第九章-结构设计理论和桥梁设计规范概要课件.ppt

第九章第九章结构设计理论与桥梁设计规范结构设计理论与桥梁设计规范§桥梁设计规范桥梁设计规范（简称桥规）－是一种标准，而这个是一种标准，而这个标准是专门用来判别各具体桥梁是否安全和适用的标准是专门用来判别各具体桥梁是否安全和适用的§桥规特点之一桥规特点之一－并不是一成不变的，它需要随着桥－并不是一成不变的，它需要随着桥梁设计与施工水平的提高而时常修订梁设计与施工水平的提高而时常修订§本章内容本章内容o结构设计方法的演进结构设计方法的演进o极限状态设计极限状态设计o对桥规的特征和内容对桥规的特征和内容 7/30/20241李亚东：《桥梁工程概论》第九章第一节第一节 结构设计方法的演进结构设计方法的演进 §结构的功能要求结构的功能要求o能承受正常施工和使用时可能出现的各种荷载能承受正常施工和使用时可能出现的各种荷载（安安全性全性）o在正常使用期间具有良好的工作性能在正常使用期间具有良好的工作性能（适用性适用性）o在使用期内材料不发生严重的损伤在使用期内材料不发生严重的损伤（材料耐久性材料耐久性）o在偶然事件发生时，能保持必要的稳定性而不至于在偶然事件发生时，能保持必要的稳定性而不至于彻底破坏彻底破坏（特殊安全性特殊安全性）o可靠性可靠性－安全性，适用性，耐久性－安全性，适用性，耐久性o可靠度可靠度－衡量结构可靠性的指标－衡量结构可靠性的指标 o安全性安全性与与安全度安全度 7/30/20242李亚东：《桥梁工程概论》第九章第一节第一节 结构设计方法的演进（续）结构设计方法的演进（续）§结构设计的基本内容结构设计的基本内容o作用与作用效应（结构分析）作用与作用效应（结构分析）  o材料与抗力设计材料与抗力设计o结构可靠性分析结构可靠性分析  作用作用作用效应作用效应构件抗力构件抗力材料材料结构可靠性分析结构可靠性分析7/30/20243李亚东：《桥梁工程概论》第九章结构设计方法的演进结构设计方法的演进§基于试验和经验的方法基于试验和经验的方法o19世纪中叶之前，结构分析方法还处于萌芽阶段世纪中叶之前，结构分析方法还处于萌芽阶段 o可以回答构件在破坏时的荷载安全系数可以回答构件在破坏时的荷载安全系数K1，，即即 o由于历史条件和认识上的局限，不可能采用试验方由于历史条件和认识上的局限，不可能采用试验方法解决所有可能出现的问题法解决所有可能出现的问题 7/30/20244李亚东：《桥梁工程概论》第九章结构设计方法的演进（续）结构设计方法的演进（续）§容许应力法容许应力法o传统设计方法（传统设计方法（1826年提出），已沿用了年提出），已沿用了100余年余年o视视材材料料为为理理想想弹弹性性体体，，用用线线弹弹性性理理论论方方法法，，算算出出结结构构在在荷荷载载下下的的应应力力，，要要求求构构件件截截面面上上任任一一点点的的应应力力 ，，不不超超过过材材料料的的容容许应力许应力[ ]，即，即     [ ]；； [ ] =  y / K ；；或或 [ ] =  b / K ；；安全系数安全系数K >1 o容许应力法为促进桥梁工程的发展作出了巨大贡献容许应力法为促进桥梁工程的发展作出了巨大贡献 o基础：结构分析理论，材料及构件试验，荷载测试基础：结构分析理论，材料及构件试验，荷载测试o三点不足：三点不足：l难以仅用容许应力来防止桥梁其它破坏状态的出现难以仅用容许应力来防止桥梁其它破坏状态的出现 l用单一安全系数来考虑不同性质的荷载是不合适的用单一安全系数来考虑不同性质的荷载是不合适的 l安全系数主要是凭经验和判断确定的安全系数主要是凭经验和判断确定的 7/30/20245李亚东：《桥梁工程概论》第九章结构设计方法的演进（续）结构设计方法的演进（续）§破坏阶段法破坏阶段法o20世纪世纪30年代由前苏联学者提出年代由前苏联学者提出o设设计计原原则则－－结结构构构构件件达达到到破破坏坏阶阶段段时时的的设设计计承承载载能能力不低于荷载产生的构件内力力不低于荷载产生的构件内力S乘以安全系数乘以安全系数K，，即即 KS   Ro以截面内力（而不是截面应力）为考察对象以截面内力（而不是截面应力）为考察对象o凭计算确定荷载安全系数凭计算确定荷载安全系数o具有补充性质，未能自成体系具有补充性质，未能自成体系 7/30/20246李亚东：《桥梁工程概论》第九章极限状态设计法极限状态设计法§极限状态的定义和分类极限状态的定义和分类o定义定义（前苏联学者（前苏联学者50年代初提出）：若整个结构或结构的一年代初提出）：若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，则此特定状态称为该功能的极限状态求，则此特定状态称为该功能的极限状态o承载能力（或破坏）极限状态承载能力（或破坏）极限状态l结构或其一部分作为刚体失去平衡（倾覆、滑移）；结构或其一部分作为刚体失去平衡（倾覆、滑移）； l构件或其连接因材料强度不足而破坏（包括疲劳破坏），构件或其连接因材料强度不足而破坏（包括疲劳破坏），或因过度的塑性变形而不适于继续承载；或因过度的塑性变形而不适于继续承载； l结构转变为机动机构；结构转变为机动机构； l结构或其构件丧失稳定（压溃）结构或其构件丧失稳定（压溃） 7/30/20247李亚东：《桥梁工程概论》第九章极限状态设计法（续）极限状态设计法（续）§极限状态的定义和分类极限状态的定义和分类o正常使用（或运营）极限状态正常使用（或运营）极限状态l影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或外观的变形；l影响正常使用或材料耐久性能的局部破坏（包括裂缝）；影响正常使用或材料耐久性能的局部破坏（包括裂缝）；l影响正常使用的振动；影响正常使用的振动；l影响正常使用的其它特定状态影响正常使用的其它特定状态o破坏破坏 安全极限状态安全极限状态l局部破坏转变为机动体系；局部破坏转变为机动体系；l局部破坏结构的关键部位（因材料强度超限）；局部破坏结构的关键部位（因材料强度超限）；l局部破坏结构的构件，丧失弹性平衡的稳定性，或作为刚体局部破坏结构的构件，丧失弹性平衡的稳定性，或作为刚体失稳；失稳；l局部破坏构件的一部分或整体，丧失刚体平衡的稳定性局部破坏构件的一部分或整体，丧失刚体平衡的稳定性7/30/20248李亚东：《桥梁工程概论》第九章极限状态设计法（续）极限状态设计法（续）§极限状态法的特点极限状态法的特点o第一次明确提出结构第一次明确提出结构“极限状态极限状态”的概念，并规定了各种极的概念，并规定了各种极限状态及其内涵限状态及其内涵o将单一的安全系数转化成多个（一般为将单一的安全系数转化成多个（一般为3个）系数，分别用于个）系数，分别用于考虑荷载、荷载组合和材料等的不定性影响考虑荷载、荷载组合和材料等的不定性影响o在某些设计参数的取值上引入概率和统计数学的方法在某些设计参数的取值上引入概率和统计数学的方法o例子（公路桥规）例子（公路桥规） d  L o只解决了容许应力法的前两点不足只解决了容许应力法的前两点不足7/30/20249李亚东：《桥梁工程概论》第九章概率（极限状态）设计法概率（极限状态）设计法§发展发展o20世世纪纪20 30年年代代，，德德国国和和前前苏苏联联学学者者就就曾曾提提出出过过将将概概率率论论用用于于阐阐述述结结构构安安全全性性的的建建议议；；40年年代代，，美美国国学学者者提提出出了了结结构构失失效效概概率率这这一一概概念念；；50年年代代，，前前苏苏联联提提出出以以极极限限状状态态法法为为特特征征的的结结构构设设计计规规范范；；70年年代代，，国国际际标标准准化化组组织织（（ISO））和和国国际际结结构构安安全全度度联联合合委委员员会会各各自自发发表表了了旨旨在在作作为为范范本本的的基基于于结结构构可可靠靠性性理理论论的的设设计计原原则则；；从从70年年代代末末起起，，世世界界上上许许多多国国家家均均采采用用结结构构可可靠靠性理论来指导新一轮结构设计规范的修订。

性理论来指导新一轮结构设计规范的修订o从从70年年代代后后期期起起，，我我国国土土木木工工程程界界也也逐逐步步开开始始了了结结构构可可靠靠性性理理论论研研究究和和设设计计规规范范修修订订工工作作1992年年发发布布了了《《工工程程结结构构可可靠靠度度设计统一标准设计统一标准》》o概概率率（（极极限限状状态态））设设计计法法代代表表着着结结构构设设计计理理论论的的发发展展趋趋势势和和当当代水平o三三个个层层次次－－工工程程结结构构：：第第一一层层次次；；行行业业统统一一标标准准：：第第二二层层次次；；行业内各具体标准：第三层次行业内各具体标准：第三层次 7/30/202410李亚东：《桥梁工程概论》第九章设计原则设计原则§方法特征方法特征－以极限状态作为结构的设计状态，以概率论方法处理－以极限状态作为结构的设计状态，以概率论方法处理结构的可靠性问题结构的可靠性问题§设计准则设计准则－对于规定的极限状态，荷载引起的荷载效应大于抗力－对于规定的极限状态，荷载引起的荷载效应大于抗力的概率（称为失效概率的概率（称为失效概率PF））不应超过规定的限值不应超过规定的限值[PF]，，即即                PF  < [ PF ]§可可靠靠指指标标－－为为便便于于运运算算，，引引入入描描述述结结构构可可靠靠程程度度的的指指标标 来来代代替替失失效效概概率率PF。

这这样样，，就就要要求求所所设设计计结结构构的的可可靠靠度度指指标标 应应大大于于目目标标可可靠度指标靠度指标[ ]，即，即   > [   ]§采采用用了了统统一一的的的的指指标标（（PF或或 ））来来描描述述结结构构的的安安全全水水平平，，具具有有可可比性，避免了容许应力法的第比性，避免了容许应力法的第3点不足点不足 §目目标标可可靠靠度度指指标标[   ]－－与与社社会会的的、、经经济济的的和和技技术术的的众众多多因因素素有有关关，，形式上或名义上的，不能看作是结构真实的失效概率形式上或名义上的，不能看作是结构真实的失效概率 7/30/202411李亚东：《桥梁工程概论》第九章概率设计法的三个水准概率设计法的三个水准 §水水准准I——半半概概率率法法特特点点是是：：对对某某些些参参数数的的取取值值进进行行数数理理统统计计分分析析对对结结构构的的可可靠靠指指标标或或可可靠靠概概率率，，还还不不能能作作出出定定量量估估计计简简单单，，实用，符合于工程习惯，容易在工程界推广实用，符合于工程习惯，容易在工程界推广§水水准准II——近近似似概概率率法法。

特特点点是是：：用用结结构构失失效效概概率率PF或或可可靠靠度度指指标标 来来度度量量结结构构的的可可靠靠度度，，用用数数理理统统计计方方法法确确定定各各基基本本变变量量的的概概率率分分布布及及其其参参数数；；通通过过校校准准以以确确定定目目标标可可靠靠指指标标[ ]；；因因在在可可靠靠度计算中引入了一些近似、假定和简化，故称之为近似概率法度计算中引入了一些近似、假定和简化，故称之为近似概率法§水水准准III——全全概概率率法法特特点点是是：：对对基基本本变变量量采采用用随随机机变变量量或或随随机机过过程程描描述述，，对对全全结结构构都都采采用用精精确确的的概概率率分分析析，，求求得得结结构构的的最最优优失失效效概概率率作作为为可可靠靠度度的的直直接接度度量量限限于于对对影影响响结结构构可可靠靠性性的的因因素素和和规规律律的的掌掌握握还还不不够够充充分分，，对对基基本本变变量量的的统统计计信信息息掌掌握握还还不不够够充充足足，，目前全概率法离实用还有相当距离，仍处于研究阶段目前全概率法离实用还有相当距离，仍处于研究阶段 7/30/202412李亚东：《桥梁工程概论》第九章第三节第三节 桥规的特点和内容桥规的特点和内容§桥规的特点桥规的特点o具体性具体性，其，其内容是与人的认识和经验分不开的内容是与人的认识和经验分不开的o局限性局限性，适用范围有限，适用范围有限o发展性发展性，随着科技的进步和桥梁工程的发展，其内，随着科技的进步和桥梁工程的发展，其内容也是在不断发展和更新容也是在不断发展和更新o成熟与精炼成熟与精炼，其条文是在总结已有成熟经验（包括，其条文是在总结已有成熟经验（包括理论和试验成果）的基础上，进行简化并提炼出来理论和试验成果）的基础上，进行简化并提炼出来的的o严肃性严肃性，一经批准颁布执行，就成为政府文件，必，一经批准颁布执行，就成为政府文件，必须严肃对待须严肃对待  7/30/202413李亚东：《桥梁工程概论》第九章第三节第三节 桥规的特点和内容（续）桥规的特点和内容（续）§桥规的基本内容桥规的基本内容o荷载及荷载组合荷载及荷载组合o结构内力分析方法结构内力分析方法o材料和工艺材料和工艺o杆件及连接的抗力杆件及连接的抗力o杆件及连接的验算方法杆件及连接的验算方法o构造规定构造规定o其他其他 7/30/202414李亚东：《桥梁工程概论》第九章铁路桥涵设计规范（铁路桥涵设计规范（TBJ2TBJ2 8585）） §三次修订三次修订－第一次修订（－第一次修订（1971 74年）；第二次修订年）；第二次修订（（1979 83年）年）；；第三次修订（从第三次修订（从1985年起）年起）§内容内容－－1. 总则、总则、2. 桥涵布置、桥涵布置、3. 设计荷载、设计荷载、4. 钢结构、钢结构、5. 钢筋混凝土结构、钢筋混凝土结构、6. 预应力混凝土结构、预应力混凝土结构、7. 混凝土混凝土和石结构、和石结构、8. 墩台、墩台、9. 拱桥、拱桥、10. 涵洞、涵洞、11. 既有线顶既有线顶进桥涵、进桥涵、12. 地基和基础等十二章和地基和基础等十二章和21个附录组成个附录组成 7/30/202415李亚东：《桥梁工程概论》第九章公路桥涵设计规范（合订本）公路桥涵设计规范（合订本） §在在70年代和年代和80年代有过两次大的修订工作年代有过两次大的修订工作§5本规范（本规范（85 89年先后颁布执行）组成的规范合订本年先后颁布执行）组成的规范合订本o公路桥涵设计通用规范（公路桥涵设计通用规范（JTJ021-89）） o公路砖石及混凝土桥涵设计规范（公路砖石及混凝土桥涵设计规范（JTJ022-85）） o公路钢筋混凝土和预应力混凝土桥涵设计规范公路钢筋混凝土和预应力混凝土桥涵设计规范（（JTJ023-85）） o公路桥涵地基与基础设计规范（公路桥涵地基与基础设计规范（JTJ024-85）） o公路桥涵钢结构及木结构设计规范公路桥涵钢结构及木结构设计规范§按概率极限状态法修订规范的工作仍在进行之中按概率极限状态法修订规范的工作仍在进行之中 7/30/202416李亚东：《桥梁工程概论》第九章英国桥规英国桥规BS5400 BS5400 §BS5400（（钢桥、混凝土桥及结合桥）是世界上有代表性的一本桥钢桥、混凝土桥及结合桥）是世界上有代表性的一本桥梁设计规范（半概率法），整套文件由下列各篇组成：梁设计规范（半概率法），整套文件由下列各篇组成：o第一篇第一篇       总则（总则（1978年公布）年公布）o第二篇第二篇       荷载规范（荷载规范（1978年公布）年公布）o第三篇第三篇       钢桥设计实用规则（钢桥设计实用规则（1982年公布）年公布）o第四篇第四篇       混凝土桥设计实用规则（混凝土桥设计实用规则（78年公布，年公布，84年第二版）年第二版）o第五篇第五篇       结合桥设计实用规则（结合桥设计实用规则（1979年公布）年公布）o第六篇第六篇       钢材及工艺规范（钢材及工艺规范（1980年公布）年公布）o第第七七篇篇       混混凝凝土土、、钢钢筋筋及及预预应应力力筋筋材材料料及及工工艺艺规规范范（（1978年年公布）公布）o第第八八篇篇   关关于于混混凝凝土土、、钢钢筋筋及及预预应应力力筋筋材材料料及及工工艺艺的的意意见见（（1978年公布）年公布）o第九篇第九篇       桥梁支座（桥梁支座（1983年公布）年公布）o第十篇第十篇       疲劳设计实用规则（疲劳设计实用规则（1980年公布，年公布，1999年第二版）年第二版）7/30/202417李亚东：《桥梁工程概论》第九章美国公路桥梁设计规范（美国公路桥梁设计规范（19941994年版）年版）§AASHTO（（American Association of State Highway and Transportation Officials））美国各州公路和运输工美国各州公路和运输工作者协会作者协会§修订修订－－1931年初版，大约每隔年初版，大约每隔4年修订一次年修订一次§名称名称－－AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, First Edition 1994，，LRFD－－Load and Resistance Factor Design荷载与抗力系数设计荷载与抗力系数设计§内容内容－－1、概述；、概述；2、总体设计和桥位特征；、总体设计和桥位特征；3、荷载及、荷载及荷载系数；荷载系数；4、结构分析及评价；、结构分析及评价；5、混凝土结构；、混凝土结构；6、、钢结构；钢结构；7、铝结构；、铝结构；8、木结构；、木结构；9、桥面和桥面系；、桥面和桥面系；10、基础；、基础；11、桥台、桥墩和挡土墙；、桥台、桥墩和挡土墙；12、埋置式结、埋置式结构和隧道衬砌；构和隧道衬砌；13、栏杆；、栏杆；14、接缝和支座、接缝和支座7/30/202418李亚东：《桥梁工程概论》第九章思思 考考 题题§结构设计的基本内容结构设计的基本内容§容许应力法的主要优缺点容许应力法的主要优缺点§极限状态的分类极限状态的分类§桥梁设计规范的特点桥梁设计规范的特点7/30/202419李亚东：《桥梁工程概论》第九章。