荷载效应课件.ppt

1、混凝土结构设计原理兰州大学网络教育学院2010-11-11王亚军王亚军3.1 极限状态3.2 按近似概率理论的极限状态设计法3.3 实用设计表达式第 3 章 按近似概率理论的极限状态设计法3.1 极限状态作用作用：是指施加在结构或构件上的力，以：是指施加在结构或构件上的力，以及引起结构强迫变形或约束变形的原因，如及引起结构强迫变形或约束变形的原因，如地面运动、地基不均匀沉降、温度变化、混地面运动、地基不均匀沉降、温度变化、混凝土收缩、焊接变形等。凝土收缩、焊接变形等。作用效应作用效应“S”S”：是上述作用引起的结构：是上述作用引起的结构或构件的内力（如轴向力、剪力弯矩、扭矩或构件的内力（如轴向

2、力、剪力弯矩、扭矩等）和变形（如挠度、侧移、裂缝等）。直等）和变形（如挠度、侧移、裂缝等）。直接作用也称为荷载。接作用也称为荷载。3.1.1 结构上的作用作用的分类作用作用直接作用：直接作用：间接作用：间接作用：按时按时间分间分永久作用：永久作用：可变作用：可变作用：按位置分按位置分固定作用固定作用可动作用可动作用按反应分按反应分静态作用静态作用动态作用动态作用荷载荷载温度应力、基础沉降，地震作用温度应力、基础沉降，地震作用自重，土压力自重，土压力楼面活荷载、风荷载、雪荷载楼面活荷载、风荷载、雪荷载3.1 极限状态荷载效应荷载效应：当作用力为集中力或分布力时：当作用力为集中力或分布力时，其效应

3、可称为，其效应可称为“荷载效应荷载效应” ” 。3.1.1 结构上的作用 荷载荷载Q Q与荷载效应与荷载效应S S之间，一般可近似按之间，一般可近似按照线性关系考虑，因此照线性关系考虑，因此 S=CQ S=CQ式中：C为荷载效应系数3.1 极限状态3.1.2 结构的功能要求安全等级安全等级一级：破坏后果很严重的重要建筑物一级：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三级：破坏后果不严重的次要建筑物 设计使用年限设计使用年限是指设计规定的结构或结构构件不需进行是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修

4、即可按其预定目的使用的时期。大修即可按其预定目的使用的时期。3.1 极限状态结构设计的目的是要使所设计的结构能够结构设计的目的是要使所设计的结构能够完成由其用途所决定的全部功能要求。完成由其用途所决定的全部功能要求。安全性：结构在正常施工和使用时应能承受可能出现的各种荷载及外部作用，以及在偶然事件发生时及发生后能保持必需的整体稳定性。适用性：结构在正常使用时有良好的工作性能。耐久性：结构在正常维护下，材料性能虽随时间变化，但仍能满足预定功能要求。3.1.2 结构的功能要求3.1 极限状态 把安全性、适用性、耐久性概括起来称把安全性、适用性、耐久性概括起来称为结构的可靠性。为结构的可靠性。可靠性

5、可靠性：结构在规定的时间内（如设计使用年限为50年），在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和正常维修不考虑人为过失）完成预定功能的能力。3.1.2 结构的功能要求3.1 极限状态结构能满足功能要求而良好地工作，称为结构能满足功能要求而良好地工作，称为结构结构“可靠可靠”或或“有效有效”。反之，则称为结。反之，则称为结构构“不可靠不可靠”或或“失效失效”。极限状态极限状态区分结构工作状态的可靠与区分结构工作状态的可靠与失效的标志是失效的标志是“极限状态极限状态”。它是结构或构。它是结构或构件能够满足设计规定的某一功能要求的临界件能够满足设计规定的某一功能要求的临界状态。有明确的标志及限值

6、。状态。有明确的标志及限值。 3.1.3 结构的极限状态 结构的极限状态包括：结构的极限状态包括：承载能力极限状态承载能力极限状态和和正常使用极限状态正常使用极限状态（1）承载能力极限状态 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡，如倾覆、滑移；衡，如倾覆、滑移； 结构构件或连接部位因材料强度超过限值结构构件或连接部位因材料强度超过限值而破坏；而破坏； 结构构件或连接因产生过度的塑性变形而结构构件或连接因产生过度的塑性变形而不适于继续承载（如受弯构件中的少筋梁）；不适于继续承载（如受弯构件中的少筋梁）； 结构变为机动体而失去承载能力；结构变为机动体而失去承载能

7、力； 结构或构件丧失稳定（压屈、侧屈、翘结构或构件丧失稳定（压屈、侧屈、翘屈）；屈）； 地基丧失承载力而破坏。地基丧失承载力而破坏。（2）正常使用极限状态 影响正常使用或外观的变形（如梁产生超影响正常使用或外观的变形（如梁产生超过了挠度限值的过大挠度）；过了挠度限值的过大挠度）； 影响正常使用或耐久性的局部损坏（如不影响正常使用或耐久性的局部损坏（如不允许出现裂缝的构件开裂，或出现超过允许允许出现裂缝的构件开裂，或出现超过允许裂缝宽度的裂缝）；裂缝宽度的裂缝）； 影响正常使用的振动；影响正常使用的振动； 影响正常使用的其它特定状态（如钢筋锈影响正常使用的其它特定状态（如钢筋锈蚀产生的沿钢筋的纵

8、向裂缝。蚀产生的沿钢筋的纵向裂缝。3.1 极限状态结构构件完成预定功能的工作状况可以用结构构件完成预定功能的工作状况可以用作用效应作用效应S S和结构抗力和结构抗力R R的关系式来描述，称的关系式来描述，称为结构功能函数，用为结构功能函数，用Z Z来表示：来表示：3.1.4 结构的功能函数( , )ZRSg R SSRZ0SRZ0SRZ0结构可靠状态（结构能完成预定的功能）结构处于临界的极限状态（将，称为“极限状态方程” ）结构失效状态（结构不能完成预定的功能）0),(SRgSRZ3.2按近似概率理论的极限状态设计法结构在规定的时间内（如设计使用年限为50年），在规定的条件下（正常设计、正常施

9、工、正常使用和正常维修不考虑人为过失）完成预定功能的能力，称为可靠性。结构的可靠度是结构可靠性的概率度量。结构的可靠度是结构可靠性的概率度量。因此可以用可靠概率Ps来描述，则失效概率为Pf=1-Ps。3.2.1 结构的可靠度3.2按近似概率理论的极限状态设计法可靠指标：随机变量函数的平均值与方差的比值。即：3.2.2 可靠指标zz0(0)( )fpP Zf Z dzRS22RS+ 结构的效应结构的效应S及结构的抗力及结构的抗力R均符合正态分布，因均符合正态分布，因此结构的功能函数也符合正态分布。如图：此结构的功能函数也符合正态分布。如图：图中图中Z0部分部分(阴影阴影)面积即为失效概率面积即为

10、失效概率Pffz(Z)pf zz zZ结构目标可靠度结构目标可靠度在确定结构的可靠指标在确定结构的可靠指标 时，应该使结时，应该使结构的失效概率降低到人们可以接受的程度，构的失效概率降低到人们可以接受的程度，做到既安全可靠又经济合理。做到既安全可靠又经济合理。建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准规定规定 ： 的取值与构件的破坏类型及结构的重要性的取值与构件的破坏类型及结构的重要性有关。有关。 3.3 实用设计表达式1 1、荷载标准值、荷载标准值 荷载标准值是指在结构的使用期间，在正常情荷载标准值是指在结构的使用期间，在正常情况下出现的最大荷载值。也是荷载的基本代表值。况下出现的

11、最大荷载值。也是荷载的基本代表值。最大值是随机变量；由最大荷载概率分布的某一分最大值是随机变量；由最大荷载概率分布的某一分位数来确定；因荷载的不同标准值的取值分位数不位数来确定；因荷载的不同标准值的取值分位数不同。同。2 2、材料强度标准值、材料强度标准值 材料强度标准值的取值原则是在符合规定质量材料强度标准值的取值原则是在符合规定质量的材料强度实测值的总体中，标准强度应具有不小的材料强度实测值的总体中，标准强度应具有不小于于95%95%的保证率，即按概率分布的的保证率，即按概率分布的0.050.05分位数取值分位数取值3.3.1基本变量的标准值3.3 实用设计表达式为了将极限状态方程转化为以

12、基本变量为了将极限状态方程转化为以基本变量标准值和分项系数形式表达的形式，引入分标准值和分项系数形式表达的形式，引入分项系数。分项系数分为项系数。分项系数分为抗力分项系数抗力分项系数和和荷载荷载分项系数分项系数。抗力分项系数抗力分项系数 荷载分项系数荷载分项系数3.3.2 分项系数 kSkRRSSkSSkRRRSR抗力分项系数抗力分项系数为方便设计应用，对于承载能力极限状态，规范将材料强度标准值除以材料分项系数后的数值称为材料强度标准值，即：规范中直接给出了各强度等级材料的设计值，见本教程附表2-2，附表2-7，附表2-9ykysffckccff荷载分项系数荷载分项系数分 类永久荷载分项系数G

13、可变荷载分项系数Q可变荷载效应起控制作用一般情况下1.21.4大于4kN/m2楼面均布可变荷载1.21.3永久荷载效应起有利作用1.01.4永久荷载效应起控制作用1.351.43.3 实用设计表达式为了反映结构设计中安全等级的不同，为了反映结构设计中安全等级的不同，在实用设计表达式的荷载效应项上引入了系在实用设计表达式的荷载效应项上引入了系数数 0 0，称为，称为结构重要性系数结构重要性系数。3.3.3 结构重要性系数RkQkQGkGRSS/)(0结构重要性系数取值安全等级 破坏后果设计年限建筑物类型取值一 级很严重100重要的工业与民用建筑1.1二 级严 重50一般的工业与民用建筑1.0三

14、级不严重5次要的建筑物0.93.3 实用设计表达式3.3.4 荷载效应的一般组合式当结构上同时作用有多种可变荷载时，当结构上同时作用有多种可变荷载时，如框架结构除了楼（屋）面活荷载外，一般如框架结构除了楼（屋）面活荷载外，一般还同时作用有风荷载；而排架结构上作用的还同时作用有风荷载；而排架结构上作用的可变荷载可能有吊车荷载、风荷载、雪荷载可变荷载可能有吊车荷载、风荷载、雪荷载等。等。为了使结构在两种或两种以上可变荷载为了使结构在两种或两种以上可变荷载参与组合的情况下，与仅有一种可变荷载的参与组合的情况下，与仅有一种可变荷载的情况就有大体相同的可靠指标，引入可变荷情况就有大体相同的可靠指标，引入

15、可变荷载的组合系数。载的组合系数。承载能力极限状态1）由可变荷载效应控制的组合：）由可变荷载效应控制的组合：)(2110niQikciQikQQGkGSSSS2）由永久荷载效应控制的组合：）由永久荷载效应控制的组合：)(10niQikciQiGkGSSS对于一般排架、框架结构，可采用下列简化组合式：对于一般排架、框架结构，可采用下列简化组合式：)9 . 0(10niQikQiGkGSSS式中各个参数代表的意义。式中各个参数代表的意义。G Gk k永久荷载；永久荷载；Q Qi i可变荷载。可变荷载。正常使用极限状态当正常使用极限状态的验算包括构件的变形、当正常使用极限状态的验算包括构件的变形、抗

16、裂度及裂缝宽度验算。与承载能力极限状态相比抗裂度及裂缝宽度验算。与承载能力极限状态相比到达正常使用极限状态的危害性要小的多，因此正到达正常使用极限状态的危害性要小的多，因此正常使用极限状态的目标可靠指标要低一些。常使用极限状态的目标可靠指标要低一些。在正常使用极限状态计算中，按照荷载作用时在正常使用极限状态计算中，按照荷载作用时间的持久性需考虑两种荷载效应组合：荷载的标准间的持久性需考虑两种荷载效应组合：荷载的标准组合和准永久组合。组合和准永久组合。 2、准永久组合准永久组合（长期效应组合）：只包括在整个使用期内出现时间很长的荷载效应，即包括永久荷载和可变荷载的准永久值。niQikciGkSS

17、S11、标准组合标准组合（短期效应组合）：包括了在整个使用期内出现时间很短的荷载，即包括永久荷载和所有作用在构件上的可变荷载。12nGkQ kciQikiSSSS例：一简支梁，跨度为例：一简支梁，跨度为6米，作用于上的均布荷载，米，作用于上的均布荷载，恒载标准值恒载标准值 gk=3kN/m，分项系数分项系数 G=1.2，活活荷载标准值荷载标准值qk=6kN/m，分布系数分布系数 Q=1.4，分分别计算梁跨中截面弯矩的基本效应组合、短别计算梁跨中截面弯矩的基本效应组合、短期效应组合和长期效应组合期效应组合和长期效应组合(活荷载准永久系活荷载准永久系数数 qi = 0.4)解：基本效应组合解：基本效应组合(内力组合设计值内力组合设计值)2kQkG)(81)(lqgMSmkN546)64 . 132 . 1 (812荷载短期效应组合：2kkss)(81)(lqgMS荷载长期效应组合：mkN3 .246) 64 . 03 (812mkN5 .406)63(8122kqik)(81)(lqgMSll谢 谢！