第1章 结构设计方法

1、第一章 混凝土结构按近似概率的极限状态设计法1.1结构设计的极限状态结构设计的极限状态1.2结构的可靠度及可靠指标结构的可靠度及可靠指标1.3极限状态实用设计表达式极限状态实用设计表达式1.1结构设计的极限状态结构设计的极限状态安全性适用性耐久性1. 1. 结构的功能要求结构的功能要求 安全性、适用性和耐久性统称为结构的可靠性可靠性。 结构的可靠性用可靠度来进行定量描述，即结构在规定的时间内（一般建筑结构规定为50年，称为设计基准期），规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和正常维修）完成预定功能的概率，称为结构的可靠度，结构的可靠度是衡量结构可靠性的重要指标。设计基准期是为确定可变作用及

2、与时间有关的材料性能取值选用的时间参数，并不等同于建筑结构的寿命，超过了设计基准期，建筑物并不意味着一定损坏，不能再使用了，只是完成预定功能的可靠度在逐渐降低。1.1结构设计的极限状态结构设计的极限状态1.1.2结构极限状态的分类结构极限状态的分类 结构在使用期间的工作情况称为结构的工作状态。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要求，这个特定状态称为该功能的极限状态。 根据结构功能要求，建筑结构设计统一标准分为两类极限状态：和。前者主要是使结构满足安全要求，后者则是使结构满足适用性能要求。1.1结构设计的极限状态结构设计的极限状态1.1.2结构极限状态的分类结构极

3、限状态的分类1.承载能力极限状态承载能力极限状态 结构或结构构件达到最大承载力，出现疲劳、倾覆 、稳定、漂浮等破坏和不适于继续承载的变形，结构在偶然作用下连续倒塌或大范围破坏，即为承载能力极限状态。 (1)整个结构或其中一部分作为刚体失去平衡，如雨篷的倾覆，挡土墙的滑移等； (2)构件截面或其连接因超过材料强度而破坏；因塑性变形过大而不适于继续承载； (3)结构或构件因受动力荷载的作用而产生疲劳破坏； (4)结构转变为机动体系，如超静定结构中出现足够多塑性铰； (5)结构或构件因达到临界荷载而丧失稳定，如细长受压构件的压屈失稳。 此外，对意外事件或偶然发生事件，如地震、爆炸、撞击等，结构应具有

4、良好的整体性，不致因个别构件或结构局部破坏而导致连续倒塌或大范围破坏。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：1.1结构设计的极限状态结构设计的极限状态1.1.2结构极限状态的分类结构极限状态的分类2.正常使用极限状态正常使用极限状态 结构或结构构件达到正常使用的某项限值或产生影响耐久性能的局部损坏，即为正常使用极限状态。 (1)影响正常使用或外观的变形，如吊车梁变形过大致使吊车不能正常行驶，梁挠度过大影响外观或导致非结构构件的开裂等； (2)影响正常使用或耐久性能的局部损坏，如混凝土构件裂缝过宽导致钢筋锈蚀，水池池壁开裂漏水不能正常使用； (3)影响正常使用的振动，

5、如振动过大使人感到不舒适，影响精密仪器的运作； (4)影响正常使用的其它特定状态，地基相对沉降量过大，在侵蚀性介质作用下结构或构件严重腐蚀。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：1.1结构设计的极限状态结构设计的极限状态1.1.2结构极限状态的分类结构极限状态的分类 结构超过该类状态时将不能正常工作，影响其耐久性和适用性，但一般不会导致人身伤亡或重大经济损失。设计时，可靠度水平允许比承载能力极限状态的可靠度水平适当降低。通常先按承载能力极限状态设计结构构件，再按正常使用极限状态进行验算（校核）。1.2结构上的作用及其荷载代表值结构上的作用及其荷载代表值1.2.1 结

6、构上的作用结构上的作用 作用是指直接施加在结构上的集中荷载或分布荷载，以及引起结构外加变形或约束变形的原因（如温度变化、混凝土收缩和徐变、基础沉降、材料性能劣化等）。 前者称为“直接作用”，后者则称为“间接作用”。 由于能使结构产生效应的原因，多数可归结为直接作用在结构上的力集（集中荷载和分布荷载），因此习惯上都将结构上的各种作用称为荷载。结构上的荷载按其作用时间的长短和性质不同可分为: （1）永久荷载。 （2）可变荷载。 （3）偶然荷载。1.2结构上的作用及其荷载代表值结构上的作用及其荷载代表值1.2.2 荷载代表值荷载代表值 在结构设计时，应根据各种极限状态的设计要求采用不同的荷载代表值。

7、 永久荷载采用标准值作为代表值，可变荷载采用标准值、组合值、准永久值或频遇值作为代表值。 由于能使结构产生效应的原因，多数可归结为直接作用在结构上的力集（集中荷载和分布荷载），因此习惯上都将结构上的各种作用称为荷载。结构上的荷载按其作用时间的长短和性质不同可分为: （1）永久荷载。 （2）可变荷载。 （3）偶然荷载。1.2结构上的作用及其荷载代表值结构上的作用及其荷载代表值1.2.2 荷载代表值荷载代表值1. 荷载标准值荷载标准值是指结构构件在使用期间可能出现的最大荷载值。（1）永久荷载标准值。对于结构或非承重构件的自重，由于变异性不大，一般以其平均值作为荷载标准值，即可按结构构件的设计尺寸与

8、材料单位体积的自重计算确定。对自重变异较大的材料（如保温材料等），在设计时应根据其对结构有利或不利的情况，分别取其自重的上限值或下限值。常用材料与构件自重见附录1中附表1.1。（2）可变荷载标准值。荷载规范已给出了各种可变荷载标准值的取值，设计时可直接查用。民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频遇值和准永久系数、屋面均布活荷载和屋面积灰荷载见附录1中附表1.2、附表1.4和附表1.5。1.2结构上的作用及其荷载代表值结构上的作用及其荷载代表值1.2.2 荷载代表值荷载代表值2. 可变荷载组合值可变荷载组合值可由可变荷载标准值乘以相应的组合值系数得出。可变荷载组合值=cQk 3. 可变荷载准

9、永久值准永久值是指可变荷载在结构设计基准期内经常作用的那一部分荷载（如住宅中较为固定的家具、图书馆的书库等），它对结构的影响类似于永久荷载。可变荷载准永久值可由可变荷载标准值乘以相应的准永久值系数得出。可变荷载准永久值=qQk 1.2结构上的作用及其荷载代表值结构上的作用及其荷载代表值1.2.2 荷载代表值荷载代表值4. 可变荷载频遇值对可变荷载，在设计基准期内，其超越的总时间为规定的较小比例或超越频率（或次数）为规定频率（或次数）的荷载值称为可变荷载频遇值。可变荷载频遇值可由可变荷载标准值乘以相应的荷载频遇值系数得出。可变荷载频遇值=fQk 1.3 作用效应和结构抗力作用效应和结构抗力1.3

10、.1 作用效应作用效应 作用效应S是在各种作用（如荷载、基础的差异沉降、混凝土收缩、温度变化、地震等）下使结构或构件内产生的内力（如轴力、剪力、弯矩、扭矩等）、变形（挠度、转角等）和裂缝的总称。 当内力和变形由荷载产生时,称为荷载效应。荷载和荷载效应一般近似呈线性关系，即：S=CQ1.3 作用效应和结构抗力作用效应和结构抗力1.3.2结构抗力结构抗力 结构抗力R是结构或构件抵抗作用效应的能力（如构件的承载力、刚度、抗裂度等）。 取具有95%保证率的下限分位值作为材料强度的代表值，该代表值即为材料的强度标准值。1 结构抗力的概念2材料的强度标准值混凝土强度标准值的取值1.3 作用效应和结构抗力作

11、用效应和结构抗力1.3.2结构抗力结构抗力（1）钢筋的强度设计值3材料的强度设计值钢筋的强度设计值为其标准值除以材料分项系数 s 的数值。即：钢筋 sykyff预应力筋 spykyff钢筋的材料分项系数，其取值与钢筋的种类和级别有关，延性较好的热轧钢筋 s =1.10 ，延性稍差的预应力筋 s=1.20，对 500MPa 级热轧钢筋， s=1.15 。1.3 作用效应和结构抗力作用效应和结构抗力1.3.2结构抗力结构抗力（1）钢筋的强度设计值3材料的强度设计值普通钢筋强度设计值（普通钢筋强度设计值（N/mm2）1.3 作用效应和结构抗力作用效应和结构抗力1.3.2结构抗力结构抗力（1）钢筋的强

12、度设计值3材料的强度设计值 预应力筋强度设计值（预应力筋强度设计值（N/mm2）1.3 作用效应和结构抗力作用效应和结构抗力1.3.2结构抗力结构抗力（2）混凝土的强度设计值3材料的强度设计值不同强度等级混凝土的强度设计值，由强度标准值除材料分项系数取 c 确定。即轴心抗压强度设计值 cckcff轴心抗拉强度设计值 ctktff混凝土的材料分项系数， 取c =1.4 。 1.3 作用效应和结构抗力作用效应和结构抗力1.3.2结构抗力结构抗力（2）混凝土的强度设计值3材料的强度设计值 混凝土强度设计值（N/mm2）强强度度种种类类混凝土强度等级混凝土强度等级C15C20C25C30C35C40

13、C45C50C55 C60 C65 C70C75 C80fc7.29.611.914.316.719.121.123.125.3 27.5 29.7 31.833.8 35.9ft0.911.101.271.431.571.711.801.891.96 2.04 2.09 2.142.182.221.4概率极限状态设计法概率极限状态设计法1.4.1结构的功能函数与极限状态方程结构的功能函数与极限状态方程 结构构件的工作状态可以用结构抗力R和作用效应S的关系式来描述，这种表达式称为结构的功能函数，以Z表示。即:1.结构的功能函数Z=g（R，S）=RS 结构所处状态1.4概率极限状态设计法概率极限

14、状态设计法1.4.1结构的功能函数与极限状态方程结构的功能函数与极限状态方程 Z=g（R，S）= RS =0为结构处于极限状态时的功能函数表达式，亦称为结构极限状态方程。2.结构极限状态方程SR结构设计必须满足功能要求，即结构不应超过极限状态，要满足结构设计必须满足功能要求，即结构不应超过极限状态，要满足:1.4概率极限状态设计法概率极限状态设计法1.4.2结构的可靠度与失效概率结构的可靠度与失效概率 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，即结构处于可靠状态的概率，称为结构的可靠度。 可靠度是对结构可靠性的定量描述，是用来度量可靠性的定量指标。Ps+Pf=1 或Pf =1-P

15、s 结构能完成预定功能（RS）的概率即为“可靠概率”，用Ps表示；不能完成预定功能（RS）的概率即为“失效概率”，用Pf表示。两者互补，即失效概率Pf与可靠指标Ps之间的关系1.4概率极限状态设计法概率极限状态设计法1.4.2结构的可靠度与失效概率结构的可靠度与失效概率越大，失效概率Pf就越小，结构就越可靠。SRZ22SRZZZ22SRSRZZ可靠指标与失效概率Pf的对应关系 1.4概率极限状态设计法概率极限状态设计法1.4.3结构的目标可靠指标与安全等级结构的目标可靠指标与安全等级 通过对过去设计经验的总结并参照国外有关规定，我国建筑结构可靠度设计统一标准对一般的工业与民用建筑结构作为设计依

16、据的可靠指标（称为目标可靠指标）作了具体的规定。不同安全等级的结构构件设计时采用的目标可靠指标 根据建筑物重要性不同，即一旦结构失效对生命财产的危害程度以及对社会的影响不同，建筑结构可靠度设计统一标准将建筑结构分为三个安全等级，并对其可靠指标作适当调整。三个安全等级的划分如下：一级重要的建筑物，破坏后果很严重；二级一般的建筑物，破坏后果严重；三级次要的建筑物，破坏后果不严重。破坏类型破坏类型安全等级安全等级一级二级三级延性破坏延性破坏3.73.22.7脆性破坏脆性破坏4.23.73.21.5极限状态实用设计表达式极限状态实用设计表达式1.5.1承载能力极限状态计算的基本表达式承载能力极限状态计

17、算的基本表达式混凝土结构的承载能力极限状态计算应包括下列内容：（1）结构构件应进行承载力（包括失稳）计算；（2）直接承受反复荷载的构件应进行疲劳验算；（3）有抗震设防要求的结构，应进行结构构件抗震的承载力计算；（4）必要时尚应进行结构整体稳定、倾覆、滑移、漂浮及结构抗倒塌的验算。极限状态设计表达式：ddRS0cQGkkdQGSS，RdscskckkdffaRR，0重要性系数，安全等级为一、二、三级的建筑结构，分别不应小于 1.1、 1.0 、0.9 ；对地震设计状况取1.0。1.5极限状态实用设计表达式极限状态实用设计表达式1.5.1承载能力极限状态计算的基本表达式承载能力极限状态计算的基本表

18、达式1.基本组合（1）由可变荷载效应控制的组合QikciniQikQQGkGSSSS211 （2）由永久荷载效应控制的组合QikciniQiGkGSSS11.5极限状态实用设计表达式极限状态实用设计表达式1.5.1承载能力极限状态计算的基本表达式承载能力极限状态计算的基本表达式1.基本组合 G永久荷载分项系数，当其效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合，应取1.2；对由永久荷载效应控制的组合，应取1.35；当其效应对结构有利时，一般情况下应取1.0；对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。 Q1、Qi第1个和第i个可变荷载分项系数，一般情况下取1.4；对标准值大于4kN/m2的工业房屋

19、楼面结构的活荷载取1.3。1.5极限状态实用设计表达式极限状态实用设计表达式1.5.1承载能力极限状态计算的基本表达式承载能力极限状态计算的基本表达式1.基本组合 对于一般排架、框架结构，由多种荷载作用时不区分引起最大荷载效应的第一个可变荷载，而采用简化规则，按下列组合值中取最不利值确定。（1）由可变荷载效应控制的组合kQQGkGSSS11QikniQiGkGSSS19 . 0（2）由永久荷载效应控制的组合QikciniQiGkGSSS11.5极限状态实用设计表达式极限状态实用设计表达式1.5.1承载能力极限状态计算的基本表达式承载能力极限状态计算的基本表达式2.偶然组合 对于偶然组合，极限状

20、态表达式应按下列原则确定：只考虑一种偶然荷载与其它荷载相组合；偶然荷载的代表值不乘分项系数；与偶然荷载同时出现的其它可变荷载应根据观测资料和工程经验采用适当的代表值。1.5极限状态实用设计表达式极限状态实用设计表达式1.5.2正常使用极限状态计算的基本表达式正常使用极限状态计算的基本表达式混凝土结构构件正常使用极限状态的验算应包括下列内容：（1）对使用上需要控制变形的结构及构件，应进行变形验算；（2）对使用上限制出现裂缝的构件，应进行混凝土拉应力验算；（3）对使用上允许出现裂缝的构件，应进行裂缝宽度验算；（4）对于使用上有舒适度要求的楼盖结构，应进行自振频率的验算。与承载能力极限状态相比，正常

21、使用极限状态的目标可靠指标要低一些。因而在计算中对荷载和材料强度不再乘以分项系数，直接采用标准值，结构的重要性系数0也不予考虑。1.5极限状态实用设计表达式极限状态实用设计表达式1.5.2正常使用极限状态计算的基本表达式正常使用极限状态计算的基本表达式1标准组合QiknicikQGkSSSS212准永久组合QikniqiGkSSS13正常使用极限状态计算的基本表达式SC（1）变形挠度混凝土构件的挠度应不影响其使用功能和外观要求。 受弯构件的最大挠度应按荷载效应的标准组合或准永久组合并考虑荷载长期作用影响进行计算，其计算值不应超过下表规定的挠度限值。1.5极限状态实用设计表达式极限状态实用设计表

22、达式1.5.2正常使用极限状态计算的基本表达式正常使用极限状态计算的基本表达式受弯构件的挠度限值（2）裂缝及应力控制 结构构件正截面的受力裂缝控制等级分为三级。裂缝控制等级的划分及要求应符合下列规定：1.5极限状态实用设计表达式极限状态实用设计表达式1.5.2正常使用极限状态计算的基本表达式正常使用极限状态计算的基本表达式受弯构件的挠度限值1.5极限状态实用设计表达式极限状态实用设计表达式1.5.2正常使用极限状态计算的基本表达式正常使用极限状态计算的基本表达式一级严格要求不出现受力裂缝的构件。按荷载效应的标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力；二级一般要求不出现受力裂缝的构件。按荷

23、载效应的标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土拉应力不应大于混凝土抗拉强度的标准值；三级允许出现受力裂缝的构件。对钢筋混凝土构件，按荷载效应的准永久组合并考虑长期作用影响计算时，构件的最大裂缝宽度不应超过下表规定的最大裂缝宽度限值。对预应力混凝土构件，按荷载效应的标准组合并考虑长期作用的影响计算时，构件的最大裂缝宽度不应超过下表规定的最大裂缝宽度限值；对二b、三b类环境类别下的预应力混凝土构件，尚应按荷载效应的准永久组合计算，且构件受拉边缘混凝土拉应力不应大于混凝土抗拉强度的标准值。（2）裂缝及应力控制 结构构件正截面的受力裂缝控制等级分为三级。裂缝控制等级的划分及要求应符合下列规定：1.5极限状

24、态实用设计表达式极限状态实用设计表达式1.5.2正常使用极限状态计算的基本表达式正常使用极限状态计算的基本表达式结构构件的裂缝控制等级及最大裂缝宽度及的限值wlim （ mm）环境类别钢筋混凝土结构预应力混凝土结构裂缝控制等级wlim裂缝控制等级wlim一三级0.30（0.4）三级0.20二a0.200.10二b二级三a、三b一级1.6混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性1.6.1混凝土结构耐久性的概念与影响因素混凝土结构耐久性的概念与影响因素1混凝土结构耐久性的概念 混凝土结构的耐久性是指结构在规定的工作环境中，在预定的设计使用年限内，在正常维护条件下不需要进行大修就能完成预定功能要求的能力

25、。 规定的工作环境是指建筑物所在地区的环境及工业生产所形成的环境等；设计使用年限是设计规定的一个时期，在这一时期内，只需正常维修（不需大修）就能完成预定功能，即房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用和维护所应达到的使用年限。设计使用年限分类类别设计使用年限/年示例15临时性建筑225易于替换的结构构件350普通房屋和构筑物4100纪念性建筑和特别重要的建筑结构1.6混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性1.6.1混凝土结构耐久性的概念与影响因素混凝土结构耐久性的概念与影响因素2.影响混凝土结构耐久性的因素 影响混凝土结构耐久性的因素可分为内部和外部两方面。 内部因素有混凝土的强度、渗透性、保护层

26、厚度、水泥品种、标号和用量、氯离子及碱含量、外加剂等； 外部因素主要有环境温度、湿度、CO2含量、侵蚀性介质、冻融及磨损等。进行房屋混凝土结构的耐久性设计应包括下列内容：（1）确定结构的环境类别及作用等级；（2）提出材料的耐久性质量要求；（3）确定构件中钢筋的混凝土保护层厚度；（4）在不利的环境条件下应采取的防护措施；（5）满足耐久性要求相应的施工措施；（6）提出结构使用阶段的维护与检测要求。1.6混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性1.6.2耐久性设计耐久性设计1混凝土结构的环境类别环境类别条件一室内干燥环境；无侵蚀性静水侵没环境二a室内潮湿环境；非严寒和非寒冷地区露天环境；非严寒和非寒冷地区与无侵蚀性水或土直接接触的环境；严寒和寒冷地区的冰冻线以下与无侵蚀性水或土直接接触的环境二b干湿交替环境；水位频繁变动环境；严寒和寒冷地区露天环境；严寒和寒冷地区的冰冻线以上与无侵蚀性水或土直接接触的环境三a严寒和寒冷地区冬季水位变动区环境；受除冰盐影响环境；海风环境三b盐渍土环境；受除冰盐作用环境；海岸环境四海水环境五受人为或自然的侵蚀性物质影响的环境1.6混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性1.6.2耐久性设计耐久性设计2混凝土保护层 规范规定：构件中受力钢筋的保护层厚度不应小于钢筋直径；对