结构按极限状态法创新设计计算原则
第二章结构按极限状态法设计计算的原则
第二章结构按极限状态法设计计算的原则随着建筑结构的不断发展，为了确保结构的安全可靠，设计计算也越发重要。
借助极限状态法进行结构设计计算是目前最常用的方法之一、极限状态法是一种截然不同于传统弹性设计的方法，它主要关注结构在达到极限承载能力的情况下的行为。
结构按极限状态法设计计算的原则是建立在一些基本假设和设计要求的基础上的。
下面将详细介绍这些原则。
1.安全性原则：极限状态法设计的首要原则是确保结构在使用寿命内具有足够的安全性。
安全性可以通过控制结构的强度、刚度和稳定性来实现。
具体来说，设计计算应确保结构在达到极限荷载时能够满足规定的安全系数，例如承载力与荷载的比值大于1.52.效率原则：设计计算应该尽可能地高效。
这意味着设计应该在达到结构的最小重量和最小材料用量的同时满足强度和刚度要求。
为了实现这一目标，设计计算应优化结构的几何形状和材料配置。
3.统一性原则：设计计算应具有统一的标准和规范，以确保计算方法和结果的一致性。
这有助于提高设计计算的可靠性和可比性。
在设计计算中，应使用国家或地区制定的相关设计规范和标准。
4.精确性原则：设计计算应尽可能精确地预测结构的行为。
这需要考虑到结构的非线性特性、荷载的不确定性和材料的变异性等因素。
通过使用合适的分析模型和计算方法，可以提高设计计算的精确性。
5.可靠性原则：设计计算应具有适当的可靠性，即当计算结果被用于实际工程时，能够有效地保证结构的安全性。
为了实现这一点，设计计算应基于经验数据和合理的假设，同时考虑到结构的可靠度要求。
6.经济性原则：设计计算应尽可能经济。
这意味着设计计算应在满足结构安全性和性能要求的基础上，尽量减少结构的成本。
为了实现这一目标，设计计算应优化结构的构型、材料和施工方法等方面。
7.实用性原则：设计计算应具有实用性，即设计计算的方法和结果应对实际工程具有可操作性和可行性。
设计计算应提供实际可行的解决方案，并确保设计计算的结果易于理解和使用。
2结构按极限状态法设计计算的原则-文档资料
料的强度标准值具有不小于95%的保证率。
2）材料强度的设计值fd
标准值除以材料性能分项系数
2
结构按极限状态法设计计算的原则
2.3 材料强度的取值
2.3.2 混凝土强度标准值和强度设计值
1）立方体抗压强度标准值fcu,k
C20-C80，以5MPa进级，共13级。
2.1.1 结构可靠性和可靠度
（1）结构的四大功能
2
结构按极限状态法设计计算的原则
2.1 概率极限状态设计法的基本概念
2.1.1 结构可靠性和可靠度
（2） 结构的三大性能 安全性、适用性和耐久性。 （3） 结构的可靠度 结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成上述预 定功能的概率。
2
结构按极限状态法设计计算的原则
尺寸、配筋及构造要求。
设计计算方法的发展：
容许应力计算法 破坏阶段法 极限状态计算法
概率极限状态设计法：把影响结构可靠性的各种因素均视为随机
变量，以大量现场实测资料和实验数据为
基础，运用统计数学的方法，寻求各变量 的统计规律，确定结构的可靠度来度量结
2
结构按极限状态法设计计算的原则
2.1 概率极限状态设计法的基本概念
均值相比不可忽略的荷载。
3. 偶然荷载：在设计使用期内，不一定出现，但一旦出现，其值
很大且持续时间很短的荷载。
2
结构按极限状态法设计计算的原则
2.4 作用、作用的代表值和作用效应组合
2.4.2 作用的代表值
1）作用的标准值
基本代表值。最大概率分布的数值。
永久作用采用标准值作为代表值。可变作用也有代表值。
2.1 概率极限状态设计法的基本概念
结构按极限状态法设计的原则
（2）适用性：正常使用过程中，具有良好的工作性 能，不出现过大的变形和过宽的裂缝 如：刚度要求(变形)，稳定性要求，裂宽要求 （3）耐久性：结构在正常的使用年限内，在正常的 维护下具有足够的耐久性能，不发生锈蚀和风化 现象，不得过早地发生破坏而影响正常使用 （4）经济性：除包括一次投资的建设费用外，尚应 含使用后的维修费用和养护加固费用等，即采用 最经济的方案实施安全性和使用性。 总之，安全、适用、耐久、经济，适量考虑美观。
2 结构按极限状态法设计的原则
主要内容： 钢筋混凝土结构计算方法的演变过程 按极限状态法设计的原则 材料强度的取值
1、对RC结构的基本功能要求
结构设计需满足使用上的要求经济上的要 求可归纳为：安全性,适用性,耐久性,经济 性 （1）安全性：要求结构能承受正常制作期 (施工)、正常使用期，可能出现的各种作 用，以及在偶然事件发生后，仍然能保持 必需的整体稳定性 作用：自重，预加应力，汽车荷载，人群 荷载，汽车冲击力等。0年代提出，基于概率统计理论 • 基本内容 ①提出极限状态概念 承载力极限状态 ∑kiMi≤Mp=Φ(Rg、Rs、S) 正常使用极限状态 f≤［f］ δfmax≤［δf］ ②采用分离系数：材强，荷载，施工等多系数表达 ③材强、荷载取值经数理统计处理，反映接近实际 • 存在问题 ①荷载超常值处理，材强取值精度 ②结构整体可靠度不明确
（4）在偶然荷载（如地震、强风）作用下或偶然事件（如 爆炸）发生时和发生后，结构仍能保持整体稳定性，不发 生倒塌。
•
• •
•
结构的安全性：第（1）、（4）两项通常是指结构的承载 能力和稳定性，关系到人身安全，称为结构的安全性 结构的适用性：第（2）项 结构的耐久性：第（3）项 结构的可靠性：结构的安全性、适用性和耐久性这三者总 称为结构的可靠性
第2章 结构按极限状态法设计计算的原则(新)
第2章结构按极限状态法设计计算的原则钢筋混凝土结构构件的“设计”是指在预定的作用及材料性能条件下，确定构件按功能要求所需要的截面尺寸、配筋和构造要求。
自从19世纪末钢筋混凝土结构在土木建筑工程中出现以来，随着生产实践的经验积累和科学研究的不断深入，钢筋混凝土结构的设计理论在不断地发展和完善。
最早的钢筋混凝土结构设计理论，是采用以弹性理论为基础的容许应力计算法。
这种方法要求在规定的标准荷载作用下，按弹性理论计算得到的构件截面任一点的应力应不大于规定的容许应力，而容许应力是由材料强度除以安全系数求得的，安全系数则依据工程经验和主观判断来确定。
然而，由于钢筋混凝土并不是一种弹性匀质材料，而是表现出明显的塑性性能，因此，这种以弹性理论为基础的计算方法是不可能如实地反映构件截面破坏时的应力状态和正确地计算出结构构件的承载能力的。
20世纪30年代，前苏联首先提出了考虑钢筋混凝土塑性性能的破坏阶段计算方法。
它以充分考虑材料塑性性能的结构构件承载能力为基础，使按材料标准极限强度计算的承载能力必须大于计算的最大荷载产生的内力。
计算的最大荷载是由规定的标准荷载乘以单一的安全系数而得出的。
安全系数仍是依据工程经验和主观判断来确定。
随着对荷载和材料强度的变异性的进一步研究，前苏联在20世纪50年代又率先提出了极限状态计算法。
极限状态计算法是破坏阶段计算法的发展，它规定了结构的极限状态，并把单一安全系数改为三个分项系数，即荷载系数、材料系数和工作条件系数。
从而把不同的外荷载、不同的材料以及不同构件的受力性质等，都用不同的安全系数区别开来，使不同的构件具有比较一致的安全度，而部分荷载系数和材料系数基本上是根据统计资料用概率方法确定的。
因此，这种计算方法被称为半经验、半概率的“三系数”极限状态设计法。
我国原《公路桥规》（1985）采用的就是这种设计方法。
20世纪70年代以来，国际上以概率论和数理统计为基础的结构可靠度理论在土木工程领域逐步进入实用阶段。
2. 结构按极限状态设计法设计原则
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建
应用方法： 1.校核法 β min ≥ [β ] ：用目标可靠指标校核结构构件的可靠指标 2.直接法——直接采用目标可靠指标进行结构构件截面设计 3.校准法 表 2-2（持久状况承载能力极限状态） 公路桥梁结构构件的目标可靠指标/相应的失效概率 结构 安全等级 一 级 二 级 三 级 构件破坏类型 延性破坏 4.7/1.30× 4.2/1.33× 3.7/1.08× -6 -5 -4 10 10 10 脆性破坏 5.2/9.96× 4.7/1.30× 4.2/1.33× -8 -6 -5 10 10 10 延性破坏——指结构构件有明显变形或其他预兆的破坏 脆性破坏——指结构构件无明显变形或其他预兆的破坏 偶然状况承载能力极限状态 ：目标可靠指标应符合 有关规范 （如抗震规范）的规定； 正常使用极限状态： 目标可靠指标可根据不同类型结构的特点 （相应的Pf ≤ 21.2%) 和工程经验确定；公路桥梁： β ≥ 0.8 表 2-3 公路桥涵结构的安全等级 安全等级 破坏后果 桥涵类型 结构重要性系数 一级 很严重 特大桥、重要大桥 1.1 二级 严重 大桥、中桥、重要小桥 1.0 三级 不严重 小桥、涵洞 0.9 《建筑结构可靠度设计统一标准》 （GB50068—2001）规定：结 构构件承载能力极限状态的可靠指标不应低于下表： 结构构件承载能力极限状态的目标可靠指标/相应的失效概率 结构 一 级 二 级 三 级
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建
（3）采用防腐钢筋（体外力筋、无粘结力筋、环氧树脂钢 筋） ；加强构造钢筋、控制裂缝发展；加大混凝土保护层。 §2-3 材料强度的取值 一、材料强度的取值原则 在实践工程中， 按同一标准生产的钢筋或混凝土各批之间的 强度是有差异的。 1、材料强度的标准值 材料强度的标准值是根据材料强度概率分布的 0.05 分位值， 即具有 95%保证率的要求确定的。
结构按极限状态法设计计算的原则
表2-1所列公路桥梁结构的设计使用年限是在总结以往实 践经验，考虑设计、施工和维护的难易程度，以及结构一旦 失效所造成的经济损失和对社会、环境的影响基础上确定的。
公路桥梁结构的设计基准期统一取100年。
13
2.1.2 结构的极限状态
1）结构工作状态与极限状态 结构在使用期间的工作情况，称为结构的工作状态。 当结构能够满足各项功能要求而良好地工作时，称为 结构“可靠”，反之则称结构“失效”。结构工作状态是 处于可靠还是失效的标志用“极限状态”来衡量。 当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态而不能 满足设计规定的某一功能要求时，则此特定状态称为该功 能的极限状态。
4
（3）极限状态法——不使结构超越某种规定的极限 状态的设计方法。
半概率设计法 近似概率设计法 全概率设计法
5
2.1 概率极限状态设计法的概念
2.1.1 结构的功能要求与可靠性
1）结构的功能要求 工程结构设计的基本目标是在一定的经济条件下，使 设计的结构在预订的使用年限内能够可靠地完成各项规定 的功能要求，做到安全可靠、适用耐久和经济合理。
图2-3 可靠指标β与平均值mZ 关系图
结构可靠度既可用失效 概率Pf来描述和度量，也可 用β来描述和度量，工程上 目前常用β表示结构的可靠 程度，并称之为结构的
1）用作公路桥梁结构设计依据的可靠指标，称为目 标可靠指标。它主要是采用“校准法”并结合工程经验 和经济优化原则加以确定的。
6
2.1.1 结构的功能要求与可靠性
（1）安全性——在正常施工和正常使用情况下，结构 能够承受可能出现的各种作用（指直接施加于结构上的荷 载及间接施加于结构的、引起结构产生外加变形或约束变 形的原因）。
在偶然事件（如地震、撞击等）发生时和发生后，结 构产生局部损坏，但不致出现整体破坏和连续倒塌，仍然 保持必须的整体稳定性。
结构按极限状态法相关设计计算原则
极限状态设计表达式
s c2
式中：
S：作用(或荷载)标准值(其中汽车荷载应考虑冲击系数)
产生的效应(应力);当有组合时不考虑荷载组合系数。
C2：结构的功能限值（应力）
结构按极限状态法相关设 计计算原则
§2.3 材料强度的取值 2.3.1 材料强度的取值原则
20世纪40年代美国学者A.M.Freadentbal提出了结
构可靠性理论。 20世纪60-70年代国际上的结构可靠度理论在土木工程 领域逐步进入了实用阶段。 20世纪80年代后期我国在建筑结构领域率先进入了实 用阶段，先后出版了下列国家标准：
结构按极限状态法相关设 计计算原则
《建筑结构可靠度设计统一标准》(GBJ68-84) 《工程结构可靠度设计统一标准》(GB50153-92) 《港口工程结构可靠度设计统一标准》(GB 50158-92) 《铁路工程结构可靠度设计统一标准》(GB 50216-94) 《公路工程结构可靠度设计统一标准》(GB/T 502831999)
——对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规 定限值。
影响正常使用或外观的变形
正
常
影响正常使用或耐久性能的局部损坏
使
用
影响正常使用的振动
极 限
状
影响正常使用的其它特定状态
态
结构按极限状态法相关设 计计算原则
结构可靠度的基本原理
• 目前，结构可靠度设计一般是将赋予概率 意义的极限状态方程转化为极限状态设计 表达式，此类设计均可称为概率极限状态 设计。
（可靠性） (3)结构在正常使用和正常维护条件下，在规定的时间内，具
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
7、结构功能函数 可靠指标用来描述结构可靠度的原因 可靠指标计算简单，且与可靠度有一一对应的数 量关系； β值愈大，失效概率Pf值就愈小； β值愈小，失效概率Pf值就愈大。
7、结构功能函数 结构抗力R与作用效应S都是随机变量，因此功 能函数Z=R-S也是随机变量，Z>0 结构可靠； Z=0 结构处于极限状态；Z<0 结构失效。
为：假定RP和f S均服/从2 1正e态t22d分t布，(则)结构失效概率 Pf
引入符 号 βZZ，μσzz————功功能能函函数数ZZ的的标平准均差值。； Pf ()
1、结构设计的目的 使所设计的结构，在规定时间内以足够的概率完成所有 预期功能的要求。
2、结构设计的预期功能要求
结构应能承受在正常施工和正常使用期间可能出现的各 种荷载、外加变形、约束变形等的作用 ——承载能力
结构在正常使用条件下具有良好的工作性能——适用性 安
结构在正常使用和正常维护条件下，在规定的时间内， 全
其中：安全系数是个大于1的数字，越大，结构安全度 就越高，同时材料的用量就越多
优点：简单实用，把所有不利因素用K>1表示
缺点：安全系数的确定主要凭借经，缺乏严格科学依 据
适用情况：当结构是非杆件结构（如大体积坝体、空 间薄壳结构等）时，因规范没有给出明确的计算公式， 则弹性力学方法仍是较实用的分析方法。
结构设计原理
2 结构按极限状态法设计计算的原则
重点： 2.1 结构设计方法的发展 2.2 概率极限状态设计法的基本概念 2.3 我国公路桥涵设计规范的计算原则 2.4 材料强度的取值 2.5 作用的代表值和作用效应组合
2.1 结构设计方法的发展
结构设计经历了各种演变，可从以下两个方面进行 归纳：
6、结构的极限状态
可靠状态：结构能够满足各项功能要求而良好 工作的状态
失效状态：可靠状态以外的其他工作状态 极限状态：上述两者的临界/边际状态 分三类：
承载能力极限状态：对应于安全功能要求，失 去平衡，结构构件或连接处因超过材料强度而破 坏，失稳，结构转变成机动体系 ；
正常使用极限状态：对应于适用和耐久功能要 求，变形，局部损坏，振动，沉降过大等；
缺点：安全系数的确定依赖经验，且是一个定值
2.1 结构设计方法的发展
塑性基础上，用统计方法确 定材料和荷载不同的分项系 数。
极限状态设计法——以承载能力极限状态表达式 为例：
fck， fsk —材料强度，根据大量试验数据统计后，按一
定保证率确定的下限分位值，反映材料强度的变异性。 q —根据各种荷载的实测统计资料，按一定保证率的上
在对整个体系进行精确概率分析的基础上，以结构失效 概率作为结构的直接度量。
2 结构按极限状态法设计计算的原则
重点： 2.1 结构设计方法的发展 2.2 概率极限状态设计法的基本概念 2.3 我国公路桥涵设计规范的计算原则 2.4 材料强度的取值 2.5 作用的代表值和作用效应组合
2.2 概率极限状态设计法的基偶然荷载作用下或偶然事件发生时和发生后，结构仍 能保持整体稳定性，不发生倒塌——稳定性
3、结构的可靠性
安全性、适用性和耐久性统称结构的可靠性。 4、结构的可靠度
是结构可靠性的度量，指在规定的时间内，在 规定的条件下，完成预期功能要求的概率。
5、设计基准期
概念：是进行结构可靠性/可靠度分析时，考虑 持久设计状况下各项基本设计变量与时间关系所 采用的基准时间参数
限分位值；
kq，kc ，ks —荷载和材料强度的分项系数，经验确定； As，b —截面几何尺寸。
优点：是我国原规范采用的设计方法，其针对荷载、 材料的不同变异性，不再采用单一系数，是多系数法。
缺点：材料强度系数、荷载系数仍按经验确定，只是 对不同的荷载变异大小，取用不同的系数
2.1 结构设计方法的发展
设计基准期取值：国际上取值标准不一，多取 50~120年，重大结构适当延长；中国公路桥梁设
设计基准期与使用寿命
设计基准期：考虑持久设计状况下各项基本变量 与时间关系所采用的基准时间参数。 使用寿命：为结构或构件在正常维护条件下，不 需要大修即可按其设计规定的目的正常使用的时 间。 结构的使用年限超过设计基准期时，表明它的失 效概率可能会增大，不能保证其目标可靠指标， 但不等于结构丧失所有要求功能甚至报废，通常 使用寿命大于设计基准期。
三个概率水准
以概率论为基础的极限状态设计法分为三个概率水准
水准I——半概率设计法
只对影响结构可靠度的某些参数，用数理统计进行分析， 并与经验相结合，然后引入某些经验系数，该法对结构 的可靠度还不能作出定量的估计。
水准II——近似概率设计法（现我国规范采用的设计方法）
运用概率论和数理统计，对工程结构、构件或截面设计 的可靠概率作出较为近似的相对估计；分析中忽略或简 化了变量随时间的关系，非线性极限状态方程线性化。 水准III——全概率设计法
1、从结构设计理论上
弹性理论
极限状态理论
2、从设计方法上
定值设计法
概率设计法
2.1 结构设计方法的发展
依靠经验，定尺寸模数
2.1 结构设计方法的发展
弹性理论计算的构件截 面任一点应力不大于容 许应力值
容许应力法：
构件在外界作用下，某截面的最大应力 达到 或超过材料的容许应力时，构件即失效（破
坏），即要满足安 材：全 料系 强数 度
2.1 结构设计方法的发展
考虑混凝土塑性特征的 计算方法：K·S≤R
破损阶段设计法：
构件在外界作用下，某截面的内力达到某极限 内力时，构件即失K·效S≤R（破坏）
R—考虑材料塑性性能的整个截面的极限承载力，由试 验得出的经验公式计算； S—最大荷载产生的内力； K—安全系数，由经验确定
优点：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
7、结构功能函数
是描述结构满足功能要求的情形或程度（工作 状态）的函数，结构抗力R与作用效应S之差
Z=g(R, S)=R- S
结构抗力R：结构构件承受内力和变形的能力， 它是结构材料性能和几何参数等的函数。
作用S：施加在结构上的集中力或分布力，或 引起结构外加变形或约束变形的原因，它分为直 接作用和间接作用。