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1、第二章第二章 钢筋砼结构设计计算基本原则钢筋砼结构设计计算基本原则 本章内容：本章内容：结构的功能要求，极限状态的意结构的功能要求，极限状态的意义。荷载及材料强度的标准值、义。荷载及材料强度的标准值、设计值及分项系数的意义。设计值及分项系数的意义。学习重点：学习重点：结构极限状态的概念；实用设计结构极限状态的概念；实用设计表达式中各系数的含义；荷载、表达式中各系数的含义；荷载、材料强度与分项系数的取值。材料强度与分项系数的取值。本章提要本章提要本章重点本章重点 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
2、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；掌握掌握我国规范的设计方法我国规范的设计方法概率极限状概率极限状态设计法。态设计法。v结构设计的目的结构设计的目的是要科学地解决结构物的可靠度是要科学地解决结构物的可靠度与经济的矛盾，力求以最经济的途径，使所建造与经济的矛盾，力求以最经济的途径，使所建造的结构的可靠度满足各项的结构的可靠度满足各项预定功能预定功能的要求。的要求。v结构设计要保证其结构设计要保证其可靠性可靠性。v可靠性可靠性安全性安全性、适用性适用性和和耐久性耐久性的总称。的总称。v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。第一节第一节
3、结构设计的极限状态结构设计的极限状态结构的功能要求结构的功能要求第一节第一节 结构设计的极限状态结构设计的极限状态第一节第一节 结构设计的极限状态结构设计的极限状态一结构的极限状态的定义一结构的极限状态的定义 结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设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，此特定状态称为该功能的极限状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。一旦超过这种状态，结构就进入失效状态。态。一旦超过这种状态，结构就进入失效状态。二结构极限状态的分类二结构极限状态的分类 根据功能要求，国际上通常把极限状态分为两大类：根据功能要求，国际上通常把
4、极限状态分为两大类：承载能力极限状态：承载能力极限状态：超过这一极限状态时结构将发生超过这一极限状态时结构将发生破坏、倒塌或失稳等现象。破坏、倒塌或失稳等现象。正常使用极限状态：正常使用极限状态：超过这一极限状态时结构将出现超过这一极限状态时结构将出现过大的变形，开裂或过宽的裂缝，钢筋严重锈蚀，混凝土过大的变形，开裂或过宽的裂缝，钢筋严重锈蚀，混凝土腐蚀、风化、剥落等现象。腐蚀、风化、剥落等现象。第一节第一节 结构设计的极限状态结构设计的极限状态（一）承载能力极限状态（一）承载能力极限状态 超过该极限状态，结构就不能满足预定的超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性安全性要求。要求。v结构或
5、结构的一部分丧失结构稳定；结构或结构的一部分丧失结构稳定；（如细长受压构件的压曲（如细长受压构件的压曲失稳）失稳）v结构形成机动体系而丧失承载能力；结构形成机动体系而丧失承载能力；（超静定结构中出现足够（超静定结构中出现足够多塑性铰多塑性铰)v结构发生滑移、上浮或倾覆等不稳定情况；结构发生滑移、上浮或倾覆等不稳定情况；v构件的截面因强度不足而发生破坏；构件的截面因强度不足而发生破坏；（包括疲劳破坏）（包括疲劳破坏）v结构或构件产生过大的塑性变形而不适于继续承载。结构或构件产生过大的塑性变形而不适于继续承载。二、结构的极限状态的分类二、结构的极限状态的分类（一）承载能力极限状态（一）承载能力极限
6、状态 承载能力极限状态时关于安全性功能要求的，所以满承载能力极限状态时关于安全性功能要求的，所以满足承载能力极限状态的要求，是结构设计的首要任务，因足承载能力极限状态的要求，是结构设计的首要任务，因为这关系到结构能否安全的问题，一旦失效，后果严重，为这关系到结构能否安全的问题，一旦失效，后果严重，所以应具有较高的可靠度水平。所以应具有较高的可靠度水平。规范规定，所有结构构件均应进行承载力计算，必要规范规定，所有结构构件均应进行承载力计算，必要时尚应进行结构的抗倾、抗滑、抗浮验算；对需要抗震设时尚应进行结构的抗倾、抗滑、抗浮验算；对需要抗震设防的结构，尚应进行结构的抗震承载力计算。防的结构，尚应
7、进行结构的抗震承载力计算。二、二、结构的极限状态的分类结构的极限状态的分类 （二）正常使用极限状态（二）正常使用极限状态 超过该极限状态，结构就不满足预定的超过该极限状态，结构就不满足预定的适用性适用性和和耐久性耐久性要求。要求。v产生过大的变形，影响正常使用和外观；产生过大的变形，影响正常使用和外观；v（不安全感、不能正常使用等）（不安全感、不能正常使用等）v产生过宽的裂缝，对耐久性有影响或者产生人们心理上不能接产生过宽的裂缝，对耐久性有影响或者产生人们心理上不能接受的感觉；受的感觉；（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）v产生过大的振动影响使用。产生过大的振动影响使用
8、。结构设计首先要满足承载能力的要求，以保证结构安全使用；然结构设计首先要满足承载能力的要求，以保证结构安全使用；然后按正常使用极限状态进行校核，以保结构的适用性及耐久性。后按正常使用极限状态进行校核，以保结构的适用性及耐久性。二、结构的极限状态的分类二、结构的极限状态的分类 正常使用极限状态时关于适用性和耐久性功能要求的，正常使用极限状态时关于适用性和耐久性功能要求的，当结构或构件达到正常使用极限状态时，虽然会影响结当结构或构件达到正常使用极限状态时，虽然会影响结构的使用形、耐久性或使人们的心理感觉无法承受，但构的使用形、耐久性或使人们的心理感觉无法承受，但一般不会造成生命财产的重大损失，所以
9、正常使用极限一般不会造成生命财产的重大损失，所以正常使用极限状态设计的可靠度水平允许比承载能力极限状态的可靠状态设计的可靠度水平允许比承载能力极限状态的可靠度适当降低。度适当降低。规范规定，规范规定，对使用上需控制变形值的结构构件，应进对使用上需控制变形值的结构构件，应进行变形验算；对使用上要求进行裂缝控制的结构构件，行变形验算；对使用上要求进行裂缝控制的结构构件，应进行抗裂或裂缝宽度的验算。应进行抗裂或裂缝宽度的验算。结构设计一般先按承载能力极限状态设计结构构件，结构设计一般先按承载能力极限状态设计结构构件，后按正常使用极限状态进行验算。后按正常使用极限状态进行验算。二、二、结构的极限状态的
10、分类结构的极限状态的分类结构功能的表达结构功能的表达SR失效失效第二节第二节 结构按概率极限状态设计的基本概念结构按概率极限状态设计的基本概念钢筋砼结构设计采用钢筋砼结构设计采用以以概率理论概率理论为基础的极限状态设计法。为基础的极限状态设计法。设计时主要考虑的两个变量：设计时主要考虑的两个变量：fts sc=ft b h l钢筋砼梁s sc=ft ft s ss s sc As fy fcPPlM41)2(0 xhAfMsyu S=S(Q)PlMS41)2(0 xhAfMRsyuR=R(fc,fy,ak,)v截面尺寸和截面尺寸和材料强度材料强度是决定是决定结构抗力结构抗力的主要因素。的主要因
11、素。v由于材料强度的离散性、构件几何特征的不定性和计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，结构抗力是一个算模式的不定性，结构抗力是一个随机变量随机变量v荷载荷载是决定是决定荷载效应荷载效应的主要因素。的主要因素。v荷载效应与荷载成正比。荷载效应与荷载成正比。v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 S、R为随机变量，可用统计参数描述：为随机变量，可用统计参数描述：概型（服从何种概率分布）概型（服从何种概率分布）平均值（随机变量代表值）平均值（随机变量代表值）均方差（随机变量离散性）均方差（随机变量离散性）由于由于S、R的不确定
12、性，无论如何设计结构，都有的不确定性，无论如何设计结构，都有 SR（失效）的可能性存在。失效）的可能性存在。结构或结构的一部分不能满足设计所规定的某一功能要结构或结构的一部分不能满足设计所规定的某一功能要求，即超过了承载能力或正常使用状态中的某一极限。求，即超过了承载能力或正常使用状态中的某一极限。结构构件处于失效状态下的概率结构构件处于失效状态下的概率p pf f。pf=P(S R)v失效概率越小，结构可靠性越大。失效概率越小，结构可靠性越大。v可用失效概率定量表示结构可靠性的大小。可用失效概率定量表示结构可靠性的大小。v当失效概率当失效概率pf小于某个值时，结构失效的可能性很小，小于某个值
13、时，结构失效的可能性很小，可认为结构设计是可靠的。该失效概率限值称为可认为结构设计是可靠的。该失效概率限值称为容许容许 失效概率失效概率 pf。一一.失效概率失效概率 结构的极限状态可用结构的极限状态可用功能函数功能函数Z描述：描述：pf=P(S R)=P(Z 0)f(Z)szzPfZ=R-SR、S为随机变量，假定服从正态分布，所以为随机变量，假定服从正态分布，所以Z也是随机变量也是随机变量.Z的概率分布曲线也服从正态分布。的概率分布曲线也服从正态分布。Z的平均值的平均值Z和标准差和标准差Z为：为：0)()0()(dzzfZPRSPpf22sss失效概率：失效概率：f(Z)szzPfZ=R-S
14、 值 2.7 3.2 3.7 4.2 失效概率 pf 3.510-3 6.910-4 1.110-4 1.310-5 可可靠靠指指标标 v为避免求为避免求 pf积分运算，令积分运算，令 =Z Z/Z Z，称称为结为结构的可靠指标。构的可靠指标。v与与pf之间存在着相应的之间存在着相应的关系，关系，pf 。二二.可靠指标可靠指标 v可靠指标：可靠指标：22SRSRZZsssv结构的可靠度转而由结构的可靠度转而由可靠指标来描述。可靠指标来描述。v结构的可靠度：结构的可靠度：规定时间和条件下完成预定功能的概率。规定时间和条件下完成预定功能的概率。f(Z)szzPfZ=R-S当当R与与S相差越大，相差
15、越大，R远大于远大于S，越大，结构越安全。越大，结构越安全。当当R与与S越小，即越小，即R与与S的变异性的变异性越小，越小，越大，结构越安全。越大，结构越安全。水工砼结构设计时，应根据水工砼结构设计时，应根据水工建筑物的级别水工建筑物的级别，采用不同的水工建筑物结构安全级别。不同安采用不同的水工建筑物结构安全级别。不同安全级别可靠度水平要求不同。全级别可靠度水平要求不同。水工建筑物级别水工建筑物安全级别12，34，5三三.结构安全级别结构安全级别水工建筑物结构安全级别水工建筑物结构安全级别要使结构设计既安全可靠，又经济合理，则在规定的条件下，要使结构设计既安全可靠，又经济合理，则在规定的条件下
16、，失效概率应低于允许失效概率失效概率应低于允许失效概率 pf，即即 pfpf 当用可靠指标当用可靠指标表示时，则为表示时，则为 T T目标可靠指标。目标可靠指标。破坏类型安全级别级级级延性破坏3.73.22.7脆性破坏4.23.73.2承载能力极限状态的目标可靠指标承载能力极限状态的目标可靠指标T四四.目标可靠指标目标可靠指标Tv目标可靠指标目标可靠指标的确定的确定(1)(1)建立在对原规范建立在对原规范“校准校准”的基础上。的基础上。(2)(2)与结构安全级别有关。安全级别愈高，与结构安全级别有关。安全级别愈高，T T愈大。愈大。(3)(3)与构件破坏性质有关。延性破坏的与构件破坏性质有关。延性破坏的T T低于脆性破坏。低于脆性破坏。(4)(4)与极限状态有关。承载能力极限状态的与极限状态有关。承载能力极限状态的T T高于正常使高于正常使用极限状态。用极限状态。v在实际设计中求可靠指标在实际设计中求可靠指标，需已知影响结构可靠度需已知影响结构可靠度的随机变量的随机变量R和和S的统计参数（的统计参数（，）。v对于十分重要的结构，如原子能反应堆的安全壳等采对于十分重要的结构，如原子能反应
