混凝土结构设计的原则和方法

破坏后的影响 程度
很严重
建筑物的类型 重要的建筑物
严重
一般的建筑物
不严重
次要的建筑物
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2. 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要进行 大修即可按其预定的目的使用的时期。
类 别
结构类型
结构的设计使用 年限（年）
１
临时性结构
5
２
易于替换的结构构件
25
３
普通房屋和构筑物
50
４ 纪念性建筑和特别重要建筑
混凝土结构设计原理
本章重点
第10章
➢ 了解结构上的作用、作用效应和结构抗力 的概念；
➢ 理解荷载标准值的含义，荷载分项系数的 含义；
➢了解混凝土结构设计方法的理论基础—— 可靠度理论；
➢ 熟练掌握实用设计表达式。
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10.1 极限状态
10.1.1 结构上的作用
R-S 概率密度分布曲线
f (S)，f (R)
uR - uS
usRk RkSkRk Rk
uR
S，R
设计验算点
S*=R*
承载能力极限状态函数
概念
• 可靠性：结构在规定的时间内，在规定的条件 下，完成预定功能的能力称为结构的 可靠性。
• 可靠度：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。
※ 可靠度是可靠性的概率度量。
以概率理论为基础的极限状态设计法
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 能性大小不同而已。
M < Mu f < [f]
M = Mu f = [f]
M > Mu f > [f]
耐久性 裂缝宽度 wmax< [wmax] wmax= [wmax] wmax> [wmax]
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1. 承载力能力极限状态： 结构或构件达到最大的承载能力或者
达到不适于继续承载的变形状态。
➢结构或构件由于材料强度不够而破坏； ➢结构产生过大的塑性变形而不适于继续承载； ➢结构或构件丧失稳定； ➢结构转变为机动体系时（超静定结构中出现足 够多塑性铰）； ➢整体结构或其中一部分作为刚体失去平衡。
作用：使结构产生内力或变形的原因称为作用。 直接作用：荷载 间接作用：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 约束变形的原因。
10.1 极限状态
10.1.1 结构上的作用
➢作用效应：结构上的作用使结构产生的内力 变形、裂缝等统称为作用效应或 荷载效应。
➢荷载和荷载效应之间通常按某种关系相联系。
➢ 结构能够完成预定的各项功能时，则称结 构是“可靠”的或“有效”的。反之，则结构 为“不可靠”或“失效”。
10.1.3 结构功能的极限状态
➢ “有效状态”与“失效状态”的分界称为 “极限状态”。
钢筋混凝土简支梁的可靠、失效和极限状态概念
结构的功能
可靠
极限状态
失效
安全性 受弯承载力 适用性 挠度变形
100
3. 建筑结构的功能
◆ 安全性 建筑结构应能承受正常施工和正常使用时可
能出现的各种荷载和变形，在偶然事件发生时及 发生后保持必需的整体稳定性，不致发生倒塌。
◎ 如（M≤Mu）； ◎ 整体稳定性
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3、建筑结构的功能
◆ 适用性 结构在正常使用过程中应具有良好的
工作性能。例如：不产生过大的变形或振 幅，不发生过宽的裂缝。 ◎ 如 f ≤[ f ]；
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◆ 耐久性
3、建筑结构的功能
结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够 的耐久性，完好使用到设计使用年限。
例如：混凝土不发生严重的风化、腐蚀、脱落，钢 筋不锈蚀等。
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10.1.3 结构功能的极限状态
极限状态：
➢ 整个结构或结构的一部分超过某一特定状 态就不能满足设计指定的某一功能要求，这个 特定状态称为该功能的极限状态。
S = S(Q) --------力学的主要内容
R——结构抗力 结构抵抗作用效应的能力 (如受弯承载力Mu、受
剪承载力Vu、容许挠度[f ]、容许裂缝宽度[w] )
R = R( fc, fy, A, h0, As, …) -------本课程的主要内容
Z = R-S ———— (极限状态方程) 对应的：
2．荷载的标准值
荷载标准值是荷载的基本代表值。 ➢ 定义
将荷载视为随机变量，采用数理统计的方法加以 处理而得到的具有一定概率的最大荷载值。 2) 如何确定 a.结构的自重可根据结构的设计尺寸和材料的重 力密度确定； b.采用的基本上是经验值。
10.1.2 结构的功能要求
1. 结构的安全等级
安全等级 一级 二级 三级
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1．荷载的分类
(1)永久荷载 在结构设计使用期间，其值不
随时间而变化，或其变化与平均值相比可以忽 略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的荷 载。
(2)可变荷载 在结构设计使用期内其值随时
间而变化，其变化与平均值相比不可忽略的荷 载。
(3)偶然荷载 在结构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. 正常使用极限状态
结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项规 定限值的状态。
➢ 过大的变形、侧移； ➢ 过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）； ➢ 过大的振动（不舒适）； ➢ 局部损坏。
10.1.4 极限状态方程
S——荷载效应 结构上的各种作用产生的效应总和（如弯矩M、
轴力N、剪力V、扭矩T、挠度 f、裂缝宽度 w 等）
为了科学定量的表示结构可靠性的大小，采用 概率方法是比较合理的。
10.2.2 可靠指标与失效概率
设：Pf ——失效概率
Ps —— 可靠概率
Pf = 1.0 －Ps (Z < 0)
失效概率越小，表示结构可靠性越大。因此，可以用失 效概率来定量表示结构可靠性的大小。
设：S —— 构件的荷载效应； R —— 结构的抗力 Z=R－S
Z=R-S >0 时， 结构处于可靠状态； Z=R-S =0时， 结构达到极限状态； Z=R-S<0时， 结构处于失效状态。
极限状态方程可推广为：
Z g ( x1, x2 ,, xn )
10.2 按近似概率的极限状态设计法
10.2.1 结构的可靠度
★ 鉴于结构抗力和荷载效应的随机性，安全可靠 应该属于概率的范畴，应当用结构完成其预定 功能的可能性（概率）的大小来衡量，而不是 一个定值来衡量。