结构设计方法PPT89页
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your design? 3 What factors must be considered to ensure the
safety and serviceability?
第三章 结构设计方法
◆ 工程结构的设计需要保证安全可靠、经济合理 ◆ 由于实际工程结构中存在多种不确定性 ◆ 结构设计方法就是研究工程设计中的各种不确定
3.2 结构的功能
第三章 结构设计方法
◆ 鲁棒性 Robust
鲁棒性指控制系统在一定的参数摄动下，维持某些性能的 特性。
结构的鲁棒性是指在意外事件和极端灾害下整体结构尚有 足够的生存空间而不发生连续倒塌的性能。 ◎ 一般结构仅须满足防连续倒塌的概念要求。通过概念设计，
保证结构具有足够的鲁棒性。P.80 ◎ 安全等级为一级的重要结构及由政府或业主确定的必须增
（新增内容）。
3.3 极限状态
第三章 结构设计方法
正常使用极限状态 Serviceability Limit State
对大跨度混凝土楼盖结构应进行竖向自振频率验算，其自 振频率宜符合下列要求： a. 住宅和公寓不宜低于5Hz； b. 办公楼和旅馆不宜低于4Hz； c. 大跨度公共建筑不宜3Hz； d. 工业建筑及有特殊要求的建筑应根据使用功能提出要求。
3.2 结构的功能
第三章 结构设计方法
◆ 耐久性 Durability
结构在预定的使用期限内，不需对结构进行维修（或少量 维修）和加固的情况下，结构的适应性和安全性仍满足预 定功能要求的能力。 ◎ 如（wmax≤[ wmax]） ◎ 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。
■ 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。
3.2 结构的功能
第三章 结构设计方法
■ 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(design life)、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。
[
]
材料强度 安全系数
f K
◆ 安全系数 K 是一个大于1.0的数值 ◆ K 越大，结构安全度就越高，同时结构材料用量也越多
◆ 为取得安全可靠与经济合理的均衡， 在综合考虑各种不 确定性因素影响后，可选取一个合适的安全系数。
第三章 结构设计方法
◆ 材料力学研究的是：单一材料、线弹性、简单结构 ◆ 实际工程结构远比它复杂； ◆ 如钢筋混凝土梁的百度文库弯，从安全角度考虑，需要确定
3.2 结构的功能
第三章 结构设计方法
◆ 适用性 Serviceability
结构在正常使用期间，不需对结构进行维修（或少量维修） 和加固的情况下，具有良好的工作性能，能继续正常使用。 ◎ 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。
★直接作用：亦称为荷载，指施加在结构上的各种力 永久荷载G ：在结构使用期间，其值不随时间变化，且其变化
与平均值相比可以考虑不计，或其变化是单调的并能趋于限值的 荷载，如自重、土压力、预应力等。
可变荷载Q ：在结构使用期间，其值随时间变化，或其变化 与平均值相比不可忽略不计的荷载，如使用活荷载、风荷载、雪 荷载、汽车、水流等。
途径； （4）增强重要构件及关键传力部位、疏散通道及避难空间结构的承载力
和变形性能； （5）配置贯通水平、竖向构件的钢筋，采取有效的连接措施并与周边构
件可靠地锚固； （6）通过设置结构缝，控制可能发生连续倒塌的范围。
3.2 结构的功能
第三章 结构设计方法
◆ 鲁棒性 Robust
漩口中学
3.2 结构的功能
★偶然作用：在结构使用期间不一定出现，但一旦出现，其值很 大且持续时间很短的作用，如地震、 爆炸力、车船撞击力。
3.1 作用与作用效应
第三章 结构设计方法
3.1 作用与作用效应
◆ 作用效应(S)：结构上的作用使结构产生的内力（弯矩、剪力、 扭矩）和变形、裂缝的统称。（P.53） 作用（荷载）效应= 作用（荷载）效应系数（C ) *荷载值 P.43 承担均布荷载q的简支梁，其跨中弯矩 M=1/8*ql2，则荷载效应系
其极限受弯承载力； ◆ 而为控制正常使用阶段的裂缝和挠度变形，需要确定
带裂缝工作阶段的受力情况。 ◆ 采用容许应力设计方法，无法统一这两方面的要求。
第三章 结构设计方法
◆ 首先根据工程结构需要满足实际使用的各种要求(结 构的功能)对安全可靠有更具体的科学定义；
◆ 需要尽可能详细了解结构在不同情况下（施工、使 用、破坏）可能受到的各种外界影响的大小和变化 情况；
◆ 区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限 状态”
安全性 鲁棒性
承载能力极限状态
不安全
适用性 耐久性
正常使用极限状态
不适用性 不耐久性
3.3 极限状态
第三章 结构设计方法
承载力能力极限状态 Ultimate Limit State
超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求。 An ultimate limit state occurs at the collapse, or partial collapse, of a structure. ◆ 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）； ◆ 结构因局部破坏而发生连续倒塌。（新规范增加内容）
3.3 极限状态
第三章 结构设计方法
正常使用极限状态 Serviceability Limit State
正常使用极限状态的验算应包括下列内容： 1. 对需要控制变形的构件，应进行变形验算； 2. 对使用上限制出现裂缝的构件，应进行混凝土拉应力验
算； 3. 对允许出现裂缝的构件，应进行受力裂缝宽度验算； 4. 对有舒适度要求的楼盖结构，应进行竖向自振频率验算
■ 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，乃至可能对社会和经 济所造成的影响
3.2 结构的功能
第三章 结构设计方法
3.3 极限状态 Limit State (P.35)
◆ 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”。
3.3 极限状态
第三章 结构设计方法
◆ An ultimate limit state is necessary to determine the maximum load carrying capacity of a structure.
◆ An serviceability limit state is necessary to ensure satisfactory behavior under working load condition.
◆ 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，此特定状态为该功能的极限状态。 区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限状态”
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]
性问题，取得安全可靠与经济合理之间的均衡
第三章 结构设计方法
设计方法和内容：
材料力学：分别确定 σ、[σ]，使σ ≤[σ]满足
结构力学：分别确定内 力（M），使M [M ]满足
结构设计: 分别确定功能、需求，使【需求】≤【功能】满足
3.0 基本概念
第三章 结构设计方法
◆容许应力设计方法 allowable stress
3.3 极限状态
第三章 结构设计方法
承载力能力极限状态 Ultimate Limit State
承载能力极限状态的验算应包括下列内容： 1. 结构构件应进行承载力（包括稳定性）计算； 2. 直接承受重复荷载的构件应进行疲劳验算； 3. 有抗震设防要求时，应进行抗震承载力验算； 4. 必要时尚应进行结构的倾覆、滑移、漂浮验算； 5. 对于可能遭受偶然作用，且倒塌可能引起严重后果的重要结
3.1 作用与作用效应
第三章 结构设计方法
3.1 作用与作用效应
◆ 作用：使结构产生内力和变形的原因，分为直接作用和间接作 用和偶然作用。（P.53） ★直接作用：亦称为荷载，指施加在结构上的各种力。
永久荷载G ：自重、土压力、预应力等； 可变荷载Q ：使用活荷载、风荷载、雪荷载、汽车、水流等。
★间接作用：引起结构外加变形或约束变形的原因，如混凝土的 收缩徐变、地基不均匀沉降（永久）、温度变化（可变）、环 境引起材料性能退化等。
M = Mu f = [f]
M > Mu f > [f]
耐久性
裂缝宽度
wmax< [wmax] wmax= [wmax] wmax> [wmax]
3.3 极限状态
第三章 结构设计方法
3.3 极限状态 Limit State (P.35)
◆ 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”。
第三章 结构设计方法
第三章 结构设计方法
Design Approach
第三章 结构设计方法
Questions 1 What working states should be considered for
practical structures? 2 How to ensure the safety and serviceability of
构，直接进行防连续倒塌设计。
3.3 极限状态
第三章 结构设计方法
正常使用极限状态 Serviceability Limit State
超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久的 功能要求。 An serviceability limit state is produced by excessive the deflection, cracking, or vibration. ◆ 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）； ◆ 其他正常使用要求的其他特定状态。
◆ 充分考虑各种外界影响：各种荷载、温度变化、沉 降、收缩徐变、地震、侵蚀、冻融等；
◆ 充分考虑结构尺寸、材料强度等的变异情况，以便 科学全面合理的确定结构可靠性。
采用以概率理论为基础的极限状态设计方法对建筑 结构进行设计。
第三章 结构设计方法
3.1 作用与作用效应
◆ 作用：使结构产生内力和变形的原因，分为直接作用和间接 作用和偶然作用。（P.53）
数C= 1/8*l2 。
3.1 作用与作用效应
第三章 结构设计方法
3.2 结构的功能 Functions of Structure ◆ 安全性 Safety (P.51)
◎ 如（M≤Mu） ◎ 结构在预定的使用期间内（design life 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。
强抗灾能力的结构，其防连续倒塌设计需定量设计。
3.2 结构的功能
第三章 结构设计方法
◆ 鲁棒性 Robust
◎ 通过概念设计，保证结构具有足够的鲁棒性。P.80
（1）采取减小偶然作用效应的措施； （2）采取使重要构件及关键传力部位避免直接遭受偶然作用的措施； （3）在结构容易遭受偶然作用影响的区域增加冗余约束，布置备用传力
第三章 结构设计方法
◆ 结构的可靠性 reliability ■ 可靠性——安全性、适用性、耐久性和鲁棒性的总称。
■ 就是指结构在规定的使用期限内（design life=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。 (P.37)
■ 结构可靠性越高，建设造价投资越大。
safety and serviceability?
第三章 结构设计方法
◆ 工程结构的设计需要保证安全可靠、经济合理 ◆ 由于实际工程结构中存在多种不确定性 ◆ 结构设计方法就是研究工程设计中的各种不确定
3.2 结构的功能
第三章 结构设计方法
◆ 鲁棒性 Robust
鲁棒性指控制系统在一定的参数摄动下，维持某些性能的 特性。
结构的鲁棒性是指在意外事件和极端灾害下整体结构尚有 足够的生存空间而不发生连续倒塌的性能。 ◎ 一般结构仅须满足防连续倒塌的概念要求。通过概念设计，
保证结构具有足够的鲁棒性。P.80 ◎ 安全等级为一级的重要结构及由政府或业主确定的必须增
（新增内容）。
3.3 极限状态
第三章 结构设计方法
正常使用极限状态 Serviceability Limit State
对大跨度混凝土楼盖结构应进行竖向自振频率验算，其自 振频率宜符合下列要求： a. 住宅和公寓不宜低于5Hz； b. 办公楼和旅馆不宜低于4Hz； c. 大跨度公共建筑不宜3Hz； d. 工业建筑及有特殊要求的建筑应根据使用功能提出要求。
3.2 结构的功能
第三章 结构设计方法
◆ 耐久性 Durability
结构在预定的使用期限内，不需对结构进行维修（或少量 维修）和加固的情况下，结构的适应性和安全性仍满足预 定功能要求的能力。 ◎ 如（wmax≤[ wmax]） ◎ 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。
■ 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。
3.2 结构的功能
第三章 结构设计方法
■ 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(design life)、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。
[
]
材料强度 安全系数
f K
◆ 安全系数 K 是一个大于1.0的数值 ◆ K 越大，结构安全度就越高，同时结构材料用量也越多
◆ 为取得安全可靠与经济合理的均衡， 在综合考虑各种不 确定性因素影响后，可选取一个合适的安全系数。
第三章 结构设计方法
◆ 材料力学研究的是：单一材料、线弹性、简单结构 ◆ 实际工程结构远比它复杂； ◆ 如钢筋混凝土梁的百度文库弯，从安全角度考虑，需要确定
3.2 结构的功能
第三章 结构设计方法
◆ 适用性 Serviceability
结构在正常使用期间，不需对结构进行维修（或少量维修） 和加固的情况下，具有良好的工作性能，能继续正常使用。 ◎ 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。
★直接作用：亦称为荷载，指施加在结构上的各种力 永久荷载G ：在结构使用期间，其值不随时间变化，且其变化
与平均值相比可以考虑不计，或其变化是单调的并能趋于限值的 荷载，如自重、土压力、预应力等。
可变荷载Q ：在结构使用期间，其值随时间变化，或其变化 与平均值相比不可忽略不计的荷载，如使用活荷载、风荷载、雪 荷载、汽车、水流等。
途径； （4）增强重要构件及关键传力部位、疏散通道及避难空间结构的承载力
和变形性能； （5）配置贯通水平、竖向构件的钢筋，采取有效的连接措施并与周边构
件可靠地锚固； （6）通过设置结构缝，控制可能发生连续倒塌的范围。
3.2 结构的功能
第三章 结构设计方法
◆ 鲁棒性 Robust
漩口中学
3.2 结构的功能
★偶然作用：在结构使用期间不一定出现，但一旦出现，其值很 大且持续时间很短的作用，如地震、 爆炸力、车船撞击力。
3.1 作用与作用效应
第三章 结构设计方法
3.1 作用与作用效应
◆ 作用效应(S)：结构上的作用使结构产生的内力（弯矩、剪力、 扭矩）和变形、裂缝的统称。（P.53） 作用（荷载）效应= 作用（荷载）效应系数（C ) *荷载值 P.43 承担均布荷载q的简支梁，其跨中弯矩 M=1/8*ql2，则荷载效应系
其极限受弯承载力； ◆ 而为控制正常使用阶段的裂缝和挠度变形，需要确定
带裂缝工作阶段的受力情况。 ◆ 采用容许应力设计方法，无法统一这两方面的要求。
第三章 结构设计方法
◆ 首先根据工程结构需要满足实际使用的各种要求(结 构的功能)对安全可靠有更具体的科学定义；
◆ 需要尽可能详细了解结构在不同情况下（施工、使 用、破坏）可能受到的各种外界影响的大小和变化 情况；
◆ 区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限 状态”
安全性 鲁棒性
承载能力极限状态
不安全
适用性 耐久性
正常使用极限状态
不适用性 不耐久性
3.3 极限状态
第三章 结构设计方法
承载力能力极限状态 Ultimate Limit State
超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求。 An ultimate limit state occurs at the collapse, or partial collapse, of a structure. ◆ 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）； ◆ 结构因局部破坏而发生连续倒塌。（新规范增加内容）
3.3 极限状态
第三章 结构设计方法
正常使用极限状态 Serviceability Limit State
正常使用极限状态的验算应包括下列内容： 1. 对需要控制变形的构件，应进行变形验算； 2. 对使用上限制出现裂缝的构件，应进行混凝土拉应力验
算； 3. 对允许出现裂缝的构件，应进行受力裂缝宽度验算； 4. 对有舒适度要求的楼盖结构，应进行竖向自振频率验算
■ 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，乃至可能对社会和经 济所造成的影响
3.2 结构的功能
第三章 结构设计方法
3.3 极限状态 Limit State (P.35)
◆ 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”。
3.3 极限状态
第三章 结构设计方法
◆ An ultimate limit state is necessary to determine the maximum load carrying capacity of a structure.
◆ An serviceability limit state is necessary to ensure satisfactory behavior under working load condition.
◆ 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，此特定状态为该功能的极限状态。 区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限状态”
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]
性问题，取得安全可靠与经济合理之间的均衡
第三章 结构设计方法
设计方法和内容：
材料力学：分别确定 σ、[σ]，使σ ≤[σ]满足
结构力学：分别确定内 力（M），使M [M ]满足
结构设计: 分别确定功能、需求，使【需求】≤【功能】满足
3.0 基本概念
第三章 结构设计方法
◆容许应力设计方法 allowable stress
3.3 极限状态
第三章 结构设计方法
承载力能力极限状态 Ultimate Limit State
承载能力极限状态的验算应包括下列内容： 1. 结构构件应进行承载力（包括稳定性）计算； 2. 直接承受重复荷载的构件应进行疲劳验算； 3. 有抗震设防要求时，应进行抗震承载力验算； 4. 必要时尚应进行结构的倾覆、滑移、漂浮验算； 5. 对于可能遭受偶然作用，且倒塌可能引起严重后果的重要结
3.1 作用与作用效应
第三章 结构设计方法
3.1 作用与作用效应
◆ 作用：使结构产生内力和变形的原因，分为直接作用和间接作 用和偶然作用。（P.53） ★直接作用：亦称为荷载，指施加在结构上的各种力。
永久荷载G ：自重、土压力、预应力等； 可变荷载Q ：使用活荷载、风荷载、雪荷载、汽车、水流等。
★间接作用：引起结构外加变形或约束变形的原因，如混凝土的 收缩徐变、地基不均匀沉降（永久）、温度变化（可变）、环 境引起材料性能退化等。
M = Mu f = [f]
M > Mu f > [f]
耐久性
裂缝宽度
wmax< [wmax] wmax= [wmax] wmax> [wmax]
3.3 极限状态
第三章 结构设计方法
3.3 极限状态 Limit State (P.35)
◆ 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”。
第三章 结构设计方法
第三章 结构设计方法
Design Approach
第三章 结构设计方法
Questions 1 What working states should be considered for
practical structures? 2 How to ensure the safety and serviceability of
构，直接进行防连续倒塌设计。
3.3 极限状态
第三章 结构设计方法
正常使用极限状态 Serviceability Limit State
超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久的 功能要求。 An serviceability limit state is produced by excessive the deflection, cracking, or vibration. ◆ 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）； ◆ 其他正常使用要求的其他特定状态。
◆ 充分考虑各种外界影响：各种荷载、温度变化、沉 降、收缩徐变、地震、侵蚀、冻融等；
◆ 充分考虑结构尺寸、材料强度等的变异情况，以便 科学全面合理的确定结构可靠性。
采用以概率理论为基础的极限状态设计方法对建筑 结构进行设计。
第三章 结构设计方法
3.1 作用与作用效应
◆ 作用：使结构产生内力和变形的原因，分为直接作用和间接 作用和偶然作用。（P.53）
数C= 1/8*l2 。
3.1 作用与作用效应
第三章 结构设计方法
3.2 结构的功能 Functions of Structure ◆ 安全性 Safety (P.51)
◎ 如（M≤Mu） ◎ 结构在预定的使用期间内（design life 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。
强抗灾能力的结构，其防连续倒塌设计需定量设计。
3.2 结构的功能
第三章 结构设计方法
◆ 鲁棒性 Robust
◎ 通过概念设计，保证结构具有足够的鲁棒性。P.80
（1）采取减小偶然作用效应的措施； （2）采取使重要构件及关键传力部位避免直接遭受偶然作用的措施； （3）在结构容易遭受偶然作用影响的区域增加冗余约束，布置备用传力
第三章 结构设计方法
◆ 结构的可靠性 reliability ■ 可靠性——安全性、适用性、耐久性和鲁棒性的总称。
■ 就是指结构在规定的使用期限内（design life=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。 (P.37)
■ 结构可靠性越高，建设造价投资越大。