1、混凝土结构与砌体结构模块模块1 1 建筑结构的基本设计原则建筑结构的基本设计原则1.3极限状态设计方法1.1建筑结构的功能要求和极限状态1.2建筑结构承受的荷载分类和荷载代表值 （1）了解结构的功能要求和结构极限状态的基本概念。（2）掌握极限状态的设计方法。（3）掌握极限状态的实用设计表达式。学习目标学习目标模块模块1 1 建筑结构的基本设计原则建筑结构的基本设计原则1.1 1.1 建筑结构的功能要求和极限状态建筑结构的功能要求和极限状态 建筑结构的功能要求1.1.1 结构在预定的使用期限内，应能承受正常施工、正常使用时可能出现的各种荷载、强迫变形（如超静定结构的支座的不均匀沉降）、约束变形（
2、如由于温度及收缩引起的构件变形受到约束时所产生的变形）等的作用。在偶然荷载（如地震、强风）作用下或偶然事件（如火灾、爆炸）发生时和发生后，构件仅产生局部损坏，不发生连续倒塌。1 1）安全性）安全性1.1 1.1 建筑结构的功能要求和极限状态建筑结构的功能要求和极限状态2 2）适用性）适用性 结构在正常使用荷载作用下具有良好的工作性能，如不发生影响正常使用的过大挠度、永久变形和动力效应（过大的振幅和振动），或不产生令使用者感到不安宽度的裂缝。1.1 1.1 建筑结构的功能要求和极限状态建筑结构的功能要求和极限状态3 3）耐久性）耐久性 结构在正常使用和正常维护条件下，在规定的环境中及预定的使用期
3、限内应有足够的耐久性。如不发生由于混凝土保护层碳化或氯离子的侵入而导致的钢筋锈蚀，以致影响结构的使用寿命。1.1 1.1 建筑结构的功能要求和极限状态建筑结构的功能要求和极限状态 建筑结构的极限状态1.1.2 （1）整个结构或其中的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、过大的滑移）。（2）结构构件或连接部位因荷载过大而遭到破坏，包括承受多次重复荷载产生的疲劳破坏（如钢筋混凝土梁受压区混凝土达到其抗压强度）。（3）结构构件或连接部位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的破坏）。1 1）承载能力极限状态）承载能力极限状态1.1 1.1 建筑结构的功能要求和极限状态建筑结构的功能要求
4、和极限状态 （4）结构转变为机动体系（如超静定结构由于某些截面的屈服形成塑性铰，使结构成为几何可变体系）。（5）结构或构件丧失稳定（如细长柱达到临界荷载发生压屈）。（6）地基丧失承载力而被破坏。1.1 1.1 建筑结构的功能要求和极限状态建筑结构的功能要求和极限状态2 2）正常使用极限状态）正常使用极限状态（4）影响结构或构件正常使用的其他特定状态（如由于钢筋锈蚀产生的沿钢筋的纵向裂缝）。（3）影响结构或构件正常使用的振动。（2）影响结构或构件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；或允许出现裂缝的构件，其裂缝宽度超过了允许限值）。（1）影响结构或构件的正常使用的外观变形（如梁
5、产生超过了挠度限值的过大的挠度）。1.2 1.2 建筑结构承受的荷载分类和荷载代表值建筑结构承受的荷载分类和荷载代表值 荷载的分类1.2.1（1）永久荷载。（2）可变荷载。（3）偶然荷载。1.2 1.2 建筑结构承受的荷载分类和荷载代表值建筑结构承受的荷载分类和荷载代表值 荷载的代表值1.2.2 （1）荷载标准值。荷载的代表值（2）可变荷载组合值。（3）可变荷载频遇值。（4）可变荷载准永久值。1.2 1.2 建筑结构承受的荷载分类和荷载代表值建筑结构承受的荷载分类和荷载代表值 荷载的代表值1.2.2 对于结构构件自重，永久荷载标准值可按结构构件的设计尺寸与材料单位体积的自重计算确定，相当于自重
6、的统计平均值，其分位值为0.5。对于自重变异性较大的材料（如屋面保温材料、防水材料、找平层等），自重的标准值应根据对结构的不利状态，分别取建筑结构荷载规范（GB 500092012）给出的自重上限值或下限值。提提 示示1.3 1.3 极限状态设计方法极限状态设计方法 承载能力极限状态计算1.3.11 1）设计表达式）设计表达式 （1）当用内力的形式表达持久设计状况、短暂设计状况和地震设计状况时，结构构件应采用下列极限状态设计表达式：0SR（1-1）（1-2）式中，0为结构构件的重要性系数；S 为承载能力极限状态下荷载效应组合的设计值，对持久设计状况和短暂设计状况应按荷载的基本组合计算，对地震设
7、计状况应按荷载的地震组合计算；cskRd(,.,)/RR ff a 1.3 1.3 极限状态设计方法极限状态设计方法 对地震设计状况应按荷载的地震组合计算；R 为结构构件的抗力设计值；R （）为结构构件的抗力函数；fc、fs分别为混凝土、钢筋的强度设计值；ak为几何参数的标准值，当几何参数的变异性对结构性能有明显的不利影响时，应增减一个附加值；Rd为结构构件的抗力模型不定性系数。1.3 1.3 极限状态设计方法极限状态设计方法 （2）对偶然荷载下的结构进行承载能力极限状态设计时，式（1-1）的荷载效应组合的设计值 S 按偶然组合计算，结构重要性系数取不小于1.0的数值；式（1-2）中，混凝土、
8、钢筋的强度设计值 fc、fs改用强度标准值fck、fyk（或 fpyk）。1.3 1.3 极限状态设计方法极限状态设计方法2 2）荷载效应组合的设计值）荷载效应组合的设计值 （1）基本组合的效应设计值。对于基本组合，荷载效应组合的设计值 S 应从下列组合中取最不利值确定。由可变荷载控制的效应设计值为（1-3）由永久荷载控制的效应设计值为(1-4)QGG kppQ111kcLQ k11jiiQjjjijSSSL SSGG kppQck11 SiiLjjQjijSS S1.3 1.3 极限状态设计方法极限状态设计方法 （2）偶然组合的效应设计值。偶然组合的效应设计值可按式（1-5）确定：（1-3）
9、式中，SAd为偶然荷载设计值的效应；fl为第l个可变荷载的频遇值系数；ql、qj为第l个和第j个可变荷载的准永久值系数。式（1-5）中，偶然荷载的代表值不乘分项系数，主要是考虑到偶然荷载的确定本身带有较大的主观因素；与偶然荷载同时出现的其他荷载可根据观测资料和工程经验采用适当的代表值。kpAdf1q11kqk11GiQjQjijSSSSS S（或）1.3 1.3 极限状态设计方法极限状态设计方法 正常使用极限状态计算1.3.21 1）设计表达式）设计表达式 对于正常使用极限状态，结构构件应根据不同情况分别采用荷载效应的标准组合、频遇组合或准永久组合，采用下列极限状态设计表达式：S C （1-6
10、）式中，S 为正常使用极限状态的荷载组合的效应（如变形、裂缝等）设计值；C 为结构构件达到正常使用要求所规定的变形、应力、裂缝宽度和自振频率等的相应限值。1.3 1.3 极限状态设计方法极限状态设计方法2 2）标准组合的效应设计值）标准组合的效应设计值(1-7)标准组合宜用于不可逆正常使用极限状态，即当某个极限状态被超越时将产生严重的永久性损害的情形。111GikPQ kcjQjkijSSSSS 1.3 1.3 极限状态设计方法极限状态设计方法3 3）频遇组合的效应设计值）频遇组合的效应设计值 (1-8)由式（1-8）可知，频遇组合是永久荷载的标准值，主导可变荷载的频遇值和伴随可变荷载的准永久
11、值的效应组合。频遇组合宜用于可逆正常使用极限状态，即当某个极限状态被超越时仅产生局部损害、较大的变形或短暂的振动等。f1111GikPQ kqjQjkiiSSSSS 1.3 1.3 极限状态设计方法极限状态设计方法4)4)准永久组合的效应设计值准永久组合的效应设计值 (1-8)由式（1-8）可知，频遇组合是永久荷载的标准值，主导可变荷载的频遇值和伴随可变荷载的准永久值的效应组合。频遇组合宜用于可逆正常使用极限状态，即当某个极限状态被超越时仅产生局部损害、较大的变形或短暂的振动等。f1111GikPQ kqjQjkiiSSSSS (1-9)准永久组合宜用于在当长期作用效应是决定性因素时的正常使用
12、极限状态。同理，式（1-7）、式（1-8）和式（1-9）仅适用于荷载与荷载效应为线性关系的情况。由于正常使用极限状态要求的目标可靠指标较小，因而对荷载不乘以分项系数，设计时对材料强度采用标准值。1.3 1.3 极限状态设计方法极限状态设计方法 (1-8)由式（1-8）可知，频遇组合是永久荷载的标准值，主导可变荷载的频遇值和伴随可变荷载的准永久值的效应组合。频遇组合宜用于可逆正常使用极限状态，即当某个极限状态被超越时仅产生局部损害、较大的变形或短暂的振动等。如图1-1（a）所示，某钢筋混凝土预制柱安全等级为一级。采用翻身吊装，吊点设在牛腿下部，起吊时混凝土达到设计强度（C30）的100%。上柱、
13、牛腿和下柱的自重分别为15.60kN、6.5kN和42.43kN。吊装验算的计算简图及弯矩图如图1-1（b）、图1-1（c）所示。问题：如何确定吊装时钢筋混凝土预制柱的受弯承载力，并验算所用的弯矩设计值。课堂案例课堂案例1.3 1.3 极限状态设计方法极限状态设计方法图1-1 柱的吊装计算简图1.3 1.3 极限状态设计方法极限状态设计方法 (1-8)由式（1-8）可知，频遇组合是永久荷载的标准值，主导可变荷载的频遇值和伴随可变荷载的准永久值的效应组合。频遇组合宜用于可逆正常使用极限状态，即当某个极限状态被超越时仅产生局部损害、较大的变形或短暂的振动等。分析：（1）荷载计算。根据混凝土结构设计
14、规范第3.1.4条的规定，考虑动力系数=1.5，各段柱自重线荷载设计值为：上柱 牛腿 下柱 （2）内力计算。KN/m 同理可得M2=73.20 KN/m课堂案例课堂案例1G1k15.60=g1.5 1.27.2kN/m3.9g2G2k6.5=g1.5 1.216.7kN/m0.7g3G3k42.43=g1.5 1.28.44kN/m9.05g2211 111=7.23.954.7622Mg l 1.3 1.3 极限状态设计方法极限状态设计方法 (1-8)由式（1-8）可知，频遇组合是永久荷载的标准值，主导可变荷载的频遇值和伴随可变荷载的准永久值的效应组合。频遇组合宜用于可逆正常使用极限状态，即
15、当某个极限状态被超越时仅产生局部损害、较大的变形或短暂的振动等。由 ，可得 AB段 令dM（x）/dx=0,则下柱段的最大弯矩发生在x=RA/g3=30.10/8.44=3.57m处，因此M3=53.67 KN/m。课堂案例课堂案例2BA 323 3102MR lMg l2A3 331173.208.449.0530.10kN229.05MRg ll2A31()2M xR xg x (1-8)由式（1-8）可知，频遇组合是永久荷载的标准值，主导可变荷载的频遇值和伴随可变荷载的准永久值的效应组合。频遇组合宜用于可逆正常使用极限状态，即当某个极限状态被超越时仅产生局部损害、较大的变形或短暂的振动等
16、。由 ，可得 AB段 令dM（x）/dx=0,则下柱段的最大弯矩发生在x=RA/g3=30.10/8.44=3.57m处，因此M3=53.67 KN/m。课堂案例课堂案例2BA 323 3102MR lMg l2A3 331173.208.449.0530.10kN229.05MRg ll2A31()2M xR xg x1.3 1.3 极限状态设计方法极限状态设计方法 （3）弯矩设计值计算。根据上文0的具体分类，此处取 0=1.1。上柱：弯矩设计值0M1=1.154.76=60.24 kNm 下柱：由于M3M2，故取 M2为下柱的验算弯矩，0M2 =1.173.2=80.52 kNm。课堂案例
17、课堂案例1.3 1.3 极限状态设计方法极限状态设计方法 耐久性验算1.3.31 1）耐久性的概念）耐久性的概念 材料的耐久性是指材料暴露在使用环境下抵抗各种物理和化学作用的能力。钢筋混凝土结构长期暴露在使用环境中，耐久性会逐渐降低。其影响因素主要有材料的质量、钢筋的锈蚀、混凝土的抗渗及抗冻性、除冰盐对混凝土的破坏等。混凝土结构的耐久性应根据表1-1的使用环境类别和表12的耐久性的基本要求进行设计。1.3 1.3 极限状态设计方法极限状态设计方法表1-1 混凝土结构的环境类别 注：严寒和寒冷地区的划分应符合国家现行标准2008年版民用建筑热工设计规范（GB 501761993）的规定。1.3
18、1.3 极限状态设计方法极限状态设计方法表1-2 设计使用年限为50年的结构混凝土耐久性的基本要求 注1：氯离子含量是指其占水泥用量的百分率。注2：预应力构件混凝土中的氯离子质量分数不得超过0.06，水泥用量不应少于300 kg/m3；最低混凝土强度等级应按表中规定提高两个等级。注3：当混凝士中加入活性掺合料或能提高耐久性的外加剂时，可酌情降低水泥用量。注4：当有工程经验时，处于一类和二类环境中的混凝土强度等级可降低一级。注5：当使用非碱活性集料时，对混凝土中的碱含量可不进行限制。1.3 1.3 极限状态设计方法极限状态设计方法2 2）对结构混凝土的要求）对结构混凝土的要求 对于设计使用年限为
19、100年且处于一类环境中的混凝土结构应符合下列规定：（1）结构混凝土强度等级不应低于C30，预应力混凝土结构混凝土强度等级应不低于C40。（2）混凝土中的最大氯离子含量为0.06。（3）宜使用非碱活性集料；当使用碱活性集料时，混凝土中的碱含量不得超过3.0kg/m3。1.3 1.3 极限状态设计方法极限状态设计方法 （4）混凝土保护层厚度宜增加40%，在使用过程中宜采取表面防护、定期维护等有效措施。（5）处于严寒及寒冷地区潮湿环境中的结构混凝土应满足抗冻要求，混凝土抗冻等级应符合有关标准的要求。（6）有抗渗要求的混凝土结构，混凝土的抗渗等级应符合有关标准的要求。1.3 1.3 极限状态设计方法极限状态设计方法 （7）三类环境中的结构或构件，其受力钢筋宜采用环氧涂层带肋钢筋，预应力钢筋应有防护措施，且宜采用有利于提高耐久性的高性能混凝土，混凝土强度等级不得低于C30。（8）四类和五类环境中的混凝土结构，其耐久性要求应符合有关标准的规定。（9）对临时性混凝土结构，可不考虑耐久性要求。（10）未经技术鉴定或设计许可，不得改变结构的使用环境和用途。Thank you
