠指标，它代表了设计所预期达到的结构可靠度。

13、结构可靠最佳平衡点经济第第52页页/共共83页页第51页/共83页 确定一般需要考虑以下四个因素：公众心理 =2.5-4.0 对工程结构，在设计基准期内，p f 510-3 结构较安全 p f 510-4 结构安全 p f 510-5 结构很安全 结构重要性-结构的安全等级（一级、二级、三级）结构破坏性质-脆性结构的应高于延性结构的 延性破坏-结构构件在破坏前有明显的变形或其他预兆 脆性破坏-结构构件在破坏前无明显的变形或其他预兆 社会经济承受力 第第53页页/共共83页页第52页/共83页校准法通过结构可靠度分析理论对传统设计方法所具有的可靠度进行分析，确定目标可靠度。我国、加拿大、美国、欧

14、洲等一些国家也采用此法。破坏类型破坏类型安全等级安全等级一级一级二级二级三级三级延性破坏延性破坏3.73.73.23.22.72.7脆性破坏脆性破坏4.24.23.73.73.23.21）承载能力极限状态的可靠指标第第54页页/共共83页页第53页/共83页2）正常使用极限状态下的可靠指标 根据结构效应的可逆程度选取01.5。可逆程度较高的结构构件取较低值；可逆程度较低的结构构件取较高值。不可逆极限状态：产生超越状态的作用被移掉后，仍将永久保持超越状态的一种极限状态；可逆极限状态：产生超越状态的作用被移掉后，将不再保持超越状态的一种极限状态。第第55页页/共共83页页第54页/共83页直接概率

15、设计法：主要应用：1）根据规定的可靠度，校准分项系数模式中的分项系数；2）在特定情况下，直接设计某些重要的工程；3）对不同设计条件下的结构可靠度进行一致性对比。计算方法：一次二阶矩法有“中心点法”及“验算点法”。第第56页页/共共83页页第55页/共83页承载力极限状态设计表达式2.4极限状态设计表达式1.基本表达式第第57页页/共共83页页第56页/共83页2.荷载效应组合的设计值（1）由可变荷载效应控制的组合（2）由永久荷载控制的组合由永久荷载控制的组合简化式对于一般排架、框架结构，由可变荷载效应控制的组合式可采用的简化式；由永久荷载控制的组合仍采用上式。第第58页页/共共83页页第57页

16、/共83页3.荷载分项系数，荷载设计值（1）荷载分项系数：G永久荷载分项系数永久荷载永久荷载的分项系的分项系数数当其效应对结构不利时当其效应对结构不利时当其效应对结构有利时当其效应对结构有利时由可变荷载效由可变荷载效应控制的组合应控制的组合由永久荷载由永久荷载效应控制的效应控制的组合组合一般情况下一般情况下结构的倾覆结构的倾覆滑移或漂浮验算滑移或漂浮验算1.21.351.00.9可变荷载可变荷载的分项系的分项系数数一般情况下一般情况下对标准值大于对标准值大于4KN/m2的工业的工业房屋楼面结构的活荷载房屋楼面结构的活荷载1.41.3Q，Qi第1个和第i个可变荷载分项系数第第59页页/共共83页

17、页第58页/共83页（）荷载设计值ci第i个可变荷载组合值系数，对风荷载取0.6，对 其他可变荷载一般取0.7，个别取0.90.95。（）组合值系数简化表达式中的组合值系数，一般取0.9，只有一个可变荷载时取1.0。第第60页页/共共83页页第59页/共83页承载能力极限状态荷载效应组合应注意的3点问题：1.关于由永久荷载控制的组合：当考虑由永久荷载控制的组合，参与组合的荷载仅限于与永久荷载作用方向相同的可变荷载。2.关于起控制作用的可变荷载效应SQ1k：SQ1k不一定大于其他的SQik。3.基本组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况。第第61页页/共共83页页第60页/共83页混凝

18、土：混凝土：,钢筋：钢筋：,建筑工程中：建筑工程中：混凝土：混凝土：,钢筋：钢筋：,桥梁工程中：桥梁工程中：.材料分项系数，材料强度设计值第第62页页/共共83页页第61页/共83页式中：式中：混凝土的材料分项系数；建筑工程取混凝土的材料分项系数；建筑工程取1.4,公路桥涵工程取公路桥涵工程取1.45；钢筋的材料分项系数；建筑工程对热轧钢钢筋的材料分项系数；建筑工程对热轧钢 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。第第63页页/共共83

19、页页第62页/共83页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（1）标准组合：SdCSd变形、裂缝等荷载效应的设计值；C设计对变形、裂缝等规定的相应限值。主要用于当一个极限状态被超越时，结构构件将产生永久性损害的情况。第第64页页/共共83页页第63页/共83页（2）频遇组合：（3）准永久组合：主要用于当一个极限状态被超越时将产生局部损害、较大变形或短暂振动等情况。主要用于当长期效应是决定因素时的一些情况主要用于当长期效应是决定因素时的一些情况正常使用极限状态验算规定正常使用极限状态验算规定第第65页页/共共83页页第64页/共83页2.5公路桥涵工程结构设计方法一、基本规定表表2

20、-6 桥涵结构的设计安全等级桥涵结构的设计安全等级安全安全等级等级桥涵结构桥涵结构一级一级特大桥、重要大桥特大桥、重要大桥二级二级大桥、中侨、重要小大桥、中侨、重要小桥桥三级三级小桥、涵洞小桥、涵洞表2-7 桥梁结构的目标可靠指标一级一级二级二级三级三级 延性破坏延性破坏4.74.23.7 脆性破坏脆性破坏5.24.74.2结构安全等级破坏类型第第66页页/共共83页页第65页/共83页桥涵工程结构结构设计状况（1）持久状况：桥涵建成以后承受自重、车辆荷载等持续时间很长的状况。需进行承载力与正常使用极限状态设计；（2）短暂状况：桥涵施工过程中承受临时性荷载的状况。需进行承载力极限状态设计，必要

21、时进行正常使用极限状态设计；（3）偶然状况：在桥涵使用过程中会偶然出现的状况。如罕遇地震，在该状况下只进行承载力极限状态设计。第第67页页/共共83页页第66页/共83页二、极限状态设计表达式1.承载能力极限状态基本组合第第68页页/共共83页页第67页/共83页 桥梁结构的重要性系数，按公路桥涵的设计安全桥梁结构的重要性系数，按公路桥涵的设计安全 等级，一级、二级、三级分别为等级，一级、二级、三级分别为1.1、1.0、0.9；桥梁的抗震设计不考虑结构的重要性系数；桥梁的抗震设计不考虑结构的重要性系数；作用（或荷载）效应（其中汽车荷载应计如冲击作用（或荷载）效应（其中汽车荷载应计如冲击 系数）

22、的组合设计值，当进行预应力混凝土连续系数）的组合设计值，当进行预应力混凝土连续 梁等超静定结构的承载能力极限状态计算时，公梁等超静定结构的承载能力极限状态计算时，公 式式中的作用（或荷载）效应项应改为中的作用（或荷载）效应项应改为 ，其中，其中 为预应力（扣除全部预应力为预应力（扣除全部预应力 损失）引起的次效应；损失）引起的次效应；为预应力分项系数，当为预应力分项系数，当 预应力效应对结构有利时，取预应力效应对结构有利时，取 ；对结构；对结构 不利时，取不利时，取 ；基本组合第第69页页/共共83页页第68页/共83页偶然组合，按下列原则确定：（1）偶然作用取标准值作用，其分项系数取1.0；

23、（2）与偶然作用同时出现的可变作用，根据观测资料和工程经验取适当的代表值；（3）设计表达式及各系数的取值，可按公路工程有关规范的规定采用。第第70页页/共共83页页第69页/共83页2.正常使用极限状态（1）荷载短期效应组合（2）荷载长期效应组合：1i第i个可变作用的频遇值系数。2i第i个可变作用的准永久值系数。第第71页页/共共83页页第70页/共83页【例2-1】某厂房采用1.5m6m的大型屋面板，卷材防水屋面，永久荷载标准值为2.7KN/m2,屋面活荷载为0.7 KN/m2，屋面积灰荷载0.5 KN/m2，雪荷载为0.4 KN/m2，已知纵肋的计算跨度为5.87m。求：纵肋跨中弯矩的基本

24、组合设计值。屋面活荷载:可变荷载为：解：（1）荷载标准值第第72页页/共共83页页第71页/共83页（2）荷载效应设计值）荷载效应设计值 按照按照规范规范要求，屋面均布活荷载不应与雪荷载同时组要求，屋面均布活荷载不应与雪荷载同时组合。故采用以下几种组合方式进行荷载组合，并取其最大值最合。故采用以下几种组合方式进行荷载组合，并取其最大值最为设计值。为设计值。积灰荷积灰荷：雪荷载：雪荷载：第第73页页/共共83页页第72页/共83页 1）由永久荷载控制的组合）由永久荷载控制的组合由式（由式（625）可得纵肋跨中弯矩设计值为）可得纵肋跨中弯矩设计值为2）由可变荷载控制的组合，分别按屋面活荷载与积）由

25、可变荷载控制的组合，分别按屋面活荷载与积灰荷载作为第一可变荷载进行组合。灰荷载作为第一可变荷载进行组合。a.屋面活荷载作为第一可变荷载屋面活荷载作为第一可变荷载第第74页页/共共83页页第73页/共83页b.屋面积灰荷载作为第一可变荷载对比以上计算结果，由永久荷载控制的组合弯矩计算结对比以上计算结果，由永久荷载控制的组合弯矩计算结果最大，故将其作为荷载效应的设计值。果最大，故将其作为荷载效应的设计值。第第75页页/共共83页页第74页/共83页例例2-2 条件同例条件同例2-1，求：纵肋跨中弯矩的标准组合、频遇组，求：纵肋跨中弯矩的标准组合、频遇组合和准永久组合的弯矩设计值。屋面活荷载与雪荷载

26、的准永合和准永久组合的弯矩设计值。屋面活荷载与雪荷载的准永久值系数为久值系数为0，屋面积灰荷载的准永久值系数为屋面积灰荷载的准永久值系数为0.8解：（1）标准组合：第第76页页/共共83页页第75页/共83页（2）频遇组合）频遇组合第第77页页/共共83页页第76页/共83页（3）准永久组合）准永久组合第第78页页/共共83页页第77页/共83页例例2-3 某某8层办公楼，矩形平面，已求得底层中柱底部截面处层办公楼，矩形平面，已求得底层中柱底部截面处内力标准值见表，表中弯矩以顺时针方向为正，轴向力以拉内力标准值见表，表中弯矩以顺时针方向为正，轴向力以拉为正，反之为负。为正，反之为负。求：按承载

27、力极限状态确定的底层中柱底部截面处的组合弯求：按承载力极限状态确定的底层中柱底部截面处的组合弯矩、轴力设计值。矩、轴力设计值。工况工况内力内力竖向荷载竖向荷载风荷载风荷载恒载恒载活载活载左风左风右风右风MK/kNm20.33.3-90.790.7NK/kN-271.6-444.514.7-14.7第第79页页/共共83页页第78页/共83页 工况工况内力内力竖向荷载竖向荷载风荷载风荷载恒载恒载活载活载左风左风右风右风MK/kNM20.33.3-90.790.7NK/kN-271.6-444.514.7-14.7解：解：（1）永久荷载控制的组合（仅限于竖向荷载）：）永久荷载控制的组合（仅限于竖向

28、荷载）：第第80页页/共共83页页第79页/共83页（2）由可变荷载控制的组合）由可变荷载控制的组合风荷载作为第一可变荷载：风荷载作为第一可变荷载：工况工况内力内力竖向荷载竖向荷载风荷载风荷载恒载恒载活载活载左风左风右风右风MK/kNM20.33.3-90.790.7NK/kN-271.6-444.514.7-14.7第第81页页/共共83页页第80页/共83页活荷载作为第一可变荷载：工况工况内力内力竖向荷载竖向荷载风荷载风荷载恒载恒载活载活载左风左风右风右风MK/kNM20.33.3-90.790.7NK/kN-271.6-444.514.7-14.7第第82页页/共共83页页第81页/共83页本章总结结构上的作用、作用效应和结构抗力的概念及其随机特性。混凝土结构设计方法的理论基础：可靠度理论；我国规范的设计方法概率极限状态设计法;荷载和材料强度取值方法;第第83页页/共共83页页第82页/共83页感谢您的观看！第83页/共83页