1、结构设计原理结构设计原理王爱兰山东交通职业学院公路系2013年9月第四章第四章极限状态法设计的原则极限状态法设计的原则结构设计方法发展史结构设计方法发展史 KfKMMu 工程结构需要工程结构需要这只有这只有技术技术先进先进才能实现。才能实现。实际工程结构中实际工程结构中存在存在多种多种不确定性不确定性；工程结构的工程结构的基本设计原则基本设计原则就是就是研究研究各种各种不确定性不确定性问题，实现问题，实现可靠性可靠性与与经济性经济性的最佳平衡。的最佳平衡。一、作用的概念：一、作用的概念：使结构产生使结构产生内力内力或或变形变形的原因，分的原因，分直接作用直接作用和和 间接作用间接作用两种。两种
2、。直接作用直接作用：是指施加在结构上的：是指施加在结构上的集中力集中力或或分布力分布力，即即荷载荷载。间接作用间接作用：是指引起结构：是指引起结构外加变形外加变形或或约束变形约束变形的原的原 因（混凝土收缩、温度变化、基础差异因（混凝土收缩、温度变化、基础差异 沉降、地震等）。沉降、地震等）。在在结构使用期间，结构使用期间，其量值不随时间变化，或其变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。化与平均值相比可以忽略不计的作用。结构自重、土压力、预应力、地基沉降、水浮力等。结构自重、土压力、预应力、地基沉降、水浮力等。在在结构使用期间，结构使用期间，其量值随时间变化，且其变化其量
3、值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。与平均值相比不可忽略的作用。楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、汽车荷载汽车荷载、温度变化等。温度变化等。在在结构使用期间结构使用期间不一定出现，而一旦出现其量值不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用。很大且持续时间很短的作用。爆炸力、撞击力、罕遇的地震等。爆炸力、撞击力、罕遇的地震等。三、作用代表值三、作用代表值 作用代表值：作用代表值：是指结构或结构构件设计时，针对不同是指结构或结构构件设计时，针对不同设计目的所采用的各种作用规定值，它包括作用标准值、设计目的所采用的各种作用规定值，它包
4、括作用标准值、准永久值和频遇值等。准永久值和频遇值等。1.1.作用标准值作用标准值 作用标准值：作用标准值：是指在是指在结构设计基准期内结构设计基准期内，作用可能出现，作用可能出现的最大值，其值可根据作用在设计基准期内最大值概率分的最大值，其值可根据作用在设计基准期内最大值概率分布的某一分位值确定。布的某一分位值确定。公路桥涵结构的设计基准期为公路桥涵结构的设计基准期为100100年年。作用标准值是各种作用的基本代表值。作用标准值是各种作用的基本代表值。准永久值与频遇值准永久值与频遇值=系数系数*作用标准值作用标准值 结构自重（包括结构附加重力）标准值结构自重（包括结构附加重力）标准值=结构构
5、件的设计结构构件的设计尺寸尺寸*材料的重力密度。材料的重力密度。可变作用的标准值：按可变作用的标准值：按公路桥涵设计通用规范公路桥涵设计通用规范规规定采用。定采用。2.2.作用频遇值作用频遇值 作用频遇值是指：作用频遇值是指：结构设计基准期内，可变作用频繁结构设计基准期内，可变作用频繁出现，且量值较大的作用取值。出现，且量值较大的作用取值。值可根据在足够长期观测期内作用任意时点概率分布值可根据在足够长期观测期内作用任意时点概率分布的的0.950.95分位值确定。分位值确定。可变作用频遇值可变作用频遇值=可变作用标准值可变作用标准值*频遇值系数频遇值系数1 1。3.3.作用准永久值作用准永久值
6、作用准永久值：作用准永久值：是指结构设计基准期内，可变作用经常是指结构设计基准期内，可变作用经常（长期观测期内作用任意时点概率分布的（长期观测期内作用任意时点概率分布的0.50.5（或略高于（或略高于0.50.5）分位值）出现的那部分量值。）分位值）出现的那部分量值。可变作用准永久值可变作用准永久值=可变作用标准值可变作用标准值*准永久值系数准永久值系数2 2。作用频遇值作用频遇值大于大于作用准永久值作用准永久值。4.2 极限状态法计算原则极限状态法计算原则一、结构可靠性的概念一、结构可靠性的概念1.1.结构的功能要求结构的功能要求 结构设计的目的：使所设计的结构，在规定的时间内能够达到在具有
7、足够可靠性的前提下，满足全部功能的要求。规定的时间：分析结构的可靠度时考虑各项基本变量与时间关系所取用的时间参数，通常称为设计基准期；“预定功能预定功能”，有以下四个方面：，有以下四个方面：（1 1）结构应能承受在正常施工和正常使用期间可能出现结构应能承受在正常施工和正常使用期间可能出现 的的各种荷载、外加变形、约束变形等的作用。各种荷载、外加变形、约束变形等的作用。（2 2）结构在正常使用条件下具有良好的工作性能。）结构在正常使用条件下具有良好的工作性能。（3 3）结构在正常使用和正常维护的条件下，在规定的时间内，结构在正常使用和正常维护的条件下，在规定的时间内，具有足够的耐久性。具有足够的
8、耐久性。（4 4）在偶然荷载作用下或偶然事件发生时和发生后，结构仍在偶然荷载作用下或偶然事件发生时和发生后，结构仍能保持稳定性，不发生倒塌。能保持稳定性，不发生倒塌。第第（1 1）、（）、（4 4）两项指结构的强度和稳定性，称为两项指结构的强度和稳定性，称为安全性安全性；第（第（2 2）项称为结构的）项称为结构的适用性适用性；第第（3 3）项称为结构的项称为结构的耐久性耐久性。承载能力承载能力 稳稳 定定 性性 适适 用用 性性 耐耐 久久 性性 安全性安全性 用安全度度量用安全度度量用可靠度度量用可靠度度量 可靠性可靠性结构在结构在规定的时间规定的时间（设计基准期）内，在（设计基准期）内，在
9、规规定的条件定的条件（结构设计时所确定的（结构设计时所确定的正常设计正常设计、正常施工正常施工和和正正常使用条件常使用条件）下，完成）下，完成预定功能预定功能的能力。的能力。可靠度可靠度结构在规定的时间内，在规定的条件下，完结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的成预定功能的概率概率。可靠性可靠性 2、结构的可靠性、结构的可靠性 规定时间（设计基准期）规定时间（设计基准期）设计基准期设计基准期 进行结构可靠性分析时，考虑持久设计状进行结构可靠性分析时，考虑持久设计状况下各项变量与时间关系所采用的基准时间参数。况下各项变量与时间关系所采用的基准时间参数。可靠性概念的释义可靠性概念的释义
10、 一般桥梁结构的设计基准期为一般桥梁结构的设计基准期为100年年 建筑结构的设计基准期为建筑结构的设计基准期为50年年规定条件：规定条件：正常施工、设计、使用，不考虑人为过失正常施工、设计、使用，不考虑人为过失结构的结构的设计基准期设计基准期与结构与结构使用寿命使用寿命有什么异同？有什么异同？结构的设计基准期与使用寿命结构的设计基准期与使用寿命设计基准期设计基准期考虑持久设计状况下各项基本变量与考虑持久设计状况下各项基本变量与时间关系所采用的基准时间参数。时间关系所采用的基准时间参数。使用寿命使用寿命为结构或构件在正常维护条件下，不需为结构或构件在正常维护条件下，不需要大修即可按其设计规定的目
11、的正常使用的时间。要大修即可按其设计规定的目的正常使用的时间。结构的使用年限超过设计基准期时，表明它的失效概结构的使用年限超过设计基准期时，表明它的失效概率可能会增大，不能保证其目标可靠指标，但不等于率可能会增大，不能保证其目标可靠指标，但不等于结构丧失所有要求功能甚至报废，通常使用寿命大于结构丧失所有要求功能甚至报废，通常使用寿命大于设计基准期。设计基准期。前期回顾前期回顾v1.作用按作用时间的不同分为三类，分别是？作用按作用时间的不同分为三类，分别是？v2.作用代表值包括哪三种？作用代表值包括哪三种？v3.结构的功能主要有哪几个方面的要求？结构的功能主要有哪几个方面的要求？v4.设计基准期
12、是否等于使用寿命？设计基准期是否等于使用寿命？v5.标准标准中规定桥梁结构的设计基准期是？中规定桥梁结构的设计基准期是？提出任务：提出任务：思考、疑问：思考、疑问：v1.什么是作用效应？什么是作用效应？v2.什么是作用效应组合？什么是作用效应组合？v3.作用效应组合设计分为几种情况？作用效应组合设计分为几种情况？v4.这个题目要分别计算哪几种呢？这个题目要分别计算哪几种呢？二、作用效应组合二、作用效应组合v基本组合基本组合承载能力极限状态设计v偶然组合偶然组合承载能力极限状态设计v作用短期效应组合作用短期效应组合正常使用极限状态设计v作用长期效应组合作用长期效应组合正常使用极限状态设计 三、结
13、构的极限状态三、结构的极限状态 1定义：定义：当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态而不能满当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态而不能满足设计规定的某一功能要求时，则此特定状态称为该结构足设计规定的某一功能要求时，则此特定状态称为该结构的极限状态。的极限状态。结构的极限状态也是结构处于可靠状态与失效状态的临结构的极限状态也是结构处于可靠状态与失效状态的临界状态。界状态。正常使用正常使用极限状态极限状态承载能力承载能力极限状态极限状态极限状态极限状态 2 2、极限状态的分类、极限状态的分类欧洲混凝土协会欧洲混凝土协会国际预应力混凝土协会国际预应力混凝土协会国际标准化组织国际标准化组织我国的
14、可靠度标准、各种规范我国的可靠度标准、各种规范 承载能力极限状态承载能力极限状态 对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。承载的变形。承载能力承载能力极限状态极限状态结构构件或连接处因结构构件或连接处因超过材料强度超过材料强度而破坏而破坏结构转变结构转变成成机动体系机动体系整个结构或结构的一部整个结构或结构的一部分作为刚体分作为刚体失去平衡失去平衡 （滑动、倒塌）（滑动、倒塌）结构或结构构件结构或结构构件丧丧失稳定失稳定（柱的压曲（柱的压曲失稳）失稳）4321 公路桥涵结构的设计安全等级，应根据结构破坏可能产公路桥涵结构的设计安全等级
15、，应根据结构破坏可能产生的后果的严重程度生的后果的严重程度 ，划分为三个安全等级进行设计。，划分为三个安全等级进行设计。表4-1公路桥涵安全等级安全等级桥涵类型一级特大桥、重要大桥二级大桥、中桥、重要小桥三级小桥、涵洞注：本表冠以“重要”的大桥和小桥，系指高速公路和一级公路上、国防公路上及城市附近交通繁忙公路上的桥梁。正常使用极限状态正常使用极限状态 对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。定限值。影响正常使用或外观的影响正常使用或外观的变形变形影响正常使用或耐久性能的影响正常使用或耐久性能的局部损坏局部损坏影响正常使用的影响正常使用
16、的振动振动影响正常使用的其它影响正常使用的其它特定状态特定状态njQjkQjcmikQQGikGidSSSS211100njQjkjmiGiksdSSS111njQjkjmiGikldSSS121解决问题：解决问题：1.承载能力极限状态设计时作用效应的基本组合承载能力极限状态设计时作用效应的基本组合 mkNSSSMminjQjkQjckQQGikiGd.45.1351)6.404.180.07.4594.15522.1(0.1)(1211002.正常使用极限状态设计时作用效应组合正常使用极限状态设计时作用效应组合（1）作用短期效应组合）作用短期效应组合不计入冲击系数的汽车荷载弯矩标准值不计入冲击系数的汽车荷载弯矩标准值作用短期效应组合设计值为作用短期效应组合设计值为 mkNMMMMMMkQkQGkminjQjkjGiksd.79.8626.400.198.3857.0552)2121111111459 71385 98Q KM./().kN m（2）作用长期效应组合）作用长期效应组合mkNMMMMMMkQkQGkminjQjkjGikld.63.7226.404.098.3854.05522221211121385 98Q KM.kN m 作用长期效应组合设计值为作用长期效应组合设计值为:新的题目：新的题目：
