土木工程概论(姜晨光)第13章土木工程设计.ppt

第13章 土木工程设计 13.1土木工程设计的特点 土木工程设计主要包括外形设计和结构设计2部分。土木工程外形设计应满足使用要求、应便利结构设计与施工、应满足美观要求和经济要求、同时还应注意与周边环境的交融与和谐。结构设计主要应满足荷载要求。目前结构设计一般采用概率极限状态设计法。 13.1.1 结构设计的基本要求 结构的设计要求一般考虑3个因素，即结构的安全等级、结构的设计使用年限、结构的功能要求。 1）结构的安全等级。建筑物的重要程度是根据其用途决定的。不同用途的建筑物，发生破坏后所引起的生命财产损失是不一样的。建筑结构可靠度设计统一标准规定，建筑结构设计时，应根据结构破坏可能产生的后果（危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等）的严重性，采用不同的安全等级。根据破坏后果的严重程度，建筑结构划分为三个安全等级（见表13-1-1）。 2）结构的设计使用年限。结构设计的目的是要使所设计的结构在规定的设计使用年限内能完成预期的全部功能要求。所谓设计使用年限，是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。换言之，设计使用年限就是房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用和维护下所应达到的持久年限。我国结构的设计使用年限应符合表13-1-2的规定。,表13-1-1 建筑结构的安全等级,表13-1-2 结构的设计使用年限分类,3）结构的功能要求。建筑结构在规定的设计使用年限内应满足安全性、适用性和耐久性三项功能要求。安全性指结构在正常施工和正常使用的条件下，能承受可能出现的各种作用；在设计规定的偶然事件（如强烈地震、爆炸、车辆撞击等）发生时和发生后，仍能保持必需的整体稳定性，即结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。适用性指结构在正常使用时具有良好的工作性能（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）。耐久性指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护层过薄或裂缝过宽而锈蚀等）。结构的安全性、适用性和耐久性是结构可靠的标志，总称为结构的可靠性。结构可靠性的定义是指结构在规定时间内、在规定条件下完成预定功能的能力。但在各种随机因素的影响下，结构完成的能力不能事先确定，只能用概率来描述。为此，我们引入结构可靠度的概念，即结构在规定时间内，在规定条件下，完成预定功能的概率。在这里规定时间指设计使用年限；规定条件指正常设计、正常施工、正常使用和正常维护，不包括错误设计、错误施工和违反原来规定的使用情况；预定功能指结构的安全性、适用性和耐久性。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。结构可靠度与结构使用年限长短有关。建筑结构可靠度设计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。应当注意，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，并不意味着结构就要报废，但其可靠度将逐渐降低。,13.1.2 结构功能的极限状态 结构能满足功能要求，称结构“可靠”或“有效”，否则称结构“不可靠”或“失效”。区分结构工作状态“可靠”与“失效”的界限是“极限状态”。因此，结构的极限状态可定义为：整个结构或结构的一部份，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、耐久性）要求，该特定状态称为该功能的极限状态。结构极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态。工程设计时，一般先按承载力极限状态设计结构构件，再按正常使用极限状态验算。 承载能力极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。承载能力极限状态主要考虑关于结构安全性的功能。超过这一状态，便不能满足安全性的功能。当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态：结构构件或连接因材料强度不够而破坏；整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；结构转变为机动体系；结构或结构构件丧失稳定（如柱子被压曲等）。结构或结构构件一旦超过承载能力极限状态，将造成结构全部或部分破坏或倒塌，导致人员伤亡或重大经济损失，因此，在设计中对所有结构和构件都必须按承载力极限状态进行计算，并保证具有足够的可靠度。 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能的某项规定限值。超过这一状态，便不能满足适用性或耐久性的功能。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；影响正常使用的其他特定状态等。虽然超过正常使用极限状态的后果一般不如超过承载能力极限状态那样严重，但也不可忽视。比如过大的变形会造成房屋内粉刷层剥落、门窗变形、屋面积水等后果，水池和油罐等结构开裂会引起渗漏，等等。,我国在土木工程结构设计中目前习惯将结构的工作性能用结构功能函数Z描述，并采用作用效应、结构抗力等指标进行结构分析。所谓作用效应是指结构上的各种作用在结构内产生的内力（轴力、弯矩、剪力、扭矩等）和变形（如挠度、转角、裂缝等）的总称、用S表示，由直接作用产生的效应通常称为荷载效应。结构抗力则是指结构或构件承受作用效应的能力（比如构件的承载力、刚度、抗裂度、等）、用R表示，结构抗力是结构内部固有的，其大小主要取决于材料性能、构件几何参数及计算模式的精确性等。 结构分析式为： Z=G（S，R）=RS 式中，S、R、Z均为随机变量。当Z0时RS，结构处于可靠状态；当Z0时RS，结构处于失效状态；当Z0时R=S，结构处于极限状态。G（S，R）RS0称为极限状态方程。 我国现行规范采用以概率理论为基础的极限状态设计方法、用分项系数的设计表达式进行计算，并给出了按承载能力极限状态设计的实用表达式及按正常使用极限状态设计的实用表达式。 结构构件的承载力设计的极限状态设计表达式为0SR，其中，0为结构构件的重要性系数，0S为荷载效应基本组合或偶然组合的设计值，R为结构构件的承载力设计值（即抗力设计值）。荷载效应的基本组合是指承载能力极限状态计算时，永久荷载和可变荷载的组合；而荷载效应的偶然组合则是永久荷载、可变荷载和一个偶然荷载的组合。按承载能力极限状态设计时，一般考虑荷载效应的基本组合，必要时尚应考虑偶然组合。 结构或结构构件超过正常使用极限状态的表达式为SC ，其中，S为变形、裂缝等荷载效应的设计值，C为结构构件达到正常使用要求所规定的限值（比如变形、裂缝宽度等）。结构设计计算中，混凝土结构的正常使用极限状态主要是验算构件的变形、抗裂度或裂缝宽度，使其不超过相应的规定限值；钢结构通过构件的变形（刚度）验算保证；而砌体结构一般情况下可不做验算，由相应的构造措施保证。荷载效应组合设计值也分标准组合、频遇组合和准永久组合。,13.2 土木工程设计的基本方法与要求 建筑工程结构设计的步骤依次为建筑结构模型的建立结构荷载的计算构件内力计算和构件选择施工图绘制。下面以桥梁设计为例介绍一下土木工程设计的基本方法与要求。 1）准备工作。 熟悉用户提供的设计用的原始数据和有关资料以及设计任务书，明确设计目的和设计内容。认真阅读地质剖面图，全面了解桥位处地质水文、等情况。 2）方案比较。 在方案比较阶段，应首先完成有关的水力水文计算，确定桥长、跨径、确定主要标高。综合考虑各方面的因素，遵循桥梁设计的基本原则，设计出不少于3个的可行桥型方案。经过分析比较，选出推荐方案。分析比较主要从桥型、工程材料指标和造价、施工技术力量、施工设备、工期等几方面考虑。推荐方案要求理由充足，方案比较要绘制比较方案图，编写方案比较部分的说明书。 在进行方案设计时，思路要宽广，先不管高次超静定结构计算是否有复杂性，只要认为是可行的、合理的桥梁方案均可以提出来。每个方案绘制一张图纸，图上要标出桥梁总长、跨径、矢高、矢跨比、主梁高度、低水位、常水位、设计洪水位、通航水位、路线标高等，在方案比较图中，每一个方案应绘制立、平面图和横剖面图，同一图中X向与Z向只准用同一比例尺。立面图与剖面图可以用不同的比例尺，横剖面图可以大一些。方案比较图应有必要的附注说明和工程材料数量比较表。编写方案比较说明书的主要内容包括桥梁设计的任务、各个方案的优缺点、水力水文计算、方案分析比较的论证说明、工程材料数量计算的依据、施工吊装的方法、等。,3）结构设计、计算和验算。 用选定的推荐方案进行结构设计计算和验算。正确拟定结构构件尺寸，进行上、下部结构受力分析，构件的截面设计与验算，桥面板的设计计算等（结构体系比较简单时，应对桥梁支座、桥面连续构造进行验算或设计计算），进一步了解与应用桥涵设计规范、查阅和应用有关资料，最后做出结构设计详图。拟定结构细部构造及尺寸估算要按照有关规范进行，内力计算和截面验算可参考有关设计资料、桥梁计算示例集和桥涵设计手册进行，必须采用现行桥梁规范进行设计计算。设计计算书要详细（应包括详细的计算过程、力学图式、依据和必要的说明等）。计算数据要正确、思路清楚、字迹清晰、图表整齐。 设计计算完成后，绘制结构详图，其内容包括桥跨结构；主梁或主梁节段的构造；墩、台基础的构