第3章混凝土结构的设计方法

1、第第3章章 混凝土结构的设计方法混凝土结构的设计方法v 3.1 结构设计的基本要求结构设计的基本要求v 3.2 结构的作用、作用效应和结构抗力结构的作用、作用效应和结构抗力v 3.3 概率极限状态设计法概率极限状态设计法v 3.4 混凝土结构的耐久性规定混凝土结构的耐久性规定结构功能性结构功能性安全性安全性适用性适用性耐久性耐久性3.1.1结构的功能要求结构的功能要求3.1.1 结构的功能 安全性结构在预定使用期间内（一般为50年），应能承受在正常施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载、外加变形（如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）等的作用。在偶然事件（如地震

2、、爆炸）发生时和发生后，结构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。 适用性如（f f ）结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。如不发生影响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振动（频率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。 耐久性如（wmax wmax）结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀），结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低，从而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命青海化工厂桥柱张掖碱泉村张掖墙面3.1.2 结构功能的极限状态定义：整个结构或结构的一部分超过这种特定

3、界限状态就不能够满足设计规定的某一功能要求，称此特定界限状态为该功能的极限状态。结构的功能可靠极限状态失效安全性受弯承载力M Mu适用性耐久性挠度变形;裂缝宽度f fwmax fwmax wmax结构的功能可靠极限状态失效安全性受弯承载力M Mu适用性耐久性挠度变形;裂缝宽度f fwmax fwmax wmax2 2：极限状态的分类：极限状态的分类极限状态极限状态承载力极限状态承载力极限状态正常使用极限状态正常使用极限状态结构的功能极限状态安全性受弯，剪，压承载力M = Mu承载力极限状态适用性耐久性挠度变形;裂缝宽度f = fwmax= wmax正常使用极限状态承载力能力极限状态 超过该极限

4、状态，结构就不能满足预定的安全性安全性要求 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） 结构形成机动体系 结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳） 地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）承载能力极限状态验算：结构整体进行抗倾覆，抗滑移验算结构构件进行承载力验算（M，V，N)结构构件进行稳定性验算（长细比)重级工作制吊车梁进行疲劳验算正常使用极限状态 超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性适用性和耐久耐久性性的功能要求。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

5、动（不舒适）；正常使用极限状态验算：裂缝宽度验算绕度验算进行耐久性设计 3.2 结构的作用、作用效应和结构抗力教学目标：教学目标： 1、理解结构作用，作用效应，结构抗力的概念、理解结构作用，作用效应，结构抗力的概念 2、掌握荷载分类、荷载代表值的概、掌握荷载分类、荷载代表值的概 念及种类；念及种类； 2. 能计算永久荷载、可变荷载的代表值。能计算永久荷载、可变荷载的代表值。 重重 点点 1、荷载分类；荷载代表值；、荷载分类；荷载代表值； 2、结构上的作用、作用效应和结构抗力。、结构上的作用、作用效应和结构抗力。 难难 点点结构上的作用、作用效应和结构抗力。结构上的作用、作用效应和结构抗力。3.

6、2.1 结构的作用 定义：结构的作用是能够使结构产生效应（结构或构件的内力、变形，裂缝等）的各种原因的总称。结构的作用结构的作用直接作用直接作用间接作用间接作用温度变形温度变形地基不均匀地基不均匀沉降沉降结构自重结构自重可变荷载可变荷载1.荷载分类 按随时间的变异，结构上的荷载可分为以下三类：按随时间的变异，结构上的荷载可分为以下三类： （1）永久荷载）永久荷载 永久荷载亦称恒荷载，是指在结构使用期间，其永久荷载亦称恒荷载，是指在结构使用期间，其值不随时间变化，或者其变化与平均值相比可忽略值不随时间变化，或者其变化与平均值相比可忽略不计的荷载。不计的荷载。永久荷载永久荷载结构自重结构自重土压力

7、土压力固定设备等固定设备等（2）可变荷载）可变荷载 可变荷载也称为活荷载，是指在结构使用期可变荷载也称为活荷载，是指在结构使用期间，其值随时间变化，且其变化值与平均值相间，其值随时间变化，且其变化值与平均值相比不可忽略的荷载。比不可忽略的荷载。可变荷载可变荷载楼面活荷载楼面活荷载风荷载风荷载雪荷载雪荷载吊车荷载吊车荷载（3）偶然荷载）偶然荷载 结构使用期间不一定出现，而一旦出结构使用期间不一定出现，而一旦出现，其量值很大且持续时间很短的荷载称现，其量值很大且持续时间很短的荷载称为偶然荷载。为偶然荷载。偶然荷载偶然荷载地震地震爆炸力爆炸力撞击力撞击力2.荷载代表值 定义：定义： 根据不同的根据不

8、同的设计要求设计要求采用不同的荷载采用不同的荷载数值，即荷载代表值。数值，即荷载代表值。荷载代表值荷载代表值标准值标准值组合值组合值频遇值频遇值准永久值准永久值（1）荷载标准值）荷载标准值 定义：荷载标准值就是结构在设计基准期内具有一定概率的最大荷载值（一般取95%保证率）,它是荷载的基本代表值。 设计基准期为确定可变荷载代表值而选定的时间参数，一般取为50年。荷载标准值荷载标准值永久荷载（恒载）永久荷载（恒载）可变荷载（活载）可变荷载（活载）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。 自重材料容重材料体积 混凝土容重： 25KN/m3 页岩砖容重：20KN/m3 查

9、荷规中“常用材料和构件自重表”恒载标准值计算 例1：教室楼板厚100mm，楼面采用地板砖饰面，计算楼面的恒载标准值（KN/m2）已知：混凝土容重： 25KN/m3 地板砖饰面： 1 KN/m2 恒载标准值计算 例2：某钢筋混凝土梁，它的截面尺寸为300600mm2，计算该梁的恒载标准值（KN/m）是多少？已知：混凝土容重： 25KN/m3 可变荷载标准值可变荷载标准值 定义：结构在使用期间可能出现的最大荷载值；因此，可变荷载标准值也是根据概率统计得出的值。 可变荷载可变荷载楼屋面楼屋面活荷载活荷载雪荷载雪荷载风荷载风荷载建筑楼，屋面活荷载 查建筑结构荷载规范中表4.1.1雪荷载 Sk=rS0

10、S0：基本雪压风荷载 Wk=zszS0（2）可变荷载组合值 定义：两种或两种以上可变荷载同时作用于结构上时，除主导荷载（产生最大效应的荷载）仍可以其标准值为代表值外，其他伴随荷载均应以小于标准值的荷载值为代表值，此即可变荷载组合值。组合值组合值c标准值标准值c：可变荷载组合值系数：可变荷载组合值系数（3）可变荷载频遇值 定义：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率或超越频率为规定频率的荷载值（总的持续时间不低于50年），称为可变荷载频遇值。频遇值频遇值f标准值标准值f ：可变荷载频遇值系数：可变荷载频遇值系数（4）可变荷载准永久值 定义：在设计基准期内经常达到或超过的那部份

11、荷载值（总的持续时间不低于25年），称为可变荷载准永久值。准永久值准永久值q标准值标准值q ：可变荷载准永久值系数：可变荷载准永久值系数3.荷载设计值荷载设计值荷载标准值荷载分项系数 G：永久荷载分项系数 Q ：永久荷载分项系数表1.2.3 荷载分项系数的取值荷载特性荷载分项系数永久荷载永久荷载效应对结构不利由可变荷载效应控制的组合1.2由永久荷载效应控制的组合1.35永久荷载效应对结构有利1.0倾覆、滑移或飘浮验算0.9可变荷载一般情况1.4对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载取1.33.2.2 3.2.2 作用效应与结构抗力作用效应与结构抗力1 1：作用效应的概念：作用效应的

12、概念 S作用效应 Action Effect结构上的作用（使结构产生内力和变形的原因，如荷载、不均匀沉降、温度变形、收缩变形、地震等）引起的效应如弯矩M、轴力N、剪力V、扭矩T、挠度 f、裂缝宽度 w 等 本章节中主要讲的是荷载效应2 2：结构抗力的概念：结构抗力的概念 结构抗力 R 结构抵抗作用效应的能力能力 结构抗力的大小取决于截面尺寸的大小，和材料强度的高低，其中材料强度材料强度是主要因素。材料强度分为标准值和设计值1）材料强度的标准值 混凝土：fck，ftk 钢 筋： fyk，fyk 钢筋，混凝土强度的标准值，以及设计值可以从混凝土规范查到。材料强度设计值材料强度标准值材料分项系数混凝

13、土混凝土材料分项系数 c= 1.4热轧钢筋热轧钢筋材料分项系数 s= 1.11.15钢丝，钢绞线钢丝，钢绞线材料分项系数 s 1.21）材料强度的设计值3.3 概率极限状态设计法教学目标：教学目标：1：了解可靠度，可靠指标的概念：了解可靠度，可靠指标的概念2：能正确应用极限状态实用设计表达式。：能正确应用极限状态实用设计表达式。重点难点：重点难点： 概率极限状态设计法实用设计表达式。概率极限状态设计法实用设计表达式。3.3.1结构的可靠性和可靠度的概念结构可靠性结构的安全性、适用性和耐久性的总 称。结构可靠度结构在规定时间内，在规定条件下，完成预定功能（安全性，适用性，耐久性）的概率。规定时间

14、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。 结构的使用年限（1）概念：结构保持规定的可靠性的时间；（2）规定： A：一般房屋结构为50年； B：桥梁结构和水工结构超过50年，可根据业主 要求确定； C：结构使用时间超过规定的年限后，可靠性降 低，但不一定不能用。极限状态函数：Z=R-S R：表示结构构件抗力，它与材料的力学指标及材 料用量有关；S：表示作用（荷载）效应及其组合，它与作用的 性质有关；Z：结构极限状态功能函数实际工程中，可能出现以下三种情况实际工程中，可能出现以下三种情况结构极限状态功能函数当Z0时，则RS

15、，结构处于可靠状态；当Z=0 时， 则R=S，结构处于极限状态；当Z0时，则RS，结构处于失效状态。 我国统一标准采用可靠指标替代失效概率Pf来度量结构的可靠性。 我国对于一般工程结构，当为延性破坏时，其可靠指标取 =3.2，对脆性破坏取 =3.7。 对于重要的工程结构，应提高可靠指标。 根据建筑的重要程度，将建筑的安全等级分为了三级。见表3.33.3.2 3.3.2 极限状态实用表达式极限状态实用表达式 为了简化设计，实现可靠度指标，因而在实用设计表达中引入了分项系数 1.可靠性的评价包含在三类分项系数之中，即 结构构件重要性系数 ； 荷载分项系数 ； 材料分项系数 ；oQiG,cs,1、承

16、载能力极限状态实用表达式、承载能力极限状态实用表达式 0SR0重要性系数，安全一级、二级、三级重要性系数，安全一级、二级、三级分别取值为分别取值为1.1、1.0、0.9。S荷载效应荷载效应组合设计值组合设计值；R结构构件的承载力设计值；结构构件的承载力设计值；荷载组合荷载组合基本组合基本组合标准组合标准组合准永久组合准永久组合频遇组合频遇组合由可变荷载效应控制的组合由可变荷载效应控制的组合QiKciniQiKQQGKGSSSS211基本组合：基本组合：承载能力极限状态计算承载能力极限状态计算时，永久作用和可变作用的组合。由永久荷载效应控制的组合由永久荷载效应控制的组合QiKciniQiGKGS

17、SS1取两者中的较大值标准组合：标准组合：正常使用极限状态正常使用极限状态计算时，采用标准值或组合值为荷载代表值的组合。niQiKciKQGKSSSS21准永久组合：准永久组合：正常使用极限状态计算时， 对可变荷载采用准永久值为荷载代表值的组合。niQiKqiGKdSSS1niQiKqiKQfGKdSSSS211频遇组合：频遇组合：正常使用极限状态计算时，对可变荷载采用频遇值或准永久值为荷载代表值的组合例：一简支梁，计算跨度为8米，作用有均布荷载，恒载标准值 gk=10kN/m，分项系数G=1.2（1.35），活荷载标准值qk=8kN/m，分项系数Q=1.4，构件安全等级为二级。 分别计算梁支

18、座剪力梁支座剪力的基本组合、标准组合、频遇组合和准永久组合(活载组合值系数0.7，频遇系数0.5；准永久系数 0.4)3.4 混凝土结构的耐久性的规定耐久性：耐久性：是指结构在预定设计工作年限期内，在正常维护条件下，不需要进行大修和加固满足，而满足正常使用和安全功能要求的能力。 对于一般建筑结构，设计工作年限为50年，重要的建筑物可取100年。 对于其它土木工程结构，根据其功能要求，设计工作年限也有差别，如桥梁工程一般要求在100年以上。耐久性极限状态，是指经过一定使用年限后，结构或结构某一部分达到或超过某种特定状态，以致结构不能满足预定功能的要求。但经过简单修补、维修，费用不大，可恢复使用要

19、求的情况，可以认为没有达到耐久性极限状态。只有当严重超出正常维修费允许范围时，结构的使用寿命才终止。混凝土结构使用寿命劣化开始，可修补毁坏,废弃无损伤世界上经济发达国家的工程建设大体上经历了三个阶段：大规模建设；新建与改建、维修并重；重点转向既有建筑物的维修改造。目前经济发达国家处于第三阶段，结构因耐久性不足而失效，或为保证继续正常使用而付出巨大维修代价，这使得耐久性问题变得十分重要。 我国真正进入大规模建设是在改革开放以后，因此国外发达国家在耐久性上所遇到的问题应引起我国工程技术人员的足够重视，避免重蹈发达国家的覆辙，对国家经济建设造成巨大浪费。1、混凝土的冻融破坏混凝土水化结硬后，内部有很

20、多毛细孔。在浇筑混凝土时，为得到必要的和易性，往往会比水泥水化所需要的水多些。多余的水份滞留在混凝土毛细孔中。低温时水份因结冰产生体积膨胀，引起混凝土内部结构破坏。反复冻融多次，就会使混凝土的损伤累积达到一定程度而引起结构破坏。防止混凝土冻融破坏的主要措施是降低水灰比，减少混凝土中多余的水份。冬季施工时，应加强养护，防止早期受冻，并掺入防冻剂等。2、混凝土的碱集料反应混凝土集料中的某些活性矿物与混凝土微孔中的碱性溶液产生化学反应称为碱集料反应。 碱集料反应产生的碱-硅酸盐凝胶，吸水后会产生膨胀，体积可增大34倍，从而引起混凝土的剥落、开裂、强度降低， 甚至导致破坏。 引起碱集料反应有三个条件：

21、混凝土的凝胶中有碱性物质。这种碱性物质主要来自于水泥，若水泥中的含碱量（Na2O，K2O）大于0.6%以上时，则会很快析出到水溶液中，遇到活性骨料则会产生反应；骨料中有活性骨料，如蛋白石、黑硅石、燧石、玻璃质火山石、安山石等含SiO2的骨料；水分。碱骨料反应的充分条件是有水分，在干燥环境下很难发生碱骨料反应。3、侵蚀性介质的腐蚀硫酸盐腐蚀：硫酸盐溶液与水泥石中的氢氧化钙及水化铝酸钙发生化学反应，生成石膏和硫铝酸钙，产生体积膨胀，使混凝土破坏。硫酸盐除在一些化工企业存在外，海水及一些土壤中也存在。当硫酸盐的浓度（以SO2的含量表示）达到2时，就会产生严重的腐蚀。酸腐蚀：混凝土是碱性材料，遇到酸性

22、物质会产生化学反应，使混凝土产生裂缝、脱落，并导致破坏。酸不仅存在于化工企业，在地下水，特别是沼泽地区或泥炭地区广泛存在碳酸及溶有CO2的水。此外有些油脂、腐植质也呈酸性，对混凝土有腐蚀作用。海水腐蚀：在海港、近海结构中的混凝土构筑物，经常收到海水的侵蚀。海水中的NaCl、MgCl2、MgSO4、K2SO4等成分，尤其是Cl-和硫酸镁对混凝土有较强的腐蚀作用。在海岸飞溅区，受到干湿的物理作用，也有利于Cl-和SO4的渗入，极易造成钢筋锈蚀。第十一章 变形和裂缝宽度的计算4、混凝土的碳化混凝土中碱性物质（Ca(OH)2）使混凝土内的钢筋表面形成氧化膜，它能有效地保护钢筋，防止钢筋锈蚀。 但由于大

23、气中的二氧化碳（CO2）与混凝土中的碱性物质发生反应，使混凝土的Ph值降低。其他物质，如SO2、H2S，也能与混凝土中的碱性物质发生类似的反应，使混凝土的Ph值降低，这就是混凝土的碳化。当混凝土保护层被碳化到钢筋表面时，将破坏钢筋表面的氧化膜，引起钢筋的锈蚀。此外，碳化还会加剧混凝土的收缩，可导致混凝土的开裂。因此，混凝土的碳化是混凝土结构耐久性的重要问题。混凝土的碳化从构件表面开始向内发展，到保护层完全碳化，所需要的时间与碳化速度、混凝土保护层厚度、混凝土密实性以及覆盖层情况等因素有关。11. 混凝土结构的耐久性第十一章 变形和裂缝宽度的计算5、钢筋锈蚀钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最关键问题。11. 混凝土结构的耐久性第十一章 变形