钢筋混凝土结构的基本设计原.pptx

第三章 钢筋混凝土结构的基本设计原理主要内容n第一节 结构功能及极限状态n第二节 结构的极限状态设计方法n第三节 结构承受的荷载分类和荷载代表值、材料 强度的取值n第四节 承载能力极限状态计算n第五节 正常使用极限状态计算n第六节 混凝土耐久性规定第一节 结构功能及极限状态n一、结构的功能n1、安全性 结构在正常施工和正常使用的情况下应能承受可能出现的各种荷载和变形，在偶然事件(如地震)发生时及发生后结构仍能保持必需的整体稳定性，不发生倒塌n2、适用性 结构在正常使用期间具有良好的工作性能例如，不产生过大的变形或振幅，以免影响使用;也不发生足以使用户感到不安的过宽的裂缝n3、耐久性 结构在正常维护下，材料性能虽随时间变化，但仍能满足预定的功能要求，具有足够的耐久性要求例如混凝土不发生严重的风化、脱落；钢筋不发生严重锈蚀，以免影响结构的使用寿命结构的可靠性 结构的可靠性是结构的安全性、适用性、耐久性的统称可以概括为，结构的可靠性是指结构在正常设计、正常施工、正常使用和正常维护等条件下，在设计基准期内完成安全性、适用性、耐久性功能能力的总称结构功能及极限状态n二、功能结构的极限状态 结构功能的极限状态是指对应于结构某种功能的特定状态（或边界状态），在结构上的作用影响下，超过了这种状态后，结构或构件就丧失了完成对应的该项功能的能力，这种特定状态称为结构的极限状态。

现行国家标准工程结构可靠性设计统一标准GB50153考虑了结构安全性、适用性、耐久性的功能要求，将极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两类结构功能及极限状态n承载能力极限状态 结构承载能力极限状态是指结构或构件达到了最大承载能力、出现疲劳破坏、发生了不适于继续承载的变形或因结构具不破坏而引发的连续倒塌结构功能及极限状态n混凝土结构承载能力极限状态计算内容n1.承载力（包括）计算，包括构件本身或构件之间的连接的承载力计算、稳定性能验算n2.直接承受重复荷载的构件应进行疲劳验算n3.有抗震设防要求时，应进行抗震承载力验算n4.必要时应进行结构的倾覆、滑移、漂浮验算n5.防连续倒塌设计 结构功能及极限状态n正常使用极限状态 正常使用极限状态是指结构或构件达到了正常使用的某项限制或耐久性能的某种规定状态n混凝土结构正常使用极限状态计算内容：1.对需要控制变形的构件，应进行变形验算；2.对不允许出现裂缝的构件，应进行混凝土拉应力验算；3.对允许出现裂缝的构件，应进行裂缝宽度验算；4.对舒适度有要求的楼盖应进行竖向自振频率验算保证结构可靠性的措施n1.承载力要求 结构验算的主要目的是从安全性的角度出发，通过验算来保证结构或构件具有足够的承载能力。

混凝土结构和预应力混凝土结构的承载力要求：n（1）.截面强度验算 由结构承受的作用在构件截面引起的内力截面的承载能力极限状态下能够提供的承载力（或称作结构构件的抵抗能力）保证结构可靠性的措施n1.承载力要求n（2）.稳定性验算或机动体验算 作用在结构构件上的荷载设计值结构构件在考虑稳定因素影响时极限状态下可能承担的最大荷载（受压临界荷载）n（3）.位置平衡验算 由各种作用引起的倾覆力矩或滑移力结构的抗倾覆力矩或抗滑移力保证结构可靠性的措施n2.结构及构件的构造、连接措施 构件与构件或结构与构件的连接方式的选用对确保结构性能正常发挥具有至关重要的作用，连接的可靠与否，连接的正确与否都将会影响结构安全性功能的发挥，因此，合理的连接方式是结构有效传递内力抵抗外部各种作用的保证保证结构可靠性的措施n3.对变形以及抗裂度或裂缝宽度的要求 为了保证结构的适用性和耐久性，一般钢筋混凝土和预应力混凝土结构，需要根据构件受力和变形特点分两类进行验算一类是变形较大的梁、板构件和桁架，需要将它们的变形控制在规范规定的限制内另一类是荷载作用时较易开裂的受弯、轴心受拉、偏心受拉和大偏心受压构件，需根据不同的裂缝控制等级，分别进行裂缝宽度（对裂缝控制不严的混凝土结构和预应力混凝土构件）和抗裂验算（对裂缝控制比较严的预应力混凝土结构）。

验算内容包括以下几个方面：保证结构可靠性的措施n（1）变形验算 构件在各种作用效应组合影响下产生的变形作为适用性极限状态的变形要求n（2）抗裂验算 在各种作用效应组合影响下构件特定部位所产生的的拉应力作为适用性和耐久性极限状态的应力控制值n（3）裂缝宽度验算 构件在各种作用影响下产生的裂缝宽作为适用性和耐久性极限状态的裂缝宽度允许值第二节结构的极限状态设计方法 承载能力极限状态验算是为了确保结构的安全性功能，正常使用极限状态的验算是为了确保结构的适用性和耐久性功能这种以相应于结构各种功能要求的极限状态作为设计依据的设计方法就叫极限状态设计方法 我国现行国家标准建筑结构可靠度设计统一标准GB50068规定：我国结构设计采用以概率论为基础的极限状态设计方法，以结构的可靠指标反映结构的可靠度，以分项系数表达的设计式进行设计作用及作用效应分析n结构上作用的含义 使结构产生内力或变形的原因称为“作用”，分为直接作用和间接作用两种荷载(施加在结构上的集中或分布荷载)是直接作用;而混凝土的收缩、温度变化、基础的差异沉降、地震等引起结构外加变形或约束的原因称为间接作用间接作用不仅与外界因素有关，还与结构本身的特性有关。

例如，地震对结构物的作用不仅与地震加速度有关，还与结构的自身动力特性有关，所以不能把地震作用习惯地称为“地震荷载”作用及作用效应分析n作用效应 结构上的作用Q(如荷载、温度变化、不均匀沉降等)使得结构产生内力(如弯矩、剪力、轴力、扭矩等)和变形(如裂缝、挠度等)，则这种内力和变形称为“作用效应”，以s表示当结构上的作用为荷载时也可将之称为“荷载效应”结构设计时所要考虑的作用的最大值都不是定值，而是可大可小，具有变异性，这些变异性是造成作用效应随机性的主要因素作用及作用效应分析n1.以结构自重为主的永久随机性的变异性 永久荷载是由结构和建筑及设备安装部分等的自重形成的，虽然设计图纸已对其所用的材料种类尺寸大小都作了规定，但是结构施工时受各种因素的影响，材料的组成不可能完全符合设计要求，表现在：一是材料的重度会在标准值附近上下浮动；二是构件尺寸也会有一定的误差 一般钢筋混凝土构件的离散性较小，变异系数只有左右n2.可变荷载的变异性n3.偶然作用的变异性造成构件或结构抗力随机性的因素n1.材料强度的离散性（主要因素）n2.影响结构或构件抗力随机性的其他因素 由于施工误差造成的结构构件的尺寸偏差，如构件轮廓尺寸和钢筋位置偏差，以及施工中不可避免的截面局部缺陷，如混凝土的跑浆形成孔洞、麻面，脱模造成边角崩落等，也是造成构件抗力离散性的影响因素。

此外，结构设计时选用的截面抗力计算方法与截面实际抗力之间也存在某些差异，这些差异同样可正可负，可大可小，同样是随机变量，因而造成了构件抗力也具有一定程度的离散性失效概率和可靠指标 结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率，称为结构的可靠度可见，可靠度是对结构可靠性的定量描述，亦即概率度量 结构能够完成预定功能的概率也称为“可靠概率”，用 表示;相对地，结构不能完成预定功能的概率称为“失效概率”，用 表示两者互补，即失效概率和可靠指标 为了研究结构的失效概率，首先考虑最简单的情况，若结构或构件只有荷载所产生的效应S和结构或构件的承载能力R两个变量，该二变量均为随机变量，可通过统计分析确定其服从何种概率分布，假定R和S相互独立且服从正态分布，可知，Z(Z=R一S)（结构的功能函数）亦为服从正态分布的一个随机变量，且有: Z=R一S0，表示结构可靠 Z=R一S=0，表示结构处于极限状态 Z=R一S0结构失效Z0图3-1 结构功能函数的概率分布图3-2结构功能所处状态图可靠指标n可靠指标 （3-1）式中 结构功能函数Z=R-S分布的平均值； 结构功能函数Z=R-S分布的标准差； 越大 越小， 称作“结构的可靠指标”。

规范规定结构构件延性破坏时 ，当为脆性破坏时 =3.7.可靠指标 表3-2 目标可靠等级采用失效概率和可靠指标反映结构可靠度时，应使失效概率足够小，同时也要保证结构的可靠指标足够的高，计算公式如下：第三节 结构承受的荷载分类和荷载代表值、材料强度的取值n一、荷载的分类 结构上的荷载按其作用的时间变异性和出现的可能性可以分为：n1.永久荷载 在结构设计使用期间，其值不随时间的变化而变化，或虽有变化，但变化不大，其变化值与平均值相比可以忽略不计的荷载如结构自重、土压力、预应力等荷载的分类n2.可变荷载 在结构设计使用期间，其值随时间的变化而变化，且其变化值与平均值相比不可忽略的荷载如楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等n3.偶然作用 在结构设计使用期间不一定出现，但是一旦出现，其值很大，作用时间一般较短如爆炸力、撞击力、地震等荷载的代表值及其确定 在结构设计中，常见的荷载代表值有荷载标准值、荷载准永久值、荷载频遇值、荷载组合值n1.荷载标准值n定义：荷载标准值是指结构在使用期间，在正常情况下出现的最大荷载值n确定：对于永久荷载取其概率分布的某个上分位值作为其标准值荷载的代表值及其确定n2.可变荷载准永久值n定义：作用在结构上的连续时间超过结构设计基准期的三分之二以上的这部分可变荷载值，称为可变荷载准永久值。

n用途：在计算结构长期荷载作用下的变形（扰度）和裂缝时需要考虑可变荷载的准永久值n确定：根据荷载规范给定的准永久值系数和给定的某种可变荷载的标准值，二者相乘就得到它的准永久值，即荷载的代表值及其确定n3.频遇值 对可变荷载，在设计基准期内，其超越的总时间为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值荷载频遇值是由可变荷载标准值乘以频遇系数 ， 可查建筑结构荷载规范，它是根据在设计基准期内可变荷载超越的总时间或超越的次数来确定的例如:教室的楼面荷载标准值为2.0 ，频遇值系数为，则频遇荷载为:2.OX0.6 =1.20 荷载的代表值及其确定n4.可变荷载的组合值 当两种或两种以上可变荷载同时作用在结构上时，所有荷载同时达到其单独出现时可能达到的最大值的概率极小，所以，组合时，除主要荷载(产生最大荷载效应的)仍可以其标准值为代表值外，其他荷载应取其组合值作为代表值组合值为可变荷载标准值乘以组合系数 ，即荷载组合值取值用 表示 可查建筑结构荷载规范 民用建筑楼面均布活荷载标准值、组合值、频遇值和准永久性系数见课本表3-3.荷载的代表值及其确定n5.屋面均布活荷载的折减 根据现行国家标准建筑结构荷载规范GB50009的规定，屋面均布活荷载应按变3-4所列系数予以折减。

表3-4 屋面均匀荷载折减系数项次项次类别类别标准值标准值（kN/m2)组合值系数组合值系数c频遇值系数频遇值系数f准永久值系准永久值系数数q1不上人屋面0.50.70.502上人屋面2.00.70.50.43屋顶花园3.00.70.60.5荷载的代表值及其确定n6.可变荷载按楼层的折减n（1）设计楼面梁时，对表3-3的可变荷载，折减系数n（2）设计墙、柱和基础时的荷载折减系数材料强度的取值n1.强度标准值n定义：材料强度标准值是指在正常情况下可能出现的最小值n用途：在计算结构或构件变形、裂缝宽度和抗裂验算时直接使用；它是换算得到材料设计强度的依据n确定：n1）钢筋的强度标准值 它是取同批钢筋进行强度试验，在确定钢筋标准强度时，取比统计平均值偏低具有95%的保证概率，在材料强度概率曲线分布曲线下分位的值作为钢材强度标准值材料强度的取值n 2）混凝土的强度标准值 根据混凝土结构规范的规定，混凝土强度标准值的确定，是取其试验得到的强度平均值减去倍标准差，即具有95%分布概率的强度值即在材料强度概率分布曲线的下分位比平均值偏低的具有95%保证概率（5%失效概率）时的材料强度值材料强度的取值n2.材料强度设计值n定义：在材料强度标准值的基础上，根据材料强度的变异性大小，对其强度标准值除。