02水工极限状态设计原则2010

区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称 为“极限状态”。

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安全 性功能要求
(1) 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡，如雨 篷压重不足而倾覆、烟囱抗风不足而倾倒、挡土墙抗滑 不足在土压力作用下而整体滑移等。 (2) 结构构件或其连接因超过材料强度而破坏(包括疲 劳破坏)，如轴心受压构件中混凝土达到了轴心抗压强 度、构件的钢筋因锚固长度不足而被拔出等；或因变形 过大而不适于继续承受荷载。 (3) 结构转变为机动体系，如构件发生三铰共线而形成 机动体系，丧失承载能力。 (4) 结构或构件丧失稳定，如细长柱到达临界荷载后压 屈失稳而破坏。



建筑结构设计时，对不同荷载应采用不同的设计 值。 对永久荷载应采用标准值作为代表值； 对可变荷载应根据设计要求采用标准值、组合 值、频遇值、准永久值作为代表值； 对偶然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代 表值。

2.4.1.1 标准值 荷载的基本代表值，是指结构在其使用期间, 正常情况下可能出现的最大荷载值。
对于承载能力极限状态，针对荷载、材 料的不同变异性 ，采用多系数表达。 由于实际结构中的不确定性，因此无论如 何设计结构，都有失效的可能性存在，只是可 能性大小不同而已。 为了科学定量的表示结构可靠性的大小， 采用概率方法是较合理的。


2.3.2.2 失效概率 由于实际结构中的不确定性，因此无论如何设 计结构，都会有失效的可能性存在，只是可能性 大小的不同。 结构不能完成预定功能，即Z＜0或R＜S的概率 即为失效概率。用Pf表示。
Pf=P(S>R)
失效概率越小，表示结构可靠性越大。因此，可 以用失效概态分布，曲线如图所示
结构的失效概率：
β称为可靠指标：


可靠指标与失效概率是一一对应关系，即失效概 率越小，可靠指标越大。 注意：绝对完全可靠的结构是不存在的。
2.5 极限状态设计表达式
SL 191—2008规范 2.5.2.2承载能力极限状态设计表达式
KS R
S——承载能力极限状态的荷载效应(内力)组合的设 计值 。 R ——结构抗力，与构件的尺寸、材料等有关。
★基本组合
当永久荷载对结构起不利作用时
S 1.05 SG1K 1.20 SG 2 K 1.20 SQ1K 1.10 SQ 2 K
2.3.2 极限状态方程式，失效概率和可靠指标

2.3.2.1结构极限状态方程 可写为： Z=R—S=0 当Z＞0时， 结构处于可 靠状态， 当Z＝0时， 结构处于极 限状态， 当Z＜0时， 结构处于失 效状态。
保证结构可靠的条件 是一非确定性问题， 只能用概率加以解决

结构设计中的不确定性
M=⅛（g+q）l2
结构的可靠性(Reliablility) 1.可靠性——安全性、适用性和耐久性的总称。
2.就是指结构在规定的使用期限内（Design Life=50年），在规定的条件下（正常设计、正 常施工、正常使用和维护），完成预定结构功能 的能力。
3.结构可靠性越高，结构造价就越大。
4.如何在结构可靠与经济之间取得平衡，就 是设计方法要解决的问题。
2 钢筋混凝土结构设计计算原则
2.1 钢筋混凝土结构设计理论的发展 1. 按许可应力法设计
f K
◎钢筋混凝土结构的受力性能不是弹性的； ◎结构中一点达到许可应力，结构即认为失效； ◎没有考虑结构功能的多样性要求； ◎安全系数是凭经验确定的，缺乏科学依据。
2. 按破坏阶段法设计
★永久荷载标准值，
对于变异性不大的材料自重，可根据设计尺寸和 单位体积的自重计算确定。 即自重 =体积×体积容重 或 面积×面积容重 对于变异性大的材料，考虑到结构的可靠性，在 设计中应根据对结构有利或不利，分别取上限 或下 限。
★可变荷载的标准值都可査《荷载规范》得到。
2.4.1.2组合值 是当结构承受两种或两种以上可变荷 载时，考虑到它们同时达到标准值（最大值）的 可能性较小，因此，除了一个主要可变荷载外， 其余可变荷载应对其标准值进行折减ψc。 2.4.1.3频遇值 在设计基准期内，可变荷载中经常存 在的那一部分荷载。它是可变荷载标准值Qk与 频遇系数ψf的乘积。
2.2.2 结构上的作用F、作用效应S、结构抗力R


结构上的作用——施加在结构上的集中力或分布 力（直接作用，也称为荷载）和引起结构外加变 形或约束变形的原因（间接作用）。 作用效应S——由于直接作用或间接作用作用于 结构构件上，在结构内产生的内力和变形(如轴 力、弯矩、剪力、扭矩、挠度、转角和裂缝等)。
S=S(Q)
M=⅛pl2
结构力学的主要内容
结构抗力R——结构或结构构件承受内力和变形的 能力(如构件的承载能力、刚度等)。
R= R（fc， fy ，A，h0， As ，…） 本课程的主要内容
2.3概率极限状态设计的概念
结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构 是“可靠”的或“有效”的。反之，则结构为 “不可靠”或“失效”。

正常使用极限状态 超过该极限状态，结构就不能满足预定的适应性 和耐久性的功能要求。
(1) 影响正常使用或外观的变形，如吊车梁变形过大导 致吊车不能正常行驶、梁挠度过大影响外观等。 (2) 影响正常使用或耐久性能的局部损坏，如水池池壁 开裂漏水不能正常使用、如裂缝过宽导致钢筋锈蚀等。 (3) 影响正常使用的振动，如由于机器振动而导致结构 的振幅超过按正常使用要求所规定的限位等。 (4) 影响正常使用的其它特定状态，如相对沉降量过大 等。
Mu M K
整个截面达到极限承载力才认为失效，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。 ◎但安全系数K仍然凭经验确定； ◎没有考虑结构功能的多样性要求的问题。
3. 极限状态设计法 除要求对承载力极限状态进行设计外， 还包括挠度和裂缝宽度的极限状态设计。 对于承载能力极限状态，针对荷载、材料 的不同变异性 ，采用多系数表达。
• Sk(Gk、Qk、fk、ak)≤C C——设计对变形、裂缝等规定的相应限值。
S——变形、裂缝等荷载效应设计值。
（1）对于持久状况，应进行正常使用极限状 态的验算； （2）对于短暂状况，根据具体情况决定是否 进行正常使用极限状态的验算； （3）对于偶然状况，可不进行正常使用极限 状态的验算。
本章主要介绍了概率极限状态设计方法，要求同 学掌握以下内容： （1）理解极限状态方程的意义； （2）重点掌握S的计算； 注意：钢筋混凝土计算S与结构力学的异同 （3）区分承载能力极限状态和正常使用极限状态 计算公式的不同； （4）关于R涉及得是材料选择、截面尺寸和钢筋 的确定问题，以后各章研究。
由永久荷载对结构起有利作用时
S 0.95 SG1K 0.95 SG 2 K 1.20 SQ1K 1.10 SQ 2 K
★偶然组合
S 1.05 SG1K 1.20 SG 2 K 1.20 SQ1K 1.10 SQ 2 K 1.0S AK
2 正常使用极限状态设计表达式
f ck f sk M ( kqi qik ) M u ( ， ，As , b, h0， ...) kc k s
◎反映了材料强度的变异性； ◎荷载值也尽可能根据各种荷载的统计资料，按一定保 证率取其上限分位值； ◎荷载系数和材料强度系数仍按经验确定，但对于不同 荷载变异大小，可取不同的荷载系数。
S=S(Q)
恒载g与构件尺寸、材料容重等有关 活载q（露面活载、雪荷载）的数值随时在变化 计算跨度l的不准确
R= R（fc， fy ，A，h0， As ，…）
材料强度fy 和fc的离散 截面尺寸的施工误差
M≤ Mu
不一定安全（可靠）

极限状态设计法
除要求对承载能力极限状态进行设计外，还包 括挠度和裂缝宽度的正常使用极限状态的设计。
适用性(Serviceablility)
1.如（f≤ [ f ] ）
2.结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。 3.如不发生影响正常使用的过大变形（挠度、侧 移）、振动（频率、振幅），或产生让使用者感 到不安的过大的裂缝宽度。
耐久性(Durablility)
1.结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足 够的耐久性。 2.在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈 蚀），结构的承载力和刚度不应随时间有过大的 降低，从而导致结构在其预定使用期间内丧失安 全性和适用性，降低使用寿命。
目标可靠指标：
《标准》对一般工业与民用建筑结构所规定的、作为设计
依据的可靠指标，称为目标可靠指标[β]
建筑结构的安全等级
在进行建筑结构的设计时，应根据结构破坏可能产生 的各种后果(危及人的生命、造成经济损失、产生社会影 响等)的严重性，采用不同的安全等级。
2.4荷载代表值和材料强度标准值
结构上的荷载可分成三类： 永久荷载—在结构使用期内，其值随时间因素 的变化不大，或其变化与其平均值相比可以忽略 的荷载。 可变荷载—在结构使用期内，其值随时间变化， 且其变化与其平均值相比不可以忽略的荷载。 偶然荷载—在设计使用期内不一定出现，一旦 出现其值很大且持续时间很短的荷载。
2.2
结构的功能要求、荷载效应与结构抗力
2.2.1结构的功能要求 安全性Safty
1.如（M≤ Mu ） 2.结构在预定使用期间内（Design Life一般为50年）, 应能承受在正常施工、正常使用情况下可能出现的各 种荷载、外加变形（如超静定结构的支座不均匀沉 降）、约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）等 的作用。 3. 在偶然事件（如地震、校核洪水位）发生时和发生 后，结构应能包成整体稳定性，不应发生倒塌或连续破 坏而造成重大的生命和财产损失。
2.4.1.4 准永久值是指可变荷载在结构设计基准期内 经常作用的那一部分荷载，它对结构的影响类似 于永久荷载。荷载准永久值系数ψq由《荷载规范》 给出。