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1、第二章第二章 工程结构的设计标准工程结构的设计标准和方法和方法本章主要内容本章主要内容v设计基准期和设计使用年限设计基准期和设计使用年限v结构的功能要求、作用和抗力结构的功能要求、作用和抗力v结构可靠度理论和极限状态设结构可靠度理论和极限状态设计法；计法；v结构设计方法及设计内容结构设计方法及设计内容v教学目的和要求教学目的和要求v（1）掌握结构的功能、极限状态、作用效应、）掌握结构的功能、极限状态、作用效应、结构抗力、可靠度等基本概念；结构抗力、可靠度等基本概念；v（2）掌握作用（荷载）、结构抗力的取值；）掌握作用（荷载）、结构抗力的取值；v（3）掌握荷载分项系数、可变荷载组合系数、）掌握荷
2、载分项系数、可变荷载组合系数、结构重要性系数、混凝土和钢材的材料分项系数的结构重要性系数、混凝土和钢材的材料分项系数的取值；取值；v（4）掌握承载能力和正常使用极限状态的实用）掌握承载能力和正常使用极限状态的实用设计表达式。设计表达式。v教学重点与难点：教学重点与难点：v（1）重点）重点：结构的功能要求、极限状：结构的功能要求、极限状态，混凝土结构设计方法，结构上的作用、态，混凝土结构设计方法，结构上的作用、作用效应和结构的抗力，极限状态实用设作用效应和结构的抗力，极限状态实用设计表达式。计表达式。v（2）难点）难点：极限状态方程，结构的可：极限状态方程，结构的可靠度、失效概率、可靠度指标和目
3、标可靠靠度、失效概率、可靠度指标和目标可靠度指标。度指标。n设计基准期设计基准期结构设计时以及对与时间有关的材结构设计时以及对与时间有关的材料性能取值时所采用的时间参数。料性能取值时所采用的时间参数。我国的设计基准我国的设计基准期为期为5050年。年。n设计使用年限设计使用年限设计规定的一个时期。该规定时设计规定的一个时期。该规定时期内，房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用期内，房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用和维护下不需要进行大修就能按其预定目的使用。和维护下不需要进行大修就能按其预定目的使用。设计使用年限分类表设计使用年限分类表2.1 设计基准期和设计使用年限类别类别1 12 23
4、 34 4设计使用设计使用年限年限5 525255050100100 示例示例临时性建筑临时性建筑易于替换易于替换的结构构件的结构构件普通房屋普通房屋和构筑物和构筑物纪念性和特纪念性和特别重要建筑别重要建筑2.22.2 结构的功能要求结构的功能要求、作用和抗力、作用和抗力（一）结构的功能要求（一）结构的功能要求功能要求功能要求适用性适用性耐久性耐久性安全性安全性 安全性安全性结构在结构在正常施工正常施工和和正常使用正常使用的条件下，的条件下，能承受可能出现的各种作用；在设计规定的偶然事件（如能承受可能出现的各种作用；在设计规定的偶然事件（如强烈地震、爆炸、车辆撞击等）发生时和发生后，仍能保强烈
5、地震、爆炸、车辆撞击等）发生时和发生后，仍能保持必需的持必需的整体稳定性整体稳定性，即结构仅产生局部的损坏而不致发，即结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。生连续倒塌。适用性适用性结构在正常使用时具有良好的结构在正常使用时具有良好的工作性工作性能能。例如，不会出现影响正常使用的过大变形或振动；不。例如，不会出现影响正常使用的过大变形或振动；不会产生使使用者感到不安的裂缝宽度等。会产生使使用者感到不安的裂缝宽度等。耐久性耐久性结构在正常维护条件下具有足够的结构在正常维护条件下具有足够的耐久性能，即在正常维护条件下结构能够正常使用耐久性能，即在正常维护条件下结构能够正常使用到规定的设计使用年限。
6、例如，结构材料不致出现到规定的设计使用年限。例如，结构材料不致出现影响功能的损坏，钢筋混凝土构件的钢筋不致因保影响功能的损坏，钢筋混凝土构件的钢筋不致因保护层过薄或裂缝过宽而锈蚀等。护层过薄或裂缝过宽而锈蚀等。混凝土结构的耐久性应根据环境类别和设混凝土结构的耐久性应根据环境类别和设计使用年限进行设计。计使用年限进行设计。结构上的作用结构上的作用按按时间的的变异分布异分布：永久作用、可变作用、偶然作用 按随空按随空间位置的位置的变异分异分类：固定作用、自由作用 按按结构的反构的反应分分类：静态作用、动态作用（二）作用和抗力（二）作用和抗力作用的随机性质作用的随机性质作用可能出现，也可能不出现；数
7、值可能较大，作用可能出现，也可能不出现；数值可能较大，也可能较小；方向可能变化，也可能不变等等。也可能较小；方向可能变化，也可能不变等等。作用效应作用效应S S结构由于各种原因，引起结构由于各种原因，引起内力内力和和变形变形称为作称为作用效应，用用效应，用S 表示。由直接作用产生的效应，表示。由直接作用产生的效应，通常称为荷载效应。通常称为荷载效应。内力：内力：轴力、弯矩、剪力、扭矩；轴力、弯矩、剪力、扭矩；变形：变形：挠度、转角、裂缝。挠度、转角、裂缝。作用效应取决于作用的方式及结构或构件的几何尺寸作用效应取决于作用的方式及结构或构件的几何尺寸及支承条件。及支承条件。简支梁在跨中一集中荷载作
8、用下跨中弯矩 例：简支梁在均布荷载作用下跨中弯矩S=cQc 荷载效应系数Q 荷载c第二章 设计标准和方法结构的抗力结构的抗力R R 结构抗力结构抗力是指结构或构件承受作用效应的能力。是指结构或构件承受作用效应的能力。如构件的承载力、刚度、抗裂度等，用如构件的承载力、刚度、抗裂度等，用R表示。表示。结构抗结构抗力力的影响因素：的影响因素：材料性能的不确定性材料性能的不确定性材料几何参数的不确定性材料几何参数的不确定性计算模式的不确定性计算模式的不确定性 结构的抗力具有随机性结构的抗力具有随机性。2.3 结构可靠理论和极限状态设计法结构可靠理论和极限状态设计法一、结构的可靠性和可靠度一、结构的可靠
9、性和可靠度l结构的可靠性结构的可靠性l结构的可靠度结构的可靠度结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。定功能的概率。即可靠性的概率度量即可靠性的概率度量。结构的结构的安全性安全性、适用性适用性和和耐久性耐久性的总的总 称称v规定时间规定时间指设计使用年限；指设计使用年限；规定条件规定条件指正常设计、正指正常设计、正常施工、正常使用和正常维护，不包括错误设计、错常施工、正常使用和正常维护，不包括错误设计、错误施工和违反原来规定的使用情况。误施工和违反原来规定的使用情况。结构的可靠度是结构可靠性的概率度量，即对结构可靠结构的可靠度是结构可靠
10、性的概率度量，即对结构可靠性的定量描述。性的定量描述。注意注意1：结构可靠度与结构使用年限长短有关。结构可靠度与结构使用年限长短有关。统一统一标准标准以结构的设计使用年限为计算结构可靠度的时间基准。以结构的设计使用年限为计算结构可靠度的时间基准。注意注意2：结构的设计使用年限虽与结构使用寿命有联系，结构的设计使用年限虽与结构使用寿命有联系，但不等同。当结构的使用年限超过设计使用年限后，并不意但不等同。当结构的使用年限超过设计使用年限后，并不意味着结构就要报废，但其可靠度将逐渐降低。味着结构就要报废，但其可靠度将逐渐降低。一、结构的可靠性和可靠度一、结构的可靠性和可靠度二、结构可靠度理论二、结构
11、可靠度理论随机变量的分析和处理随机变量的分析和处理平均值平均值标准差标准差变异系数变异系数正态分布曲线方程正态分布曲线方程正态分布曲线的特征正态分布曲线的特征结构或构件能否完成预定功能与结构的荷载效结构或构件能否完成预定功能与结构的荷载效应应S与结构的抗力与结构的抗力R有关有关。Z=R S因抗力因抗力R和和S均具有随机性，所以可采用均具有随机性，所以可采用结构的功结构的功能函数能函数 来描述结构完成预定功能的状况。来描述结构完成预定功能的状况。第二章 设计标准和方法结构的功能函数结构的功能函数Z 0，即即RS 结构可靠结构可靠Z=0，即即R=S 结构处于极限状态。结构处于极限状态。即即RS 结
12、构失效结构失效Z 0，实际工程中，可能出现以下三种情况实际工程中，可能出现以下三种情况v结构所处的状态结构所处的状态n结结构构的的效效应应S及及结结构构的的抗抗力力R均均符符合合正正态态分分布布，因因此结构的功能函数也符合正态分布。如图：此结构的功能函数也符合正态分布。如图：图中Z1.0所得。fc 混凝土材料强度设计值混凝土材料强度设计值。fck是由数理统计分析且具有95%的保证率的材料强度。是由钢材强度的标准值fsk除以材料分项系数(s 1.0)求得。结构构件的抗力应根据截面的受力状态不同结构构件的抗力应根据截面的受力状态不同用相应的计算模型确定。用相应的计算模型确定。fs 钢材强度设计值。
13、钢材强度设计值。fsk是由数理统计且具有95%保证率的材料强度。结构或构件超过正常使用极限状态时所造成的财产和生命损失要小于超过承载力极限状态的后果，故其可靠度指标要低一些。在荷载效应及结构抗力计算中均 。采用标准值采用标准值结构或构件在持荷作用下，其裂缝和变形会随时间的推移而发展，因此讨论其荷载组合时应考虑 和 的组合。短期效应短期效应长期效应长期效应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 变形及裂缝宽度的验算1、变形验算、变形验算(挠度）挠度）式中 f 受弯构件按荷载短期效应组合并考虑长期效应组合影响计算的最大挠度。flim 规范允许挠度 f flim 2、裂缝验算、裂缝验算
14、规范规范按使用阶段对结构构件裂缝的不按使用阶段对结构构件裂缝的不同要求，将裂缝控制等级分为三级：同要求，将裂缝控制等级分为三级：一级：一级：严格要求不裂，使用阶段不允许出现严格要求不裂，使用阶段不允许出现拉应力。拉应力。二级：二级：一般要求不裂，使用阶段允许出现拉一般要求不裂，使用阶段允许出现拉应力，但应作限制。应力，但应作限制。三级：三级：允许开裂，应验算裂缝宽度允许开裂，应验算裂缝宽度wmax wlim第二章 设计标准和方法 3、荷载的标准组合、荷载的标准组合 S：4、荷载的准永久组合、荷载的准永久组合 S：式中，qi 第i个可变荷载的准永久值系数第二章 设计标准和方法例：一一简简支支梁梁
15、，跨跨度度为为6米米，作作用用于于上上的的均均布布荷荷载载，恒恒载载标标准准值值 gk=3kN/m，分分项项系系数数 G=1.2，活活荷荷载载标标准准值值qk=6kN/m，分分布布系系数数 Q=1.4，分分别别计计算算梁梁跨跨中中截截面面弯弯矩矩的的基基本本效效应应组组合合、短短期期效效应应组组合合和和长长期期效效应应组组合合(活活荷荷载载准准永永久久系系数数 qi=0.4)解：基本效应组合(内力组合设计值)荷载短期效应组合：荷载长期效应组合：第二章 设计标准和方法荷载的代表值及材料强度取值荷载的代表值及材料强度取值 荷载的标准荷载的标准值值 荷载的准永久荷载的准永久值值 荷载的频遇值荷载的频
16、遇值 可变荷载的组合值可变荷载的组合值 材料强度的标准值材料强度的标准值 材料强度的设计值材料强度的设计值2.4 结构设计内容结构设计内容（1 1）永久荷载标准值）永久荷载标准值永久荷载主要是结构自重及粉刷、装修，固定设备的重量。一永久荷载主要是结构自重及粉刷、装修，固定设备的重量。一般可按结构构件的设计尺寸和材料或结构构件单位体积（或面积）般可按结构构件的设计尺寸和材料或结构构件单位体积（或面积）的自重标准值确定。的自重标准值确定。对于自重变异性较大的材料，在设计中应根据其对结构有利或对于自重变异性较大的材料，在设计中应根据其对结构有利或不利的情况，分别取其自重的下限值或上限值。不利的情况，
17、分别取其自重的下限值或上限值。例例 取钢筋混凝土单位体积自重标准值为取钢筋混凝土单位体积自重标准值为25 kN/m25 kN/m3 3，则截面尺则截面尺寸为寸为200500mm200500mm的钢筋混凝土矩形截面梁的自重标准值为的钢筋混凝土矩形截面梁的自重标准值为0.20.525=2.5kN/m0.20.525=2.5kN/m。一、荷载的代表值一、荷载的代表值（2 2）可变荷载标准值）可变荷载标准值民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频偶值和民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频偶值和永久值系数按表采用。永久值系数按表采用。（3 3）可变荷载准永久值）可变荷载准永久值定义：在设计基准期
18、内经常达到或超过的那部份荷载值定义：在设计基准期内经常达到或超过的那部份荷载值（总的持续时间不低于（总的持续时间不低于2525年），称为可变荷载准永久值。年），称为可变荷载准永久值。可变荷载准永久值可表示为可变荷载准永久值可表示为q qk k ，其中其中k k为可变荷为可变荷载标准值，载标准值，q q为可变荷载准永久值系数。为可变荷载准永久值系数。q q值见表。值见表。一、荷载的代表值一、荷载的代表值（4 4）可变荷载组合值）可变荷载组合值定义：定义：两种或两种以上两种或两种以上可变荷载同时作用于结构上时，可变荷载同时作用于结构上时，除主导荷载（产生最大效应的荷载）仍可以其标准值为代表除主导荷
19、载（产生最大效应的荷载）仍可以其标准值为代表值外，其他伴随荷载均应以小于标准值的荷载值为代表值，值外，其他伴随荷载均应以小于标准值的荷载值为代表值，此即可变荷载组合值。此即可变荷载组合值。可变荷载组合值可表示为可变荷载组合值可表示为c ck k 。其中其中c c 为可变荷载为可变荷载组合值系数，其值按表查取。组合值系数，其值按表查取。一、荷载的代表值一、荷载的代表值（5 5）可变荷载频遇值）可变荷载频遇值定义：对可变荷载，在设计基准期内，荷载达到定义：对可变荷载，在设计基准期内，荷载达到和超过该值的总持续时间与设计基准期的比值小于和超过该值的总持续时间与设计基准期的比值小于0.10.1的荷载代表值。的荷载代表值。（总的持续时间不低于总的持续时间不低于5050年年），），称为可变荷载频遇值。称为可变荷载频遇值。可变荷载频遇值可表示为可变荷载频遇值可表示为f fk k。其中其中f f为可变为可变荷载频遇值系数，其值按表查取。荷载频遇值系数，其值按表查取。一、荷载的代表值一、荷载的代表值