结构设计原理3

1、1结构分析与设计主讲 范涛成都理工大学环境与土木工程学院2n2.1 绪论绪论n2.2 结构材料的力学性能结构材料的力学性能n2.3 结构的设计方法结构的设计方法n2.4 受弯构件受弯构件n2.5 受压构件受压构件成都理工大学环境与土木工程学院3n2.3.1 概述概述n2.3.2 可靠度分析的基本概念和方法可靠度分析的基本概念和方法n2.3.3 实用设计表达式实用设计表达式成都理工大学环境与土木工程学院4n 工程结构的设计大致可以分为两个步骤：工程结构的设计大致可以分为两个步骤：n第一步是调查研究，分析对比，在满足预定功第一步是调查研究，分析对比，在满足预定功能的条件下，进行可行性分析，选择合理

2、的结能的条件下，进行可行性分析，选择合理的结构总体布置、结构方案和型式；构总体布置、结构方案和型式；n第二步是根据选定的结构型式，设计结构各构第二步是根据选定的结构型式，设计结构各构件的截面和可行的施工方案。件的截面和可行的施工方案。第二步的内容中，第二步的内容中，设计部分主要包括结构或构件截面内力或应力设计部分主要包括结构或构件截面内力或应力的分析，以及根据截面的内力或应力，选择截的分析，以及根据截面的内力或应力，选择截面尺寸，确定材料用量等，通常称为结构计面尺寸，确定材料用量等，通常称为结构计算算 成都理工大学环境与土木工程学院5n一、结构的功能要求一、结构的功能要求n 截面或构件的设计，

3、应使所设计的结构在设截面或构件的设计，应使所设计的结构在设计基准期内，经济合理地满足下列要求：计基准期内，经济合理地满足下列要求：n能承受正常施工和正常使用期间可能出现的各种作能承受正常施工和正常使用期间可能出现的各种作用用n在偶然事件在偶然事件(如地震、爆炸、龙卷风等如地震、爆炸、龙卷风等)发生时及发发生时及发生后，能够保持必要的整体稳定性生后，能够保持必要的整体稳定性n在正常使用时具有良好的工作性能在正常使用时具有良好的工作性能n在正常维修和养护下，具有足够的耐久性。在正常维修和养护下，具有足够的耐久性。成都理工大学环境与土木工程学院6n一、结构的功能要求一、结构的功能要求n 结构的安全性

4、和可靠性是有区别的。如上结构的安全性和可靠性是有区别的。如上述要求的第、述要求的第、 项关系到人身财产安全，项关系到人身财产安全，属于结构的安全性，第项关系到结构的适属于结构的安全性，第项关系到结构的适用性，第用性，第 项关系到结构的耐久性。项关系到结构的耐久性。n安全性、适用性和耐久性安全性、适用性和耐久性三者总称为结构的三者总称为结构的可靠性可靠性。用来度量安全性的指标称为。用来度量安全性的指标称为安全度安全度，度量可靠性的指标称为度量可靠性的指标称为可靠度可靠度可靠度比安可靠度比安全度的含义更广泛。但是，安全度是可靠度全度的含义更广泛。但是，安全度是可靠度中最重要的内容，它直接关系到人身

5、安全和中最重要的内容，它直接关系到人身安全和经济效益等问题，是讨论的重点。经济效益等问题，是讨论的重点。成都理工大学环境与土木工程学院7n二、结构的安全等级二、结构的安全等级n 设计时应根据结构破坏可能产生的各种后果设计时应根据结构破坏可能产生的各种后果（是否危及人的生命、造成怎样的经济损失、（是否危及人的生命、造成怎样的经济损失、产生如何的社会影响等等）的严重性，对不同产生如何的社会影响等等）的严重性，对不同的的建筑结构建筑结构采用不同的安全等级。采用不同的安全等级。n我国我国建筑结构设计统一标准对建筑结构的建筑结构设计统一标准对建筑结构的安全等级划分为三级：安全等级划分为三级：n一级：重要

6、的工业与民用建筑（破坏后果很严一级：重要的工业与民用建筑（破坏后果很严重）重）n二级：一般的工业与民用建筑（破坏后果严重）二级：一般的工业与民用建筑（破坏后果严重）n三级：次要的建筑（破坏后果不严重）三级：次要的建筑（破坏后果不严重）成都理工大学环境与土木工程学院8n二、结构的安全等级二、结构的安全等级n桥涵工程设计基准期为桥涵工程设计基准期为100年，对各安全等级年，对各安全等级的桥涵结构为：的桥涵结构为：注：本表中各类桥的定义见公路桥涵设计通用规范注：本表中各类桥的定义见公路桥涵设计通用规范(JTJ021)，这里的重要大轿、重要小桥指的是高速公路、国这里的重要大轿、重要小桥指的是高速公路、

7、国际公路、交通繁忙的城郊公路上的桥梁。际公路、交通繁忙的城郊公路上的桥梁。成都理工大学环境与土木工程学院9n一、基本随机变量一、基本随机变量 n 对结构进行设计，需要考虑有关的设计参数。结构的对结构进行设计，需要考虑有关的设计参数。结构的设计参数主要分为两大类：设计参数主要分为两大类：n一类是施加在结构上的一类是施加在结构上的直接作用直接作用或引起结构外加变形或或引起结构外加变形或约束变形的约束变形的间接作用间接作用，如结构承受的人群、设备、车辆，如结构承受的人群、设备、车辆，以及施加于结构的风、雪、冰、土压力、温度作用等。以及施加于结构的风、雪、冰、土压力、温度作用等。由这些作用引起的结构成

8、构件的内力、变形等称为由这些作用引起的结构成构件的内力、变形等称为作用作用效应或荷载效应效应或荷载效应，如弯矩、剪力、扭矩、应力、变形等。，如弯矩、剪力、扭矩、应力、变形等。n另一类则是结构或构件及其材料承受作用效应的能力，另一类则是结构或构件及其材料承受作用效应的能力，称为称为抗力抗力，如承载能力、刚度、抗裂度、强度等。抗力，如承载能力、刚度、抗裂度、强度等。抗力取决于材料强度，截面尺寸、连接条件等。取决于材料强度，截面尺寸、连接条件等。成都理工大学环境与土木工程学院10n1. 作用的作用的 概念与类型概念与类型n作用：使结构或构件产生内力、变形和裂缝的作用：使结构或构件产生内力、变形和裂缝

9、的各种原因的总称。各种原因的总称。n（1）直接作用（荷载）直接作用（荷载）n（2）间接作用）间接作用n结构上的荷载，按时间的变异性不同可分为：结构上的荷载，按时间的变异性不同可分为：n永久荷载（恒荷载）永久荷载（恒荷载）n可变荷载（活荷载）可变荷载（活荷载）n偶然荷载偶然荷载成都理工大学环境与土木工程学院11n2.荷载的代表值荷载的代表值n（1）荷载的标准值）荷载的标准值设计基准期内，具有设计基准期内，具有一定保证率的最大荷载。一定保证率的最大荷载。n恒载的标准值恒载的标准值Gk：一般可按构件的设计尺寸乘以材一般可按构件的设计尺寸乘以材料的重度而得。料的重度而得。n活载的活载的标准值标准值Qk

10、 ：按荷载规范取值按荷载规范取值n（2）可变荷载的组合值）可变荷载的组合值组合值系数组合值系数c与与荷载标准值的乘积。荷载标准值的乘积。注：可变荷载组合值是承载能力极限状态设计和正常使用注：可变荷载组合值是承载能力极限状态设计和正常使用极限状态标准组合设计时荷载的代表值。极限状态标准组合设计时荷载的代表值。成都理工大学环境与土木工程学院12n（3）可变荷载的频遇值）可变荷载的频遇值频遇值系数频遇值系数f与与荷荷载标准值的乘积。载标准值的乘积。n（4 4）可变荷载的准永久值可变荷载的准永久值准永久值系数准永久值系数q与与荷载标准值的乘积。荷载标准值的乘积。可变荷载的频遇值、准永久值是正常使用极限

11、状态按频遇组可变荷载的频遇值、准永久值是正常使用极限状态按频遇组合设计或按准永久组合设计时荷载的代表值。合设计或按准永久组合设计时荷载的代表值。成都理工大学环境与土木工程学院13n3.作用效应作用效应n作用所引起的内力、变形和裂缝等统称为作用所引起的内力、变形和裂缝等统称为“作用作用效应效应”。当作用为荷载时，则称为荷载效应。当作用为荷载时，则称为荷载效应S 。nSCQn式中式中 ：C荷载效应系数；荷载效应系数； Q荷载代表值荷载代表值。成都理工大学环境与土木工程学院14n4.荷载分项系数及荷载设计值荷载分项系数及荷载设计值n（1）永久荷载的分项系数）永久荷载的分项系数nA.当其效应对结构不利

12、时当其效应对结构不利时n由可变荷载效应控制的组合：由可变荷载效应控制的组合：1.2n由永久荷载效应控制的组合：由永久荷载效应控制的组合：1.35nB.当其效应对结构有利时荷载的分项系数一般当其效应对结构有利时荷载的分项系数一般取取1.0n（2）可变荷载的分项系数一般取）可变荷载的分项系数一般取1.4n当荷载的标准值当荷载的标准值qk4.0kN/m2时，取时，取1.3荷载设计值荷载分项系数荷载的标准值荷载设计值荷载分项系数荷载的标准值成都理工大学环境与土木工程学院15n二、结构的极限状态二、结构的极限状态 n 在结构可靠度分析和设计中，为了正确描述在结构可靠度分析和设计中，为了正确描述结构的工作

13、状态，必须明确规定结构安全、耐久，结构的工作状态，必须明确规定结构安全、耐久，适用和结构失效的界限，这样的界限称为结构的适用和结构失效的界限，这样的界限称为结构的极限状态。我国极限状态。我国(GB5015392)工程结构可靠度工程结构可靠度设计统一标准对结构极限状态的定义为：设计统一标准对结构极限状态的定义为：“整整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能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，此特定状态为该满足设计规定的某一功能要求，此特定状态为该功能的极限状态功能的极限状态”。n 结构的极限状态分为两种，即承载能力极限结构的极限状态分为两种，即承载能力极限状

14、态和正常使用极限状态。状态和正常使用极限状态。成都理工大学环境与土木工程学院16n二、结构的极限状态二、结构的极限状态 n (一一)承栽能力极限状态承栽能力极限状态 n这种极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能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。当结构或构件出现下列力或不适于继续承载的变形。当结构或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：状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态：n (1)整个结构或结构的整个结构或结构的部分作为刚体失去平衡部分作为刚体失去平衡(如如倾覆等倾覆等)，n(2)结构构件或其连接因材料强度被超过而破坏结构构件或其连

15、接因材料强度被超过而破坏(包包括疲劳破坏括疲劳破坏)，或因过度的塑性变形而不适于继续，或因过度的塑性变形而不适于继续承载；承载；n(3)结构转变为机动体系；结构转变为机动体系；n(4)结构或结构构件丧失稳定结构或结构构件丧失稳定(如压屈等如压屈等)。成都理工大学环境与土木工程学院17n (二二)正常使用极限状态正常使用极限状态n这种极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或这种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构或结构构件出现下列状态耐久性能的某项规定限值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：之一时，即认为超过了正常使用极限状态：n(1)

16、影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或外观的变形；n(2)影响正常使用或耐久性能的局部损坏影响正常使用或耐久性能的局部损坏(包括裂缝包括裂缝)；n(3)影响正常使用的振动影响正常使用的振动 ；n(4)影响正常使用的其他特定状态。影响正常使用的其他特定状态。n 一般情况下，一个结构或构件的设计需同时考虑一般情况下，一个结构或构件的设计需同时考虑承载能力极限状态和正常使用极限状态。承载能力极限状态和正常使用极限状态。成都理工大学环境与土木工程学院18n二、结构的极限状态二、结构的极限状态 n用用g()表示描述结构工作状态的函数，称为结表示描述结构工作状态的函数，称为结构功能函数，则结构的工作状态

17、可用下式表示构功能函数，则结构的工作状态可用下式表示nZ Z= =g(X)g(X)0 0 0 可靠状态可靠状态nZ Z= =g g（R,S)=R-SR,S)=R-SnR-R-结构抗力，结构抗力，S-S-作用效应作用效应成都理工大学环境与土木工程学院19n三、结构可靠度三、结构可靠度n结构在规定的时间内结构在规定的时间内( (设计基准期内设计基准期内) )、在规定的条、在规定的条件下件下( (正常设计、正常施工、正常使用、不包括人为正常设计、正常施工、正常使用、不包括人为的过失影响的过失影响) )，完成预定功能，完成预定功能( (安全性、适用性、耐安全性、适用性、耐久性久性) )的概率，称为可靠

18、度，是可靠性的概率度量。的概率，称为可靠度，是可靠性的概率度量。 n结构可靠性是用可靠度来度量的，完成预定功能的结构可靠性是用可靠度来度量的，完成预定功能的概率，表示为概率，表示为PsPs，相反，如果结构不能完成预定的相反，如果结构不能完成预定的功能，则称相应的概率结构的失效概率，表示为功能，则称相应的概率结构的失效概率，表示为PfPf。n四、结构可靠指标：四、结构可靠指标：=z z/z znz z功能函数功能函数Z Z的平均值，的平均值，nz z功能函数功能函数Z Z的标准差。的标准差。成都理工大学环境与土木工程学院20n目标可靠指标目标可靠指标 延性破坏延性破坏 脆性破坏脆性破坏一级：一级

19、： 3.7 4.2二级：二级： 3.2 3.7三级：三级： 2.7 3.2建筑结构的目标可靠指标：建筑结构的目标可靠指标：桥涵结构的目标可靠指标：桥涵结构的目标可靠指标：成都理工大学环境与土木工程学院21n 应当指出，上文所讲的概率极限状态设计法应当指出，上文所讲的概率极限状态设计法仅系一种近似方法，因其中用到的概率统计特仅系一种近似方法，因其中用到的概率统计特征值只有平均值和均方差，并非实际的概率分征值只有平均值和均方差，并非实际的概率分布。因而其计算结果是近似的，属于近似概率布。因而其计算结果是近似的，属于近似概率设计方法。完全掌握复合随机变量的实际分布，设计方法。完全掌握复合随机变量的实

20、际分布，得出真正的失效概率，目前还处于研究阶段，得出真正的失效概率，目前还处于研究阶段，要能付诸实践，尚须假以时日。要能付诸实践，尚须假以时日。成都理工大学环境与土木工程学院22n 概率极限状态设计法与过去采用过的其他概率极限状态设计法与过去采用过的其他各种方法相比更为科学合理，但其计算繁复，各种方法相比更为科学合理，但其计算繁复，某些统计数据也不齐全。对于一般常见的工程某些统计数据也不齐全。对于一般常见的工程结构，直接采用可靠指标进行设计并无必要。结构，直接采用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

21、结构设计统一形式来进行计算，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，标准提出了一种便于实际使用的设计表达式，称为称为实用设计表达式实用设计表达式，以加速设计进程。，以加速设计进程。成都理工大学环境与土木工程学院23n为了满足可靠度的要求，在设计表达式中采取了以下措施：为了满足可靠度的要求，在设计表达式中采取了以下措施：n( (1)1)计算荷载效应计算荷载效应S时，取足够大的荷载值，多种荷载时，取足够大的荷载值，多种荷载同时作用时考虑荷载的合理组合；同时作用时考虑荷载的合理组合；n(2)(2)在计算结构的抗力在计算结构的抗力R时，取足够低的强度指标；时，取足够低的强度指标；

22、n(3)(3)对安全等级不同的结构，采用一个重要性系数进对安全等级不同的结构，采用一个重要性系数进行调整。行调整。n 实用设计表达式中采用了以荷载和材料强度的标准值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以及相应的“分项系数分项系数”来表示的方式。来表示的方式。n 分项系数是按照目标可靠指标夕并考虑工程经验确定分项系数是按照目标可靠指标夕并考虑工程经验确定的，因而计算所得结果能满足可靠度的要求。采用了分项的，因而计算所得结果能满足可靠度的要求。采用了分项系数这种形式使结构设计仍可按传统的方式进行，符合设系数这种形式使结构设计仍可按传统的方式进行，符合设计人员的习惯，使用比较方便。计人员的习惯，使用比较方便。成都理工大学环境与土木工程学院24n（一）荷载效应组合设计值（一）荷载效应组合设计值RS 0iKQiQiniciKQQKGGQCQCGCS21110结构重要性系数，对安全等级为一级、二级、三级的结构构件，可结构重要性系数，对安全等级为一级、二级、三级的结构构件，可分别取分别取1.1，1.0，0.9G永久荷载分项系数，一般情况下可采用永久荷载分项系数，一般情况下可采用1.2，当其效应对结构有利时，当其效应对结构有利时取取1.0；Q第一个和其他第第一个和其他第i i个可变荷载分项系数，一般情况下可采用个可变荷载分项系数，一般情况下可采用14(对对工业建