第3章 钢筋混凝土结构设计方法

合集下载
  1. 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. 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. 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)。
– 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。
– 是可靠性的概率度量。 (定量描述)
3.1.2 结构的预定功能及结构可靠度
规定的时间:设计使用年限(design working life) 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
类别 1 2 3 4
设计使用年限(年) 5 25 50
偶然作用:量值很大且持续时间很短的作用 ★作用效应 S(effect of an action) 由作用产生的内力和变形(轴力、剪力、弯矩、扭矩、变形、
裂缝等)
作用效应 S 是随机变量或随机过程
3.1.1 结构上的作用、作用效应及结构抗力
2. 结构抗力 R(resistance)
★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、刚度及抗裂能力等。
结构极限状态方程的一般表达式 Z = g ( X1, X2 , …, Xn ) = 0
只包含两个变量的功能函数 Z = g ( R, S )=R – S
只包含两个变量的结构极限状态方程 Z = g ( R, S )=R – S = 0
3.3.3 结构的功能函数和极限状态方程
• 用功能函数Z判别结构的工作状态
经济问题 在现有技术的基础上,以最经济的手段获得预定功能要求 合理地解决结构可靠与经济之间的矛盾
3.1.2 结构的预定功能及结构可靠度
2. 结构的可靠度
• 结构的可靠性 – 结构的安全性、适用性和耐久性总称结构的可靠性。
– 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。(定性描述)
• 结构可靠度
材料强度的变异性及统计特性
钢筋屈服强度的概率分布基本符合正态分布。
混凝土立方体抗压强度的实测值也符合正态分布。
材料强度标准值
钢筋和混凝土的强度标准值 fk= mf - asf 。偏低值
概率密度 p(x)
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0 22
fk
24
mf 26
材料强度x
注意:
• 两类极限状态中,承载能力极限状态最重要,对所有结构均应 考虑
• 两类极限状态中,均有变形限值,但量值不同,应注意区分。
3.3.3 结构的功能函数和极限状态方程
结构的“工作状态”
结构在使用期间的工作情况称为“工作状态”,可用功能 函数描述。
结构的功能函数 Z的一般表达式 Z = g ( X1, X2 , …, X随n )机性基本变量
混凝土强度标准值(N/mm2)
3.2 荷载和材料强度取值
小结
• 重要思想:荷载取具有一定保证率的偏大荷载值(不取最大值) 材料强度取具有一定保证率的偏小强度值(不取最小值)。 安全与经济的统一;适当的可靠度
• 荷载标准值:按《荷载规范》查取; 各种荷载的保证率不一致(统计资料不完备,工程经验)
• 材料强度标准值:均具有大于或等95%的保证率(钢筋强度保 证率为97.78%;混凝土强度保证率95%) 根据混凝土强度等级(立方体抗压强度标准值:基本代表值) 查规范。
3.3.1 结构的极限状态
• 承载能力极限状态(安全性) ★3点:结构或构件达到最大承载能力(强度破坏);
达到不适于继续承载的变形(失稳、滑移、倾覆等);或因 结构局部破坏而引发的连续倒塌。 ★标志和限值 • 结构构件出现强度破坏(最主要的承载能力问题) • 结构或构件作为刚体失去平衡(如倾覆等)
★影响因素 – 材料性能(强度、变形模量等) – 几何参数(构件尺寸等) – 计算模式的精确性(构件抗力计算模型) ★结构抗力 R 是随机变量
3. 设计基准期 T (design reference period)
为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时 间参数,《建筑结构可靠度设计统一标准》规定为50年.
重要思想方法:复杂问题→复杂(精细)方法 → 简化表达式 ↑
目标可靠指标
S < R 可靠
结构功能的表达 S = R 极限状态
S > R 失效
S——作用效应 Action Effect 结构上的作用(使结构产生内力和变形的原因,如荷载、
不均匀沉降、温度变形、收缩变形、地震等)引起的效应 如弯矩M、轴力N、剪力V、扭矩T、挠度 f、裂缝宽度 w 等
第3章 钢筋混凝土结构的设计方法
• 学习目标
了解混凝土结构的组成、安全等级和结构可 靠度;
熟悉承载力极限状态和正常使用极限状态; 熟悉荷载的分类及其标准值;熟悉材料强度
标准值与设计值;熟悉我国混凝土结构设计 规范采用的设计表达式。
要点
• 作用于结构上的荷载取值 结构构件自重; 外部作用
(活荷载、风荷载、雪荷载、地震作用等) • 材料强度取值 钢筋强度;混凝土强度 • 结构设计方法
《混凝土规范》中的混凝土强度标准值规定
强度
混凝土强度等级
种类 C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80
fck 10.0 13.4 16.7 20.1 23.4 26.8 29.6 32.4 35.5 38.5 41.5 44.5 47.4 50.2 ftk 1.27 1.54 1.78 2.01 2.20 2.39 2.51 2.64 2.74 2.85 2.93 2.99 3.05 3.11
楼面活荷载、风荷载和雪荷载符合极值 I 型分布
荷载标准值
结构在使用期间,在正常
情况下,可能出现的具有一
定保证率(assurance factor) 的偏大荷载值 。
3.2.1荷载标准值的确定
荷载标准值
荷载标准值是 建筑结构按极 限状态设计时 采用的荷载基 本代表值。
如果荷载符合 正态分布,且 具 有 95% 的 保 证率,则标准 值Pk为
S = S(Q) M = 1 pl2 结构力学的主要内容
8 R——结构抗力 Resistant
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]
《建筑结构可靠度设计统一标准》规定的建筑结构安全等级
安全等级
破坏后果
建筑物类型
一级 二级 三级
很严重 严重 不严重
重要的房屋 一般的房屋 次要的房屋
建筑物中各类结构构件的安全等级宜与整个结构的安全等 级相同,但允许对部分结构构件根据其重要程度和综合效 益进行适当的调整。
用安全等级区分结构的可靠度
3.1 结构可靠度及结构设计方法
• 结构转变为机动体系
• 结构或构件丧失稳定(如压屈等) • 地基丧失承载能力而破坏(如失稳等)
对于任何承载的结构或构件,都需要按承载能力极限状态进 行设计。
3.3.1结构的极限状态
• 正常使用极限状态(适用性和耐久性) ★两点:结构或构件达到适用性和耐久性极限状态
★标志和限值 • 结构变形或振幅达到某一限值; • 不允许出现裂缝的构件,混凝土应力超过混凝土的抗拉强度; • 允许出现裂缝的构件,裂缝宽度超过某一限值; • 其他特定状态,如相对沉降量过大等。
3.1.2 结构的预定功能及结构可靠度
1. 结构设计的基本要求
满足使用功能:结构的预定功能要求 安全性(safety class): 不发生构件破坏或结构倒塌 适用性(serviceability): 变形和裂缝宽度不超限 耐久性(durability):结构材料的风化、腐蚀和老化不
超过一定限度
荷载值、材料强度值确定后→ 如何设计,保证结构具有适当的可靠度
3.1.1结构上的作用、作用效应及结构抗力
1. 结构上的作用和作用效应
★作用:使结构或构件产生内力和变形的各种原因 直接作用(荷载):以力的形式直接作用于结构上 间接作用:以变形的形式作用在结构上
★作用按时间变异的分类
永久作用 G:其值不随时间变化(恒载) 可变作用 Q:其值随时间变化(活荷载)
Pk=mP+1.645sP
概率密度 p(x)
0.4
0.35 0.3
0.25
0.2 0.15
0.1 0.05
0 22
23
24
mP 26
Pk 28
永久荷载x
3.2.1 荷载标准值的确定
荷载标准值
永久荷载标准值Gk:可按结构设计规定的尺寸和《荷载规 范》规定的材料容重平均值确定,一般相当于永久荷载概 率分布的平均值。
小结
• 结构上的作用、作用效应 • 结构的抗力 • 设计基准期;设计使用年限; • 结构可靠性,结构可靠度 • 结构的安全等级 • 概率极限状态设计法
影响结构可靠度的主要因素(荷载值、材料强度值等) 用概率的方法确定; 结构的工作状态取“极限状态”。
3.2.1荷载标准值的确定 荷载的统计特性
永久荷载 G 是随机变量;永久荷载 G 符合正态分布 可变荷载 Q 是随机过程;
a为与材料
实际强度 f 低 于 fK 的 概 率有关的保 证率系数。
28
3.2.2 材料强度标准值的确定
钢筋的强度标准值 对于热轧钢筋,废品限值相当于屈服强度平均值减去2倍
标准差,即a = 2,保证率为97.73%。
《混凝土规范》规定的钢筋强度标准值具有不小于95% 保证率。
热轧钢筋强度标准值(N/mm2)


Fra Baidu bibliotek
HPB 300


HRB 335/HRBF 335

HRB 400/HRBF400/RRB400

HRB 500/HRBF500
符号
A B/BF C/CF/CR C/CR
d/mm fyK 6~22 300 6~50 335 6~50 400 6~50 500
3.2.2 材料强度标准值的确定
混凝土的强度标准值
当Z>0时,结构处于可靠状态; 当Z<0时,结构处于失效状态; 当Z=0时,结构处于极限状态。
• 结构的失效概率
结构功能函数Z= R-S<0的概率
称为结构构件的失效概率 pf 。
功能函数Z=R-S服从正态分布,mz = mR - mS ,sz =
s
2 R
+
s
2 S

结构的失效概率可直接通过 Z < 0 的概率来表达。
3.4 结构极限状态设计表达式
提要
• 直接按概率极限状态设计法进行设计,需进行迭代计算,计 算工作量大。对于大量的一般结构,没有必要,需寻求简化 方法。
• 承载能力极限状态设计表达式 通过调整作用效应分项系数、材料分项系数等,使按设计表 达式设计的结构或构件,其可靠指标与设计可靠指标最接近
• 正常使用极限状态设计表达式 按作用效应标准值(频遇值、准永久值)、材料强度标准值 计算
办公楼、住宅楼面均布活荷载标准值Qk均为2.0kN/m2。 风荷载标准值是由基本风压乘以风压高度变化系数、风载
体型系数和风振系数确定的。
雪荷载标准值是由建筑物所在地的基本雪压乘以屋面积雪 分布系数确定的。
注:上述荷载标准值可由《建筑结构荷载规范》查取; 各种可变荷载标准值的保证率不同。
3.2.2 材料强度标准值的确定
《混凝土规范》规定的混凝土的强度标准值为具有95% 保证 率的强度值。
立方体抗压强度标准值 fcu,k
轴心抗压强度标准值 fck 轴心抗拉强度标准值 ftk 混凝土强度的基本代表值为 fcu,k。
3.2.2 材料强度标准值的确定
立方体抗压强度标准值 fcu,k 轴心抗压强度标准值 fck 轴心抗拉强度标准值 ftk •混凝土强度的基本代表值 fcu,k。
100


临时性结构
易于替换的结构构件
普通房屋和构筑物
纪念性建筑和特别重要的建筑物
注意:设计使用年限、设计基准期、使用寿命、耐久年限等概 念之间的区别。
规定的条件 正常设计、正常施工、正常使用
3.1.3结构的安全等级
结构的安全等级(safety class)
安全等级根据结构破坏可能产生的后果,即危及人的生命、 造成的经济损失、产生社会影响等的严重程度确定。
3.3 概率极限状态设计法
提要
• 结构的极限状态 定义;两类极限状态(安全性,适用性和耐久性)
• 结构物在建造和使用过程中所承受的作用、所处环境条件、 经历时间长短等都是不同的,设计时所采用的结构体系、可 靠度水准、设计方法等也应有所区别。
• 结构的功能函数和极限状态方程 作用效应S与结构抗力R的关系式;S = R
• 结构可靠度
3.3.1 结构的极限状态
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 设计规定的某一功能要求,此特定状态称为该功能的极 限状态。
极限状态实质上是区分结构可靠与失效的界限。
结构的极限状态分类
承载能力极限状态 安全性极限状态。主要是破坏(强度)极限状态 正常使用极限状态 适用性和耐久性极限状态。主要是变形和裂缝宽度极限状 态
相关文档
最新文档