承载能力极限状态的荷载效应内力
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结构荷载与内力分析
1 了解结构设计原则
工作任务：
查阅相关资料，解释下列名词： （1）结构的功能 （2）结构极限状态 （3）混凝土结构的耐久性 （4）结构安全等级 ( 5 ) 结构重要性系数
❖ 3.1.1 建筑结构的功能要求
1.安全性 建筑结构在其设计使用年限内应能够承受可 能出现的各种作用。且在设计规定的偶然事件发生时 及发生后，结构应能保持必需的整体稳定性，不致倒 塌。
(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。
❖ 《建筑结构可靠度设计统一标准》将结构的极限状态 分为两类：承载能力极限状态及正常使用极限状态。
❖ 承载能力极限状态 ——结构或结构构件达到最大承载能 力或不适于继续承载的变形。
(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。
(4) 影响正常使用的其它特定状态，如相对沉降量过大等。
3.1.3 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——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)。
混凝土结构的耐久性按结构所处环境和设计使用年 限进行设计。
结构的设计使用年限是指设计规定的结构或结构构 件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期 。
表1-1 混凝土结构的使用环境类别
环境类别
说明
一
a 二
b
三
四 五
室内正常环境：无侵蚀性介质、无高温高湿影响、不与土 层直接接触的环境 室内潮湿环境：非严寒和非寒冷地区的露天环境、与无侵 蚀性得水或土直接接触的环境 严寒和寒冷地区得露天环境、与无侵蚀性得水或土壤直接 接触的环境 使用除冰盐的环境：严寒及寒冷地区冬季水位变动的环境； 滨海室外环境 海水环境
❖ 结构抗力——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)。
*结构上的作用、作用效应、结构抗力均是随机变量
3.1.4 结构的极限状态方程
1 结构极限状态方程可写为： Z=R—S=0
式中： S-作用效应； R-结构 抗力 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。
受人或自然的侵蚀性物质影响得环境
混凝土结构的耐久性应符合下列要求：
(1)一类、二类和三类环境中，设计使用年限为50年的结构， 其混凝土应符合表1-2的规定。
(2)一类环境中，设计使用年限为100年的结构混凝土应符 合下列规定：
1)混凝土强度等级不应低于C30；预应力混凝土结构的最 低混凝土强度等级为C40；
2)混凝土中氯离子含量不得超过水泥重量的0.06％； 3)宜使用非碱活性骨料，当使用碱活性骨料时，混凝土中 的碱含量不得超过3.0kg／m3； 4)混凝土保护层厚度应按相应的规定增加40％；当采取有 效的表面防护措施时，混凝土保护层厚度可适当减少； 5)在使用过程中应有定期维护措施。
(3)对于设计寿命为100年且处于二类和三类环境中的混凝 土结构应采取专门有效的措施。
2.适用性 建筑结构在其设计使用年限内应能满足预定 的使用要求，有良好的工作性能，其变形、裂缝或振 动等性能均不超过规定的限度等。
3.耐久性 建筑结构在其设计使用年限内应有足够的耐 久性。例如保护层厚度不得过薄、裂缝不得过宽而引 起钢筋锈蚀等。
3.1.2 结构的极限状态
❖ 结构的极限状态是指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求，此 特定状态称为该功能的极限状态。
3.1.5 混凝土结构的耐久性规定
由于混凝土表面暴露在大气中，特别是长期受到外 界温、湿度等不良气候环境的影响，以及长期受到有害 物质的侵蚀，随时间增长而出现混凝土碳化、开裂，钢 筋锈蚀等现象使材料的耐久性降低。因此，混凝土结构 在进行承载能力和正常使用极限状态设计的同时还应根 据结构所处的环境类别、结构的重要性和使用年限进行 耐久性设计。
(4)严寒及寒冷地区的潮湿环境中，结构混凝土应满足抗 冻要求，混凝土抗冻等级应符合有关标准的要求。
(5)有抗渗要求的混凝土结构，混凝土的抗渗等级应符合 有关标准的要求。
(6)三类环境中的结构构件，其受力钢筋宜采用环氧涂层 带肋钢筋；对预应力锚具及连接器应有专门防护措施。
(7)四类和五类环境中的混凝土结构，其耐久性要求应符 合有关标准的规定。
3.0 3.0
三
0.5
300
C30
0.1
3.0
3.1.6 结构的安全等级
* 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。
任务2 了解荷载的类型及荷载传递路径
工作任务： 根据项目2所做的人本草结构模型，分析该结构有哪
对临时性混凝土结构，可不考虑混凝土的耐久性要求。
表1-2 结构混凝土耐久性的基本规定
环境类别
最大水灰 比
最小水泥 用量（㎏
/m³）
混凝土强 度等级不
小于
氯离子含 量不大于
（%）
碱含量不 大ห้องสมุดไป่ตู้（㎏
/m³）
一
0.65
225
C20
1.0
不限制
二
a b
0.60 0.55
250 275
C25 C30
0.3 0.2
❖ 正常使用极限状态 ——结构或结构构件达到正常使用或耐久 性能的某项规定限值。
(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。
1 了解结构设计原则
工作任务：
查阅相关资料，解释下列名词： （1）结构的功能 （2）结构极限状态 （3）混凝土结构的耐久性 （4）结构安全等级 ( 5 ) 结构重要性系数
❖ 3.1.1 建筑结构的功能要求
1.安全性 建筑结构在其设计使用年限内应能够承受可 能出现的各种作用。且在设计规定的偶然事件发生时 及发生后，结构应能保持必需的整体稳定性，不致倒 塌。
(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。
❖ 《建筑结构可靠度设计统一标准》将结构的极限状态 分为两类：承载能力极限状态及正常使用极限状态。
❖ 承载能力极限状态 ——结构或结构构件达到最大承载能 力或不适于继续承载的变形。
(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。
(4) 影响正常使用的其它特定状态，如相对沉降量过大等。
3.1.3 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——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)。
混凝土结构的耐久性按结构所处环境和设计使用年 限进行设计。
结构的设计使用年限是指设计规定的结构或结构构 件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期 。
表1-1 混凝土结构的使用环境类别
环境类别
说明
一
a 二
b
三
四 五
室内正常环境：无侵蚀性介质、无高温高湿影响、不与土 层直接接触的环境 室内潮湿环境：非严寒和非寒冷地区的露天环境、与无侵 蚀性得水或土直接接触的环境 严寒和寒冷地区得露天环境、与无侵蚀性得水或土壤直接 接触的环境 使用除冰盐的环境：严寒及寒冷地区冬季水位变动的环境； 滨海室外环境 海水环境
❖ 结构抗力——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)。
*结构上的作用、作用效应、结构抗力均是随机变量
3.1.4 结构的极限状态方程
1 结构极限状态方程可写为： Z=R—S=0
式中： S-作用效应； R-结构 抗力 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。
受人或自然的侵蚀性物质影响得环境
混凝土结构的耐久性应符合下列要求：
(1)一类、二类和三类环境中，设计使用年限为50年的结构， 其混凝土应符合表1-2的规定。
(2)一类环境中，设计使用年限为100年的结构混凝土应符 合下列规定：
1)混凝土强度等级不应低于C30；预应力混凝土结构的最 低混凝土强度等级为C40；
2)混凝土中氯离子含量不得超过水泥重量的0.06％； 3)宜使用非碱活性骨料，当使用碱活性骨料时，混凝土中 的碱含量不得超过3.0kg／m3； 4)混凝土保护层厚度应按相应的规定增加40％；当采取有 效的表面防护措施时，混凝土保护层厚度可适当减少； 5)在使用过程中应有定期维护措施。
(3)对于设计寿命为100年且处于二类和三类环境中的混凝 土结构应采取专门有效的措施。
2.适用性 建筑结构在其设计使用年限内应能满足预定 的使用要求，有良好的工作性能，其变形、裂缝或振 动等性能均不超过规定的限度等。
3.耐久性 建筑结构在其设计使用年限内应有足够的耐 久性。例如保护层厚度不得过薄、裂缝不得过宽而引 起钢筋锈蚀等。
3.1.2 结构的极限状态
❖ 结构的极限状态是指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求，此 特定状态称为该功能的极限状态。
3.1.5 混凝土结构的耐久性规定
由于混凝土表面暴露在大气中，特别是长期受到外 界温、湿度等不良气候环境的影响，以及长期受到有害 物质的侵蚀，随时间增长而出现混凝土碳化、开裂，钢 筋锈蚀等现象使材料的耐久性降低。因此，混凝土结构 在进行承载能力和正常使用极限状态设计的同时还应根 据结构所处的环境类别、结构的重要性和使用年限进行 耐久性设计。
(4)严寒及寒冷地区的潮湿环境中，结构混凝土应满足抗 冻要求，混凝土抗冻等级应符合有关标准的要求。
(5)有抗渗要求的混凝土结构，混凝土的抗渗等级应符合 有关标准的要求。
(6)三类环境中的结构构件，其受力钢筋宜采用环氧涂层 带肋钢筋；对预应力锚具及连接器应有专门防护措施。
(7)四类和五类环境中的混凝土结构，其耐久性要求应符 合有关标准的规定。
3.0 3.0
三
0.5
300
C30
0.1
3.0
3.1.6 结构的安全等级
* 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。
任务2 了解荷载的类型及荷载传递路径
工作任务： 根据项目2所做的人本草结构模型，分析该结构有哪
对临时性混凝土结构，可不考虑混凝土的耐久性要求。
表1-2 结构混凝土耐久性的基本规定
环境类别
最大水灰 比
最小水泥 用量（㎏
/m³）
混凝土强 度等级不
小于
氯离子含 量不大于
（%）
碱含量不 大ห้องสมุดไป่ตู้（㎏
/m³）
一
0.65
225
C20
1.0
不限制
二
a b
0.60 0.55
250 275
C25 C30
0.3 0.2
❖ 正常使用极限状态 ——结构或结构构件达到正常使用或耐久 性能的某项规定限值。
(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。