结构设计方法

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作用按时间变异特点分为:
永久作用:
可变作用:
偶然作用:
3.4 作用效应和结构抗力
作用按空间位置变异特点分为: 固定作用 自由作用 作用按结构反应的特点分为:
静态作用 动态作用
3.4 作用效应和结构抗力
2、
结构抗力R
简言之,结构抗力即为结构或构件抵
抗作用效应的能力。
结构抗力R 可以是对整个结构、或对一个构 件、甚至是对某一截面而言的。显然,结构抗力 与结构的几何尺寸(如跨度、高度、截面形状、 截面尺寸等)、结构所用材料与分布等有关。
当Z > 0——可靠状态 当Z < 0——失效状态 当Z = 0——临界状态
3.5 概率极限状态法与可靠度
3.5.2 结构的可靠度
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。Ps
规定时间——设计使用年限 规定条件——指正常设计、正常施工、正常使用条件,不 考虑人为的过失
3.5 概率极限状态法与可靠度
可以看到,Pf的大小取决于积分上限 Z 0
标准正态分布中积分上限到原点的距离,称为可靠度指标β
^
Z 由以上各式,可以得出失效概率与可靠指标之间的关系 Z
) ( ) Pf ( Z o
根据以上的分析,可以得出以下一些重要概念:
3.5 概率极限状态法与可靠度
重要结论: (1)可靠度指标与失效概率是一一对应关系 (2)可靠度指标在标准正态分布中概念很明 确,当可靠度指标 β 增大时,失效概率 Pf (阴影面积)减小,说明结构的可靠度增 大。 (3)可靠度指标β 本身就包含S和R的随机性, 所以可以用来反映结构的可靠性。
3.3 结构的极限状态
1、承载能力极限状态 (a)定义: 结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形状态 主要考虑结构安全性功能。 (b)标志: (1)整个结构或其中的一部分作为刚体失去平衡(如倾覆、过大的 滑移); ( 2 )结构构件或连接因材料强度被超过而破坏或因过度的塑性变形 而不适用于继续承载(如受弯构件中的少筋梁); ( 3 )结构转变为机动体系(如超静定结构由于某些截面的屈服,使 结构成为几何可变体系); (4)结构或构件丧失稳定(如细长柱达到临界荷载发生压屈)。 (5)地基丧失承载力(如地基稳定性不够)
3.7荷载效应组合
3.7.3 荷载效应组合表达式 1、承载能力极限状态基本组合
(1)可变荷载效应控制时
3.7荷载效应组合
(2)永久荷载效应控制时
式中 γ G──永久荷载(恒载)分项系数,按式(3.11)取值; γ Qi──第i 个可变荷载分项系数,按式(3.12)取值; SGK──永久荷载标准值的效应; SQiK ──第i 个可变荷载标准值的效应; ψ Ci──第i 个可变荷载的组合值系数。 到底是永久荷载控制还是可变荷载控制,很难 直接判断,应分别计算,然后取大值。
3.5 概率极限状态法与可靠度
3.2.4 目标可靠指标、结构的安全等级
1、目标可靠指标 《统一标准》以我国长期工程经验的结构可靠 度水平为校准点,考虑了各种荷载效应组合情况, 选择若干有代表性的构件进行了大量的计算分析, 规定对于一般工业与民用建筑作为设计依据的可 靠指标[]。 (a)延性破坏时(轴心受拉及受弯构件)取 []=3.2; ( b)脆性破坏时(轴心受压、偏心受压及受剪), 取[]=3.7
主要考虑有关结构适用性和耐久性的功能。
(b)标志:
(1)影响正常使用或外观的变形(如过大的挠度); (2)影响正常使用或耐久性的局部破坏(如不允许出现裂缝结构的 开裂;对允许出现裂缝的构件,其裂缝宽度超过了允许限值); (3)影响正常使用的振动; (4)影响正常使用的其它特定状态。
3.3 结构的极限状态
破坏效后果 很严重 严重 不严重
表注:延性破坏是指结构构件在破坏前有明显变形或其它预兆;脆性破坏是指结构构件在破坏前无明 显变形或其它预兆。
3.6概率极限状态法的设计表达式
3.6.1荷载分项系数,材料分项系数和结构重要性系数 目标可靠度指标[] 能比较全面地反映荷载和 结构抗力变异性对结构可靠度的影响,是比较理 想的设计方法。因此对于一些重要结构,如原子 能反应堆的压力容器、海上采油平台等,都是按 []进行设计的。但是对于一般结构构件则应简化 以便实用。为此,可用荷载分项系数、材料分项 系数以及结构重要性系数来表达,以反映[]的效 果。
3.7荷载效应组合
3.7.1 荷载的种类
恒载(永久荷载) 活载(可变荷载) G Q
按照荷载随时间的变异情况分类
3.7荷载效应组合
3.7.2 荷载的代表值 Gk ,Qk 1、荷载标准值:即荷载的基本代表值,
cQk 反映荷载同时达到标准值的可能性不大 2、荷载组合值: 主要用于承载能力极限状态基本组合和正常使用极限状态的标准组 合
3.5 概率极限状态法与可靠度
函数标准正态化
功能函数的标准正态分布
3.5 概率极限状态法与可靠度
我们把Z化成标准正态分布,有
ˆ2 Z ˆ Z z ˆ z Zˆo 1 ˆ Pf P Z Z exp d Z o 2 z z 2
可靠概率:Ps 失效概率:Pf 关系: Ps+Pf=1
通常采用失效概率Pf以及其对应的可靠度指标β 来表示结构的可靠性
3.5 概率极限状态法与可靠度
3.5.3 失效概率和可靠度指标
功能函数的正态分布
3.5 概率极限状态法与可靠度
由概率论有:
则功能函数 Z 的平均值及标准差为: z = R- S 2 z 2 R S 求失效概率。
3.3 结构的极限状态
结构能够满足功能要求而良好地工作,称 为结构“可靠”或“有效”。反之则结构 “不可靠”或“失效”。区分结构工作状 态的可靠与失效的标志是“极限状态” (limit state)。极限状态是结构或构件能 够满足设计规定的某一功能要求的临界状 态,超过这一界限,结构或构件就不再能 满足设计规定的该项功能要求,而进入失 效状态。
3、荷载准永久值: 超越概率为50%,考虑其长期效应的影响 主要用于正常使用极限状态的准永久组合 4、荷载频遇值:
qQk
f Qk
设计基准期内,超越概率为规定概率的荷载值 用于正常使用状态的频遇组合
3.7荷载效应组合
总结: 1、荷载的标准值是荷载最基本的参数,它是按照 一定的条件确定的。 2、荷载的其它代表值都是反映荷载随时间或空间 变化的情况,是在标准值的基础上乘以一定的系 数得到的。也即荷载的其它代表值只会出现在活 载的情况。换句话,恒载只有标准值。 3、其它荷载代表值与标准值的比例系数满足 ψ 1或ψ <1
束变形的原因,如地面运动、地基不均匀沉降、温度变化、混凝土收 缩、焊接变形等。
作用效应“S”是上述作用引起的结构或构件的反应(内力(如轴
向力、剪力、弯矩、扭矩等)和变形(如挠度、侧移、裂缝等))。 当作用为集中力或分布力时,其效应可称为荷载效应。
C为荷载效应系数,S与Q的统计规律一致
3.4 作用效应和结构抗力
3.3 结构的极限状态
承载能力极限状态的几个例子
3.3 结构的极限状态
Question:是否结构的个别构件达到其承载 能力极限状态,代表整个结构进入承载能 力极限状态? 否 保证主要承重结构没有丧失承载能力
结构出现承载能力极限状态带来的后 果十分严重,要严格控制
3.3 结构的极限状态
2、正常使用极限状态 (a)定义: 结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限 值的状态,为正常使用极限状态。
2、正常使用极限状态
(a)变形验算 f ≤ [f ] w [w] (b)裂缝控制验算 3、承载能力与正常使用验算的主要区别: (1)、承载能力对应安全性 (2)、正常使用对应适用性和耐久性 (3)、计算内容不同,承载能力主要计算抗力(如截面的 抵抗弯矩、轴力等),而正常使用主要计算结构受载后的 效应(变形、开裂等)二者在荷载效应系数的取值上也不 同(以后将详细看到)
(3-3) (3-4)
为了找出可靠指标 与 Pf 的关系,现在采用极限状态函数 Z 的分布曲线 f(z)(图 假设 Z 服从正态分布 N (z,z),故由图 3-3a 得:
0
P f P ( Z 0)
(Z Z ) 2 exp dZ 2 2 Z 2 Z 1
c s
3.6概率极限状态法的设计表达式
3、结构重要性系数
3.6概率极限状态法的设计表达式
3.6.2 材料强度取值*
1、混凝土
( 1 )强度等级:混凝土的强度等级按立方体抗压强度标准 值确定。立方体抗压强度标准值系指按照标准方法制作养 护的边长为150mm的立方体试件在28d龄期,用标准试验方 法测得的具有95%保证率的抗压强度。
3.5 概率极限状态法与可靠度
设计方法的演化
容许应力法
单一的安全 系数
阶段应 力判 断 多个系数取代单一安 全系数,考虑变异
破损阶段法
极限状态法
概率极限状态法
引入概率统 计
3.5 概率极限状态法与可靠度
3.5.1结构的极限状态方程 Z = R-S = g (R,S)
3.5 概率极限状态法与可靠度
3.6概率极限状态法的设计表达式
(2)设计值: 钢筋强度标准值除以钢筋强度分项系数
不论是钢筋还是混凝土,各规范均给 出了其设计值,可以直接采用。
3.6概率极限状态法的设计表达式
3.6.3 极限状态设计表达式
1、承载能力极限状态
0S R
分项系数间接反映可靠度
3.6概率极限状态法的设计表达式
第3章 结构设计方法
3.1 为什么需要合适的结构设计方法
1、经典力学与实际工程之间的差异性
Байду номын сангаас
2、材料、荷载的无法精确确定,具有离散性 概率统计方法
3.2 结构设计的要求与可靠性
结构的功能要求
1. 安全性。
2. 适用性。
3. 耐久性。
4. 经济性。
3.2 结构设计的要求与可靠性
结构的可靠性(reliability):在规定的时 间内,在规定的条件下,完成预定功能的 能力。 规定的时间———设计使用年限(注意与 设计基准期的区别) 规定的条件———正常设计、正常施工、 正常使用和维护,不考虑人为错误或失误 的情形
3.6概率极限状态法的设计表达式
( 2 )混凝土强度标准值:混凝土强度标准值取值原则是超 值保证率为 95% ,即取强度总体分布的 0.05 分位值或平均 值减1.645倍标准差。
3.6概率极限状态法的设计表达式
(3)混凝土强度设计值:标准值除以分项系 数
3.6概率极限状态法的设计表达式
2、钢筋 (1)标准值: 对于有明显物理流限的热轧钢筋,取有关钢 筋的国标规定的屈服点作为标准值fyk,国标规定 的屈服点即钢厂出厂检验的废品限值,其保证率 为97.73%,能满足不小于95%的要求。 对于无明显物理流限的预应力钢筋,其强度 等级由国标规定的极限抗拉强度标准值来标志, 即fptk 取具有95%以上保证率的抗拉强度值。
两种极限状态的比较: (1)承载能力极限状态直接关系安全性(生 命安全),是重中之重。 (2)正常使用极限状态的危害性尽管没有承 载能力极限状态严重,但是也会带来一定 影响,如人的不安全感觉、经济损失等等。
3.4 作用效应和结构抗力
1、作用效应S
作用是指施加在结构或构件上的力,以及引起结构外加变形或约
3.5 概率极限状态法与可靠度
2、安全等级:按破坏程度和影响程度划分
一级:破坏后果很严重的重要建筑物 二级:破坏后果严重的一般工业与民用 建筑物 三级:破坏后果不严重的次要建筑物
3.2概率极限状态法的基本概念
表 3-2 安全等级 一级 二级 三级 建筑结构的安全等级与可靠度指标 建筑物类型 重要建筑 一般建筑 次要建筑 可靠度指标 脆性破坏 4.2 3.7 3.2 延性破坏 3.7 3.2 2.7
3.6概率极限状态法的设计表达式
1、荷载分项系数:等于荷载的设计值与标准值的 比值,一般情况下大于1 恒载的设计值 G γ GGK 活载的设计值 Q γ QQK
2、材料分项系数:等于材料的标准强度与设计强 度的比值,其值大于1。 混凝土的设计强度 fc fck /γ 钢筋的设计强度
fs fsk /γ
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