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1、第1章极限状态设计原则本讲稿第一页，共十九页3.1 极限状极限状态设计原原则 3.1.1 3.1.1 建筑建筑建筑建筑结结构的功能要求构的功能要求构的功能要求构的功能要求 1.1.安全性安全性安全性安全性 建筑建筑建筑建筑结结构在其构在其构在其构在其设计设计使用年限内使用年限内使用年限内使用年限内应应能能能能够够承受可能出承受可能出承受可能出承受可能出现现的各种作的各种作的各种作的各种作用。且在用。且在用。且在用。且在设计规设计规定的偶然事件定的偶然事件定的偶然事件定的偶然事件发发生生生生时时及及及及发发生后，生后，生后，生后，结结构构构构应应能保持必需能保持必需能保持必需能保持必需的整体的整
2、体的整体的整体稳稳定性，不致倒塌。定性，不致倒塌。定性，不致倒塌。定性，不致倒塌。2.2.适用性适用性适用性适用性 建筑建筑建筑建筑结结构在其构在其构在其构在其设计设计使用年限内使用年限内使用年限内使用年限内应应能能能能满满足足足足预预定的使用要求，有定的使用要求，有定的使用要求，有定的使用要求，有良好的工作性能，其良好的工作性能，其良好的工作性能，其良好的工作性能，其变变形、裂形、裂形、裂形、裂缝缝或振或振或振或振动动等性能均不超等性能均不超等性能均不超等性能均不超过规过规定的限度定的限度定的限度定的限度等。等。等。等。3.3.耐久性耐久性耐久性耐久性 建筑建筑建筑建筑结结构在其构在其构在其
3、构在其设计设计使用年限内使用年限内使用年限内使用年限内应应有足有足有足有足够够的耐久性。例如保的耐久性。例如保的耐久性。例如保的耐久性。例如保护层护层厚度厚度厚度厚度不得不得不得不得过过薄、裂薄、裂薄、裂薄、裂缝缝不得不得不得不得过宽过宽而引起而引起而引起而引起钢钢筋筋筋筋锈蚀锈蚀等。等。等。等。本讲稿第二页，共十九页3.1.2 3.1.2 结结构可靠度和安全等构可靠度和安全等构可靠度和安全等构可靠度和安全等级级 结结构可靠性构可靠性构可靠性构可靠性是指是指是指是指结结构在构在构在构在规规定的定的定的定的时间时间内内内内(即即即即设计设计使用年限使用年限使用年限使用年限)，在，在，在，在规规定
4、的条件下定的条件下定的条件下定的条件下(结结构正常的构正常的构正常的构正常的设计设计、施工、使用和、施工、使用和、施工、使用和、施工、使用和维维修条件修条件修条件修条件)，完成，完成，完成，完成预预定功能定功能定功能定功能(如承如承如承如承载载力、力、力、力、刚刚度、度、度、度、稳稳定性、抗裂性、耐久性和定性、抗裂性、耐久性和定性、抗裂性、耐久性和定性、抗裂性、耐久性和动动力性能等力性能等力性能等力性能等)的能力。的能力。的能力。的能力。结结构可靠度构可靠度构可靠度构可靠度是指是指是指是指结结构在构在构在构在规规定的定的定的定的时间时间内，在内，在内，在内，在规规定的条件下，完成定的条件下，完
5、成定的条件下，完成定的条件下，完成预预定功能的定功能的定功能的定功能的概率，即概率，即概率，即概率，即结结构可靠度是构可靠度是构可靠度是构可靠度是结结构可靠性的概率度量构可靠性的概率度量构可靠性的概率度量构可靠性的概率度量。本讲稿第三页，共十九页3.1.3 3.1.3 结结构的极限状构的极限状构的极限状构的极限状态态 结结构的极限状构的极限状构的极限状构的极限状态态是指整个是指整个是指整个是指整个结结构或构或构或构或结结构的一部分超构的一部分超构的一部分超构的一部分超过过某一特定状某一特定状某一特定状某一特定状态态就不能就不能就不能就不能满满足足足足设计规设计规定的某一功能要求，此特定状定的某
6、一功能要求，此特定状定的某一功能要求，此特定状定的某一功能要求，此特定状态态称称称称为该为该功能的极限状功能的极限状功能的极限状功能的极限状态态。建筑建筑建筑建筑结结构可靠度构可靠度构可靠度构可靠度设计统设计统一一一一标标准准准准将将将将结结构的极限状构的极限状构的极限状构的极限状态态分分分分为为两两两两类类：承承承承载载能力极限状能力极限状能力极限状能力极限状态态及及及及正常使用极限状正常使用极限状正常使用极限状正常使用极限状态态。本讲稿第四页，共十九页 承承承承载载能力极限状能力极限状能力极限状能力极限状态态 结结构或构或构或构或结结构构件达到最大承构构件达到最大承构构件达到最大承构构件达
7、到最大承载载能力或不适于能力或不适于能力或不适于能力或不适于继继续续承承承承载载的的的的变变形。形。形。形。(1)(1)整个整个整个整个结结构或构或构或构或结结构的一部分作构的一部分作构的一部分作构的一部分作为刚为刚体失去平衡体失去平衡体失去平衡体失去平衡，如雨篷，如雨篷，如雨篷，如雨篷压压重不足而重不足而重不足而重不足而倾倾覆、烟囱抗覆、烟囱抗覆、烟囱抗覆、烟囱抗风风不足而不足而不足而不足而倾倾倒、倒、倒、倒、挡挡土土土土墙墙抗滑不足在土抗滑不足在土抗滑不足在土抗滑不足在土压压力作用下而整体力作用下而整体力作用下而整体力作用下而整体滑移等。滑移等。滑移等。滑移等。(2)(2)结结构构件或其构
8、构件或其构构件或其构构件或其连连接因超接因超接因超接因超过过材料材料材料材料强强度而破坏度而破坏度而破坏度而破坏(包括疲包括疲包括疲包括疲劳劳破坏破坏破坏破坏)，如，如，如，如轴轴心受心受心受心受压压构件中混凝土达到了构件中混凝土达到了构件中混凝土达到了构件中混凝土达到了轴轴心抗心抗心抗心抗压强压强度、构件的度、构件的度、构件的度、构件的钢钢筋因筋因筋因筋因锚锚固固固固长长度不足而度不足而度不足而度不足而被拔出等；或因被拔出等；或因被拔出等；或因被拔出等；或因变变形形形形过过大而不适于大而不适于大而不适于大而不适于继续继续承受荷承受荷承受荷承受荷载载。(3)(3)结结构构构构转变为转变为机机机
9、机动动体系体系体系体系，如构件，如构件，如构件，如构件发发生三生三生三生三铰铰共共共共线线而形成机而形成机而形成机而形成机动动体系，体系，体系，体系，丧丧失承失承失承失承载载能力。能力。能力。能力。(4)(4)结结构或构件构或构件构或构件构或构件丧丧失失失失稳稳定定定定，如，如，如，如细长细长柱到达柱到达柱到达柱到达临临界荷界荷界荷界荷载载后后后后压压屈失屈失屈失屈失稳稳而破坏而破坏而破坏而破坏。本讲稿第五页，共十九页 正常使用极限状正常使用极限状正常使用极限状正常使用极限状态态 结结构或构或构或构或结结构构件达到正常使用或耐久性能的某构构件达到正常使用或耐久性能的某构构件达到正常使用或耐久性
10、能的某构构件达到正常使用或耐久性能的某项项规规定限定限定限定限值值。(1)(1)影响正常使用或外影响正常使用或外影响正常使用或外影响正常使用或外观观的的的的变变形形形形，如吊，如吊，如吊，如吊车车梁梁梁梁变变形形形形过过大大大大导导致吊致吊致吊致吊车车不能正常行不能正常行不能正常行不能正常行驶驶、梁梁梁梁挠挠度度度度过过大影响外大影响外大影响外大影响外观观等。等。等。等。(2)(2)影响正常使用或耐久性能的局部影响正常使用或耐久性能的局部影响正常使用或耐久性能的局部影响正常使用或耐久性能的局部损损坏坏坏坏，如水池池壁开裂漏水不能正，如水池池壁开裂漏水不能正，如水池池壁开裂漏水不能正，如水池池壁
11、开裂漏水不能正常使用、如裂常使用、如裂常使用、如裂常使用、如裂缝过宽导缝过宽导致致致致钢钢筋筋筋筋锈蚀锈蚀等。等。等。等。(3)(3)影响正常使用的振影响正常使用的振影响正常使用的振影响正常使用的振动动，如由于机器振，如由于机器振，如由于机器振，如由于机器振动动而而而而导导致致致致结结构的振幅超构的振幅超构的振幅超构的振幅超过过按正常按正常按正常按正常使用要求所使用要求所使用要求所使用要求所规规定的限位等。定的限位等。定的限位等。定的限位等。(4)(4)影响正常使用的其它特定状影响正常使用的其它特定状影响正常使用的其它特定状影响正常使用的其它特定状态态，如相，如相，如相，如相对对沉降量沉降量沉
12、降量沉降量过过大等。大等。大等。大等。本讲稿第六页，共十九页3.1.4 3.1.4 结结构上的作用构上的作用构上的作用构上的作用F F、作用效、作用效、作用效、作用效应应S S、结结构抗力构抗力构抗力构抗力R R 结结构上的作用构上的作用构上的作用构上的作用施加在施加在施加在施加在结结构上的集中力或分布力（构上的集中力或分布力（构上的集中力或分布力（构上的集中力或分布力（直接作用，也称直接作用，也称直接作用，也称直接作用，也称为为荷荷荷荷载载）和引起）和引起）和引起）和引起结结构外加构外加构外加构外加变变形或形或形或形或约约束束束束变变形的原因（形的原因（形的原因（形的原因（间间接作用接作用接
13、作用接作用）。）。）。）。作用效作用效作用效作用效应应由于直接作用或由于直接作用或由于直接作用或由于直接作用或间间接作用作用于接作用作用于接作用作用于接作用作用于结结构构件上，在构构件上，在构构件上，在构构件上，在结结构内构内构内构内产产生的生的生的生的内力和内力和内力和内力和变变形形形形(如如如如轴轴力、弯矩、剪力、扭矩、力、弯矩、剪力、扭矩、力、弯矩、剪力、扭矩、力、弯矩、剪力、扭矩、挠挠度、度、度、度、转转角和裂角和裂角和裂角和裂缝缝等等等等)。结结构抗力构抗力构抗力构抗力结结构或构或构或构或结结构构件承受内力和构构件承受内力和构构件承受内力和构构件承受内力和变变形的能力形的能力形的能力
14、形的能力(如构件的如构件的如构件的如构件的承承承承载载能力、能力、能力、能力、刚刚度度度度等等等等)。*结结构上的作用、作用效构上的作用、作用效构上的作用、作用效构上的作用、作用效应应、结结构抗力均是随机构抗力均是随机构抗力均是随机构抗力均是随机变变量量量量 本讲稿第七页，共十九页1 1 结结构上的作用分构上的作用分构上的作用分构上的作用分类类 (1)1)按随按随按随按随时间时间的的的的变变异分异分异分异分类类：永久作用永久作用永久作用永久作用 在在在在设计设计基准期内其量基准期内其量基准期内其量基准期内其量值值不随不随不随不随时间变时间变化，或其化，或其化，或其化，或其变变化与平均化与平均化
15、与平均化与平均值值相比可以相比可以相比可以相比可以忽略不忽略不忽略不忽略不计计的作用。的作用。的作用。的作用。可可可可变变作用作用作用作用在在在在设计设计基准期内其量基准期内其量基准期内其量基准期内其量值值随随随随时间变时间变化，且其化，且其化，且其化，且其变变化与平均化与平均化与平均化与平均值值相比不可忽略的作用。相比不可忽略的作用。相比不可忽略的作用。相比不可忽略的作用。偶然作用偶然作用偶然作用偶然作用在在在在设计设计基准期内出基准期内出基准期内出基准期内出现现或不一定出或不一定出或不一定出或不一定出现现，而一旦出，而一旦出，而一旦出，而一旦出现现其量其量其量其量值值很大且持很大且持很大且
16、持很大且持续时间续时间很短很短很短很短的作用。的作用。的作用。的作用。(2)(2)按随空按随空按随空按随空间间位置的位置的位置的位置的变变异分异分异分异分类类 固定作用固定作用固定作用固定作用在在在在结结构空构空构空构空间间位置上具有固定分布的作用。位置上具有固定分布的作用。位置上具有固定分布的作用。位置上具有固定分布的作用。可可可可动动作用作用作用作用在在在在结结构空构空构空构空间间位置上的一定范位置上的一定范位置上的一定范位置上的一定范围围内可以任意分布的作用。内可以任意分布的作用。内可以任意分布的作用。内可以任意分布的作用。(3)(3)按按按按结结构的反构的反构的反构的反应应分分分分类类
17、 静静静静态态作用作用作用作用使使使使结结构构构构产产生的加速度可忽略不生的加速度可忽略不生的加速度可忽略不生的加速度可忽略不计计的作用。的作用。的作用。的作用。动态动态作用作用作用作用使使使使结结构构构构产产生的加速度不可忽略的作用。生的加速度不可忽略的作用。生的加速度不可忽略的作用。生的加速度不可忽略的作用。本讲稿第八页，共十九页 2 结构的安全等级结构的安全等级结构的安全等级结构的安全等级*结结构的构的构的构的设计设计使用年限使用年限使用年限使用年限是指是指是指是指设计规设计规定的定的定的定的结结构或构或构或构或结结构构件不需构构件不需构构件不需构构件不需进进行大修即可按其行大修即可按其
18、行大修即可按其行大修即可按其预预定目的使用的定目的使用的定目的使用的定目的使用的时时期期期期 。*建筑建筑建筑建筑结结构的安全等构的安全等构的安全等构的安全等级级在在在在进进行建筑行建筑行建筑行建筑结结构的构的构的构的设计时设计时，应应根据根据根据根据结结构破坏可能构破坏可能构破坏可能构破坏可能产产生的生的生的生的各种后果各种后果各种后果各种后果(危及人的生命、造成危及人的生命、造成危及人的生命、造成危及人的生命、造成经济损经济损失、失、失、失、产产生社会影响等生社会影响等生社会影响等生社会影响等)的的的的严严重性，采用重性，采用重性，采用重性，采用不同的安全等不同的安全等不同的安全等不同的安
19、全等级级。本讲稿第九页，共十九页3.1.5 3.1.5 结结构的极限状构的极限状构的极限状构的极限状态态方程方程方程方程 1 1 结结构极限状构极限状构极限状构极限状态态方程可写方程可写方程可写方程可写为为：Z=RS=0 Z=RS=0 当当当当Z Z0 0时时，结结构构构构处处于可靠状于可靠状于可靠状于可靠状态态，当当当当Z Z0 0时时，结结构构构构处处于极限状于极限状于极限状于极限状态态，当当当当Z Z0 0时时，结结构构构构处处于失效状于失效状于失效状于失效状态态。本讲稿第十页，共十九页2 结构目标可靠指标结构目标可靠指标*在工程设计中要求结构的可靠指标在工程设计中要求结构的可靠指标 目
20、标可靠指标。目标可靠指标。标准准对一般工一般工业与民用建筑与民用建筑结构所构所规定的、作定的、作为设计依据的依据的可靠指可靠指标，称，称为目目标可靠指可靠指标.本讲稿第十一页，共十九页3.2 荷荷载和材料和材料强度的取度的取值3.2.1 3.2.1 荷荷荷荷载载 结结构上的荷构上的荷构上的荷构上的荷载载可分成三可分成三可分成三可分成三类类：永久荷永久荷永久荷永久荷载载在在在在结结构使用期内，其构使用期内，其构使用期内，其构使用期内，其值值随随随随时间时间因素的因素的因素的因素的变变化不大，或其化不大，或其化不大，或其化不大，或其变变化与其平均化与其平均化与其平均化与其平均值值相比可以忽略的荷相
21、比可以忽略的荷相比可以忽略的荷相比可以忽略的荷载载。可可可可变变荷荷荷荷载载在在在在结结构使用期内，其构使用期内，其构使用期内，其构使用期内，其值值随随随随时间变时间变化，且其化，且其化，且其化，且其变变化与其平均化与其平均化与其平均化与其平均值值相比不可以忽略的荷相比不可以忽略的荷相比不可以忽略的荷相比不可以忽略的荷载载。偶然荷偶然荷偶然荷偶然荷载载在在在在设计设计使用期内不一定出使用期内不一定出使用期内不一定出使用期内不一定出现现，一旦出，一旦出，一旦出，一旦出现现其其其其值值很大且持很大且持很大且持很大且持续时续时间间很短的荷很短的荷很短的荷很短的荷载载。本讲稿第十二页，共十九页3.2.
22、2 3.2.2 荷荷荷荷载载代表代表代表代表值值*建筑建筑建筑建筑结结构构构构设计时设计时，对对不同荷不同荷不同荷不同荷载应载应采用不同的采用不同的采用不同的采用不同的设计值设计值。对对永久荷永久荷永久荷永久荷载应载应采用采用采用采用标标准准准准值值作作作作为为代表代表代表代表值值；对对可可可可变变荷荷荷荷载应载应根据根据根据根据设计设计要求采用要求采用要求采用要求采用标标准准准准值值、组组合合合合值值、频频遇遇遇遇值值或准永久或准永久或准永久或准永久值值作作作作为为代表代表代表代表值值；对对偶然荷偶然荷偶然荷偶然荷载应载应按建筑按建筑按建筑按建筑结结构使用的特点确定其代表构使用的特点确定其代
23、表构使用的特点确定其代表构使用的特点确定其代表值值。本讲稿第十三页，共十九页 1.1.荷荷荷荷载标载标准准准准值值 荷荷载的基本代表的基本代表值，是指，是指结构在其使用期构在其使用期间,正常正常情况下可能出情况下可能出现的最大荷的最大荷载值。2.2.荷荷荷荷载频载频遇遇遇遇值值 是正常使用极限状是正常使用极限状态按按频遇遇组合合设计采用的一种采用的一种可可 变荷荷载代表代表值 。3.3.荷荷荷荷载载准永久准永久准永久准永久值值 是正常使用极限状是正常使用极限状态按准永久按准永久组合和合和频遇遇组合合设计采用的一种可采用的一种可变荷荷载代表代表值。4.4.荷荷荷荷载组载组合合合合值值 是当是当结
24、构承受两种或两种以上可构承受两种或两种以上可变荷荷载时，承，承载能力能力极限状极限状态按基本按基本组合合设计和正常使用极限状和正常使用极限状态按按标准准组合合设计采用采用的可的可变荷荷载代表代表值。本讲稿第十四页，共十九页3.2.3 材料材料强度度标准准值具有不小于具有不小于95的保的保证率的材料率的材料强度度值称称为材料材料强度度标准准值 1.钢材的材的强度度标准准值 规范范将将热轧钢筋的筋的强度度标准准值取取为冶金部冶金部门颁布的屈服布的屈服强度度废品限品限值，其保，其保证率率为97.73。2.混凝土的混凝土的强度度标准准值 取保取保证率率为95%的的强度度值为混凝土混凝土强度度标准准值
25、本讲稿第十五页，共十九页3.3 概率概率统计极限状极限状态设计方法方法 3.3.1 可靠度、失效概率、可靠指可靠度、失效概率、可靠指标 结构在构在规定的定的时间内，在内，在规定的条件下，完成定的条件下，完成预定的功能的概率，定的功能的概率，称称为结构构可靠度可靠度。用。用Ps表示。表示。结构不能完成构不能完成预定功能，即定功能，即Z0或或RS的概率即的概率即为失效概率失效概率。用。用Pf表示。表示。Ps+Pf=1 本讲稿第十六页，共十九页3.3.3 极限状极限状态设计表达式表达式1 1承承承承载载能力极限状能力极限状能力极限状能力极限状态设计态设计表达式表达式表达式表达式 SS承承承承载载能力
26、极限状能力极限状能力极限状能力极限状态态的荷的荷的荷的荷载载效效效效应应(内力内力内力内力)组组合的合的合的合的设计值设计值 。n n对对于于于于承承承承载载能力极限状能力极限状能力极限状能力极限状态态，结结构构件构构件构构件构构件应应按荷按荷按荷按荷载载效效效效应应的基本的基本的基本的基本组组合合合合进进行行行行计计算，必要算，必要算，必要算，必要时时尚尚尚尚应应按荷按荷按荷按荷载载效效效效应应的偶然的偶然的偶然的偶然组组合合合合进进行行行行计计算。算。算。算。n n对对于于于于基本基本基本基本组组合合合合，其内力，其内力，其内力，其内力组组合合合合设计值设计值可按以下两公式中最不利可按以下两公式中最不利可按以下两公式中最不利可按以下两公式中最不利值值确定：确定：确定：确定：本讲稿第十七页，共十九页对对于一般排架和框架于一般排架和框架结结构，可采用下列构，可采用下列简简化公式：化公式：本讲稿第十八页，共十九页2 正常使用极限状正常使用极限状态设计表达式表达式 S Sd dC C C设计对变形、裂形、裂缝等等规定的相定的相应限限值。Sd变形、裂形、裂缝等荷等荷载效效应设计值。*标准准组合合：*准永久准永久组合合:*频遇遇组合合：本讲稿第十九页，共十九页