(5)--2 混凝土结构设计方法.ppt

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1、混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理第 2 章第第2章章混凝土结构的混凝土结构的设计基础设计基础混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理第 2 章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；掌握掌握结结构构极限状态设计方法。极限状态设计方法。2.1.1 结构的安全等级 房屋安全等级一级破坏后果很严重重要的房屋二级破坏后果严重一般的房屋三级破坏后果不严重次要房屋安全等级分类2024/1/1432.1 混凝土结构设计的几个概念安全等

2、级的选用要求同一建筑物内各种构件宜与整个结构采用相同的安同一建筑物内各种构件宜与整个结构采用相同的安全等级全等级升一级：额外费用少，减少破坏升一级：额外费用少，减少破坏降一级：该构件破坏不影响整个结构降一级：该构件破坏不影响整个结构或相邻构件或相邻构件安全等级在设计中体现结构重要性系数0 重要性系数取值安全等级一级：安全等级一级：0=1.1；安全等级二级：；安全等级二级：0=1.0；安；安全等级三级：全等级三级：0=0.9。2024/1/144结构设计基准期为确定可变作用等的取值而选用的时间参数建筑结构设计基准期50年50年一遇的风、雪荷载桥梁结构设计基准期100年100年一遇的风、雪、洪水港

3、口工程结构设计基准期50年2.1.2 结构设计基准期2024/1/145结构设计使用年限的定义设计规定的结构或结构构件不需要进行大修设计规定的结构或结构构件不需要进行大修即可按预期目的使用的年限即可按预期目的使用的年限建筑结构设计使用年限1类类5年年临时性结构临时性结构2类类25年年易于替换的结构构件易于替换的结构构件3类类50年年普通房屋和构筑物普通房屋和构筑物4类类100年年标志性建筑和特别重要的建标志性建筑和特别重要的建筑结构筑结构普通房屋，结构设计基准期和使用年限都是50年。2.1.3 结构设计使用年限 2024/1/146一类：室内干燥环境；室内干燥环境；无侵蚀性静水侵没环境。无侵蚀

4、性静水侵没环境。二类二二a：室内潮湿环境；：室内潮湿环境；非严寒和非寒冷地区的露天环境；非严寒和非寒冷地区的露天环境；非严寒和非寒冷地区与无侵蚀性的水或土壤非严寒和非寒冷地区与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境；直接接触的环境；严寒和寒冷地区的冰冻线以下与无侵蚀性的严寒和寒冷地区的冰冻线以下与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境。水或土壤直接接触的环境。2.1.4 混凝土结构的环境类别2024/1/147二二b：干湿交替环境；：干湿交替环境；水位频繁变动环境；水位频繁变动环境；严寒和寒冷地区露天环境；严寒和寒冷地区露天环境；严寒和寒冷地区冰冻线以上与无侵蚀性水或土严寒和寒冷地区冰冻线以上与无侵蚀性水

5、或土壤直接接触的环境。壤直接接触的环境。三类环境三三a：严寒和寒冷地区冬季水位变动区环境；：严寒和寒冷地区冬季水位变动区环境；受除冰盐影响环境受除冰盐影响环境海风环境海风环境三三b：盐渍土环境：盐渍土环境受除冰盐作用环境受除冰盐作用环境海岸环境海岸环境2024/1/148四类环境海水环境海水环境五类环境受人为或自然的侵蚀性物质影响的环境受人为或自然的侵蚀性物质影响的环境严寒地区：最冷月平均温度-10C，日平均温度5C的天数不少于145d的地区。寒冷地区：最冷月平均温度-10C、0，日平均温度5C的天数不少于90d且少于145d的地区。环境类别不同，钢筋的混凝土保护层厚度不同2024/1/149

6、2.2 建筑结构上作用与荷载作 用Action使结构产生效应（内力、变形、裂缝）的各种原因。直接施加于结构上的集中力或分布力直接作用荷 载引起结构外加变形或约束变形的原因间接作用 作用地基变形、混凝土收缩、焊接变形、温度变化、地震等作用作用包含荷载荷载是作用的一部分2.2.1 作用与荷载的概念及分类2024/1/1410一、永久作用（permanent action）定义在设计基准期内始终存在，其量值不随时间变化或其变在设计基准期内始终存在，其量值不随时间变化或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用，或其变化是单调化与平均值相比可以忽略不计的作用，或其变化是单调的并趋于某个限值的作用。的并趋于某

7、个限值的作用。类型 结构自重结构自重=恒载恒载土压力，土压力，预应力预应力混凝土收缩及徐变作用混凝土收缩及徐变作用水位不变时的水压力、浮力，基础水位不变时的水压力、浮力，基础变位作用变位作用统计参数与时间无关时间作用O2.2.1.1 按随时间的变异分类2024/1/1411二、可变作用（variable action）定义 在设计基准期内其量值随时间变化，且其变化与平均在设计基准期内其量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可以忽略不计的作用。值相比不可以忽略不计的作用。特点统计规律与时间参数有关统计规律与时间参数有关随机过程模型随机过程模型类型楼面、屋面活荷载、积灰荷载楼面、屋面活荷载、积灰荷

8、载风荷载、雪荷载、吊车荷载风荷载、雪荷载、吊车荷载汽车荷载、温度作用汽车荷载、温度作用水位变化时的水压力、浮力2024/1/1412三、偶然作用（accidental action）定义 在设计基准期内不一定出现，而一旦出现，其值很大在设计基准期内不一定出现，而一旦出现，其值很大且持续时间很短的作用。且持续时间很短的作用。特点设计基准期内可能不出现设计基准期内可能不出现一旦出现量值很大，持续时间很短一旦出现量值很大，持续时间很短类型爆炸力爆炸力撞击力撞击力地震作用地震作用 地震是间接作用=偶然作用 偶然荷载2024/1/14132.2.1.2 按空间位置的变异分类作 用固定作用自由作用空间位置

9、固定不变数量值是随机变量一定空间上任意分布位置和量值都具有随机性固定设备荷载屋顶水箱重力楼面上的自由荷载称为活荷载，活载2024/1/14142.2.1.3 按结构的反应特点分类作 用静态作用动态作用使结构产生的加速度可忽略不计使结构产生的加速度不可忽略不计动态作用需用结构动力学进行分析地震作用地震作用大型动力设备的作用大型动力设备的作用可按静态作用处理的动态作用（乘系数）吊车制动荷载吊车制动荷载预制构件的吊装搬运预制构件的吊装搬运风荷载、汽车冲击力风荷载、汽车冲击力2024/1/1415永久荷载对结构不利取上限平均值最大值（上限）最小值（下限）单位重量变异尺寸变异标准值Gk或gk为代表值一般

10、取平均值为标准值变异较大时对结构有利取下限2.2.2 建筑结构上的永久荷载单位体积自重(kN/m3)钢筋混凝土24.025.0水泥砂浆20.0石灰砂浆、混合砂浆17.0石膏砂浆12.0纸筋石灰泥16.016构件自重线荷载标准值gk=单位体积自重截面面积gk=单位面积自重荷载宽度构件自重面积荷载标准值单位面积自重=单位体积自重厚度构件自重合力标准值Gk=单位体积自重体积Gk=单位面积自重荷载面积Gk=单位长度自重长度2024/1/1417例2.1 楼面做法为：硬木地板，20mm厚水泥砂浆找平层，80mm厚钢筋混凝土现浇楼板，钢丝网抹灰吊顶（0.45kN/m2）。试求板的恒载标准值（面积荷载）。解

11、自重面积荷载标准值 =0.2+200.02+250.08+0.45 =3.05 kN/m2 2024/1/1418例2.2 矩形截面钢筋混凝土梁，宽b=300mm，高h=600mm，梁的底面和侧面用石膏砂浆抹灰、20mm厚，求梁自重线荷载标准值gk。解gk=250.30.6 +12(0.3+0.6 2+0.02 2)0.02 =4.5+0.37 =4.87 kN/m2024/1/14192.2.3 建筑结构上的可变荷载可变荷载与时间参数有关，随时在变化，属于随机过程可变荷载代表值可变荷载标准值可变荷载组合值可变荷载频遇值可变荷载准永久值2024/1/1420一、可变荷载标准值的取值要求可变荷载

12、标准值是可变荷载的基本代表值其他代表值均由标准值计算得到其他代表值均由标准值计算得到集中荷载集中荷载Qk、分布线荷载、分布线荷载qk设计基准期内最大荷载统计分布的特征值对于有足够资料的可变荷载，取最大荷载统计分布特对于有足够资料的可变荷载，取最大荷载统计分布特征值征值风、雪荷载，习惯上以平均重现期来定义标准值（风、雪荷载，习惯上以平均重现期来定义标准值（50年一遇、年一遇、100年一遇）年一遇）对于资料不充分的可变荷载，按工程经验定对于资料不充分的可变荷载，按工程经验定2.2.3.1 可变荷载标准值2024/1/1421二、常见可变荷载标准值楼面活荷载标准值（kN/m2）住宅、医院、办公楼、教

13、室住宅、医院、办公楼、教室2.0教室、浴室、卫生间、食堂教室、浴室、卫生间、食堂2.5礼堂、剧院、公共洗衣房礼堂、剧院、公共洗衣房3.0商店、展览厅、车站大厅商店、展览厅、车站大厅3.5健身房、舞台、舞厅健身房、舞台、舞厅4.0屋面活载标准值（kN/m2）不上人屋面：不上人屋面：0.5上人屋面：上人屋面：2.0屋顶花园：屋顶花园：3.0屋顶运动场：屋顶运动场：4.02024/1/1422雪荷载标准值按屋面水平投影面积计算单位面积上的雪荷载标准值（kN/m2）为基本雪压s0空旷地带最大积雪深度统计分析得到的50年一遇的最大雪压值基本雪压：北京0.40，南京0.65成都0.10，沈阳0.50屋面积

14、雪分布系数，与坡度有关。武汉0.30，上海0.10银川0.15，石家庄0.202024/1/1423风荷载标准值wk（kN/m2）垂直于建筑物表面迎面压力，背风面吸力基本风压w0空旷地带，离地10m，自记10min，年最大风速确定50年一遇最大风速，作为基本风速v0计算基本风压标准空气密度，自记式风速仪，取1.25kg/m3风压高度变化系数风荷载体型系数风振系数基本风压北京0.45，上海0.55深圳0.90，厦门0.80成都0.30，重庆0.40吐鲁番1.00，青岛0.602024/1/1424可变荷载组合值的定义组合后的荷载效应在设计基准期内的超越概率，能与该荷载单独出现时的相应概率趋于一致

15、的荷载。两种及其以上的可变荷载同时作用于结构上时，所有可变荷载都达到最大值的概率很小，除主导荷载取标准值外，其他伴随荷载只能取组合值为代表值。可变荷载组合值的取值可变荷载组合值可变荷载组合值=组合值系数组合值系数 c 标准值标准值2.2.3.2 可变荷载组合值2024/1/1425可变荷载频遇值的定义在设计基准期内，其超越的总时间为规定的较小比率，或超越概率为规定频率的荷载值。设计基准内，被超越的总时间为50年中的一小部分的荷载。可变荷载频遇值的取值可变荷载频遇值可变荷载频遇值=频遇值系数频遇值系数 f 标准值标准值2.2.3.3 可变荷载频遇值2024/1/1426可变荷载准永久值的定义在设

16、计基准期内，其超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值。经常可以达到或被超过的荷载，对结构的影响类似于永久荷载。可变荷载准永久值的取值可变荷载准永久值可变荷载准永久值=准永久值系数准永久值系数 q 标准值标准值2.2.3.4 可变荷载准永久值可变荷载组合值系数、频遇值系数和准永久值系数的取值见建筑结构荷载规范2024/1/14272.3 结构功能要求和极限状态结构功能要求安全性能够承受各种作用偶然事件发生保持整体稳定适用性良好的工作性能挠度不大裂缝不宽耐久性结构在规定的工作环境中、预定时期内，材料性能的劣化不致导致结构出现不可接受的失效概率发生火灾时，在规定时间内可保持足够承载力2.3.1 结构

17、功能要求发生爆炸时，整体稳固性2024/1/1428结构的可靠性在规定的时间内5年结构设计使用年限25年50年100年在规定条件下一切正常正常勘测设计正常施工正常使用正常维护结构完成预定功能的能力2024/1/1429保证结构可靠性的主要措施（1）避免、消除或减少结构可能受到的危害（2）采用对可能受到的危害反应不敏感的结构类型（3）采用当单个构件或结构的有限部分被移除或结构出现可接受的局部损坏时，结构的其他部分仍能保存的结构结构类型（4）不宜采用无破坏预兆的结构体系（5）使结构具有整体稳固性2024/1/14302.3.2 结构功能的极限状态极限状态整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能

18、满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。承载能力极限状态功能：安全性正常使用极限状态功能：适用性 耐久性2024/1/14312.3.2.1 承载能力极限状态承载能力极限状态的定义结构或结构构件达到最大承载能力结构或结构构件达到不适于继续承载的变形超过承载能力极限状态的情况结构构件或连接因超过材料强度而破坏，或因过度变形而不适于继续承载整个结构或其一部分作为刚体失去平衡结构转变为机动体系结构或构件丧失稳定性结构因局部破坏而发生连续倒塌地基丧失承载力而破坏结构或结构构件的疲劳破坏2024/1/14322.3.2.2 正常使用极限状态定义结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某

19、项某项规定限值规定限值。挠度限值，裂缝宽度限值，应力，自振频率，振幅等超过正常使用极限状态的情况影响正常使用或外观的变形变形影响正常使用或耐久性能的局部损害局部损害（包括裂缝）影响正常使用的振动振动影响正常使用的其他特定状态其他特定状态2024/1/1433结构的四种设计状况持久设计状况，适用于对结构使用时的正常情况短暂设计状况，适用于结构出现的临时情况，包括结构施工和维修时的情况偶然设计状况，适用于结构出现的异常情况，包括结构遭受火灾、爆炸、撞击时的情况地震设计状况，适用于结构遭受地震时的情况，在抗震设防地区必须考虑地震设计状况2.3.3 结构的设计状况2024/1/1434设计状况和极限状

20、态设计持久设计状况短暂设计状况偶然设计状况地震设计状况承载能力极限状态设计正常使用极限状态设计正常使用极限状态设计2024/1/14352.4 结构可靠度理论一、作用效应定义：由作用引起的结构或构件的反应由作用引起的结构或构件的反应S效应体现内力（轴力N、剪力V、弯矩M、扭矩T）变形（挠度、转角）混凝土结构的裂缝2.4.1 结构的极限状态方程作用具有随机性效应也具有随机性2024/1/1436二、结构的抗力定义：结构或结构构件承受作用效应 的能力，用R表示影响因素结构的几何参数（尺寸）材料性能 几何尺寸具有变异性、材料性能也具有变异性，所以抗力R具有随机性。2024/1/1437三、结构极限状

21、态方程结构的功能函数关于基本变量的函数表征一种极限状态Z=0 极限状态Z0可靠区Z00可靠状态可靠状态可靠状态可靠状态（R R S S）Z Z00失效状态失效状态失效状态失效状态（R R 4 kN/m2取1.3L 考虑结构设计使用年限的荷载调整系数 5年0.9，50年1.0，100年1.1m参与组合的永久荷载数n参与组合的可变荷载数 只有恒载和活载时2024/1/1446荷载设计值=分项系数 荷载代表值效应设计值=荷载设计值产生的效应 =分项系数荷载代表值产生的效应荷载效应组合可变荷载控制的组合（工程简称1.2 组合）持久设计状况和短暂设计状况采用基本组合只有恒载和活载时永久荷载控制的组合（永

22、久荷载控制的组合（永久荷载控制的组合（永久荷载控制的组合（工程简称工程简称工程简称工程简称1.351.35组合）组合）组合）组合）2024/1/1447例1 一住宅楼，采用简支空心楼板，板宽0.9m，计算跨度3.3m，包括板间灌缝在内的板自重产生的恒载标准值为1.62 kN/m2。采用25 mm厚水泥砂浆抹面，板底采用20mm厚纸筋石灰泥粉刷，楼面活载标准值2.0 kN/m2。设计使用年限50年，活载组合值系数0.7，试计算板跨中弯矩设计值。解：沿板长均布线荷载标准值25mm25mm厚水泥沙浆面层厚水泥沙浆面层厚水泥沙浆面层厚水泥沙浆面层kN/mkN/m板自重（含板缝）板自重（含板缝）板自重（

23、含板缝）板自重（含板缝）kN/mkN/m2024/1/1448荷载标准值产生的弯矩20mm20mm厚板底纸筋石灰泥粉刷厚板底纸筋石灰泥粉刷厚板底纸筋石灰泥粉刷厚板底纸筋石灰泥粉刷kN/mkN/m恒载标准值：恒载标准值：恒载标准值：恒载标准值：kN/mkN/m活载标准值：活载标准值：活载标准值：活载标准值：kN/mkN/mkN.mkN.mkN.mkN.m2024/1/1449弯矩设计值只有一个可变荷载：活荷载只有一个可变荷载：活荷载只有一个可变荷载：活荷载只有一个可变荷载：活荷载1.21.2组合组合组合组合kN.mkN.m1.351.35组合组合组合组合kN.mkN.m最后结果最后结果最后结果最

24、后结果MM=7.02kN.m=7.02kN.m2024/1/1450另一解法：荷载设计值=分项系数 荷载代表值效应设计值=荷载设计值产生的效应取0(g+q)=5.16 kN/m楼板设计计算的常用方法！2024/1/1451例2 钢筋混凝土矩形截面简支梁，安全等级为一级，设计使用年限50年。计算跨度9m，净跨度8.6m，梁上作用有恒载标准值17.6kN/m，活载标准值8.4kN/m（组合值系数0.7），试按荷载效应基本组合计算该梁跨中弯矩设计值和支座剪力设计值。解法一：（1）跨中弯矩设计值2024/1/1452跨中弯矩设计值应取：M=366.20kN.m1.2组合1.35组合2024/1/145

25、3（2）支座剪力设计值1.2组合2024/1/1454支座剪力设计值应取：V=155.52 kN1.35组合2024/1/1455荷载设计值应取：0(g+q)=36.168 kN/m1.2组合解法二：（1）荷载设计值1.35组合2024/1/1456（2）内力设计值很明显，解法二更简单！2024/1/1457例例-3在恒载、活载和风荷载标准值的作在恒载、活载和风荷载标准值的作用下，某框架柱底截面的弯矩值分别为用下，某框架柱底截面的弯矩值分别为29.6KNm、5.42KNm和和6.85KNm，已，已知活荷载组合值系数为知活荷载组合值系数为0.7，风荷载组合，风荷载组合值系数为值系数为0.6，结构

26、安全等级为一级，设，结构安全等级为一级，设计使用年限计使用年限50年，试求柱底截面弯矩设年，试求柱底截面弯矩设计值（最大值）。计值（最大值）。1.2组合公式：风荷载为第一可变荷载（主导可变荷载），活荷载为第2可变荷载，所以1.35组合公式中，可变荷载不分主导和伴随，都用组合值参与组合。组合公式为：即所以柱底截面的弯矩设计值为：一、实用表达式一、实用表达式公式：Sd C 正常使用规定的限值，|挠度、裂缝宽度|_ 挠度、裂缝宽度等荷载效应的设计值考虑：短期作用（标准组合、频遇组合）长期作用（准永久组合）本质：荷载代表值产生的效应2.5.2 正常使用极限状态验算2024/1/1461二、荷载效应组合设计值二、荷载效应组合设计值标准组合v频遇组合频遇组合v准永久组合准永久组合2024/1/1462