钢筋混凝土结构的设计方法

1、第二章 钢筋混凝土结构的设计方法一、结构的功能要求结构的功能要求包括：1安全性2适用性3耐久性 这些功能要求概括起来可以称为结构的可靠性。即结构在规定的时间内（如设计使 用年限为 50 年），在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维修不考虑人为 过失）完成预定功能的能力。结构的极限状态1承载能力极限状态 结构或构件达到最大承载力或达到不适于继续承载的变形的极限状态。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：（ 1）整个结构或其中的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、过大的滑移）；（ 2）结构构件或连接部位因材料强度被超过而破坏，包括承受多次重复荷载构件产生的疲劳破坏（

2、如钢筋混凝土梁受压区混凝土到达其抗压强度） ；（ 3）结构构件或连接因产生过度的塑性变形而不适于继续承载（如受弯构件中的少筋梁）；（ 4）结构转变为机动体系 （如超静定结构由于某些截面的屈服， 形成塑性铰使结构 成为几何可变体系） ；（ 5）结构或构件丧失稳定（如细长柱达到临界荷载发生压屈）；（6）地基丧失承载力而破坏。2正常使用极限状态 结构或构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值的极限状态。当结构或构件出现 下列状态之一时，应认为超过了正常使用极限状态：（ 1）影响正常使用或外观的变形（如梁产生超过了挠度限值的过大的挠度）；（ 2）影响正常使用或耐久性的局部损坏 （如不允许出现裂缝的构件开

3、裂； 或允许出 现裂缝的构件，其裂缝宽度超过了允许限值） ；（3）影响正常使用的振动；（ 4）影响正常使用的其他特定状态（如由于钢筋锈蚀产生的沿钢筋的纵向裂缝）。通常按承载能力极限状态进行结构构件的设计，再按正常使用极限状态进行验算。作用、作用效应、结构抗力1作用的概念与类型所谓“作用”是使结构或构件产生内力（应力）、变形（位移、应变）和裂缝的各种原因的总称。（1） 当以力的形式作用于结构上时，称为直接作用，也叫结构的荷载。分为永久荷 载、可变荷载和偶然荷载，如结构自重、楼面上的人群及物品重量、风压力、雪压力、土压力等。（2 ）当以变形形式作用于结构上时，称为间接作用，如地震、基础不均匀沉降、

4、混 凝土收缩、徐变、温度变形和焊接变形等。结构上的荷载，按其随时间的变异性不同，可分为下列三类：（1 ）永久荷载（恒荷载）：结构自重、土压力、预应力等。（2 ）可变荷载（活荷载）：楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、吊车荷载、风荷 载、雪荷载等。（3 ）偶然荷载：地震、爆炸、撞击力等。2. 荷载的代表值由于各种荷载都具有一定的变异性在结构设计时，应根据各种极限状态的设计要求 取用不同的荷载数值，即所谓荷载的代表值，具体分为：（1）荷载的标准值：一般是指结构在其设计基准期为50年的期间内，在正常情况下可能出现具有一定保证率的最大荷载。当没有足够统计资料时，荷载标准值可根 据历史经验估算确定。（2）

5、 可变荷载组合值：是指几种可变荷载进行组合时，其值不一定都同时达到最大，因此，除其中最大荷载仍取其标准值外，其他伴随的可变荷载均采用小于1.0的组合值系数乘以相应的标准值来表达其荷载代表值。这种经调整后的伴随可变荷载，称为可变荷载的组合值。（3） 可变荷载频遇值：是指结构上时而出现的较大荷载。它与时间有较密切的关联。可变荷载频遇值是以荷载的频遇值系数f与相应的可变荷载标准值的乘积来确定。（4） 可变荷载的准永久值： 是指在结构上经常作用的可变荷载。可变荷载准永久值 是以荷载的准永久值系数匕与相应可变荷载标准值的乘积来确定。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

6、 合设计时所采用的可变荷载代表值。3. 作用效应结构构件在上述各种作用因素的作用下所引起的内力（如轴力、弯矩、剪力、扭矩）、变形（挠度、转角）和裂缝等统称为“作用效应”，以“ S ”表示，当“作用”为“荷载”时，则称为荷载效应。荷载Q与荷载效应S之间，一般可近似按线性关系考虑，即：式中 C 荷载效应系数；Q某种荷载；S 荷载效应。4. 荷载分项系数及荷载设计值(1) 永久荷载的分项系数GA当其效应对结构不利时对由可变荷载效应控制的组合，取1.2 ；对由永久荷载效应控制的组合，取1.35 ；B .当其效应对结构有利时一般情况下取1.0；对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，取0.9(2) 可变荷载的分项

7、系数Q一般情况下取1.4；对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载，取1.3。荷载的标准值与荷载分项系数的乘积称为荷载的设计值，亦称设计荷载，其数值大 体相当于结构在非正常使用情况下荷载的最大值，它比荷载的标准值具有更大的可靠度。5结构抗力结构抗力R是指结构或构件承受作用效应的能力，如构件的强度、刚度、抗裂度等。影响结构抗力的主要因素是材料性能(强度、变形模量等物理力学性能)、几何参数以及计算模式的精确性等。考虑到材料性能的变异性、几何参数及计算模式精确性的不确定 性，所以由这些因素综合而成的结构抗力也是随机变量。建筑结构的安全等级结构设计的主要目的是达到安全和经济间的合理平衡。根据

8、安全经济的原则，按照 建筑结构的破坏后果的严重程度不同，将结构划分为三个安全等级，并赋以不同的结构 重要性系数0 ,见表二-1。表二-1建筑结构的安全等级安全等级破坏后果建筑物类型一级很严重重要的房屋二级严重一般的房屋三级不严重次要的房屋对于特殊的建筑物，其安全等级应根据具体情况另行确定。、概率极限状态设计法结构的功能函数结构构件完成预定功能的工作状况可以用作用效应S和结构抗力 R的关系式来描述，称为结构功能函数，用Z来表示：Z = R -"S = g R, S （ 0.2）当Z 0时，结构能够完成预定的功能，处于可靠状态；当Z <0时，结构不能完成预定的功能，处于失效状态；当

9、Z =0时，即R =S结构处于临界的极限状态，Z=g R, S =R-S=0，称为"极限状态方程”。可靠度、失效概率及可靠指标结构的可靠度就是结构在规定的时间内，在规定的条件下完成预定功能）安全性、耐久性、适用性）的可能性大小，用概率来表示。因此，它是结构可靠性的概率度量。结构能够完成预定功能（R_S）的概率即为“可靠概率”ps ,不能完成预定功能（R : S）的概率为“失效概率”Pf。显然二者是互补的。即：Ps Pf =1.0（ 0.3）可靠指标1与结构失效率pf之间有一定的对应关系。三、承载能力极限状态计算在极限状态设计方法中，结构构件的承载力计算，应采用下列极限状态设计表达式：

10、0R式中0 重要性系数，对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件，不应小于1.1 ;对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件，不应小于1.0;对安全等级为三级或设计使用为5年及以下的结构构件，不应小于0.9；S 承载能力极限状态的荷载效应组合的设计值，可按荷载规范规定的荷载效应标准值Sk与荷载分项系数s，的乘积求得，分别表示轴力、弯矩、剪力、扭矩设计值等；R 结构构件的承载力设计值，可由材料强度标准值Rk除以材料分项系数R求得。荷载效应组合1 对承载力极限状态一般考虑荷载效应的基本组合，应从下列组合值中取其最不利值确定：(1 )当组合荷载效应由可变荷载控制时，即对永久荷

11、载以及参与组合的全部可变荷载中最大的可变荷载，直接采用设计值效应，而对其他可变荷载采用设计组合值效应的 两者之和确定。其表达式为：nGSGK Q1SQ1K UQi ci QiK( 04)i 2式中G 永久荷载的分项系数；Q1, Qi 可变荷载Q1k和其他第i个可变荷载的分项系数；Sgk 按永久荷载标准值Gk计算的荷载效应值；SQik 按可变荷载标准值 Qik计算的荷载效应值，其中SQik为诸可变荷载效应中的最大值；'ci 可变荷载Qi的组合值系数；n 参与组合的可变荷载数。(2)当组合荷载效应由永久荷载控制时，即对永久荷载采用设计值效应，而对可变荷载采用设计组合值效应的两者之和确定，其

12、表达式为：nS= gSgk、Qi ；：ciSQik( 0.5)i =12.对一般的排梁和框架结构，可采用简化规则，并应从下列组合值中取其最不利值确定；1)由可变荷载控制的组合S = GS3KQ1SQ1K( 0.6)S = G S- ci SQiKi =12）由永久荷载控制的组合，仍按公式（0.5）采用。四、按正常使用极限状态计算在正常使用极限状态计算中，应根据不同的设计要求，采用荷载的标准组合频遇组 合或准永久组合，按下列设计表达式进行设计：SEC式中 S 荷载效应组合值；C结构或结构构件达到正常使用要求的规定限值。正常使用情况下荷载效应和结构抗力的荷载效应及结构抗力标准值进行计算。对于标准组合，荷载效应组合值S按下式计算：n- S3K ' ElK 亠一 "ci Eiki三对于频遇组合，荷载效应组合值可按下式计算：nS 二SgkIiSqik "：ciSQiki 土式中;:f1 可变荷载Q1的组合值系数；;ci 可变荷载Qi的频遇值系数。对于准永久组合，荷载效应组合值可按下式计算：nS = Sgk 亠- ' 'ci SQiki =4五、混凝土结构的耐久性耐久性的概念材料的耐久性是指它暴露在使用环境下，抵抗各种物理和化学作用的能力。对钢筋 混凝土结构而言，其中钢筋被浇筑在混凝土内，混凝土起到保护钢筋的作用，如