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1、工程结构的设计标准工程结构的设计标准和设计方法和设计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、）掌握荷载分项
2、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、可靠度指标和目标可靠
3、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 34
4、 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、作用和抗力结构的功能要求、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，仍能保强烈地震、
5、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。例如，
6、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时间的的变变异分布异分布：永久作用、可变作用、偶然作用 按随空按随空间间位置的位置的变变异分异分类类：固定作用、自由作用 按按结结构的反构的反应应分分类类：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
7、能不出现；数值可能较大，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。v下列荷载作用中，属于静力荷载的是（下列荷载作用中，属于静力荷载的是（）。）。A、吊车荷载、吊车荷载 B、地震作用、地震作用C、积灰荷载、积灰荷载 D、撞击力、撞击力习题习题作用效应作用效应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
8、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
9、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
10、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。统一标准以结构的设计使用年限为计算结构可靠度的时间基准。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。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，但不等同但不等同。当结构的使用年限超过设计使用年限后，并不意。当结构的使
11、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v设计基准期等于结构的设计基准期等于结构的使用寿命，结构使用年使用寿命，结构使用年限超过设计基准期后，限超过设计基准期后，结构即告报废，不能再结构即告报废，不能再使用。（使用。（）v习题习题2正态分布曲线的特征正态分布曲线的特征二、结构可靠度理论二、结构可靠度理论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
12、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Z0部分(阴影)面积即为失效概率失效概率Pffz(Z)
13、pfzzzZ结构的可靠概率和失效概率结构的可靠概率和失效概率Pf 计算复杂，但计算复杂，但(由图看出由图看出)均值均值 Z向右移向右移Pf 减小，可靠度加大。减小，可靠度加大。令 越大，越大，Pf 越小越小，结构越可靠。，结构越可靠。故称故称 为可靠度指标。为可靠度指标。在确定结构的可靠指标在确定结构的可靠指标 时，应该使结构的时，应该使结构的失效概率降低到人们可以接受的程度，做到既安失效概率降低到人们可以接受的程度，做到既安全可靠又经济合理。全可靠又经济合理。统一标准规定统一标准规定：的取值与构件的破坏类型及结构的重要性有关。的取值与构件的破坏类型及结构的重要性有关。（教材（教材P15）v对
14、目标可靠指标（或设计对目标可靠指标（或设计可靠指标）有，可靠指标）有，越大，失越大，失效概率效概率Pf 越小，结构越可靠越小，结构越可靠（）v习题习题3三、概率极限状态设计法三、概率极限状态设计法结构极限状态的分类：承载能力极限状态正常使用极限状态v（1）定义 整个结构或结构的一部分，超过某一特定状态就整个结构或结构的一部分，超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能（安全性、适用性、耐不能满足设计规定的某一功能（安全性、适用性、耐久性）要求，该特定状态称为该久性）要求，该特定状态称为该功能的极限状态。功能的极限状态。三、概率极限状态设计法三、概率极限状态设计法1）承载能力极限状态承载能力极
15、限状态 这种极限状态对这种极限状态对应于结构或结构构件达到应于结构或结构构件达到最大承载能力最大承载能力或或不不适于继续承载适于继续承载的变形。承载能力极限状态主的变形。承载能力极限状态主要考虑关于要考虑关于结构安全性结构安全性的功能。的功能。当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态：承载能力极限状态：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失去平衡（如分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；倾覆等）；结构构件或连接因材料结构构件或连接因材料强度不够而破坏；强度不够而破坏；结构转变为机动体系；结构转变为机动体系；结构或结
16、构构件丧失稳结构或结构构件丧失稳定（如柱子被压曲等）。定（如柱子被压曲等）。三、概率极限状态设计法三、概率极限状态设计法2）正常使用极限状态正常使用极限状态 正常使用极限状态正常使用极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。这一状态对应于能的某项规定限值。这一状态对应于适用性适用性或或耐久性耐久性的功能。的功能。当结构或结构构件出现下列状态之一时，即当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态：认为超过了正常使用极限状态：影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括
17、裂缝）影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；影响正常使用的振动；影响正常使用的振动；影响正常使用的其他特定状态等。影响正常使用的其他特定状态等。v（）属于超出承载能力极限状态。）属于超出承载能力极限状态。vA裂缝宽度超过规定限值裂缝宽度超过规定限值 vB结构或构件视为刚体失去平衡结构或构件视为刚体失去平衡 vC挠度超过规范限值挠度超过规范限值vD预应力构件中混凝土的拉应力超预应力构件中混凝土的拉应力超过规范限值过规范限值v习题习题4v下列何种状态属于正常使用极限状态下列何种状态属于正常使用极限状态vA影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或外观的变形；vB混凝土构件的裂缝宽度超过规范规
18、定的混凝土构件的裂缝宽度超过规范规定的限值限值vC结构构件或连接因过度变形而不适于继结构构件或连接因过度变形而不适于继续承载续承载vD影响正常作用的振动影响正常作用的振动 v习题习题5 设计计算原则：设计计算原则：采用以概率论为基础的极限状态设计法，保证设计结构的失效概率失效概率足够小，或可靠概率可靠概率足够大。所有结构构件均应进行承载力承载力计算，对某些构件还需进行变形和裂缝宽度变形和裂缝宽度的验算。规范规定：规范规定：三、概率极限状态设计法三、概率极限状态设计法 0 S R式中 S 荷载效应荷载效应组合设计值组合设计值 0 结构构件的重要性系数结构构件的重要性系数，对一、二、三级分别取1.
19、1,1.0,0.9 R 结构构件抗力（结构构件抗力（承载力）承载力）的设计值的设计值承载能力极限状态设计表达式承载能力极限状态设计表达式 内力组合设计值基本组合基本组合:（1）由可变荷载效应控制的组合）由可变荷载效应控制的组合式中 G 永久荷载分项系数。永久荷载分项系数。有利时取1.0，不利时取1.2SGK 永久荷载标准值的效应。一般情况取1.4 Q1、Qi 第一个和第第一个和第i个个活荷载分项系数活荷载分项系数。SQ1K 大于其它任意第i个可变荷载标准值的效应。SQiK 第i个可变荷载标准值的效应。ci 第第i个可变荷载的组合系数个可变荷载的组合系数（2）由永久荷载效应控制的组合）由永久荷载
20、效应控制的组合对于框架、排架结构，基本组合可采用简化规则：在下对于框架、排架结构，基本组合可采用简化规则：在下列组合中取最不利值列组合中取最不利值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
21、合影响计算的最大挠度。flim 规范允许挠度 f flim 2、裂缝验算、裂缝验算规范按使用阶段对结构构件裂缝的不规范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 荷载的标准值荷载的标准值 荷载的
22、准永久值荷载的准永久值 荷载的频遇值荷载的频遇值 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(了解）了解）（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
23、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，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。荷载的代表值荷载的代表值（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。荷载的代表值荷载的代表值