工程结构的设计和设计方法

1、 本章主要内容 设计基准期和设计使用年限 结构的功能要求、作用和抗力 结构可靠度理论和极限状态设 计法； 结构设计方法及设计内容 教学目的和要求 （1）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； （2）掌握作用（荷载）、结构抗力的取值； （3）掌握荷载分项系数、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取 值； （4）掌握承载能力和正常使用极限状态的实用设 计表达式。 教学重点与难点： （1）重点：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、作 用效应和结构的抗力，极限状态实用设计 表达式。 （2）难点：极限状态方程，结构的可靠

2、度、失效概率、可靠度指标和目标可靠度 指标。 n设计基准期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。我国的设计基准期为50年。 n设计使用年限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 2.1 设计基准期和设计使用年限 类别类别1 12 23 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 2.2 结构的

3、功能要求、作用和抗力 （一）结构的功能要求 功能要求适用性 耐久性 安全性 安全性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

4、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 计使用年限进行设计。 结构上的作用 按时间的变异分布：永久作用、可变作用、偶然作用 按随空间位置的变异分类：固定作用、自由作用 按结构的反应分类：静态作用、动态作用 （二）作用和抗力 作用的随机性质 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。 下列荷载作用中，属于静力荷载的是（ ）。 A、吊车荷载 B、地震作用 C、积灰荷载 D、撞击力 习题 作用效应S 结构由于各种原因，引起内力和变形称为作 用效应，用S 表示。由直接作用产生的效应， 通常称为荷载效应。 内力：轴力、弯矩、剪力、扭矩； 变

5、形：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 及支承条件。 简支梁在跨中一集中荷载作用下跨中弯矩 lPM 4 1 例： 简支梁在均布荷载作用下跨中弯矩 S = cQ c 荷载效应系数 Q 荷载 qlM 2 8 1 2 8 1l l 4 1 c 第二章 设计标准和方法 结构的抗力R 结构抗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R表示。 结构抗力的影响因素： 材料性能的不确定性 材料几何参数的不确定性 计算模式的不确定性 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 一、结构的可靠性和可靠度 l结构的可靠性 l结构的可靠度

6、 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。即 可靠性的概率度量。 结构的安全性、适用性和耐久性的总 称 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。 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。 注意1：结构可靠度与结构使用年限长短有关。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。 注意2：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。 一、结构的可靠性和可靠度 设计基准期等

7、于结构的 使用寿命，结构使用年 限超过设计基准期后， 结构即告报废，不能再 使用。（ ） 习题2 正态分布曲线的特征 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 应S与结构的抗力R有关。 Z = R S 因抗力R和S均具有随机性，所以可采用结构的功 能函数 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 Z 0，即RS 结构可靠 Z = 0，即R=S 结构处于极限状态。 即RS 结构失效Z 0， 实际工程中，可能出现以下三种情况 结构所处的状态 n结构的效应S及结构的抗力R均符合正态分布，因 此结构的功能函数也符合正态分布。如图： 图中Z0部分(阴影)

8、面积即为失效概率Pf fz(Z) pf z z z Z 结构的可靠概率和失效概率 Pf 计算复杂，但(由图看出)均值Z向右移Pf 减小，可靠度加大。 令 22 Z Z SR SR 越大， Pf 越小 ，结构越可靠。 故称 为可靠度指标。 在确定结构的可靠指标 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 全可靠又经济合理。 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。 （教材P15） 对目标可靠指标（或设计可 靠指标）有，越大，失效 概率Pf 越小，结构越可靠 （ ） 习题3 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 （1

9、）定义 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、耐久性）要求，该特定状态称为该功能 的极限状态。 三、概率极限状态设计法 1）承载能力极限状态 这种极限状态对 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。 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： 整个结构或结构的一部分作为刚 体失去平衡（如倾覆等）； 结构构件或连接因材料强度不够 而破坏； 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）。 三、概率极限状态设计法 2）正常使用极限状态 正常

10、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。这一状态对应于适用性或 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。 （ ）属于超出承载能力极限状态。 A裂缝宽度超过规定限值 B结构或构件视为刚体失去平衡 C挠度超过规范限值 D预应力构件中混凝土的拉应力超过 规范限值 习题4 下列何种状态属于正常使用极限状态 A影响正常使用或外观的变形； B混凝土构件的裂缝宽度超过规范规定的限值 C结构构件或连接因

11、过度变形而不适于继续承载 D影响正常作用的振动 习题5 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足够小，或可靠概率足够大。 所有结构构件均应进行承载力计算，对 某些构件还需进行变形和裂缝宽度的验算。 规范规定： 三、概率极限状态设计法 0 S R 式中 S 荷载效应组合设计值 0 结构构件的重要性系数， 对一、二、三级分别取1.1, 1.0, 0.9 R 结构构件抗力（承载力）的设计值 承载能力极限状态设计表达式 内力组合设计值 基本组合:（1）由可变荷载效应控制的组合 n i QiKciQi K QGK SSSS 2 11QG 式中 G 永久荷载分项系数。

12、有利时取1.0， 不利时取1.2 SGK 永久荷载标准值的效应。 一般情况取1.4Q1、 Qi 第一个和第i个活荷载分项系数。 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i个可变荷载的组合系数 （2）由永久荷载效应控制的组合 n i QiKciQiGK SSS 2 G 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 11QGQGK SSS n i QiKciQiGK SSS 2 G 9 . 0 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

13、及结构抗 力计算中均 。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。短期效应长期效应 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(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 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： 一级：严格要求不裂，使用阶段不允许出现 拉应力。 二级：一般要求不裂，使用阶段允许出现拉 应力，但应作限制。 三级：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 荷载的标准值 荷载的准永久值 荷载的频遇值 可变荷载的组合值 材料强度的标准值 材料强度的设计值 2.4 结构设计内容(了解） （1）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。一般可按结构构件的设 计尺寸和材料