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1、第第3章章 混凝土结构设计的基本原则混凝土结构设计的基本原则1.1第第3章章 混凝土结构设计的基本原则混凝土结构设计的基本原则 第第3章章 混凝土结构设计的基本原则混凝土结构设计的基本原则1.2 教学提示：教学提示：建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准(GB 50068(GB 500682001)2001)和和建筑结构荷载规建筑结构荷载规范范(GB 50009(GB 500092001)2001)是混凝土结构设计宜遵守的基本原则。本章结合是混凝土结构设计宜遵守的基本原则。本章结合混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范(GB 50010(GB 500102002)2002)，介绍了
2、结构极限状态的基，介绍了结构极限状态的基本概念、近似概率的极限状态设计法及其极限状态实用设计表达式。本概念、近似概率的极限状态设计法及其极限状态实用设计表达式。教学要求：教学要求：本章要求学生掌握工程结构极限状态的基本概念，包括结构的作用、对结本章要求学生掌握工程结构极限状态的基本概念，包括结构的作用、对结构的功能要求、设计基准期、两类极限状态等；了解结构可靠度的基本构的功能要求、设计基准期、两类极限状态等；了解结构可靠度的基本原理；熟悉近似概率极限状态设计法在混凝土结构设计中的应用。原理；熟悉近似概率极限状态设计法在混凝土结构设计中的应用。第第3章章 混凝土结构设计的基本原则混凝土结构设计的
3、基本原则1.3 3.1 3.1 结构的功能要求和极限状态结构的功能要求和极限状态 3.2 3.2 概率极限状态设计方法概率极限状态设计方法 3.3 3.3 荷载的代表值荷载的代表值 3.4 3.4 材料强度的标准值和设计值材料强度的标准值和设计值 3.5 3.5 概率极限状态实用设计表达式概率极限状态实用设计表达式 3.6 3.6 思思 考考 题题 习习 题题本章内容本章内容 第第3章章 混凝土结构设计的基本原则混凝土结构设计的基本原则1.43.1.1 结构上的作用与作用效应结构上的作用与作用效应结构上的结构上的作用作用是指施加在结构或构件上的力，以及引起结构外加变是指施加在结构或构件上的力，
4、以及引起结构外加变形或约束变形的原因。结构上的作用分为形或约束变形的原因。结构上的作用分为直接作用和间接作用直接作用和间接作用两种。两种。直接作用是指施加在结构上的荷载，如恒荷载、活荷载、风荷载和直接作用是指施加在结构上的荷载，如恒荷载、活荷载、风荷载和雪荷载等。雪荷载等。间接作用是指引起结构外加变形和约束变形的其他作用，如地基不间接作用是指引起结构外加变形和约束变形的其他作用，如地基不均匀沉降、温度变化、混凝土收缩、焊接变形等。均匀沉降、温度变化、混凝土收缩、焊接变形等。3.1 结构的功能要求和极限状态结构的功能要求和极限状态第第3章章 混凝土结构设计的基本原则混凝土结构设计的基本原则1.5
5、1.按随时间的变异分类按随时间的变异分类永久作用：永久作用：是指在设计基准期内其量值不随时间变化，或其变化与平均是指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略不计的作用，如结构自重、土压力、预加应力等。值相比可以忽略不计的作用，如结构自重、土压力、预加应力等。可变作用：可变作用：是指在设计基准期内其量值随时间变化，且其变化与平均值是指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忽略的作用，如安装荷载、楼面活荷载、风荷载、雪荷载、相比不可忽略的作用，如安装荷载、楼面活荷载、风荷载、雪荷载、吊车荷载和温度变化等。吊车荷载和温度变化等。偶然作用：偶然作用：是指在设计基
6、准期内不一定出现，而一旦出现其量很大且持是指在设计基准期内不一定出现，而一旦出现其量很大且持续时间很短，如地震、爆炸、撞击等。续时间很短，如地震、爆炸、撞击等。3.1 结构的功能要求和极限状态结构的功能要求和极限状态第第3章章 混凝土结构设计的基本原则混凝土结构设计的基本原则1.62.2.按空间位置的变异分类按空间位置的变异分类固定作用：固定作用：是指在结构上具有固定分布的作用，如工业与民用建筑楼是指在结构上具有固定分布的作用，如工业与民用建筑楼面上的固定设备荷载、结构构件自重等。面上的固定设备荷载、结构构件自重等。自由作用：自由作用：是指在结构上一定范围内可以任意分布的作用，如工业与是指在结
7、构上一定范围内可以任意分布的作用，如工业与民用建筑楼面上的人员荷载、吊车荷载等。民用建筑楼面上的人员荷载、吊车荷载等。3.1 结构的功能要求和极限状态结构的功能要求和极限状态第第3章章 混凝土结构设计的基本原则混凝土结构设计的基本原则1.73.按结构的反应特点分类按结构的反应特点分类静态作用：静态作用：是指使结构产生的加速度可以忽略不计的作用，如结构是指使结构产生的加速度可以忽略不计的作用，如结构自重、住宅和办公楼的楼面活荷载等。自重、住宅和办公楼的楼面活荷载等。动态作用：动态作用：是指使结构产生的加速度不可忽略不计的作用，如地震、是指使结构产生的加速度不可忽略不计的作用，如地震、吊车荷载、设
8、备振动等。吊车荷载、设备振动等。作用效应作用效应S S：是指由结构上的作用引起的结构或构件的内力是指由结构上的作用引起的结构或构件的内力(如轴力、如轴力、剪力、弯矩、扭矩等剪力、弯矩、扭矩等)和变形和变形(如挠度、侧移、裂缝等如挠度、侧移、裂缝等)。当作用为集。当作用为集中力或分布力时，其效应可称为荷载效应。中力或分布力时，其效应可称为荷载效应。3.1 结构的功能要求和极限状态结构的功能要求和极限状态第第3章章 混凝土结构设计的基本原则混凝土结构设计的基本原则1.8由于结构上的作用是不确定的随机变量，所以作用效应由于结构上的作用是不确定的随机变量，所以作用效应S一般说来也是一个随机一般说来也是
9、一个随机变量。以下主要讨论荷载效应，荷载变量。以下主要讨论荷载效应，荷载 与荷载效应与荷载效应S之间，可以近似地按线之间，可以近似地按线性关系考虑，即：性关系考虑，即：(3-1)式中，常数式中，常数C为荷载效应系数。例如，简支梁为荷载效应系数。例如，简支梁在均布荷载在均布荷载 作用作用下，跨中最大弯矩为下，跨中最大弯矩为 ，M就是荷载效应，就是荷载效应，就是荷载效应系数，就是荷载效应系数，为梁的计算跨度。为梁的计算跨度。由于荷载是随机变量，根据式由于荷载是随机变量，根据式(3-1)可知，可知，荷载效应也应为随机变量荷载效应也应为随机变量。QSCQq218Mql218ll3.1 结构的功能要求和
10、极限状态结构的功能要求和极限状态第第3章章 混凝土结构设计的基本原则混凝土结构设计的基本原则1.9结构抗力结构抗力 :是指结构或构件承受作用效应的能力，如构件的承载力、是指结构或构件承受作用效应的能力，如构件的承载力、刚度、抗裂度等。刚度、抗裂度等。影响结构抗力的主要因素影响结构抗力的主要因素:材料性能材料性能(承载力、变形模量等物理力学性能承载力、变形模量等物理力学性能)、几何参数以及计算模式的精确性等。几何参数以及计算模式的精确性等。考虑到材料性能的变异性、几何参数及计算模式精确性的不确定性，所考虑到材料性能的变异性、几何参数及计算模式精确性的不确定性，所以以结构抗力也是随机变量。结构抗力
11、也是随机变量。R3.1 结构的功能要求和极限状态结构的功能要求和极限状态第第3章章 混凝土结构设计的基本原则混凝土结构设计的基本原则1.103.1.2 3.1.2 结构的功能要求结构的功能要求工程结构设计的基本目的是：在一定的经济条件下，结构在预定的使用期限内满工程结构设计的基本目的是：在一定的经济条件下，结构在预定的使用期限内满足设计所预期的各项功能。结构的功能要求包括：足设计所预期的各项功能。结构的功能要求包括：安全性。安全性。结构在预定的使用期间内结构在预定的使用期间内(一般为一般为5050年年)，应能承受在正常施工、正，应能承受在正常施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载、外加变形常使
12、用情况下可能出现的各种荷载、外加变形(如超静定结构的支座不均匀如超静定结构的支座不均匀沉降时沉降时)、约束变形、约束变形(如温度和收缩变形受到约束时如温度和收缩变形受到约束时)等的作用。等的作用。在偶然事件在偶然事件(如地震、爆炸如地震、爆炸)发生时和发生后，结构应能保持整体稳定性，发生时和发生后，结构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。适用性。适用性。结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。如不发生影响正常使结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。如不发生影响正常使用的过大的变形用的过大的变形(挠度、侧移挠度、侧
13、移)、振动、振动(频率、振幅频率、振幅)，或产生让使用者感到，或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度等。不安的过大的裂缝宽度等。耐久性。耐久性。结构在正常使用和正常维护的条件下，应具有足够的耐久性，即在结构在正常使用和正常维护的条件下，应具有足够的耐久性，即在各种因素的影响下各种因素的影响下(混凝土碳化、钢筋锈蚀混凝土碳化、钢筋锈蚀)，结构的承载力和刚度不应随，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，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，降低使用寿命。降低使用寿命。3.1 结构的功能要求和极限状态结构的功能要求和极限
14、状态第第3章章 混凝土结构设计的基本原则混凝土结构设计的基本原则1.11 3.1.3 3.1.3 设计基准期设计基准期 设计基准期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，它是结构可靠度分析的一个时间坐标。设计使用年限为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，它是房屋建筑的地基基础工程和主体结构工程“合理使用年限”的具体化。设计基准期可参考结构设计使用年限的要求适当选定，但不能将设计基准期简单地理解为结构的使用寿命，两者是有联系的，然而又不完全等同。结构的使用年限超过设计基准期时，表明其失效概率可能会增大，不能保证其承载力极限状态的可靠指标，但不等于结
15、构丧失所要求的功能甚至破坏。3.1 结构的功能要求和极限状态结构的功能要求和极限状态第第3章章 混凝土结构设计的基本原则混凝土结构设计的基本原则1.12 3.1.3 3.1.3 设计基准期设计基准期 一般来说，使用寿命长，设计基准期可以长一些；使用寿命短，设计基准期可以短一些。通常设计基准期应该小于寿命期，而不应该大于寿命期。结构可靠度与结构的使用年限有关。这是因为设计中所考虑的基本变量，如荷载(尤其是可变荷载)和材料性能等大多是随时间变化的，因此，计算结构可靠度时，必须确定结构的使用期，即设计基准期。我国对普通房屋和建筑物取用的设计基准期为50年。3.1 结构的功能要求和极限状态结构的功能要
16、求和极限状态第第3章章 混凝土结构设计的基本原则混凝土结构设计的基本原则1.133.1.4 3.1.4 结构的极限状态结构的极限状态1.结构极限状态的概念结构极限状态的概念结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构为结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构为“可靠可靠”或或“有效有效”。反之，。反之，则结构为则结构为“不可靠不可靠”或或“失效失效”。区分结构。区分结构“可靠可靠”与与“失效失效”的临界工作状态的临界工作状态称为称为“极限状态极限状态”，即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，即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规定的某一功能要求，此特定状态即为该功能的极限状态。举例见下表计规定的某一功能要求，此特定状态即为该功能的极限状态。举例见下表。结构的功能结构的功能可可 靠靠极限状态极限状态失失 效效安全性安全性受弯承载力受弯承载力M Mu适用性适用性挠度变形挠度变形f f耐久性耐久性裂缝宽度裂缝宽度wmax wmax表表3-1 钢筋混凝土简支梁的可靠、失效和极限状态概念钢筋混凝土简支梁的可靠、失效和极限状态概念3.1 结构的功能要求和极限状态结
