第3章-混凝土结构设计的基本原则-自学笔记

第3章-混凝土结构设计的基本原则-自学笔记

学习目标：

1．掌握工程结构极限状态的基本概念，包括对结构的作用、结构的功能要求、设计基准期、设计使用年限和两类极限状态；

2．了解结构可靠度的基本原理；熟悉近似概率极限状态设计法在混凝土结构设计中的应用。

3.1 结构的功能要求和极限状态

3.1.1 结构的功能要求

结构设计的基本目的是什么？在一定的经济条件下，结构在预定的使用期限内满足设计所预期的各项功能。

结构的功能要求包括哪些方面？

1．安全性

结构在规定的使用期间内，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、约束变形等作用。在偶然事件发生时和发生后，结构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而造成生命、财产的严重损失。

2．适用性

结构在正常使用期间，具有良好的工作性能，比如不发生影响正常使用的过大变形、振动，或产生让使用者感到不安、宽度过大的裂缝等。

3．耐久性

结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性，即在各种因素的影响下，结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低，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。

3.1.2 结构的极限状态

什么是结构的极限状态？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，比如，构件即将开裂、即将倾覆、即将滑移、即将曲屈、即将失稳破坏等。当能完成预定的各项功能时，结构处于有效状态；反之，则处于失效状态，有效状态和失效状态之间的界限状态，称为极限状态，极限状态是结构开始失效的标志。

结构的极限状态包括哪些类型？承载能力极限状态和正常使用极限状态。

1．承载能力极限状态

什么是承载能力极限状态？结构或构件达到最大承载能力、疲劳破坏或者达到不适于继续承载的变形时的状态，称为承载能力极限状态。超过承载能力极限状态后，结构或构件就不能满足安全性的要求。

承载能力极限状态的表现：

（1）结构或构件达到最大承载力（包括疲劳）；

（2）结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移）；

（3）结构或地基塑性变形过大而不适于继续承载；

（4）结构形成几何可变体系（超静定结构中出现过多的塑性铰）；

（5）结构或构件丧失稳定（比如细长受压构件的压曲失稳）。

2．正常使用极限状态

什么是正常使用极限状态？结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项规定限度的状态称为正常使用极限状态。超过了正常使用极限状态，结构或构件就不能保证适用性和耐久性的功能要求。

正常使用极限状态的表现：

（1）过大的变形、侧移，往往会导致非结构构件受力破坏，会给人不安全感或导致结构不能正常使用（比如吊车梁的过大变形而导致不能使用）等；

（2）过大的裂缝，给人不安全感，并往往导致钢筋锈蚀等耐久性问题；

（3）过大的振动，往往会给人不舒适感，并影响精密仪器的使用；

（4）影响正常使用的其他特定状态。

3.1.3 结构的安全等级

由表3-1所示，安全等级及其对应的建筑物类型是根据结构破坏可能产生的后果的严重程度确定的。

表3-1 建筑结构的安全等级

安全等级影响程度建筑物类型

一级很严重重要的建筑物

二级严重一般的建筑物

三级不严重次要的建筑物

3.2 结构的可靠度和极限状态方程

3.2.1 结构上的作用、作用效应及结构抗力

（1）结构上的作用

结构上的作用是指什么？结构上的作用是指施加在结构或构件上的力，以及引起结构变形和产生内力的原因。

结构上的作用的分类：按作用方式分类；按随时间的变异分类。

按作用方式分类可分为直接作用和间接作用两种。

直接作用是指施加在结构上的荷载，比如说恒荷载、活荷载、风荷载和雪荷载等；

间接作用是指引起结构外加变形和约束变形的其他作用，比如地震、爆炸冲击波、地基不均匀沉降、温度变化、混凝土收缩、徐变、焊接变形等。

按随时间的变异分类，可分为三类：

①永久作用（通常称为永久荷载或恒荷载）；

②可变作用（通常称为可变荷载或活荷载）；

③偶然作用。

（2）作用效应

作用效应是指什么？直接作用和间接作用施加在结构构件上，由此在结构内产生的内力和变形（如轴力、剪力、弯矩、扭矩以及挠度、转角和裂缝等），称为作用效应。

（3）结构抗力

什么是结构抗力？结构抗力是指整个结构或结构构件承受作用效应（即内力和变形）的能力，如构件的承载能力、刚度等。

对于混凝土结构构件，当其截面尺寸、混凝土强度等级以及钢筋的种类、配筋的数量及方式等确定后，构件截面便具有了一定的抗力，该抗力值可按一定的计算模式确定。

影响抗力的主要因素：材料性能（强度等级、变形模量等）、几何参数（构件尺寸等）和计算模式的精确性（抗力计算所采用的基本假设和计算公式的精确性）等。

结构上的作用（特别是可变作用）与时间有关，结构抗力也随时间发生变化。

3.2.2 结构的可靠性和可靠度

什么叫做结构的可靠性？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。它是结构安全性、适用性和耐久性的总称。当结构的作用效应小于结构抗力时，结构处于可靠状态，反之结构将失效。

什么叫做结构的可靠度？结构可靠度则是指结构在规定时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率，即结构可靠度是结构可靠性的概率度量。其中，“规定的时间”是指“设计使用年限”；“规定的条件”是指正常设计、正常施工、正常使用和正常维护的条件，不包括非正常的、人为的错误等。

3.2.3 设计使用年限、设计基准期和实际使用寿命

1．设计使用年限

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、完成预定功能的时期，即结构在规定的条件下所应达到的使用年限。

表3-2设计使用年限分类

类别设计使用年限（年）示例

1 2 3 4

5

25

50

100

临时性建筑结构

易于替换的结构构件

普通房屋和构筑物

标志性建筑和特别重要的建筑结构