按近似概率论的极限状态设计法

1、第三章 按近似概率论的极限状态设计法1. 第一节 极 限 状 态2. 第二节 按近似概率论的极限状态设计法3. 第三节 实用设计表达式第三章 按近似概率论的极限状态设计法本章重点：l熟悉作用的概念、类型；l熟悉极限状态的定义，分类；l理解荷载分项系数的含义，荷载标准值的含义；l理解保证率的荷载效应组合的含义l熟练掌握实用设计表达式第三章 按近似概率论的极限状态设计法3.1 极限状态第三章 按近似概率论的极限状态设计法3.1 极限状态第三章 按近似概率论的极限状态设计法结构上的作用结构上的作用 直接作用直接作用：荷载：荷载 间接作用间接作用：混凝土的收缩、温度变化、基础的差异沉降、：混凝土的收缩

2、、温度变化、基础的差异沉降、地震等地震等 作用在结构上并使结构产生内力（如弯矩、剪力、轴向力、作用在结构上并使结构产生内力（如弯矩、剪力、轴向力、扭矩等）、变形、裂缝等作用称为作用效应或荷载效应。扭矩等）、变形、裂缝等作用称为作用效应或荷载效应。荷载和荷载效应之间通常按某种关系相联系。荷载和荷载效应之间通常按某种关系相联系。1荷载的分类 结构上的荷载，按其作用时间的长短和性质，可分为三类： (1)永久荷载G 在结构设计使用年限内，其值不随在结构设计使用年限内，其值不随时间而变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计，时间而变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。

3、或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。 (2)可变荷载Q 在结构设计基准期内其值随时间而在结构设计基准期内其值随时间而变化，其变化与平均值不可忽略的荷载。变化，其变化与平均值不可忽略的荷载。 (3)偶然荷载Q 在结构设计基准期内不一定出现，在结构设计基准期内不一定出现，但一旦出现其值很大且作用时间很短的荷载。但一旦出现其值很大且作用时间很短的荷载。第三章 按近似概率论的极限状态设计法 2荷载的标准值第三章 按近似概率论的极限状态设计法1) 定义定义 将荷载视为随机变量，采用数理统计的方法加以处理而得将荷载视为随机变量，采用数理统计的方法加以处理而得到的具有一定概率的最大荷载值到的具有一定概率的最

4、大荷载值2) 确定确定 a.结构的自重可根据结构的设计尺寸和材料的重力密度确结构的自重可根据结构的设计尺寸和材料的重力密度确定；定； b.可变荷载常与时间有关，在缺少大量统计材料的条件下，可变荷载常与时间有关，在缺少大量统计材料的条件下，可近似按随机变量来考虑。可近似按随机变量来考虑。3.1.2结构的功能要求第三章 按近似概率论的极限状态设计法安全等级破坏后的影响程度建筑物的类型一级很严重重要的建筑物二级严重一般的建筑物三级不严重次要的建筑物1.结构的安全等级 建筑结构应根据破坏时可能产生的后果严重与否，区分不同的安全等级。第三章 按近似概率论的极限状态设计法第三章 按近似概率论的极限状态设计

5、法第三章 按近似概率论的极限状态设计法第一节 结构与结构设计第一节 结构与结构设计第一节 结构与结构设计2.结构的设计使用年限结构的设计使用年限 设计使用年限设计使用年限-计算结构可靠度所依据的年限。 是是指设计规定的结构或结构构件不需要进行大修即可按其预定的目的使用的时期。注意：注意：设计使用年限设计使用年限并不等同于建筑结构的使用寿使用寿命。命。第三章 按近似概率论的极限状态设计法3、建筑结构的功能、建筑结构的功能安全性安全性 如（如（MMu）； 整体稳定性整体稳定性适用性适用性 如（如（f f ） 结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。耐久性耐久

6、性 如如（wmax wmax） 结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久 性，性，完好使用完好使用到设计使用年限。到设计使用年限。第三章 按近似概率论的极限状态设计法3.1.3 极极 限限 状状 态态 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指定的要求，该状态称为该功能的极限状态。 结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠”的或“有效”的。反之，则结构为“不可靠”或“失效”。 区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限状态”。第二节 极 限 状 态第三章 按近似概率论的极限状态设计法 钢筋混凝土简支梁的可靠、

7、失效和极限状态概念 结构的功能 可靠 极限状态 失效 安全性 受弯承载力 M Mu 适用性 挠度变形 f f 耐久性 裂缝宽度 wmax wmax 1.承载力能力极限状态承载力能力极限状态：超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求。性功能要求。结构或构件达到最大承载力（包括疲劳）结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移）结构塑性变形过大而不适于继续使用结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰）结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）第三章 按近似概率论的极限状态设计法2.2.正常使用极限状态正常使用极限状态超过该极限状

8、态，结构就不能满足预定的适用性超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久性的功能要求和耐久性的功能要求。过大的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、不能正常使用（吊车）等）；过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）；过大的振动（不舒适）；其他正常使用要求。第二节 极 限 状 态3.1.4 极限状态方程第三节 荷载、承载力、可靠性与可靠度S荷载效应荷载效应 结构上的各种作用结构上的各种作用（如荷载、不均匀沉降、温度变形、收缩变形、地震等）产生的效应总和产生的效应总和（如弯矩M、轴力N、剪力V、扭矩T、挠度 f、裂缝宽度 w 等）R结构抗力结构抗力 结构抵抗作用效应的能力结构抵抗作用效应的能

9、力 (如受弯承载力Mu、受剪承载力Vu、容许挠度f、容许裂缝宽度w ) S = S(Q) -力学的主要内容力学的主要内容R = R(fc, fy, A, h0, As, ) -本课程的主要内容本课程的主要内容S R 失效失效第三节 荷载、承载力、可靠性与可靠度结构的极限状态可用下面的极限状态函数表示：结构的极限状态可用下面的极限状态函数表示：Z=R-S (极限状态方程)对应的：对应的：Z=R-S0 时，时，结构处于可靠状态；结构处于可靠状态；Z=R-S=0时，结构达到极限状态；时，结构达到极限状态；Z=R-S0时，时，结构处于失效（破坏）状态。结构处于失效（破坏）状态。在结构设计中，不仅仅只考

10、虑结构的承载能力，有时还要考在结构设计中，不仅仅只考虑结构的承载能力，有时还要考虑结构的适用性和耐久性，则极限状态方程可推广为：虑结构的适用性和耐久性，则极限状态方程可推广为：),(21nxxxgZ3.2 按近似概率的极限状态设计法 鉴于结构抗力和荷载效应的随机性，安鉴于结构抗力和荷载效应的随机性，安全可靠应该属于概率的范畴，应当用结全可靠应该属于概率的范畴，应当用结构完成其预定功能的可能性（概率）的构完成其预定功能的可能性（概率）的大小来衡量，而不是一个定值来衡量。大小来衡量，而不是一个定值来衡量。第三章 按近似概率论的极限状态设计法结构的可靠度、失效概率 结构在规定的时间内，在规定的条件下

11、，完成预定功能的概率（或者达不到预定功能的概率-失效概率）。 因此，结构的可靠度是用结构完成预定功能的概率的大小来定量描述的。 可靠度是可靠性的概率的度量。概念概念第三章 按近似概率论的极限状态设计法 结构设计方法结构设计方法 容许应力设计法 破损阶段设计法 极限状态设计法 以概率论为基础的极限状态设计法第三章 按近似概率论的极限状态设计法容许应力设计法容许应力设计法kf钢筋混凝土结构的受力性能不是弹性的；钢筋混凝土结构的受力性能不是弹性的；结构中一点达到容许应力，结构即认为失效；结构中一点达到容许应力，结构即认为失效；没有考虑结构功能的多样性要求；没有考虑结构功能的多样性要求；安全系数是凭经

12、验确定的，缺乏科学依据。安全系数是凭经验确定的，缺乏科学依据。第三章 按近似概率论的极限状态设计法破损阶段设计法破损阶段设计法KMMu 整个截面达到极限承载力才认为失效，考虑整个截面达到极限承载力才认为失效，考虑了材料塑性和强度的充分发挥，极限荷载可以了材料塑性和强度的充分发挥，极限荷载可以直接由试验验证，构件的总安全度较为明确。直接由试验验证，构件的总安全度较为明确。 但但安全系数安全系数K仍然仍然凭经验确定，凭经验确定， 没有考虑结构功能的多样性要求的问题。没有考虑结构功能的多样性要求的问题。第三节 荷载、承载力、可靠性与可靠度极限状态设计法极限状态设计法第三节 荷载、承载力、可靠性与可靠

13、度 除要求对承载力极限状态进行设计外，还包括了挠度和裂除要求对承载力极限状态进行设计外，还包括了挠度和裂缝宽度（适用性）的极限状态的设计。缝宽度（适用性）的极限状态的设计。 对于承载力极限状态，针对荷载、材料的不同变异性，不对于承载力极限状态，针对荷载、材料的不同变异性，不再采用单一的安全系数，而采用的多系数表达。再采用单一的安全系数，而采用的多系数表达。)()(0，hbAkfkfMqkMssskcckuikqi 材料强度材料强度 fck 和和 fsk 是根据统计后按一定保证率取其下限分是根据统计后按一定保证率取其下限分位值，反映的材料强度的变异性。位值，反映的材料强度的变异性。 荷载值荷载值

14、 qik 也尽可能根据各种荷载的统计资料，按一定保证也尽可能根据各种荷载的统计资料，按一定保证率取其上限分位值。率取其上限分位值。 荷载系数荷载系数 kqi ，材料强度系数材料强度系数 kc 和和 ks 仍按经验确定，但对仍按经验确定，但对于不同荷载的变异大小，可取不同的荷载系数。于不同荷载的变异大小，可取不同的荷载系数。以概率理论为基础的极限状态设计以概率理论为基础的极限状态设计法法 由于实际结构中的不确定性，因此无论如何由于实际结构中的不确定性，因此无论如何设计结构，都会有失效的可能性存在，只是可设计结构，都会有失效的可能性存在，只是可能性大小不同而已。能性大小不同而已。 为了科学定量的表

15、示结构为了科学定量的表示结构可靠性可靠性的大小，采用的大小，采用概率方法概率方法是比较合理的。是比较合理的。第三节 荷载、承载力、可靠性与可靠度第三章 按近似概率论的极限状态设计法以概率理论为基础的极限状态设计法以概率理论为基础的极限状态设计法 失效概率越小，表示结构可靠性越大。因此，可以用失效失效概率越小，表示结构可靠性越大。因此，可以用失效概率来定量表示结构可靠性的大小。概率来定量表示结构可靠性的大小。结构可靠性的概率度量结构可靠性的概率度量称为称为结构可靠度结构可靠度。 当失效概率当失效概率Pf小于某个值时，人们因结构失效的可能性很小于某个值时，人们因结构失效的可能性很小而不再担心，即可

16、认为结构设计是可靠的。该失效概率限小而不再担心，即可认为结构设计是可靠的。该失效概率限值称为值称为容许失效概率容许失效概率Pf。失效概率失效概率Pf = P (Z R) =P(Z 0)ZZfP与与Pf的对应关系的对应关系0)(dxZf第三章 按近似概率论的极限状态设计法2S2RSR结构构件承载能力极限状态的目标可靠指标结构构件承载能力极限状态的目标可靠指标破坏类型破坏类型安安 全全 等等 级级一级一级二级二级三级三级延性破坏延性破坏3.73.22.7脆性破坏脆性破坏4.23.73.23.3 实用设计表达式 原因：概率极限状态设计法计算繁复，某些统计数据也不齐全。对于一般常见的工程结构，直接采用

17、可靠指标进行设计并无必要。由于设计人员以往已习惯于采用安全系数这种形式来进行计算，因此，建筑结构设计统一标准提出了一种便于实际使用的设计表达式，即实用设计表达式。实用设计表达式实用设计表达式中采用了以荷载和材料强度的标准值以及相应的“分项系数”来表示的方式。3.3.1分项系数第三章 按近似概率论的极限状态设计法3.3.2承载能力极限状态实用设计表达式前述内容带入RS ffPP )203( kSSS作用效应设计值，作用效应设计值， S作用效应分项系数作用效应分项系数)213( RkRR结构抗力设计值，结构抗力设计值， R结构抗力分项系数结构抗力分项系数考虑到结构安全等级的差异，其目标可靠指标应作

18、相应提高或降低，故引入结构重要性系数 0 ，由此可得)223(0 RS)233(0RkksRS第三章 按近似概率论的极限状态设计法极限状态实用设计表达式的一般形式kGGkSGCSSkQQQC111nikQiQiciQiC2)(021110，hbAffRQiCQCGCsskccknikQiQiCikQQkGG)253()(0，hbAffRscnikQiQikGGQiCGC10可变荷载分项系数Q永久荷载分项系数G组合值系数C荷载永久荷载G可变荷载Q对结构影响有大有小一般不会同时发生第三章 按近似概率论的极限状态设计法3.3.3正常使用极限状态实用设计表达式正常使用极限状态正常使用极限状态，可靠度要

19、求可适当降低，不需乘分项，可靠度要求可适当降低，不需乘分项系数，也不考虑结构重要性系数系数，也不考虑结构重要性系数0 按正常使用极限状态设计，主要是验算构件的变形和抗裂度或裂缝宽度。在此情况下，可变荷载作用时间的长短对于变形和 裂缝的大小显然是有影响的。第三章 按近似概率论的极限状态设计法准永久值系数与频遇值系数准永久值系数与频遇值系数可变荷载的最大值并非长期作用于结构之上，对于可变荷载长期作用部分，要对其标准值进行折减。建筑结构设计统一标准采用准永久值系数准永久值系数与与频遇值系数频遇值系数(小于1)来考虑这种折减。 可变荷载的准永久值系数，系根据在设计基准期内荷载达到和超过该值的总持续时间

20、与设计基准期总持续时间的比值而确定 可变荷载的频遇值系数，是根据可变荷载超越的总时间或超越次数确定的。第三章 按近似概率论的极限状态设计法荷载短期效应组合和长期效应组合 可变荷载已有四种代表值，即标准值标准值、组合值组合值、准永久值、频遇值准永久值、频遇值，其中标准值标准值称为称为基本代表基本代表值值，其他代表值可由基本代表值乘以相应的系数而得。根据实际设计工作中的需要，须区分荷载短期作用和荷载长期作用下构件的变形大小和裂缝宽度的计算。因此，根据不同的设计目的，分别考虑荷载短考虑荷载短期效应组合和长期效应组合。期效应组合和长期效应组合。第三章 按近似概率论的极限状态设计法当按荷载短期效应组合时

21、，荷载效应的计算表达式荷载长期效应组合时，荷载效应的计算表达式)263(211nikQiCikQkGkQiCQCGCS标准组合频遇组合)273(QCQCGCiKQin2iqi1KQ1f1KGS)263(1aQiCGCSnikQiQikGk准永久组合第三章 按近似概率论的极限状态设计法例例 某厂房采用1.5m6m的大型屋面板，卷材防水保温屋面，永久荷载标准值为2.7kN/m2，屋面活荷载为0.7kN/m2,屋面积灰荷载为0.5kN/m2,雪荷载为0.4kN/m2，已知纵肋的计算跨度l=5.87m。 求：纵肋跨中弯矩的基本组合设计值。 解：解：1. 荷载标准值： (1)永久荷载为 GK=2.71.

22、5/2=2.025kN/m (2)可变荷载为 屋面活荷载 Q1k=0.71.5/2=0.525kN/m 积灰荷载 Q2k=0.51.5/2=0.375kN/m 雪荷载 Q3k=0.41.5/2=0.300 kN/m2. 荷载效应组合： 根据现行建筑结构荷载规范4.3.1条，屋面活荷载不应与雪荷载同时考虑故取其较大者，即不考虑雪荷载; 因永久荷载起控制作用，根据建筑结构荷载规范3.2.3条规定。采用由永久荷载效应控制的组合。 根据建筑结构荷载规范3.2.5条，取G=1.35,Q=1.4,根据建筑结构荷载规范表（4.3.1）得屋面均布荷载的组合值系数c=0.7,据表（4.4.1-1）得屋面积灰荷载的组合值系数c=0.9。 （4）应用建筑结构荷载规范式（3.2.3-2）。 （课本式3-25） M=1.351/8Gkl2+1.40.71/8Q1kl2+1.40.91/8Q2kl2 =5.872/8(1.352.025+1.40.70.525+1.40.90.375) =16.03kN.m第三章 按近