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1、混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理学习目标学习目标掌握极限状态的基本概念；掌握极限状态的基本概念；了解结构可靠度的基本原理；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。在混凝土结构设计中的应用。混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理教学提示教学提示首先应明确首先应明确建筑结构可靠度设计统一建筑结构可靠度设计统一 标准标准和和建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范是结构是结构 设计宜遵守的基本原则。设计宜遵守的基本原则。本章应重点介绍结构上的作用、对结构本章应重点介绍结构上的作用、对结构 的功能要求、设计基准期、两类极限状的功能要求、设计基
2、准期、两类极限状 态以及极限状态的实用设计表达式。态以及极限状态的实用设计表达式。第三章 混凝土结构基本设计原则 工程结构需要工程结构需要这只有这只有技术技术先进先进才能实现。才能实现。实际实际工工程结构中程结构中存在存在多种多种不确定性不确定性；工工程结构的程结构的基本设计原则基本设计原则就是就是研究研究各种各种不确定性不确定性问题，实现问题，实现可靠性可靠性与与经济性经济性的最佳平衡。的最佳平衡。一、作用的概念：一、作用的概念：使结构产生使结构产生内力内力或或变形变形的原因，分的原因，分直接作用直接作用和和 间接作用间接作用两种。两种。直接作用直接作用：是指施加在结构上的：是指施加在结构上
3、的集中力集中力或或分布力分布力，即即荷载荷载。间接作用间接作用：是指引起结构：是指引起结构外加变形外加变形或或约束变形约束变形的原的原 因（混凝土收缩、温度变化、基础差异因（混凝土收缩、温度变化、基础差异 沉降、地震等）。沉降、地震等）。第三章 混凝土结构基本设计原则 3.1极限状态和设计状况 在在结构使用期间，结构使用期间，其量值不随时间变化，或其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。变化与平均值相比可以忽略不计的作用。结构自重、土压力、预应力、地基沉降、焊接等。结构自重、土压力、预应力、地基沉降、焊接等。在在结构使用期间，结构使用期间，其量值随时间变化，且其变其量值随
4、时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。化与平均值相比不可忽略的作用。楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、汽车荷载汽车荷载、温度变化等。温度变化等。在在结构使用期间结构使用期间不一定出现，而一旦出现其量不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用。值很大且持续时间很短的作用。爆炸力、撞击力、罕遇的地震等。爆炸力、撞击力、罕遇的地震等。第三章 混凝土结构基本设计原则 3.1极限状态和设计状况 第三章 混凝土结构基本设计原则 是荷载的是荷载的基本代表值基本代表值，为设计基准期内，为设计基准期内最大荷载最大荷载概概率分布的某个分位值。率分布的某个
5、分位值。按按设计尺寸设计尺寸与与材料重力密度材料重力密度的的乘积计算。一般相当于设计基准期内乘积计算。一般相当于设计基准期内最大荷载最大荷载概率分布概率分布的的0.5分位值。分位值。为设计基准期内为设计基准期内最大荷载最大荷载概率分布的某个分位值。概率分布的某个分位值。，查荷载规范，查荷载规范GB50009。，查公路桥涵通用规范，查公路桥涵通用规范JTG D60。3.1极限状态和设计状况 3.1极限状态和设计状况 （包括（包括安全性安全性、适应性适应性和和耐久性耐久性）第三章 混凝土结构基本设计原则 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的建筑物重要的建筑
6、物二级二级严严 重重一般的建筑物一般的建筑物三级三级不严重不严重次要的建筑物次要的建筑物第三章 混凝土结构基本设计原则 安全等级安全等级破坏后果破坏后果桥梁类型桥梁类型一级一级很严重很严重特大及重要大桥特大及重要大桥二级二级严严 重重大、中桥及重要小桥大、中桥及重要小桥三级三级不严重不严重小桥、涵洞小桥、涵洞3.1极限状态和设计状况 第三章 混凝土结构基本设计原则 1 1、结构的设计使用年限、结构的设计使用年限是指设计规定的结构或结构构是指设计规定的结构或结构构件件不需进行大修不需进行大修即可按其即可按其预定目的预定目的使用的时期。使用的时期。2 2、结构的设计使用年限、结构的设计使用年限不同
7、于不同于实际寿命实际寿命和和设计基准期设计基准期。类别类别设计使用年设计使用年限（年）限（年）示例示例15临时性结构临时性结构225易于替换的结构构件易于替换的结构构件350普通房屋和构筑物普通房屋和构筑物4100纪念性建筑和特别重要的建筑物纪念性建筑和特别重要的建筑物 建筑结构设计使用年限分类建筑结构设计使用年限分类3.1极限状态和设计状况 3 3、设计基准期：、设计基准期：指为确定指为确定可变作用可变作用及及与时间有关的材与时间有关的材料性能料性能等取值而选用的等取值而选用的时间参数时间参数。建筑结构建筑结构的设计基准期为的设计基准期为50年。年。桥梁结构桥梁结构的设计基准期为的设计基准期
8、为100年。年。第三章 混凝土结构基本设计原则 3.1极限状态和设计状况 （包括（包括安全性安全性、适应性适应性和和耐久性耐久性）结构在结构在设计规定的使用年限设计规定的使用年限内，能承受在正常施工和内，能承受在正常施工和正常使用时可能出现的正常使用时可能出现的各种作用各种作用。在设计规定的。在设计规定的偶然事件偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。整体稳定性。第三章 混凝土结构基本设计原则 一般为一般为50年年。指荷载、外加变形和约束变形（如温度和收缩变形受指荷载、外加变形和约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）；到约束时）；如地震、爆炸、火灾、撞击
9、等；如地震、爆炸、火灾、撞击等；指建筑结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。指建筑结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。结构在设计规定的使用年限内，在结构在设计规定的使用年限内，在正常使用正常使用时具时具有有良好的工作性能良好的工作性能。指不发生影响正常使用的过大的变形、振指不发生影响正常使用的过大的变形、振动，或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度等。动，或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度等。第三章 混凝土结构基本设计原则 结构在设计规定的使用年限内，在结构在设计规定的使用年限内，在正常维护正常维护下具有下具有足够的足够的耐久性能耐久性能。指在各种因素（指在各种因素（混凝土碳化混凝土
10、碳化、钢筋锈蚀钢筋锈蚀等）的影等）的影响下，结构的响下，结构的承载力承载力和和刚度刚度不应随时间有过大的降低，而降低不应随时间有过大的降低，而降低使用寿命。使用寿命。3.1极限状态和设计状况 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（或有效）。反之，则结构为（或有效）。反之，则结构为不可靠不可靠（或失效）。（或失效）。区分结构区分结构“可靠可靠”与与“失效失效”的的临界工作状态临界工作状态称为称为“极限极限状态状态”第三章 混凝土结构基本设计原则 整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不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
11、计规定的某一功能要求，能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态为该功此特定状态为该功能的极限状态。能的极限状态。承载能力承载能力极限状态与极限状态与正常使用正常使用极限状态。极限状态。3.1极限状态和设计状况 承载能力极限状态对应于结构或结构构件承载能力极限状态对应于结构或结构构件达到最大达到最大承载力承载力或或不适于继续承载的变形不适于继续承载的变形。-安全性安全性。第三章 混凝土结构基本设计原则 整个结构或结构的一部分作为整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡刚体失去平衡。结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏）或因结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏）或因过度变形而
12、不适于继续承载。过度变形而不适于继续承载。结构转变为机动体系（超静定结构中出现足够多塑性铰）。结构转变为机动体系（超静定结构中出现足够多塑性铰）。结构或结构构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）结构或结构构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）。地基丧失承载能力而破坏。地基丧失承载能力而破坏。3.1极限状态和设计状况 影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或影响正常使用或耐久性能的局部损坏耐久性能的局部损坏（包括裂缝、钢筋（包括裂缝、钢筋锈蚀、漏水等）；锈蚀、漏水等）；影响正常使用的振动；影响正常使用的振动；影响正常使用的其他特定状态。影响正常使用的其他特定状态。第
13、三章 混凝土结构基本设计原则 正常使用极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用正常使用或或耐久性能耐久性能的的某项规定限值某项规定限值。对应于结构的。对应于结构的适应性适应性和耐久性和耐久性。3.1极限状态和设计状况 结构上的作用引起的效应（结构上的作用引起的效应（如弯矩、轴力、剪力、扭矩等）如弯矩、轴力、剪力、扭矩等）281qlM 如 结构抵抗作用效应的能力，如受弯承载力结构抵抗作用效应的能力，如受弯承载力Mu?uM如第三章 混凝土结构基本设计原则 因因S S和和R R都是都是随机变量随机变量，uMM 不一定绝对安全不一定绝对安全第三章 混凝土结构基本
14、设计原则 Z 0 可靠可靠 Z=0 极限状态极限状态Z S。但在但在重叠区重叠区（阴影段内）仍（阴影段内）仍有可能有可能出现出现RS是不可能的。是不可能的。第三章 混凝土结构基本设计原则 3.2 极限状态设计法第三章 混凝土结构基本设计原则 f(Z)zzPfZ=R-S dzZfZPfP00fZZP 可见，可见，Pf 越小，越小，越大越大3.2 极限状态设计法第三章 混凝土结构基本设计原则 值值 2.7 3.2 3.7 4.2 失效概率失效概率 Pf 3.4710-3 6.8710-4 1.0810-4 1.3310-5 当当Pf 小于某个值时，人们不再担心。该失效概率称小于某个值时，人们不再担
15、心。该失效概率称为为容许失效概率容许失效概率Pf。赛车赛车 飞机飞机 火车火车 雷击雷击公众心理分析公众心理分析：胆大：胆大10-3 谨慎谨慎10-4 不再考虑不再考虑10-5 失效概率：较安全失效概率：较安全510-3安全安全510-4很安全很安全510-53.2 极限状态设计法第三章 混凝土结构基本设计原则 破破 坏坏 类类 型型安安 全全 等等 级级一一 级级二二 级级三三 级级延延 性性 破破 坏坏3.73.22.7脆脆 性性 破破 坏坏4.23.73.2破破 坏坏 类类 型型安安 全全 等等 级级一一 级级二二 级级三三 级级延延 性性 破破 坏坏4.74.23.7脆脆 性性 破破
16、坏坏5.24.74.23.2 极限状态设计法3.3 实用设计表达式第三章 混凝土结构基本设计原则 f(S)SSk f(R)RRkSk f(S)，f(R)S，RRk第三章 混凝土结构基本设计原则 3.3 实用设计表达式Sk f(S)，f(R)S，RRk第三章 混凝土结构基本设计原则 3.3 实用设计表达式Sk f(S)，f(R)S，RRk第三章 混凝土结构基本设计原则 3.3 实用设计表达式SK0.1（3）准永久值）准永久值结构上结构上经常经常出现的出现的作用值作用值准永久值准永久值=准永久值系数准永久值系数标准值标准值 t/T=0.5（t为设计基准期内荷载为设计基准期内荷载达到和超过达到和超过该值的该值的总持续时总持续时间间，T为设计基准期。为设计基准期。）（1）组合值组合值当有当有两个两个或或两个以上两个以上可变荷载可变荷载同时作同时作 用用时的代表值时的代表值。组合值组合值=组合值系数组合值系数标准值标准值 第三章 混凝土结构基本设计原则 3.3 实用设计表达式第三章 混凝土结构基本设计原则 分分项项系系数数 荷荷载载规规范范 GB50009-2001 取取值值 对对结结构构不不利
