工程力学理论

1、第2章 钢筋混凝土结构设计基本原则断裂的雨蓬第第2章章 钢筋混凝土结构设计计算基本原则钢筋混凝土结构设计计算基本原则2.1 结构的功能和极限状态2.1.1. 结构的功能结构的功能安全性安全性 Safety 结构在结构在正常施工、正常使用情况下正常施工、正常使用情况下能承受可能出现的各能承受可能出现的各种种直接作用和间接作用直接作用和间接作用，如施加的荷载、外加变形、约束变，如施加的荷载、外加变形、约束变形，在偶然事件（如地震、校核洪水位等）发生时和发生后，形，在偶然事件（如地震、校核洪水位等）发生时和发生后，结构仍能结构仍能保持必需的承载力和稳定性保持必需的承载力和稳定性，不致发生倒塌或连续，

2、不致发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。破坏而造成生命财产的严重损失。适用性适用性 Serviceability 结构在正常使用荷载作用下具有结构在正常使用荷载作用下具有良好的工作性良好的工作性。如不产。如不产生影响使用的生影响使用的过大变形或振幅过大变形或振幅，不发生足以让使用者感到不，不发生足以让使用者感到不安的过宽的裂缝等。安的过宽的裂缝等。耐久性耐久性 Durability 结构在正常维护条件下应有足够的耐久性。完好使用到结构在正常维护条件下应有足够的耐久性。完好使用到设计规定的年限。如，混凝土不发生严重风化、腐蚀、脱落，设计规定的年限。如，混凝土不发生严重风化、腐蚀、脱落，钢

3、筋不发生锈蚀等。钢筋不发生锈蚀等。结构的可靠性结构的可靠性 reliability 可靠性可靠性安全性、适用性和耐久性的总称安全性、适用性和耐久性的总称 指结构在规定的使用期限内，在规定的条件下（指结构在规定的使用期限内，在规定的条件下（正常设计、正常设计、正常施工、正常使用和维护正常施工、正常使用和维护），完成预定结构功能的能力。），完成预定结构功能的能力。 设计基准期设计基准期：指一个工程结构在正常使用和正常维护条件：指一个工程结构在正常使用和正常维护条件下，能够满足其可靠度的时间。下，能够满足其可靠度的时间。结构可靠性越高，建设造价投资越大。结构可靠性越高，建设造价投资越大。如何在结构可

4、靠与经济之间取得均衡如何在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计方法，就是设计方法要解决的问题。要解决的问题。2.1.2. 结构的极限状态的定义Limit State 整个结构或结构的一部分整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就超过某一特定状态就不能满足不能满足设计设计规定的某一功能规定的某一功能要求，这个特定状态称为要求，这个特定状态称为该功能的极限状态该功能的极限状态。 能完成预定的各项功能时，结构处于能完成预定的各项功能时，结构处于有效状态有效状态；反之，则；反之，则处于处于失效状态失效状态，有效状态和失效状态的分界有效状态和失效状态的分界，称为，称为极限状态极限状态，是结构开始失效的标

5、志。是结构开始失效的标志。a. 承载力能力极限状态承载力能力极限状态 Ultimate Limit State结构或构件达到结构或构件达到最大承载能力最大承载能力或者达到或者达到不适于继续承载的变形状态不适于继续承载的变形状态。 构件的截面因强度不足而发生破坏（包括疲劳破坏）构件的截面因强度不足而发生破坏（包括疲劳破坏） 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）结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰）

6、 结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）b. 正常使用极限状态正常使用极限状态 Serviceability Limit State结构或构件达到影响结构或构件达到影响正常使用正常使用或或耐久性能耐久性能的某项规定限值的的某项规定限值的状态。状态。 过大的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、不能正过大的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、不能正常使用（吊车）等）；常使用（吊车）等）； 过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）；过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）； 过大的振动（影响使用、不舒适）；过大的振动（影响使用、不舒适）； 局

7、部损坏。局部损坏。承载力能力极限状态承载力能力极限状态结构的安全性结构的安全性正常使用极限状态正常使用极限状态结构的适用性和耐久性结构的适用性和耐久性可靠水平高可靠水平高可靠水平低可靠水平低结构设计程序 2.1.3 2.1.3结构所处的环境类别及结构设计的安全级别结构所处的环境类别及结构设计的安全级别环境类别分环境类别分5 5个级别个级别: :一类一类室内正常环境；室内正常环境；二类二类a:a:室内潮湿环境；非严寒和非寒冷地区的露天环境，室内潮湿环境；非严寒和非寒冷地区的露天环境，与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境；与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境；b:b:严寒和寒冷地区的露天环境严寒和寒冷

8、地区的露天环境, ,与无侵蚀性的水或土壤直接接触与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境；的环境；三类三类使用除冰盐的环境；严寒和寒冷地区冬季水位变动区使用除冰盐的环境；严寒和寒冷地区冬季水位变动区的环境；滨海室外环境。的环境；滨海室外环境。四类四类海水环境。海水环境。五类五类受人类或自然的侵蚀性物质影响的环境。受人类或自然的侵蚀性物质影响的环境。 安全等级安全等级破坏后果破坏后果建筑物类型建筑物类型一级一级很严重很严重重要的房屋重要的房屋二级二级严严 重重一般的房屋一般的房屋三级三级不严重不严重次要的房屋次要的房屋建筑结构的安全等级建筑结构的安全等级2.2 结构上的作用和结构抗力荷荷载载的的分分类

9、类又称恒荷载，在结构设计使用期间，又称恒荷载，在结构设计使用期间，其值不随时间而变化，或其变化与平其值不随时间而变化，或其变化与平均值相比可以忽略的荷载，如结构的均值相比可以忽略的荷载，如结构的自重、土压力，固定设备等；自重、土压力，固定设备等；又称活荷载，在结构设计使用期间其又称活荷载，在结构设计使用期间其值随时间而变化，如楼面堆放荷载、值随时间而变化，如楼面堆放荷载、吊车荷载、静水压力、风荷载、雪荷吊车荷载、静水压力、风荷载、雪荷载等；载等；在结构设计基准期内不一定出现，一在结构设计基准期内不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载，如爆炸力、撞击力

10、等；荷载，如爆炸力、撞击力等；一、作用一、作用:(使结构产生内力、变形和裂缝的原因的总称，分使结构产生内力、变形和裂缝的原因的总称，分为直接作用和间接作用为直接作用和间接作用)永久荷载永久荷载GPermanent load可变荷载可变荷载QVariable load偶然荷载偶然荷载Accidental loadS 作用效应作用效应 Action Effect 作用效应即为作用作用效应即为作用引起的构件内力、变形和引起的构件内力、变形和裂缝等裂缝等。R 结构抗力结构抗力 Resistant 结构抵抗作用效应的能力，如受弯承载力结构抵抗作用效应的能力，如受弯承载力Mu、受剪承载力、受剪承载力Vu、

11、容、容许挠度许挠度f、容许裂缝宽度、容许裂缝宽度w。取决于取决于材料的强度材料的强度、截面尺寸截面尺寸及及计算模式计算模式等。等。 S R 失效失效 结构设计中的不确定性结构设计中的不确定性 2)(81lqgMa. 恒载恒载 g与构件尺寸、材料容重等有关与构件尺寸、材料容重等有关b. 活载活载 q的数值是随时在变化的的数值是随时在变化的c. 计算跨度计算跨度 l 的不准确的不准确a.材料强度材料强度 fy 和和 fc 的离散的离散b.截面尺寸截面尺寸h0和和 b 的施工误差的施工误差uMM 不一定安全（可靠）不一定安全（可靠）!g+q虽然设计虽然设计保证保证bfAfhAfMcsysyu105

12、. 0荷载标准值是荷载的荷载标准值是荷载的基本代表值基本代表值。指结构构件在使用期间的正。指结构构件在使用期间的正常情况下可能出现的最大荷载值，采用数理统计的方法确定的常情况下可能出现的最大荷载值，采用数理统计的方法确定的具有一定概率具有一定概率的的最大荷载值最大荷载值称为荷载的标准值。称为荷载的标准值。荷载的取值荷载的取值1. 荷载的标准值荷载的标准值 Qk、Gk当结构构件承受当结构构件承受两种或两种以上两种或两种以上的可变荷载时，各种可变荷载的可变荷载时，各种可变荷载不可能同时以其最大值（标准值）出现不可能同时以其最大值（标准值）出现，除一个主要可变荷载除一个主要可变荷载外，外，其余可变荷

13、载其余可变荷载应在标准值应在标准值上乘以小于上乘以小于1的组合系数的组合系数对可变荷对可变荷载标准值进行折减。载标准值进行折减。2. 荷载组合值荷载组合值kcQ4. 荷载准永久值荷载准永久值kqQ 可变荷载的可变荷载的最大值并非长期作用于结构最大值并非长期作用于结构之上，在考虑荷载之上，在考虑荷载长期效应组合时，应对其长期效应组合时，应对其标准值进行折减标准值进行折减。荷载的准永久值指。荷载的准永久值指可变荷载在结构设计基准期内可变荷载在结构设计基准期内经常作用的那部分荷载经常作用的那部分荷载。 准永久值系数准永久值系数q3. 3. 荷载频遇值荷载频遇值kfQ 结构设计基准期内，可变作用频繁出

14、现，且量值较大的结构设计基准期内，可变作用频繁出现，且量值较大的作用取值。取概率分布的作用取值。取概率分布的0.950.95分位值。分位值。 2.2. 材料强度设计值材料强度设计值sykyctktcckcffffff,混凝土：混凝土： c=1.4热轧热轧钢筋：钢筋： s1.10钢丝、钢绞线和热处理钢筋：钢丝、钢绞线和热处理钢筋： s1.201.1.材料强度标准值材料强度标准值二、结构抗力二、结构抗力 结构抵抗作用效应的能力，如受弯承载力结构抵抗作用效应的能力，如受弯承载力Mu、受剪承载力、受剪承载力Vu、容许挠度、容许挠度f、容许裂缝宽度、容许裂缝宽度w。取决于取决于材料的强度材料的强度、截面

15、尺寸截面尺寸及及计算模式计算模式等。等。材料强度实测总体中，具有材料强度实测总体中，具有95%的保证率。的保证率。2.3 混凝土结构极限状态设计法的 实用设计表达式 一、承载能力极限状态实用设计表达式。一、承载能力极限状态实用设计表达式。 对结构安全级别为对结构安全级别为、级的结构构件，分别取级的结构构件，分别取为为1.1、1.0及及0.9。S0R0结构重要性系数结构重要性系数混凝土规范规定混凝土规范规定（1）由可变荷载）由可变荷载控制的组合控制的组合 G永久荷载分项系数永久荷载分项系数 的取值：当永久荷载对结构起不利作用时，取1.2；对结构起有利作用时，一般取1.0，对结构的倾覆、滑移或漂浮

16、验算，取0.9； GQ可变荷载分项系数可变荷载分项系数 的取值：一般取1.4，对于标准值大于4kN/m2的工业房屋，取1.3。 QGkGS永久荷载效应设计值；永久荷载效应设计值；QkQkS可变荷载效应设计值可变荷载效应设计值ci可变荷载可变荷载Qi的组合系数的组合系数（2）由永久荷载）由永久荷载控制的组合控制的组合 的取值：当永久荷载对结构起不利作用时，取1.35；GniQikciQikQkQGkGSSSS211niQikciQiGkGSSS1二、二、 正常使用极限状态设计表达式正常使用极限状态设计表达式 按正常使用极限状态设计时，变形过大或裂缝过宽虽影响按正常使用极限状态设计时，变形过大或裂

17、缝过宽虽影响正常使用，但正常使用，但危害程度不及承载力危害程度不及承载力引起的结构破坏造成的损失引起的结构破坏造成的损失那么大，所以可那么大，所以可适当降低对可靠度的要求适当降低对可靠度的要求。 根据不同的设计要求，采用荷载效应的标准组合、频遇组根据不同的设计要求，采用荷载效应的标准组合、频遇组合或准永久组合。合或准永久组合。CSd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niQikcikQGkdSSSS21niQikqiGkdSSS1niQikqikQfGkdSSSS211作业题作业题Chapter2-1某钢筋混凝土简支梁，结构安全级别为某钢筋混凝土简支梁，结构安全级别为级，梁的跨

18、长为级，梁的跨长为4.0m，承受的永久荷载标准值为：均布荷载承受的永久荷载标准值为：均布荷载gk=4.5kN/m（含自重），（含自重），集中荷载集中荷载Pk=15kN，持久状况下可变荷载标准值为，持久状况下可变荷载标准值为qk=1.5kN/m，求按承载能力计算时，跨中弯矩组合设计值。求按承载能力计算时，跨中弯矩组合设计值。l0=4.0mGk=15kNqk=1.5kN/mgk=4.5kN/m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按极限状态设计时材料强度和荷载取值结构上的作用结构的功能要求极限状态极限状态方程（Z=R-S）分项系数正常使用极限状态设计表达式承载能力极限状态设计表达式直接作用间接作用结构的安全等级使用年限建筑结构的功能承载能力极限状态正常使用极限状态本章小结本章小结前三章测试题前三章测试题一、试指出钢筋混凝土结构的缺点并给出拟补这些缺点所采取的一、试指出钢筋混凝土结构的缺点并给出拟补这些缺点所采取的措施。措施。二、通过画图说明软钢冷拉时效的概念。二、通过画图说明软钢冷拉时效的概念。三、解释混凝土强度等级的概念。三、解释混凝土强度等级的概念。四、某方形钢筋混凝土短柱浇筑后发现