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1、本章的主要内容本章的主要内容l钢筋混凝土结构设计理论的发展钢筋混凝土结构设计理论的发展l结构的功能要求、荷载效应与结构抗力结构的功能要求、荷载效应与结构抗力l极限状态设计的概念极限状态设计的概念l荷载代表值和材料强度标准值、作用分类、各种作用组合荷载代表值和材料强度标准值、作用分类、各种作用组合l水工混凝土结构设计规范水工混凝土结构设计规范的实用设计表达式的实用设计表达式 钢筋混凝土结构设计计算原理 2.1 钢筋混凝土结构设计理论的发展钢筋混凝土结构设计理论的发展一、结构设计的目的一、结构设计的目的 设计满足功能要求的结构设计满足功能要求的结构,也就是把外界作用对结也就是把外界作用对结构的效应
2、与结构本身的抵抗力来加以比较，以达到结构构的效应与结构本身的抵抗力来加以比较，以达到结构设计设计既安全又经济的目的。既安全又经济的目的。具体说具体说也就是确定结构的截面尺寸、配筋和满足也就是确定结构的截面尺寸、配筋和满足构造要求。构造要求。二、结构设计计算的理论和方法有：二、结构设计计算的理论和方法有：l容许应力法容许应力法l破损阶段设计法破损阶段设计法l多系数极限状态设计法多系数极限状态设计法l基于可靠性理论的概率极限状态法基于可靠性理论的概率极限状态法 安安全全系系数数材材料料强强度度cccckfsssskf钢筋混凝土构件钢筋混凝土构件：混凝土应力混凝土应力钢筋应力钢筋应力式中：式中：分别
3、为安全系数分别为安全系数sckk、u容许应力法容许应力法（1 1）容许应力法）容许应力法构件在外界作用下，某截面的最大应力构件在外界作用下，某截面的最大应力 达达到或超过材料的容许应力时，构件即失效（破坏），即要满足：到或超过材料的容许应力时，构件即失效（破坏），即要满足：c以钢筋混凝土构件为例：以钢筋混凝土构件为例：l 弹性假定：弹性假定：钢筋和混凝土均为弹性材料钢筋和混凝土均为弹性材料l 平截面假定平截面假定：变形：变形(弯曲弯曲)前后保持为平面前后保持为平面l 假定混凝土为不抗拉材料假定混凝土为不抗拉材料l 钢筋与同位置混凝土的应变相等钢筋与同位置混凝土的应变相等bxhsssAccbx2
4、sA钢筋混凝土构件容许应力计算简图钢筋混凝土构件容许应力计算简图cis（2）特点）特点1、安全系数、安全系数K是个大于是个大于1的数字的数字 K越大，结构的安全度就越高，同时材料的用量就越多越大，结构的安全度就越高，同时材料的用量就越多2、没有考虑结构功能的多样性要求、没有考虑结构功能的多样性要求 对于结构一方面要考虑承载能力，另一方面也许考虑其对于结构一方面要考虑承载能力，另一方面也许考虑其 正常使用时裂缝、变形。正常使用时裂缝、变形。3、安全系数的确定主要凭借经，缺乏严格科学依据、安全系数的确定主要凭借经，缺乏严格科学依据。（3）适用情况）适用情况 当结构是非杆件结构（如大体积坝体、空间薄
5、壳结当结构是非杆件结构（如大体积坝体、空间薄壳结构等）时，因规范没有给出明确的计算公式，则弹性力构等）时，因规范没有给出明确的计算公式，则弹性力学方法仍是较实用的分析方法。学方法仍是较实用的分析方法。u破损阶段设计法20世纪30年代（1 1）基本概念）基本概念 kkMMu破损阶段设计法破损阶段设计法：构件在外界作用下，某截面的内力达：构件在外界作用下，某截面的内力达到某极限内力时，构件即失效（破坏），以受弯构件为到某极限内力时，构件即失效（破坏），以受弯构件为例，其计算表达式为：例，其计算表达式为：uMM式中：式中：为截面中内力，为截面中内力，为截面所能承受的极限弯矩为截面所能承受的极限弯矩,
6、为安全系数为安全系数bxhsA0hssAf ccfbx2 钢筋混凝土构件破损阶段计算简图钢筋混凝土构件破损阶段计算简图以钢筋混凝土构件为例以钢筋混凝土构件为例l以构件破坏阶段为计算依据以构件破坏阶段为计算依据l不考虑混凝土的拉力不考虑混凝土的拉力l受压区混凝土应力分布为曲边形，计算时等效为矩形应力图受压区混凝土应力分布为曲边形，计算时等效为矩形应力图（2）特点）特点1、考虑了材料塑性和强度的充分发挥，极限荷载可以直接、考虑了材料塑性和强度的充分发挥，极限荷载可以直接 由试验验证，构件的总安全度较为明确由试验验证，构件的总安全度较为明确2、安全系数的确定依赖经验，且是一个定值、安全系数的确定依赖
7、经验，且是一个定值3、没有考虑结构功能的多样性要求、没有考虑结构功能的多样性要求 由于采用了极限平衡的理论，对荷载作用下结构的应力由于采用了极限平衡的理论，对荷载作用下结构的应力分布及位移变化，无法做出适当的预计。分布及位移变化，无法做出适当的预计。u多系数极限状态设计法多系数极限状态设计法一、基本概念一、基本概念1、构件的极限状态，不仅包括承载力的极限状态，而且、构件的极限状态，不仅包括承载力的极限状态，而且包括挠度（变形）及裂缝宽度的极限状态，这已经包含包括挠度（变形）及裂缝宽度的极限状态，这已经包含了了安全性安全性和和适用性适用性的一些概念的一些概念2、对于承载能力极限状态对于承载能力极
8、限状态，针对荷载、材料的不同变异，针对荷载、材料的不同变异性，不再采用单一系数，即性，不再采用单一系数，即多系数法多系数法。二、特点二、特点1、安全系数的选取已经从纯经验性到了部分采用概率统、安全系数的选取已经从纯经验性到了部分采用概率统计值计值2、设计方法的本质依然是一种半经验半概率的方法、设计方法的本质依然是一种半经验半概率的方法u基于可靠性理论的概率极限状态设计法基于可靠性理论的概率极限状态设计法 把影响结构可靠度的因素都作为随机变量，形成了以把影响结构可靠度的因素都作为随机变量，形成了以概率理论为基础的概率理论为基础的“概率极限状态设计法概率极限状态设计法”。它以失效概。它以失效概率或
9、可靠度指标来度量结构构件的可靠度，并采用以分项率或可靠度指标来度量结构构件的可靠度，并采用以分项系数表示的实用设计表达式进行设计。系数表示的实用设计表达式进行设计。一、结构的功能要求一、结构的功能要求l结构应能承受在正常施工和正常使用期间可能出现的各种荷载、结构应能承受在正常施工和正常使用期间可能出现的各种荷载、外加变形、约束变形等的作用，在偶然荷载作用下或偶然事件发外加变形、约束变形等的作用，在偶然荷载作用下或偶然事件发生时和发生后，结构仍能保持整体稳定性，不发生倒塌生时和发生后，结构仍能保持整体稳定性，不发生倒塌 安全性安全性l结构在正常使用条件下具有良好的工作性能结构在正常使用条件下具有
10、良好的工作性能适用性适用性l 结构在正常使用和正常维护条件下，在规定的时间内，具有足够结构在正常使用和正常维护条件下，在规定的时间内，具有足够的耐久性的耐久性耐久性耐久性 2.2 结构的功能要求、荷载效应与结构抗力结构的功能要求、荷载效应与结构抗力二、结构的可靠性和可靠度二、结构的可靠性和可靠度结构设计要保证其可靠性。结构设计要保证其可靠性。l可靠性可靠性安全性、适用性和耐久性的总称。在规定安全性、适用性和耐久性的总称。在规定时间内、规定的条件下，结构完成预定功能的能力。时间内、规定的条件下，结构完成预定功能的能力。l 结构可靠性越高，建设造价投资越大。结构可靠性越高，建设造价投资越大。l在结
11、构可靠与经济之间取得均衡，就是设计方法要解在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计方法要解决的问题。决的问题。结构的可靠度结构的可靠度结构设计要保证其可靠性。结构设计要保证其可靠性。l结构可靠度指在规定时间内、规定的条件下，结构完结构可靠度指在规定时间内、规定的条件下，结构完成预定功能的概率。成预定功能的概率。l规定时间指设计基准期规定时间指设计基准期T。l规定的条件指正常设计、正常施工和正常使用。规定的条件指正常设计、正常施工和正常使用。设计基准期设计基准期:指结构保证其设计可靠度指标的时间期限，即在基准期指结构保证其设计可靠度指标的时间期限，即在基准期内，结构的可靠度指标完全满足设计要求；在
12、超过设计基准内，结构的可靠度指标完全满足设计要求；在超过设计基准期后，并非意味着结构的失效，而是其可靠度有所降低，因期后，并非意味着结构的失效，而是其可靠度有所降低，因此基准期不能等同于建筑物的使用寿命。此基准期不能等同于建筑物的使用寿命。我国取用的设计基准期一般为我国取用的设计基准期一般为5050年，特殊建筑物可以除外。年，特殊建筑物可以除外。l结构抗力（结构抗力（R）结构构件承受内力和变形的能力。结构构件承受内力和变形的能力。指的是构件截面的承载力、构件的刚度、截面的抗裂指的是构件截面的承载力、构件的刚度、截面的抗裂度等，它是结构材料性能和几何参数等的函数。度等，它是结构材料性能和几何参数
13、等的函数。l作作 用用施加在结构上的集中力或分布力，或引施加在结构上的集中力或分布力，或引起结构外加变形或约束变形的原因，它分为直接作用和起结构外加变形或约束变形的原因，它分为直接作用和间接作用。间接作用。三三 结构抗力、作用（荷载）与荷载效应结构抗力、作用（荷载）与荷载效应两类作用两类作用间接作用间接作用直接作用直接作用施加在结构上的荷载，如结构自施加在结构上的荷载，如结构自重、楼面活荷载等重、楼面活荷载等。引起结构引起结构外加变形外加变形和和约束变形约束变形的原因的原因作作 用用约束变形约束变形结构材料发生结构材料发生收缩收缩或或膨胀膨胀等等变化，结构在变化，结构在支座或节点的支座或节点的
14、约束下间接产约束下间接产生的变形。生的变形。强迫结构产强迫结构产生生变形变形。基。基础的不均匀础的不均匀沉降，地震沉降，地震等。等。外加变形外加变形何为作用效应？何为作用效应？S=S(Q)荷载效应荷载效应 S 结构对所受作用的反应：结构或者构件的内力、变形等。结构对所受作用的反应：结构或者构件的内力、变形等。l可靠性荷载是决定荷载效应的主要因素。可靠性荷载是决定荷载效应的主要因素。l 荷载效应与荷载成正比。荷载效应与荷载成正比。l由于荷载的离散性，荷载效应是一个由于荷载的离散性，荷载效应是一个随机变量随机变量。荷载效应荷载效应 S PL/4P 弯矩图弯矩图 剪力图剪力图P/2PP/2P按时间的
15、变异按时间的变异按空间位置的变异按空间位置的变异按结构的反应按结构的反应固定荷载：结构自重、固定设备重等固定荷载：结构自重、固定设备重等移动荷载：楼面人群荷载等，应考虑最不利分布移动荷载：楼面人群荷载等，应考虑最不利分布 荷载分类荷载分类 永久荷载（概念）：结构自重等永久荷载（概念）：结构自重等 G，g 偶然荷载（概念）：地震、爆炸等偶然荷载（概念）：地震、爆炸等 A静态荷载：静态荷载：自重，楼面人群荷载等自重，楼面人群荷载等动态荷载：地震、机械设备震动等，应考虑动力效应动态荷载：地震、机械设备震动等，应考虑动力效应可变荷载（概念）：安装荷载、楼面活载等可变荷载（概念）：安装荷载、楼面活载等
16、Q,q结构抗力结构抗力R结构构件的抵抗荷载效应的能力。结构构件的抵抗荷载效应的能力。R=R(fc,fy,ak,)截面尺寸和材料强度是决定结构抗力的主要因素。截面尺寸和材料强度是决定结构抗力的主要因素。由于材料强度的离散性、构件几何特征的不定性和由于材料强度的离散性、构件几何特征的不定性和计算模式的不定性，结构抗力是一个计算模式的不定性，结构抗力是一个随机变量随机变量。2.3 概率极限状态设计的概念概率极限状态设计的概念一一 结构的极限状态结构的极限状态 1定义：定义：当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态而不能满当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态而不能满足设计规定的某一功能要求时，则此特定状态称为该结构足设计规定的某一功能要求时，则此特定状态称为该结构的极限状态。的极限状态。结构的极限状态也是结构处于可靠状态与失效状态的临结构的极限状态也是结构处于可靠状态与失效状态的临界状态。界状态。正常使用正常使用极限状态极限状态承载能力承载能力极限状态极限状态极限状态极限状态 2 2、极限状态的分类、极限状态的分类欧洲混凝土协会欧洲混凝土协会国际预应力混凝土协会国际预应力混凝土协会国际标准
