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1、第02章结构按极限状态法设计计算的原则第1页，此课件共59页哦混凝土结构设计理论的发展混凝土结构设计理论的发展以弹性理论为基础，我国以弹性理论为基础，我国1985年以前采用此方法。年以前采用此方法。考虑材料的塑性破坏考虑材料的塑性破坏将破坏阶段法的单一的安全系将破坏阶段法的单一的安全系数改为分项安全系数，即为荷数改为分项安全系数，即为荷载系数，材料系数，工作条件载系数，材料系数，工作条件系数。系数。1、容许应力法、容许应力法2、破坏阶段法、破坏阶段法3、极限状态法、极限状态法4、以可靠性为基、以可靠性为基础的概率极限状态础的概率极限状态设计法设计法我国现行公路工程设计我国现行公路工程设计的总原
2、则的总原则第2页，此课件共59页哦概率设计按精确程度可分三个水准：概率设计按精确程度可分三个水准：半概率半概率近似概率（我国）近似概率（我国）全概率全概率最优失效概率最优失效概率第3页，此课件共59页哦 经过大量的试验，用统计方法确定各个变量的经过大量的试验，用统计方法确定各个变量的规律，确定结构的失效概率，来度量结构的可靠性，规律，确定结构的失效概率，来度量结构的可靠性，用：用：结构的可靠性理论作为基础的概率极限状态设结构的可靠性理论作为基础的概率极限状态设计法作为现行公路工程设计的总原则。计法作为现行公路工程设计的总原则。第4页，此课件共59页哦第一节第一节 概率极限状态法设计的基本概念概
3、率极限状态法设计的基本概念一、结构的可靠性与可靠度一、结构的可靠性与可靠度任何一个建筑物在规定的使用期限内都应满足任何一个建筑物在规定的使用期限内都应满足安全、适用、耐久三个方面的功能要求：安全、适用、耐久三个方面的功能要求：（一）安全性：（一）安全性：在正常施工和正常使用条件下，在正常施工和正常使用条件下，承受可能出现的各种功能的能力，以及各种偶然事承受可能出现的各种功能的能力，以及各种偶然事件发生时和发生后，仍能保持必要的整体性而不至件发生时和发生后，仍能保持必要的整体性而不至倒塌的能力。倒塌的能力。第5页，此课件共59页哦（二）适用性：（二）适用性：结构在正常使用条件下具有结构在正常使用
4、条件下具有良好工作的性能。良好工作的性能。（三）耐久性：（三）耐久性：结构在正常维护条件下，随时结构在正常维护条件下，随时间变化仍能满足功能要求的能力。间变化仍能满足功能要求的能力。第6页，此课件共59页哦安全性、适用性、耐久性这三者可以统称为结安全性、适用性、耐久性这三者可以统称为结构的可靠性（构的可靠性（Reliability），即：），即：结构在规定的时间结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的内，在规定的条件下，完成预定功能的能力能力。可靠性用可靠度（可靠性用可靠度（Degree of Reliability），），来进行数量描述，即：来进行数量描述，即：结构在规定的时间内，
5、在结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的规定的条件下，完成预定功能的概率概率。第7页，此课件共59页哦规定的时间一般是指设计基准期，我国现行公规定的时间一般是指设计基准期，我国现行公路桥规规定桥梁的设计基准期（路桥规规定桥梁的设计基准期（Design Reference Period）为）为100年年。规定的条件一般是指正常设计、正常施工规定的条件一般是指正常设计、正常施工和正常使用条件。和正常使用条件。第8页，此课件共59页哦二、结构的极限状态（二、结构的极限状态（Structual Limit State）结构或构件能够满足设计规定的某一功能要求的一结构或构件能够满足设计规定的
6、某一功能要求的一种特定临界状态。种特定临界状态。极限状态主要分为两类：极限状态主要分为两类：1、承载能力极限状态、承载能力极限状态（Ultimate Limit State）2、正常使用极限状态、正常使用极限状态（Serviceability Limit State）第9页，此课件共59页哦 1、承载能力极限状态：、承载能力极限状态：结构或构件达到最大承载力、出现疲劳破坏或结构或构件达到最大承载力、出现疲劳破坏或不适于继续承载的变形。不适于继续承载的变形。第10页，此课件共59页哦主要表现：主要表现：（1）构件或连接的材料强度超过破坏，过度构件或连接的材料强度超过破坏，过度塑性变形；塑性变形；
7、（2）整个结构或其部分作为刚体失衡，如侧整个结构或其部分作为刚体失衡，如侧移、倾覆等；移、倾覆等；（3）结构体系变为机动体系；结构体系变为机动体系；（4）结构或构件失稳，如压屈等。结构或构件失稳，如压屈等。第11页，此课件共59页哦 2、正常使用极限状态：、正常使用极限状态：结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。限值。第12页，此课件共59页哦主要表现：主要表现：（1）影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或外观的变形；（2）影响正常使用或耐久性的局部损坏（包括影响正常使用或耐久性的局部损坏（包括裂缝）；裂缝）；（3）影响正常使用的震动；影响
8、正常使用的震动；（4）影响正常使用的其它状态，如渗漏、腐蚀、影响正常使用的其它状态，如渗漏、腐蚀、冻害等。冻害等。设计时是先按承载能力极限状态设计构件，设计时是先按承载能力极限状态设计构件，再按正常使用极限状态进行验算。再按正常使用极限状态进行验算。第13页，此课件共59页哦三、结构的抗力以及功能函数三、结构的抗力以及功能函数1、结构的抗力（、结构的抗力（Resistance）结构或构件承受作用效应的能力。结构或构件承受作用效应的能力。第14页，此课件共59页哦2、结构的功能函数（、结构的功能函数（Function）若若R为结构抗力，为结构抗力，S为作用效应，则功能函数为作用效应，则功能函数Z
9、=g（R、S）。）。Z=R S，就是，就是最简单的功能函数，随最简单的功能函数，随条件的变化，条件的变化，Z 有三种有三种可能性：可能性：第15页，此课件共59页哦（1）Z=R-S0，结构抗力大于作用效应，即，结构抗力大于作用效应，即结构可靠；结构可靠；（2）Z=R-S0，结构抗力小于作用效应，即，结构抗力小于作用效应，即结构失效；结构失效；（3）Z=R-S=0，结构抗力等于作用效应，即，结构抗力等于作用效应，即处于极限状态。处于极限状态。因此可以看出，结构安全可靠的基本条件是：因此可以看出，结构安全可靠的基本条件是：Z0或或RS。第16页，此课件共59页哦第二节第二节 我国现行公路桥规的计算
10、原则我国现行公路桥规的计算原则一、三种设计状况一、三种设计状况1、持久状况持久状况，对应桥梁的使用阶段，进行承载，对应桥梁的使用阶段，进行承载能力极限状态和正常使用极限状态的计算；能力极限状态和正常使用极限状态的计算；2、短暂状况短暂状况，对应桥梁的施工阶段，对应桥梁的施工阶段，一般一般只进只进行承载能力极限状态的计算；行承载能力极限状态的计算；第17页，此课件共59页哦3、偶然状况偶然状况，对于桥梁在使用过程中可，对于桥梁在使用过程中可能出现的偶然状况，如地震等，其出现概率极能出现的偶然状况，如地震等，其出现概率极小，持续时间短，只需进行承载能力极限状态小，持续时间短，只需进行承载能力极限状
11、态的计算。的计算。第18页，此课件共59页哦二、承载能力极限状态计算表达式二、承载能力极限状态计算表达式1、结构的重要性系数、结构的重要性系数0公路桥规按不同的安全等级进行设计，以公路桥规按不同的安全等级进行设计，以体现不同情况桥涵的可靠度差异，如表：体现不同情况桥涵的可靠度差异，如表：第19页，此课件共59页哦安全等级安全等级 破坏后果破坏后果桥涵类型桥涵类型结构重要性结构重要性系数系数0一级一级很严重很严重特大桥、特大桥、重要大桥重要大桥1.1二级二级严严 重重大桥、中桥、大桥、中桥、重要小桥重要小桥1.0三级三级不严重不严重小桥、涵洞小桥、涵洞0.9公路桥涵结构的安全等级公路桥涵结构的安
12、全等级第20页，此课件共59页哦2、承载能力极限状态计算表达式、承载能力极限状态计算表达式 0结构重要性系数，对结构安全等级分为一、结构重要性系数，对结构安全等级分为一、二、三级，分取二、三级，分取1.1、1.0、0.9；Sd承载能力极限状态设计的荷载效应组合（即承载能力极限状态设计的荷载效应组合（即作用效应）的设计值；作用效应）的设计值；R结构构件的承载力（即抗力）设计值；结构构件的承载力（即抗力）设计值；第21页，此课件共59页哦R()结构构件的承载力函数；结构构件的承载力函数；fd 分别为混凝土、钢筋的强度设计值；分别为混凝土、钢筋的强度设计值；ad 几何参数标准值，当几何参数的变异性对
13、几何参数标准值，当几何参数的变异性对结构性能有明显不利的影响时，可另增减结构性能有明显不利的影响时，可另增减一个附加值。一个附加值。2 2、承载能力极限状态计算表达式、承载能力极限状态计算表达式 第22页，此课件共59页哦二、二、持久状况持久状况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 按正常使用极限状态设计时，应验算结构构按正常使用极限状态设计时，应验算结构构件的件的应力、变形、抗裂度应力、变形、抗裂度或或裂缝宽度。裂缝宽度。由于结构构件达到或超过正常使用极限状态时，由于结构构件达到或超过正常使用极限状态时，其危害程度上不足以引起结构大规模的破坏，因此其危害程度上不足以引起结构大
14、规模的破坏，因此对它的可靠度，设计时应该适当的降低。对它的可靠度，设计时应该适当的降低。第23页，此课件共59页哦按正常使用极限状态设计时，采用下列极限按正常使用极限状态设计时，采用下列极限状态表达式：状态表达式：C1结构构件达到正常使用要求所规定的限值，结构构件达到正常使用要求所规定的限值，例如变形、裂缝等限值；例如变形、裂缝等限值；S 正常使用极限状态荷载效应（变形、裂缝正常使用极限状态荷载效应（变形、裂缝等）组合。等）组合。SC1 第24页，此课件共59页哦第三节第三节 材料强度的取值材料强度的取值一、材料强度指标的取值原则一、材料强度指标的取值原则 1、材料性能标准值、材料性能标准值f
15、k（Characteristic Value）材料性能标准值是极限状态设计表达式中材料性能标准值是极限状态设计表达式中所取材料性能的基本代表值。所取材料性能的基本代表值。第25页，此课件共59页哦 由于材料的离散性，同一等级的混凝土的由于材料的离散性，同一等级的混凝土的实际强度并不完全一致，它构成一种分布实际强度并不完全一致，它构成一种分布正态分布（如下图），可有两个特征值正态分布（如下图），可有两个特征值平平均值均值f 和标准差和标准差f 来确定反映其分布特性。来确定反映其分布特性。第26页，此课件共59页哦第27页，此课件共59页哦 混凝土强度标准值取实测值概率分布混凝土强度标准值取实测值
16、概率分布0.05分位数确定。可用下式表达：分位数确定。可用下式表达：f k 材料强度标准值；材料强度标准值；f 材料强度统计平均值；材料强度统计平均值；f 材料强度标准差；材料强度标准差；f 材料材料强强度度变变异系数，异系数，f=f /f。第28页，此课件共59页哦fc材料分材料分项项系数根据系数根据经验经验取取值值，规规范中混凝范中混凝土取土取1.45。2、材料强度的设计值、材料强度的设计值fd（Design Value）材料强度的设计值是材料标准强度除以材料性能材料强度的设计值是材料标准强度除以材料性能的分项系数后的值，如下：的分项系数后的值，如下：第29页，此课件共59页哦二、混凝土强
17、度标准值和强度设计值二、混凝土强度标准值和强度设计值1、混凝土立方体抗压强度标准值、混凝土立方体抗压强度标准值fcu,k混凝土立方体抗压强度标准值是区分混凝土强混凝土立方体抗压强度标准值是区分混凝土强度等级的标准。度等级的标准。公路桥规公路桥规将混凝土强度等级按将混凝土强度等级按fcu,k共分为共分为14级，级，C15C80，等级差为，等级差为5MPa。第30页，此课件共59页哦公路桥规公路桥规规定受力构件的混凝土强度规定受力构件的混凝土强度等级应按下列规定采用：等级应按下列规定采用：（1）钢筋混凝土构件不应低于）钢筋混凝土构件不应低于C20，用，用HRB400、KL400级钢筋配筋时，不应低
18、于级钢筋配筋时，不应低于C25；（2）预应力混凝土构件不应低于）预应力混凝土构件不应低于C40。第31页，此课件共59页哦混凝土的强度等级混凝土的强度等级C是衡量混凝土质量好坏的是衡量混凝土质量好坏的重要标志重要标志;但因为混凝土的形状和受力特性与实际结构构但因为混凝土的形状和受力特性与实际结构构件都不同，因此混凝土的强度等级一般不直接参与计件都不同，因此混凝土的强度等级一般不直接参与计算。算。所以要用混凝土的其他强度指标，如所以要用混凝土的其他强度指标，如混凝土的混凝土的轴心抗压强度标准值轴心抗压强度标准值fck和轴心抗拉强度标准值和轴心抗拉强度标准值ftk等。等。第32页，此课件共59页哦
19、2、混凝土轴心抗压强度标准值、混凝土轴心抗压强度标准值fck和轴心抗拉和轴心抗拉强度标准值强度标准值ftk（1）混凝土轴心抗压强度标准值混凝土轴心抗压强度标准值fckC50以下混凝土以下混凝土c1=0.76，C50C80取取0.760.82。第33页，此课件共59页哦（2）混凝土轴心抗拉强度标准值混凝土轴心抗拉强度标准值ftk 第34页，此课件共59页哦3、混凝土轴心抗压强度设计值、混凝土轴心抗压强度设计值fcd和轴心和轴心抗拉强度设计值抗拉强度设计值ftd前面提到混凝土材料分项系数前面提到混凝土材料分项系数fc取取1.45，接近按二级安全等级结构分析的脆性破坏构件目接近按二级安全等级结构分析
20、的脆性破坏构件目标可靠指标的要求。标可靠指标的要求。第35页，此课件共59页哦三、钢筋强度标准值三、钢筋强度标准值fsk和强度设计值和强度设计值fsd国标中规定的标准保证率不低于国标中规定的标准保证率不低于95%。规范规定：规范规定：1、对热轧钢筋和精轧螺纹钢筋的材料性能分项系数、对热轧钢筋和精轧螺纹钢筋的材料性能分项系数取取1.2；2、对钢绞线、钢丝等取、对钢绞线、钢丝等取1.47，可得钢筋的抗拉强，可得钢筋的抗拉强度设计值。度设计值。第36页，此课件共59页哦注意注意:钢筋抗压强度设计值钢筋抗压强度设计值fsd须用弹性模量须用弹性模量乘以极限压应变乘以极限压应变0.002，且不得大于其抗拉
21、强度，且不得大于其抗拉强度设计值设计值fsd，即：，即：或或第37页，此课件共59页哦第四节第四节 作用、作用的代表值和作用、作用的代表值和作用效应组合作用效应组合一、作用（一、作用（Action）分类：）分类：按时间的变异分类：按时间的变异分类：（1）永久作用：永久作用：指在设计基准期内，其值不随指在设计基准期内，其值不随时间变化或变化可以忽略不计，包括结构自重、时间变化或变化可以忽略不计，包括结构自重、土压力，预加力、基础沉降、焊接等。土压力，预加力、基础沉降、焊接等。第38页，此课件共59页哦（2）可变作用：可变作用：指在设计基准期内，其值随时间变指在设计基准期内，其值随时间变化或变化不
22、可以忽略不计的作用，包括安装化或变化不可以忽略不计的作用，包括安装荷载、人群荷载、风、雪，温度变化等。荷载、人群荷载、风、雪，温度变化等。（3）偶然作用：偶然作用：指在设计基准期内，不一定出现，指在设计基准期内，不一定出现，一旦出现量值又很大，持续时间很短的作用，一旦出现量值又很大，持续时间很短的作用，包括地震、爆破、撞击等。包括地震、爆破、撞击等。第39页，此课件共59页哦作用分作用分类类编号编号作用分类作用分类作用名称作用名称1永久作用永久作用（恒载（恒载DL）结构重力结构重力（包括结构附加重力）（包括结构附加重力）2预加力预加力3土的重力土的重力4土侧压力土侧压力5混凝土收缩及徐变作用混
23、凝土收缩及徐变作用6水的浮力水的浮力7基础变位作用基础变位作用第40页，此课件共59页哦编号编号作用分类作用分类作用名称作用名称8可变作用可变作用（活载（活载LL）汽车荷载汽车荷载9汽车冲击力汽车冲击力10汽车离心力汽车离心力11汽车引起的土侧压力汽车引起的土侧压力12人群荷载人群荷载13汽车制动力汽车制动力14风力风力15流水压力流水压力16冰压力冰压力17温度作用温度作用（均匀温度和梯度温度）（均匀温度和梯度温度）18支座摩阻力支座摩阻力第41页，此课件共59页哦19偶然作用偶然作用AL地震作用地震作用20船舶或漂流物的撞击作用船舶或漂流物的撞击作用21汽车撞击作用汽车撞击作用第42页，此
24、课件共59页哦二、作用的代表值二、作用的代表值 “作用代表值作用代表值”是在实用的极限状态设计表是在实用的极限状态设计表达式中所采用的荷载规定值。达式中所采用的荷载规定值。公路桥规中规定设计须考虑的最常见的三公路桥规中规定设计须考虑的最常见的三种作用代表值：作用标准值，作用准永久值，种作用代表值：作用标准值，作用准永久值，作用频遇值。作用频遇值。第43页，此课件共59页哦（一）（一）作用的标准值作用的标准值 是指在结构的使用期间，各种作用的基本代是指在结构的使用期间，各种作用的基本代表值，所以可由设计基准期荷载最大值概率分布表值，所以可由设计基准期荷载最大值概率分布的某一分位值来确定。的某一分
25、位值来确定。永久作用采用标准值作为代表值。永久作用采用标准值作为代表值。第44页，此课件共59页哦（二）（二）可变作用频遇值可变作用频遇值 在设计基准期间，可变作用超越的总时间在设计基准期间，可变作用超越的总时间为规定的较小比率或超越次数为规定次数的作为规定的较小比率或超越次数为规定次数的作用值。简言之就是指结构上频繁出现且量值较用值。简言之就是指结构上频繁出现且量值较大的荷载作用取值。大的荷载作用取值。正常使用极限状态按短期效应（频遇）组合设正常使用极限状态按短期效应（频遇）组合设计时，采用计时，采用频遇值作为可变作用的代表值，频遇值作为可变作用的代表值，采采用标准值乘以频遇值系数用标准值乘
26、以频遇值系数1表示。表示。第45页，此课件共59页哦（三）（三）可变作用准永久值可变作用准永久值 在设计基准期间，可变作用超越的总时间为设在设计基准期间，可变作用超越的总时间为设计基准期一半的作用值。简言之就是指结构上经常计基准期一半的作用值。简言之就是指结构上经常出现且量值较小的荷载作用取值。出现且量值较小的荷载作用取值。第46页，此课件共59页哦正常使用极限状态按长期效应（准永久）组正常使用极限状态按长期效应（准永久）组合设计时，采用准永久值作为可变作用的代表值，合设计时，采用准永久值作为可变作用的代表值，采用标准值乘以准永久值系数采用标准值乘以准永久值系数2表示。表示。实际上是考虑可变作
27、用的长期效应而对标准实际上是考虑可变作用的长期效应而对标准值的折减。值的折减。第47页，此课件共59页哦三、作用效应组合（三、作用效应组合（Combination for Action Effects）1、承载能力极限状态计算时作用效应组合、承载能力极限状态计算时作用效应组合此时结构应按作用效应的基本组合进行计算，此时结构应按作用效应的基本组合进行计算，必要时还要考虑到偶然作用。必要时还要考虑到偶然作用。第48页，此课件共59页哦1、不考虑偶然作用的称为、不考虑偶然作用的称为“基本组合基本组合”（Fundermental Combination for Action Effects）；2、考虑
28、偶然作用的称为、考虑偶然作用的称为“偶然组合偶然组合”（Accidental Combination for Action Effects）。第49页，此课件共59页哦基本组合基本组合的内力组合设计值按下式计算：的内力组合设计值按下式计算：永久作用效应分项系数永久作用效应分项系数汽车荷载效应分项系数汽车荷载效应分项系数第50页，此课件共59页哦2、正常使用极限状态计算时作用效应组合、正常使用极限状态计算时作用效应组合在计算正常使用极限状态的荷载效应组合值在计算正常使用极限状态的荷载效应组合值S时，需要首先确定荷载效应的标准组合和准永久组时，需要首先确定荷载效应的标准组合和准永久组合。合。荷载效
29、应的标准组合（短期效应）和准永久荷载效应的标准组合（短期效应）和准永久组合（长期效应）应按下列规定计算：组合（长期效应）应按下列规定计算：第51页，此课件共59页哦（1）作用短期效应组合（作用短期效应组合（Combination for Short-term Action Effects）：（2）作用长期效应组合（作用长期效应组合（Combination for Long-term Action Effects）:可变作用频遇值可变作用频遇值可变作用准永久值可变作用准永久值第52页，此课件共59页哦例例1钢筋混凝土简支梁桥主梁在结构重力、钢筋混凝土简支梁桥主梁在结构重力、汽车荷载和人群荷载作用
30、下，分别得到在主梁的汽车荷载和人群荷载作用下，分别得到在主梁的1/4跨径处截面的弯矩标准值为：跨径处截面的弯矩标准值为：结构重力产生的弯矩结构重力产生的弯矩MGk=552kNm；汽车荷载；汽车荷载弯矩弯矩MQ1k=459.7kNm（已计入冲击系数）（已计入冲击系数）；人群；人群荷载弯矩荷载弯矩MQ2k=40.6kNm。进行设计时的作用效。进行设计时的作用效应组合计算。应组合计算。第53页，此课件共59页哦解：解：1、承载能力极限状态设计时作用效应的基本组、承载能力极限状态设计时作用效应的基本组合合 钢筋混凝土简支梁桥主梁现按结构的安全等钢筋混凝土简支梁桥主梁现按结构的安全等级为二级，取结构重要
31、性系数为级为二级，取结构重要性系数为0=1.0。第54页，此课件共59页哦永久作用效应的分项系数永久作用效应的分项系数，因恒载作用效，因恒载作用效应对结构承载能力不利，故取应对结构承载能力不利，故取G1=1.2。汽车荷载效应的分项系数为汽车荷载效应的分项系数为Q1=1.4。对于人群荷载其他可变作用效应的分项系数对于人群荷载其他可变作用效应的分项系数Qj=1.4。本组合为永久作用与汽车荷载和人群荷载组合本组合为永久作用与汽车荷载和人群荷载组合，故取人群荷载的组合系数为，故取人群荷载的组合系数为c=0.80。第55页，此课件共59页哦按承载能力极限状态设计时作用效应值基本按承载能力极限状态设计时作
32、用效应值基本组合的设计值为：组合的设计值为：第56页，此课件共59页哦2、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）作用短期效应组合根据根据公路桥规公路桥规规定，汽车荷载作用效应应规定，汽车荷载作用效应应不计入冲击系数，计算得到不计冲击系数的汽车荷不计入冲击系数，计算得到不计冲击系数的汽车荷载弯矩标准值为载弯矩标准值为 MQ1k=385.98 kNm。汽车荷载作用。汽车荷载作用效应的频遇值系数效应的频遇值系数 11=0.7，人群荷载作用效应的，人群荷载作用效应的频遇值系数频遇值系数12=1.0。第57页，此课件共59页哦可得到作用短期效应组合设计值为：可得到作用短期效应组合设计值为：第58页，此课件共59页哦不计冲击系数的汽车荷载弯矩标准值不计冲击系数的汽车荷载弯矩标准值 MQ1k=385.98kNm，汽车荷载作用效应的准永，汽车荷载作用效应的准永久值系数久值系数 21=0.4，人群荷载作用效应的准永久，人群荷载作用效应的准永久值系数值系数 22=1.0。可得到作用长期效应组合设计值。可得到作用长期效应组合设计值为为:第59页，此课件共59页哦