结构设计方法极限状态法
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2 南通大Leabharlann Baidu建筑工程学院
第三章 按近似概率理论的极限状态设计法
§3.1 极限状态
◎荷载的标准值 1.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.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.可变荷载常与时间有关，在缺少大量统计材料的条件下， 可近似按随机变量来考虑；
§3.1 极限状态
◎荷载的分类 按作用时间的长短和性质，荷载分为三类： 1.永久荷载 在结构设计使用年限内，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 在结构设计基准期内其值随时间而变化，其变 化与平均值不可忽略的荷载。 3.偶然荷载 在结构设计基准期内不一定出现，但一旦出现 其值很大且作用时间很短的荷载。
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第三章 按近似概率理论的极限状态设计法
3. 结构的功能
◆ 安全性
◎ 如（M≤Mu） ◎ 结构在预定的使用期间内（一般为50年），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 （如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束变形（如温度和 收缩变形受到约束时）等的作用。 ◎ 在偶然事件（如地震、爆炸）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。
表 4.1 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
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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§3.1 极限状态
2. 结构的设计使用年限 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 进行大修即可按达到其预定功能的使用时期。 设计年限可按《建筑结构可靠度设计统一标准》确定，也可 经过主管部门的批准按业主的要求确定。一般建筑结构的设 计使用年限为50年。 注意：区别建筑物的设计使用年限与建筑物的使用寿命。
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第三章 按近似概率理论的极限状态设计法
正常使用极限状态
超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久性 的功能要求。 ◆ 过大的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、不能 正常使用（吊车）等）； ◆ 过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）； ◆ 过大的振动（不舒适）； ◆ 其他正常使用要求。
S = S(Q)
结构力学的主要内容
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]
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第三章 按近似概率理论的极限状态设计法
◆ 结构的可靠性 ■ 可靠性——安全性、适用性和耐久性的总称
■ 就是指结构在规定的使用期限内（设计工作寿命=50年）， 在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护）， 完成预定结构功能的能力。 ■ 结构可靠性越高，建设造价投资越大。
■ 如何在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计方
法要解决的问题。
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第三章 按近似概率理论的极限状态设计法
■ 显然这种可靠与经济的均衡受到多方面的影响，如国 家经济实力、设计工作寿命、维护和修复等。
■ 规范规定的设计方法，是这种均衡的最低限度，也是 国家法律。
■ 设计人员可以根据具体工程的重要程度、使用环境和 情况，以及业主的要求，提高设计水准，增加结构的 可靠度。
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第三章 按近似概率理论的极限状态设计法
◆ 适用性
◎ 如（f ≤[ f ]） ◎ 结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。如不发生影 响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振动（频率、振 幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。
◆ 耐久性
◎ 如（wmax≤[ wmax]） ◎ 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（混凝土碳化、钢筋锈蚀），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。
■ 经济的概念不仅包括第一次建设费用，还应考 虑维修，损失及修复的费用
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第三章 按近似概率理论的极限状态设计法
3.1.3 结构功能的极限状态
◆ 结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠” 的或“有效”的。反之，则结构为“不可靠”或“失效”。 ◆ 区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限 状态”
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第三章 按近似概率理论的极限状态设计法
§3.1 极限状态 3.1.2 结构的功能要求
1. 结构的安全等级
安全等级 一级
破坏后的影响 程度
很严重
建筑物的类型 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
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第三章 按近似概率理论的极限状态设计法
第三章 按近似概率理论的极限状态设计法
承载力能力极限状态
超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求 ◆ 结构或构件达到最大承载力（包括疲劳） ◆ 结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移） ◆ 结构塑性变形过大而不适于继续使用 ◆ 结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰） ◆ 结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）
第三章 按近似概率理论的极限状态设计法
§3.1 极限状态 3.1.1 结构上的作用
◎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 作用在结构上并使结构产生内力（如弯矩、剪力、轴向力、 扭矩等）、变形、裂缝等作用称为作用效应或荷载效应。
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第三章 按近似概率理论的极限状态设计法
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第三章 按近似概率理论的极限状态设计法
3.1.4 极限状态 方程
S < R 可靠 S = R 极限状态
S > R 失效
S——荷载效应
结构上的各种作用（如荷载、不均匀沉降、温度变形、收
缩变形、地震等）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）
第三章 按近似概率理论的极限状态设计法
§3.1 极限状态
◎荷载的标准值 1.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.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.可变荷载常与时间有关，在缺少大量统计材料的条件下， 可近似按随机变量来考虑；
§3.1 极限状态
◎荷载的分类 按作用时间的长短和性质，荷载分为三类： 1.永久荷载 在结构设计使用年限内，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 在结构设计基准期内其值随时间而变化，其变 化与平均值不可忽略的荷载。 3.偶然荷载 在结构设计基准期内不一定出现，但一旦出现 其值很大且作用时间很短的荷载。
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3. 结构的功能
◆ 安全性
◎ 如（M≤Mu） ◎ 结构在预定的使用期间内（一般为50年），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 （如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束变形（如温度和 收缩变形受到约束时）等的作用。 ◎ 在偶然事件（如地震、爆炸）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。
表 4.1 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
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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2. 结构的设计使用年限 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 进行大修即可按达到其预定功能的使用时期。 设计年限可按《建筑结构可靠度设计统一标准》确定，也可 经过主管部门的批准按业主的要求确定。一般建筑结构的设 计使用年限为50年。 注意：区别建筑物的设计使用年限与建筑物的使用寿命。
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第三章 按近似概率理论的极限状态设计法
正常使用极限状态
超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久性 的功能要求。 ◆ 过大的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、不能 正常使用（吊车）等）； ◆ 过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）； ◆ 过大的振动（不舒适）； ◆ 其他正常使用要求。
S = S(Q)
结构力学的主要内容
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]
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第三章 按近似概率理论的极限状态设计法
◆ 结构的可靠性 ■ 可靠性——安全性、适用性和耐久性的总称
■ 就是指结构在规定的使用期限内（设计工作寿命=50年）， 在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护）， 完成预定结构功能的能力。 ■ 结构可靠性越高，建设造价投资越大。
■ 如何在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计方
法要解决的问题。
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第三章 按近似概率理论的极限状态设计法
■ 显然这种可靠与经济的均衡受到多方面的影响，如国 家经济实力、设计工作寿命、维护和修复等。
■ 规范规定的设计方法，是这种均衡的最低限度，也是 国家法律。
■ 设计人员可以根据具体工程的重要程度、使用环境和 情况，以及业主的要求，提高设计水准，增加结构的 可靠度。
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第三章 按近似概率理论的极限状态设计法
◆ 适用性
◎ 如（f ≤[ f ]） ◎ 结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。如不发生影 响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振动（频率、振 幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。
◆ 耐久性
◎ 如（wmax≤[ wmax]） ◎ 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（混凝土碳化、钢筋锈蚀），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。
■ 经济的概念不仅包括第一次建设费用，还应考 虑维修，损失及修复的费用
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3.1.3 结构功能的极限状态
◆ 结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠” 的或“有效”的。反之，则结构为“不可靠”或“失效”。 ◆ 区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限 状态”
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§3.1 极限状态 3.1.2 结构的功能要求
1. 结构的安全等级
安全等级 一级
破坏后的影响 程度
很严重
建筑物的类型 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
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第三章 按近似概率理论的极限状态设计法
承载力能力极限状态
超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求 ◆ 结构或构件达到最大承载力（包括疲劳） ◆ 结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移） ◆ 结构塑性变形过大而不适于继续使用 ◆ 结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰） ◆ 结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）
第三章 按近似概率理论的极限状态设计法
§3.1 极限状态 3.1.1 结构上的作用
◎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 作用在结构上并使结构产生内力（如弯矩、剪力、轴向力、 扭矩等）、变形、裂缝等作用称为作用效应或荷载效应。
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第三章 按近似概率理论的极限状态设计法
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第三章 按近似概率理论的极限状态设计法
3.1.4 极限状态 方程
S < R 可靠 S = R 极限状态
S > R 失效
S——荷载效应
结构上的各种作用（如荷载、不均匀沉降、温度变形、收
缩变形、地震等）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）