第二章-混凝土结构设计方法课件.ppt

1、 各类工程结构的设计使用年限是不应统一的，若业主提出更高的要求，经主管部门批准，也可按业主的要求确定。总体而言，桥梁应比房屋的设计使用年限长，大坝的设计使用年限更长。当结构的使用年限达到或超过设计使用年限后，并不意味着结构立即报废，而只意味着结构的可靠度逐渐降低，但结构仍可继续使用或经大修后可继续使用。表表2-2 建筑结构的安全等级建筑结构的安全等级2.2 荷载和材料强度荷载和材料强度 结构物在使用期内所承受的荷载不是一个定值，而是在一定范围内变动。结构设计时所取用的材料强度，可能比材料的实际强度大或小，亦即材料的实际强度也在一定范围内波动。因此，结构设计时所取用的荷载值和材料强度值应采用概率

2、统计方法来确定。1)(:121nxxnxxniimniim标准差平均值mx变异系数：222)(exp21)(xxf1)(dxxfP图图2-1 随机变量的概率密度曲线随机变量的概率密度曲线 由概率论可知，正态分布概率密度曲线与横坐标轴所围成的面积为1，用积分表示为：当 时，随机变量大于该值的概率为84.13%；当 时，随机变量大于该值的概率为95%；当 时，随机变量大于该值的概率为97.72%；对于结构设计而言，荷载取值越大，内力值就越大，构件截面尺寸也愈大，结构愈安全；材料强度取值越低，结构所需截面越大，结构愈安全。x645.1x2x645.12645.122.2.1 荷载标准值的确定荷载标准

3、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基本代表值。荷载标准值荷载标准值是指在结构的使用期间，在正常情况下出现的最大荷载值。原则上应由设计基准期内最大荷载概率分布的某一分位数来确定。目前，由于对很多可变荷载未能取得充分的统计资料，难以给出符合实际的概率分布，若统一按95%的保证率调整荷载标准值，会使结构设计与过去相比在经济指标方面引起较大的波动。因此，我国现行建筑结构荷载规范（GB50009-2001）规定的荷载标准值，除了对个别不合理的作了适当调整外，大部分仍沿用或参照了传统习用的数值（根据已有的工程经验确定，故实际上荷载标准值取值的分位数并不统一）。2.

4、2.2 2.2.2 材料强度标准值的确定材料强度标准值的确定fm-1.645 fm)1(mmkffffkfmf（1）钢筋的强度标准值）钢筋的强度标准值 为保证钢材的质量，国家有关标准规定钢材出厂前要抽样检查，检查的标准为“废品限值”。对于热轧钢筋，废品限值约相当于屈服强度平均值减去两倍标准差所得的数值，保证率为97.73%。规范规定，钢筋的强度标准值应具有不小于95%的保证率。可见，国家标准规定的钢筋强度废品限值符合这一要求，且偏于安全。因此，规范以国家标准规定值作为钢筋强度标准值的依据，具体取值如下：对有明显屈服点的热轧钢筋，取国家标准规定的屈服点（废品限值）作为强度标准值。对无明显屈服点的

5、热处理钢筋、钢丝及钢铰线等，取国家标准规定的极限抗拉强度 （废品限值）作为强度标准值，但设计时取 作为条件屈服点。bb85.0645.1)645.11(645.1,cucucucuffffkcuf2.3 极限状态设计法极限状态设计法2.3.1 结构的极限状态结构的极限状态 结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠可靠”的或“有效有效”的。反之，则结构为“不可靠不可靠”或“失效失效”。可靠与失效之间的界限称为极限状态极限状态。即在使用过程中，若整个结构或结构构件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该功能的极限状态。极限状态可分为两类：承载能力

6、极限状态和正常使用极限状态承载能力极限状态和正常使用极限状态),(SRgSRZ它可以用来表示结构的三种工作状态它可以用来表示结构的三种工作状态：当 ，即 时 可靠状态，结构能完成预定功能；可靠概率有多大？当 ，即 时 极限状态；当 ，即 时 失效状态，结构不能完成预定功能。失效概率有多大？0ZSR 0Z0ZSR SR 结构的极限状态方程：结构的极限状态方程：0SRZfpSRZ图2-2可靠概率：可靠概率：失效概率：失效概率：0()spf Z dZ222)(exp21)(zzzzzf0)(dZZfpf1sfppffpp fpfp4109.6fp4101.1fpfpfpZZ22SRSRZZfpfpf

7、pRSRSRS表表2-3 可靠指标可靠指标 与失效概率与失效概率 的对应关系的对应关系fpfp11059.121068.621028.231021.63105.34109.64101.15103.1)()(zzfp表表2-3 可靠指标可靠指标 与失效概率与失效概率 的对应关系的对应关系22SRSRZZ 结构构件正常使用极限状态的设计可靠指标，根据其作用效应的可逆程度宜取01.5。可逆极限状态是指产生超越状态的作用被移去后，将不再保持超越状态的一种极限状态；不可逆极限状态是指产生超越状态的作用被移去后，仍将永久保持超越状态的一种极限状态。对可逆的正常使用极限状态，其可靠指标取为0；对不可逆的正常

8、使用极限状态，其可靠指标取为1.5。当可逆程度介于可逆与不可逆之间时，取01.5之间的值，对可逆程度较高的结构构件取较低值，对可逆程度较低的结构构件取较高值。fpRSk f(S)，f(R)S，RRkSk f(S)，f(R)S，RRk当结构抗力达到一定值时，失效概率等于允许失效概率，即当结构抗力达到一定值时，失效概率等于允许失效概率，即PfPf，此时取作用效应与结构抗力概率分布曲线的交点为设计计算点。此时取作用效应与结构抗力概率分布曲线的交点为设计计算点。设计计算点设计计算点S*=R*Pf=Pf RS 0,ksskcckkscaffRaffRR01.100.109.00SR Rscff,skck

9、ff,sc,kaSS kQc2QQ1kQ1GkGiiniiSSSS kQc1QGkGiiniiSSS GQi1Q1QGkSkGQikSkQ1kQS1ciiQnkQS1kQS1kQQGkGSSS11niQikQiGkGSSS19.0niQikciQiGkGSSS122SRSRZZ22SRSR331SR06.075.0SRSRSRSR)(22：整理后得设计表达式为SSRR11如果荷载项和抗力项都采用标准值，标准值由随机变量的概率分布的某一分位数确定，则标准值为：RRRkR1SSSkS1其中：分别为抗力和荷载保证率系数。sR,以上三式整理后得：SSkSRRkRSR1)1(1)1()1(1RRRRSS

10、SS1)1(则：分别为抗力分项系数和荷 载分项系数，从而得一般设计表达式为：SR,kSRkSR 可见，抗力分项系数 和荷载分项系数 的来源与目标可靠指标 有关，所以分项系数可以按目标可靠指标 通过反算来确定。需要指出的是：表达式虽然用了统计与概率的方法，但是在概率极限状态分析中只用到统计平均值和标准差，并非实际的概率分布，并且在分离导出分项系数时还作了一些假定，运算中采用了一些近似的处理方法，因而计算结果是近似的，所以只能称为近似概率设计方法。完全掌握符合随机变量的实际分布，得出真正的失效概率，目前还处于研究阶段。RSG2.1G35.1G0.1GQ4.1Q2/4mkN3.1QkGGciikci

11、QciikciQcici4.1c1.1s2.1s2.4.2 正常使用极限状态设计表达式正常使用极限状态设计表达式1、可变荷载的频遇值和准永久值、可变荷载的频遇值和准永久值 荷载标准值是在设计基准期内最大荷载的意义上确定的，它没有反映荷载作为随机过程而具有随时间变异的特性。当结构按正常使用极限状态的要求进行设计时（如变形、裂缝验算等），可变荷载作用时间的长短对于变形和裂缝的大小显然是有影响的，可变荷载的最大值并非长期作用于结构上，所以应按其在设计基准期内作用时间的长短和可变荷载超越总时间或超越次数，对其标准值进行折减，选择不同的荷载代表值。cckcffctktffcykyffikfiQikqiQ0CS SCkSniQikcikQGkkSSSS21fSniQikqikQfGkfSSSS211qSniQikqiGkqSSS1mkN/12mkN/16kNP20mkN/16活载mkN/12恒载m2m2m4kNP20kNP20mkNMkNN94.6418kNQ3mkNMkNN0.153kNQ77.0mkNMN2030kNQ28mkNMN2200kNQ7.22