1、第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法第2章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 The Design Approach 工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要保證安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理 由于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中存在多種不確定性 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法就是研究工程設(shè)計(jì)中的各種不確定性問題，取得安全可靠與經(jīng)濟(jì)合理之間的均衡第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法 allowable stress 安全系數(shù) K 是一個(gè)大于1.0的數(shù)值 K 越大，結(jié)構(gòu)安全度就越高，同時(shí)結(jié)構(gòu)材料用量也越多 為取得安全可靠與經(jīng)濟(jì)合理的均衡， 在綜合考慮各種不確定性因素影響后，可選取一個(gè)合適的安全系數(shù)。第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 材料力學(xué)中研究的是：單一材料、線彈性、簡單結(jié)構(gòu)實(shí)際工程結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比它復(fù)雜 如鋼筋混凝

2、土梁的受彎，從安全角度考慮，需要確定其極限受彎承載力； 而為控制正常使用階段的裂縫和撓度變形，需要確定帶裂縫工作階段的受力情況。 采用容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法，無法統(tǒng)一這兩方面的要求。第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 因此，首先根據(jù)工程結(jié)構(gòu)需要滿足實(shí)際使用的各種要求（結(jié)構(gòu)的功能），對安全可靠有更具體的科學(xué)定義 另一方面，需要盡可能詳細(xì)了解結(jié)構(gòu)在不同情況下（施工、使用、破壞）可能受到的各種外界影響的大小和變化情況 外界影響：各種荷載、溫度變化、沉降、收縮徐變、地震、侵蝕、凍融等 以及結(jié)構(gòu)尺寸、材料強(qiáng)度等的變異情況，以便科學(xué)合理的選定結(jié)構(gòu)可靠度。第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.1 結(jié)構(gòu)的功能結(jié)構(gòu)的功能 Functions o

3、f Structure 安全性 Safety 如（MMu） 結(jié)構(gòu)在預(yù)定的使用期間內(nèi)（一般為50年），應(yīng)能承受在正常施工、正常使用情況下可能出現(xiàn)的各種荷載、外加變形（如超靜定結(jié)構(gòu)的支座不均勻沉降）、約束變形（如溫度和收縮變形受到約束時(shí)）等的作用。 在偶然事件（如地震、爆炸）發(fā)生時(shí)和發(fā)生后，結(jié)構(gòu)應(yīng)能保持整體穩(wěn)定性，不應(yīng)發(fā)生倒塌或連續(xù)破壞而造成生命財(cái)產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失。第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.1 結(jié)構(gòu)的功能 適用性 Serviceability 如（f f ） 結(jié)構(gòu)在正常使用期間，具有良好的工作性能。如不發(fā)生影響正常使用的過大的變形（撓度、側(cè)移）、振動(dòng)（頻率、振幅），或產(chǎn)生讓使用者感到不安的過大的裂縫寬度

4、。 耐久性 Durability 如（wmax wmax） 結(jié)構(gòu)在正常使用和正常維護(hù)條件下，應(yīng)具有足夠的耐久性。即在各種因素的影響下（混凝土碳化、鋼筋銹蝕），結(jié)構(gòu)的承載力和剛度不應(yīng)隨時(shí)間有過大的降低，而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在其預(yù)定使用期間內(nèi)喪失安全性和適用性，降低使用壽命。第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.1 結(jié)構(gòu)的功能 2.1 結(jié)構(gòu)的可靠度 Reliability Degrees of Structures 可靠性安全性、適用性和耐久性的總稱 就是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期限內(nèi)（設(shè)計(jì)工作壽命=50年），在規(guī)定的條件下（正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用和維護(hù)），完成預(yù)定結(jié)構(gòu)功能的能力。 結(jié)構(gòu)可靠性越高，建設(shè)造價(jià)投資越大。 如

5、何在結(jié)構(gòu)可靠與經(jīng)濟(jì)之間取得均衡，就是設(shè)計(jì)方法要解決的問題。第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.1 結(jié)構(gòu)的功能 顯然這種可靠與經(jīng)濟(jì)的均衡受到多方面的影響，如國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力、設(shè)計(jì)工作壽命、維護(hù)和修復(fù)等。 規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)方法，是這種均衡的最低限度，也是國家法律。 設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)具體工程的重要程度、使用環(huán)境和情況，以及業(yè)主的要求，提高設(shè)計(jì)水準(zhǔn)，增加結(jié)構(gòu)的可靠度。 經(jīng)濟(jì)的概念不僅包括第一次建設(shè)費(fèi)用，還應(yīng)考慮維修，損失及修復(fù)的費(fèi)用第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.2 極限狀態(tài)2.2 極限狀態(tài) Limit State 結(jié)構(gòu)能夠滿足功能要求而良好地工作，則稱結(jié)構(gòu)是“可靠”的或“有效”的。反之，則結(jié)構(gòu)為“不可靠”或“失效”。 區(qū)分結(jié)

6、構(gòu)“可靠”與“失效”的臨界工作狀態(tài)稱為“極限狀態(tài)”結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一特定功能。第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法承載力能力極限狀態(tài) Ultimate Limit State超過該極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不能滿足預(yù)定的安全性功能要求 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載力（包括疲勞） 結(jié)構(gòu)整體或其中一部分作為剛體失去平衡（如傾覆、滑移） 結(jié)構(gòu)塑性變形過大而不適于繼續(xù)使用 結(jié)構(gòu)形成幾何可變體系（超靜定結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)足夠多塑性鉸） 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如細(xì)長受壓構(gòu)件的壓曲失穩(wěn)）2.2 極限狀態(tài)第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.2 極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài) Serviceability Limit State

7、超過該極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不能滿足預(yù)定的適用性和耐久性的功能要求。 過大的變形、側(cè)移（影響非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、不安全感、不能正常使用（吊車）等）； 過大的裂縫（鋼筋銹蝕、不安全感、漏水等）； 過大的振動(dòng)（不舒適）； 其他正常使用要求。第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.2 極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)功能的表達(dá)S R 失效結(jié)構(gòu)力學(xué)的主要內(nèi)容本課程的主要內(nèi)容第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.3 結(jié)構(gòu)中的不確定性2.3 荷載和材料強(qiáng)度 Loads and Material Strengths 荷載標(biāo)準(zhǔn)值的確定1 荷載統(tǒng)計(jì)特征：永久荷載G，可變荷載Q2 荷載標(biāo)準(zhǔn)值取值 規(guī)范實(shí)際取值：1 永久荷載：取實(shí)際材料容重的平均值2 可變荷載：對不同荷載性質(zhì)進(jìn)

8、行了調(diào)整第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.3 結(jié)構(gòu)中的不確定性2.3 荷載和材料強(qiáng)度 Loads and Material Strengths 荷載分項(xiàng)系數(shù)、荷載設(shè)計(jì)值荷載分項(xiàng)系數(shù)G, Q 確定原則： 給定的荷載標(biāo)準(zhǔn)值條件下，對各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件在各種常遇的荷載效應(yīng)比值和組合下，用不同的分項(xiàng)系數(shù)值，按極限設(shè)計(jì)方法計(jì)算所得的各種構(gòu)件的可靠度指標(biāo)，與規(guī)定的可靠指標(biāo)總體差異最小。荷載設(shè)計(jì)值： 荷載分項(xiàng)系數(shù)與荷載標(biāo)準(zhǔn)值的乘積稱荷載設(shè)計(jì)值。第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.3 結(jié)構(gòu)中的不確定性2.3 荷載和材料強(qiáng)度 Loads and Material Strengths 1 永久荷載分項(xiàng)系數(shù) 可變荷載控制時(shí)，取1.2 永久荷載

9、控制時(shí)，取 1.3 永久荷載對結(jié)構(gòu)有利時(shí)，取1.02 可變荷載分項(xiàng)系數(shù) 一般情況下，取1.4（由永久荷載控制時(shí)，取0.71.4） 當(dāng)活載標(biāo)準(zhǔn)值大于4kN/m2 時(shí)，取1.3荷載分項(xiàng)系數(shù)的取值：第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.3 結(jié)構(gòu)中的不確定性2.3 荷載和材料強(qiáng)度 Loads and Material Strengths 當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上同時(shí)作用幾個(gè)可變荷載時(shí)，各荷載同時(shí)達(dá)到最大的概率要小很多，采用組合系數(shù)的方式進(jìn)行調(diào)整。 荷載組合系數(shù)： 在實(shí)際框架計(jì)算中，一般可采用下式組合：恒載活載；恒載風(fēng)載；恒載0.9（活載風(fēng)載）第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.3 結(jié)構(gòu)中的不確定性2.3 荷載和材料強(qiáng)度 Loads an

10、d Material Strengths可變荷載的頻遇荷載和準(zhǔn)永久荷載第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.3 結(jié)構(gòu)中的不確定性荷載和材料強(qiáng)度 Loads and Material Strengths 材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的確定1 材料強(qiáng)度的變異性及統(tǒng)計(jì)特征2 材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 鋼筋2，保證率97.73%（國家鋼材質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)）混凝土1.6452 保證率95%第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.3 結(jié)構(gòu)中的不確定性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的不確定性 Undetermined Factors in Design 恒載 g與構(gòu)件尺寸、材料容重等有關(guān) 活載 q（樓面活載、雪荷載）的數(shù)值是隨時(shí)在變化的 計(jì)算跨度 l 的不準(zhǔn)確材料強(qiáng)度 fy 和 fc 的

11、離散截面尺寸h0和 b 的施工誤差應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系參數(shù) k1 和 k2不一定安全（可靠）第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 由于結(jié)構(gòu)工程中的不確定性，為取得安全可靠與經(jīng)濟(jì)合理的均衡，在設(shè)計(jì)中需要考慮這些不確定性的影響。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法就是處理這種安全可靠與經(jīng)濟(jì)合理的矛盾。第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 除要求對承載力極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)外，還包括的撓度和裂縫寬度（適用性）的極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)。 對于承載力極限狀態(tài)，針對荷載、材料的不同變異性，不再采用單一的安全系數(shù)，而采用的多系數(shù)表達(dá)， 材料強(qiáng)度 fck 和 fsk 是根據(jù)統(tǒng)計(jì)后按一定保證率取其下限分位值，反

12、映的材料強(qiáng)度的變異性。 荷載值 qik 也盡可能根據(jù)各種荷載的統(tǒng)計(jì)資料，按一定保證率取其上限分位值。 荷載系數(shù) kqi ，材料強(qiáng)度系數(shù) kc 和 ks 仍按經(jīng)驗(yàn)確定，但對于不同荷載的變異大小，可取不同的荷載系數(shù)。第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 由于實(shí)際結(jié)構(gòu)中的不確定性，因此無論如何設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，都會(huì)有失效的可能性存在，只是可能性大小不同而已。 為了科學(xué)定量的表示結(jié)構(gòu)可靠性的大小，采用概率方法是比較合理的。 失效概率越小，表示結(jié)構(gòu)可靠性越大。因此，可以用失效概率來定量表示結(jié)構(gòu)可靠性的大小。結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量稱為結(jié)構(gòu)可靠度reliability degree

13、。 當(dāng)失效概率Pf小于某個(gè)值時(shí)，人們因結(jié)構(gòu)失效的可能性很小而不再擔(dān)心，即可認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可靠的。該失效概率限值稱為容許失效概率Pf。失效概率probability of failurePf = P (S R)第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)功能函數(shù) Z = R - SPf =P (S R) =P(Z 0)b 可靠指標(biāo) reliability index第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 根據(jù)統(tǒng)計(jì)，觸電的年死亡率為610-6 b =3.7時(shí)，Pf=1.110-4，按設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年考慮，年失效概率為1.110-4/50=2.210-6 50年后并不是結(jié)構(gòu)就失效，而是失效概率增加

14、。同時(shí)，結(jié)構(gòu)失效也并不表示結(jié)構(gòu)倒塌，結(jié)構(gòu)倒塌也不一定造成人員傷亡。 我國對于一般工程結(jié)構(gòu)，當(dāng)為延性破壞時(shí)，其可靠指標(biāo)取b =3.2，對脆性破壞取b =3.7。 對于重要的工程結(jié)構(gòu)，應(yīng)提高可靠指標(biāo)。第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值Sk 作用效應(yīng)S的不確定性就主要取決于結(jié)構(gòu)上作用Q的不確定性永久荷載G可變荷載Q偶然荷載（作用） 不同的荷載，其變異情況不同。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可以確定一個(gè)具有一定保證率（如95%）的上限荷載分位值，該特征值稱為荷載標(biāo)準(zhǔn)值（符號Gk，Qik）。 按荷載標(biāo)準(zhǔn)值確定的荷載效應(yīng)，稱為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值Sk 有多個(gè)可變荷載同時(shí)作用的情況，考慮到它們同時(shí)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的可

15、能性較小，考慮荷載組合系數(shù)y，第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)抗力標(biāo)準(zhǔn)值Rkfck、fsk分別為混凝土和鋼筋的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，截面尺寸b、h0和配筋A(yù)s取設(shè)計(jì)值。Rk的具體表達(dá)形式是本課程的主要內(nèi)容。 f(S)SSk f(R)RRk第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法Sk f(S)，f (R)S，RRk實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式Sk f(S)，f (R)S，RRk第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式Sk f(S)，f (R)S，RRk第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)驗(yàn)算點(diǎn)S*=R*實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式Pf = PfS

16、k f(S)，f (R)S，RRk2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法作用效應(yīng)設(shè)計(jì)值，gS作用效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)結(jié)構(gòu)抗力設(shè)計(jì)值，gR結(jié)構(gòu)抗力分項(xiàng)系數(shù)第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法規(guī)范設(shè)計(jì)表達(dá)式g0 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)正常使用極限狀態(tài)，可靠度要求可適當(dāng)降低，所有分項(xiàng)系數(shù)取1.0第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值表4-6 混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2）混 凝 土 強(qiáng) 度 等 級強(qiáng)度種類符號C15C20C25C30C35C40軸心抗壓強(qiáng)度fc7.29.611.914.316.719.1軸心抗拉強(qiáng)度ft0.911.101.271.431.571.71混 凝 土 強(qiáng) 度 等 級C45C50C55C60C65C70C75C8021.223