混凝土结构课件

3.1极限状态和设计状况
第三章
混凝土结构基本设计原则
桥梁结构的安全等级
安全等级 破坏后果 桥梁类型
一级 二级 三级
很严重 严 重 不严重
特大及重要大桥 大、中桥及重要小桥 小桥、涵洞
3.1极限状态和设计状况
第三章
混凝土结构基本设计原则
二、结构的设计使用年限和设计基准期
1、结构的设计使用年限是指设计规定的结构或结构构 件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。 2、结构的设计使用年限不同于实际寿命和设计基准期。
▲基本组合
Sud Gi S GiK Q1 S Q1K C Qj S Qjk i 1 j 2
3.3 实用设计表达式
m
n
第三章
混凝土结构基本设计原则
3.3.3 正常使用极限状态设计表达式
一、建规正常使用极限状态设计表达式： S C 1、C-正常使用极限状态所规定的变形、裂缝宽度和应 力等的限值。具体见教材P322附表41和43 2、S正常使用极限状态的荷载效应组合值 ▲标准组合 n
f(S) f(R)
Sk
S
Rk
R
3.3 实用设计表达式
第三章
混凝土结构基本设计原则
二、设计验算点的确定
f (S)，f (R)
Sk
Rk
S，R
设计验算点
Pf = [ Pf]
SK<RK S=R
▲取S＝S Sk R＝Rk / R
3.3 实用设计表达式
第三章
混凝土结构基本设计原则
3.3.2 承载能力极限状态设计表达式
S SGK SQ1K Ci SQi k
i 2
▲准永久组合
S SGK qi SQi k
i 1
n
qi
---准永久系数。对民用建筑一般为0.3~0.5。具体查荷 载规范GB50009-2001 。 3.3 实用设计表达式
第三章
混凝土结构基本设计原则
二、桥规持久状况正常使用极限状态设计 1、采用的荷载效应组合： ▲短期效应组合
b值
2.7 3.2 3.7 4.2 失效概率 Pf 3.47×10-3 6.87×10-4 1.08×10-4 1.33×10-5
3.2 极限状态设计法
第三章
混凝土结构基本设计原则
五、建筑结构的目标可靠指标
破坏类型 安 一 级 3.7 4.2 全 等 二 级 3.2 3.7 级 三 级 2.7 3.2
3.2 极限状态设计法
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混凝土结构基本设计原则
3.2.2 可靠指标与失效概率
一、 R和S的概率密度曲线---正态分布
▲可见，在多数情况下，R>S。 ▲但在重叠区（阴影段内）仍有可能出现R<S的情况，这种可能 性的大小用概率来表示就是失效概率。
▲因此要绝对地保证R>S是不可能的。
3.2 极限状态设计法
第三章
混凝土结构基本设计原则
3.1.4
极限状态方程
▲ S—作用效应
结构上的作用引起的效应（如弯矩、轴力、剪力、扭矩等）
1 2 如M ql 8
▲ R—结构抗力
结构力学的主要内容
结构抵抗作用效应的能力，如受弯承载力Mu
如M u ?
▲因S和R都是随机变量， 所以
本课程的主要内容
M Mu
不一定绝对安全
三、荷载标准值
是荷载的基本代表值，为设计基准期内最大荷载概 率分布的某个分位值。
1、 永久荷载标准值：按设计尺寸与材料重力密度的 乘积计算。一般相当于设计基准期内最大荷载概率分布 的0.5分位值。 2、可变荷载标准值： 为设计基准期内最大荷载概率分布的某个分位值。 对于建筑结构，查荷载规范GB50009。
建筑结构设计使用年限分类
类别 1 2 3 4 设计使用年 限（年） 5 25 50 100 示例 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
3.1极限状态和设计状况
第三章
混凝土结构基本设计原则
3、设计基准期：指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。 建筑结构的设计基准期为50年。 桥梁结构的设计基准期为100年。
第三章
混凝土结构基本设计原则
一、结构的功能函数
Z>0 Z<0 可靠 失效
Z=R-S Z = 0 极限状态
二、极限状态方程
Z=0 即 R-S＝0
3.1极限状态和设计状况
第三章
混凝土结构基本设计原则
3.1.5
工程结构的设计状况
一、持久状况：在结构使用过程中一定出现，且持 续期与使用期为同一数量级的状况。 应进行承载能力、正常使用极限状态的设计 二、短暂状况：在结构施工和使用过程中出现概率 较大，而持续期较短的状况。 一般只进行承载能力极限状态计算，必要时才 做正常使用极限状态计算。 三、偶然状况：在结构使用过程中出现概率很小， 且持续期很短的状况。 只进行承载能力极限状态计算，不必考虑正常 使用极限状态计算。 3.1极限状态和设计状况
▲整体稳定性：指建筑结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。
第三章
混凝土结构基本设计原则
2、 适用性
结构在设计规定的使用年限内，在正常使用时 具有良好的工作性能。
▲ 良好的工作性能： 指不发生影响正常使用的过大的变形、 振动，或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度等。
3.1极限状态和设计状况
3、 耐久性
混凝土结构原理
第三章
混凝土结构基本设计原则
▲ 工程结构需要安全适用、经济合理；这只有技术 先进才能实现。 ▲ 实际工程结构中存在多种不确定性； ▲工程结构的基本设计原则就是研究各种不确定性 问题，实现可靠性与经济性的最佳平衡。
第三章
混凝土结构基本设计原则
3.1极限状态和设计状况
3.1.1结构上的作用
2、应验算的内容
（1）预应力混凝土受弯构件的抗裂验算； 应力限值见JTG D62第6.3.1条。
（2）裂缝宽度验算；
宽度限值见JTG D62第6.4.2条。0.15mm,0.2mm
（3）挠度验算。
挠度限值见JTG D62第6.5.3条。 l/600
三、桥规持久状况和短暂状况构件的应力计算
第三章
混凝土结构基本设计原则
二、 Z的概率密度曲线、失效概率、可靠指标
f(Z)
bsz
Pf
mZ b Pf sZ
可见，Pf 越小，b 越大
mz
Z=R- S
失效概率
Pf P Z 0
0

f Z dz
3.2 极限状态设计法
第三章
混凝土结构基本设计原则
三、容许失效概率 当Pf 小于某个值时，人们不再担心。该失效概率称 为容许失效概率[Pf ]。 四、失效概率pf与可靠指标b的关系
S sd i 1
m
SGiK 1 j SQjk
j 1
n
m
n
Hale Waihona Puke Baidu
▲长期效应组合
Sld
i 1
SGiK 2 j SQjk
j 1
体查JTG D60第4.1.7。
1 j, 2 j ---分别为频遇值系数和准永久系数。具
3.3 实用设计表达式
第三章
混凝土结构基本设计原则
▲结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏）或因
过度变形而不适于继续承载。
▲ 结构转变为机动体系（超静定结构中出现足够多塑性铰）。
▲ 结构或结构构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）。
▲ 地基丧失承载能力而破坏。
3.1极限状态和设计状况
第三章
混凝土结构基本设计原则
2、正常使用极限状态 Serviceability Limit State
3.1极限状态和设计状况
第三章
混凝土结构基本设计原则
三、 结构的功能
（包括安全性、适应性和耐久性）
1、 安全性
结构在设计规定的使用年限内，能承受在正常施工和 正常使用时可能出现的各种作用。在设计规定的偶然事件 发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。
▲设计使用年限：一般为50年。 ▲各种作用：指荷载、外加变形和约束变形（如温度和收缩变形受 到约束时）； ▲偶然事件：如地震、爆炸、火灾、撞击等；
（1）概念：正常使用极限状态对应于结构或结构构件达到
正常使用或耐久性能的某项规定限值。对应于结构的适应性
和耐久性。 （2）标志： ▲ 影响正常使用或外观的变形； ▲ 影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝、钢筋 锈蚀、漏水等）； ▲ 影响正常使用的振动；
▲ 影响正常使用的其他特定状态。
3.1极限状态和设计状况
一、极限状态的概念
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。
二、两类极限状态
承载能力极限状态与正常使用极限状态。
3.1极限状态和设计状况
第三章
混凝土结构基本设计原则
1、承载能力极限状态 Ultimate Limit State
（ 1 ）概念：承载能力极限状态对应于结构或结构构件达到最大 承载力或不适于继续承载的变形。------安全性。 （2）标志 ▲整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡。
对于道桥结构，查公路桥涵通用规范JTG D60。
3.1极限状态和设计状况
第三章
混凝土结构基本设计原则
3.1.2 结构的功能
（包括安全性、适应性和耐久性）
一、 结构的安全等级
根据结构破坏后果的影响程度分为三级。
建筑结构的安全等级
安全等级 一级 二级 三级 破坏后果 很严重 严 重 不严重 建筑物类型 重要的建筑物 一般的建筑物 次要的建筑物
S G SGK Q1SQ1K Qi Ci SQi k
i 2
n
▲基本组合-由永久荷载效应控制
S G SGK Qi Ci SQi k
i 1
3.3 实用设计表达式
n
第三章
混凝土结构基本设计原则
四、桥规承载能力极限状态的 荷载效应组合设计值Sud
第三章
学习目标
混凝土结构设计的基本原则
▲掌握极限状态的基本概念； ▲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。
混凝土结构原理
教学提示
▲首先应明确《建筑结构可靠度设计统一
标准》和《建筑结构荷载规范》是结构 设计宜遵守的基本原则。 ▲本章应重点介绍结构上的作用、对结构 的功能要求、设计基准期、两类极限状 态以及极限状态的实用设计表达式。
一、结构重要性系数0
安全等级或使用年限 一级或100年 二级或50年 三级或5年 0.9
0
1.1
1.0
二、承载能力极限状态设计表达式 建规 0 S R 桥规 0 Sud R
3.3 实用设计表达式
第三章
混凝土结构基本设计原则
三、建规承载能力极限状态的 荷载效应组合设计值S
▲基本组合-由可变荷载效应控制
一、作用的概念：
使结构产生内力或变形的原因，分直接作用和 间接作用两种。 直接作用：是指施加在结构上的集中力或分布力， 即荷载。
间接作用：是指引起结构外加变形或约束变形的原
因（混凝土收缩、温度变化、基础差异
沉降、地震等）。
3.1极限状态和设计状况
第三章
混凝土结构基本设计原则
二、作用的分类：
（按随时间的变异性可分为三类） 1、永久作用：在结构使用期间，其量值不随时间变化，或其 变化与平均值相比可以忽略不计的作用。 如结构自重、土压力、预应力、地基沉降、焊接等。
延性破坏 脆性破坏
六、桥梁结构的目标可靠指标
破坏类型 延性破坏 脆性破坏 一 级 4.7 5.2 安 全 等 二 级 4.2 4.7 级 三 级 3.7 4.2
3.2 极限状态设计法
第三章
混凝土结构基本设计原则
3.3 实用设计表达式
3.3.1 设计验算点的确定、分项系数
一、 S 、R的概率密度曲线
2、可变作用：在结构使用期间，其量值随时间变化，且其变
化与平均值相比不可忽略的作用。 如楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、汽车荷载、 温度变化等。
3、偶然作用：在结构使用期间不一定出现，而一旦出现其量
值很大且持续时间很短的作用。 如爆炸力、撞击力、罕遇的地震等。
3.1极限状态和设计状况
第三章
混凝土结构基本设计原则
结构在设计规定的使用年限内，在正常维护下 具有足够的耐久性能。
▲耐久性能：指在各种因素（混凝土碳化、钢筋锈蚀等） 的影响下，结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低， 而降低使用寿命。
第三章
混凝土结构基本设计原则
3.1.3 极限状态
▲结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构为可靠 （或有效）。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”
第三章
混凝土结构基本设计原则
3.2 按近似概率的极限状态设计法 3.2.1结构的可靠度 一、可靠性
结构在设计规定的使用年限内，在规定的条件 下（正常设计、正常施工、正常使用和维护），完 成预定功能（安全性、适用性和耐久性）的能力。 即是安全性、适用性和耐久性的总称。
二、可靠度
结构可靠度：是结构可靠性的概率度量。