《混凝土结构设计原理》第2章

1、第二章 混凝土结构基本设计原则 工程结构需要工程结构需要这只有这只有技术技术先进先进才能实现。才能实现。 实际实际工工程结构中程结构中存在存在多种多种不确定性不确定性；工工程结构的程结构的基本设计原则基本设计原则就是就是研究研究各种各种不确定性不确定性问题，实现问题，实现可靠性可靠性与与经济性经济性的最佳平衡。的最佳平衡。 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

2、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。破损阶段设计法破损阶段设计法 整个截面达到极限承载力才认为失效，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，极限考虑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，构件的总安全荷载可以直接由试验验证，构件的总安全度较为明确。度较为明确。 但安全系数但安全系数K仍然凭经验确定。仍然凭经验确定。 没有考虑结构功能的多样性要求的问没有考虑结构功能的多样性要求的问题。题。KMMu极限状态设计法极限状态设计法 除要求对承载力极

3、限状态进行设计外，还包括了挠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。度和裂缝宽度（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。性，不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 qik 也尽可能根

4、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法以概率理论为基础的极限状态设计法 由于实际结构中的不确定性，因此由于实际结构中的不确定性，因此无论如何设计结构，都会有失效的无论如何设计结构，都会有失效的可能性存在，只是可能性大小不同可能性存在，只是可能性大小不同而已。而已。 为了科学定量的表示结构为了科学定量的

5、表示结构可靠性可靠性的的大小，采用大小，采用概率方法概率方法是比较合理的。是比较合理的。一、作用的概念：一、作用的概念： 使结构产生使结构产生内力内力或或变形变形的原因，分的原因，分直接作用直接作用和和 间接作用间接作用两种。两种。 直接作用直接作用：是指施加在结构上的：是指施加在结构上的集中力集中力或或分布力分布力， 即即荷载荷载。 间接作用间接作用：是指引起结构：是指引起结构外加变形外加变形或或约束变形约束变形的原的原 因（混凝土收缩、温度变化、基础差异因（混凝土收缩、温度变化、基础差异 沉降、地震等）。沉降、地震等）。第二章 混凝土结构基本设计原则 作用在结构上并使结构产生内力（如弯矩、

6、剪力、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轴向力、扭矩等）、变形、裂缝等作用称为作用效应或荷载效应。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。在在结构使用期间，结构使用期间，其量值不随时间变化，或其其量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用。变化与平均值相比可以忽略不计的作用。结构自重、土压力、预应力、地基沉降、焊接等。结构自重、土压力、预应力、地基沉降、焊接等。在在结构使用期间，结构使用期间，其量值随时间变化，且其变其量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。化

7、与平均值相比不可忽略的作用。楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、汽车荷载汽车荷载、温度变化等。温度变化等。在在结构使用期间结构使用期间不一定出现，而一旦出现其量不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用。值很大且持续时间很短的作用。爆炸力、撞击力、罕遇的地震等。爆炸力、撞击力、罕遇的地震等。第二章 混凝土结构基本设计原则 第二章 混凝土结构基本设计原则 是荷载的是荷载的基本代表值基本代表值，为设计基准期内，为设计基准期内最大荷载最大荷载概概率分布的某个分位值。率分布的某个分位值。 按按设计尺寸设计尺寸与与材料重力密度材料重力密度的的乘积计算。一

8、般相当于设计基准期内乘积计算。一般相当于设计基准期内最大荷载最大荷载概率分布概率分布的的0.5分位值。分位值。 为设计基准期内为设计基准期内最大荷载最大荷载概率分布的某个分位值。概率分布的某个分位值。，查荷载规范，查荷载规范GB50009。，查公路桥涵设计通用规范，查公路桥涵设计通用规范JTG D60。 3.1 结构的功能 （包括（包括安全性安全性、适应性适应性和和耐久性耐久性） 第二章 混凝土结构基本设计原则 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建筑物重要的建筑物二级二级严严 重重一般的建筑物一般的建筑物三级三级不严重不严重次要的建筑物次要的建筑物3

9、.1 结构的功能第二章 混凝土结构基本设计原则 安全等级安全等级破坏后果破坏后果桥梁类型桥梁类型一级一级很严重很严重特大及重要大桥特大及重要大桥二级二级严严 重重大、中桥及重要小桥大、中桥及重要小桥三级三级不严重不严重小桥、涵洞小桥、涵洞第二章 混凝土结构基本设计原则 1 1、结构的设计使用年限、结构的设计使用年限是指设计规定的结构或结构构是指设计规定的结构或结构构件件不需进行大修不需进行大修即可按其即可按其预定目的预定目的使用的时期。使用的时期。2 2、结构的设计使用年限、结构的设计使用年限不同于不同于实际寿命实际寿命和和设计基准期设计基准期。类别类别设计使用设计使用年限（年）年限（年）示例

10、示例15临时性结构临时性结构225易于替换的结构构件易于替换的结构构件350普通房屋和构筑物普通房屋和构筑物4100纪念性建筑和特别重要的建筑物纪念性建筑和特别重要的建筑物 建筑结构设计使用年限分类建筑结构设计使用年限分类3 3、设计基准期：、设计基准期：指为确定指为确定可变作用可变作用及及与时间有关的材与时间有关的材料性能料性能等取值而选用的等取值而选用的时间参数时间参数。 建筑结构建筑结构的设计基准期为的设计基准期为50年。年。 桥梁结构桥梁结构的设计基准期为的设计基准期为100年。年。第二章 混凝土结构基本设计原则 3.1 结构的功能 （包括（包括安全性安全性、适应性适应性和和耐久性耐久

11、性） 结构在结构在设计规定的使用年限设计规定的使用年限内，能承受在正常施工和内，能承受在正常施工和正常使用时可能出现的正常使用时可能出现的各种作用各种作用。在设计规定的。在设计规定的偶然事件偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。整体稳定性。第二章 混凝土结构基本设计原则 一般为一般为50年年。指荷载、外加变形和约束变形（如温度和收缩变形受指荷载、外加变形和约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）；到约束时）；如地震、爆炸、火灾、撞击等；如地震、爆炸、火灾、撞击等；指建筑结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。指建筑结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。

12、3.1 结构的功能 结构在设计规定的使用年限内，在结构在设计规定的使用年限内，在正常使用正常使用时具时具有有良好的工作性能良好的工作性能。 指不发生影响正常使用的过大的变形、振指不发生影响正常使用的过大的变形、振动，或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度等。动，或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度等。第二章 混凝土结构基本设计原则 结构在设计规定的使用年限内，在结构在设计规定的使用年限内，在正常维护正常维护下具有下具有足够的足够的耐久性能耐久性能。指在各种因素（指在各种因素（混凝土碳化混凝土碳化、钢筋锈蚀钢筋锈蚀等）的影等）的影响下，结构的响下，结构的承载力承载力和和刚度刚度不应随时间有过大

13、的降低，而降低不应随时间有过大的降低，而降低使用寿命。使用寿命。3.2 极限状态结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构为结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构为可靠可靠（或有效）。反之，则结构为（或有效）。反之，则结构为不可靠不可靠（或失效）。（或失效）。区分结构区分结构“可靠可靠”与与“失效失效”的的临界工作状态临界工作状态称为称为“极限极限状态状态”第二章 混凝土结构基本设计原则 整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不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规定的某一功能要求，能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态为该功此特定状态为该功能的极限状态。能的极限状态。

14、 承载能力承载能力极限状态与极限状态与正常使用正常使用极限状态。极限状态。承载能力极限状态对应于结构或结构构件承载能力极限状态对应于结构或结构构件达到最大达到最大承载力承载力或或不适于继续承载的变形不适于继续承载的变形。-安全性安全性。3.2 极限状态第二章 混凝土结构基本设计原则 整个结构或结构的一部分作为整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡刚体失去平衡（如倾覆、滑移）。（如倾覆、滑移）。结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏）或因结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏）或因过度变形而不适于继续承载。过度变形而不适于继续承载。 结构转变为机动体系（超静定结构中出现足够多

15、塑性铰）。结构转变为机动体系（超静定结构中出现足够多塑性铰）。 结构或结构构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）结构或结构构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）。 地基丧失承载能力而破坏。地基丧失承载能力而破坏。3.2 极限状态 影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或外观的变形； 影响正常使用或影响正常使用或耐久性能的局部损坏耐久性能的局部损坏（包括裂缝、钢筋（包括裂缝、钢筋锈蚀、漏水等）；锈蚀、漏水等）； 影响正常使用的振动；影响正常使用的振动； 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。第二章 混凝土结构基本设计原则 正常使用极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用极限

16、状态对应于结构或结构构件达到正常使用正常使用或或耐久性能耐久性能的的某项规定限值某项规定限值。对应于结构的。对应于结构的适应性适应性和耐久性和耐久性。 结构上的作用引起的效应（结构上的作用引起的效应（如弯矩、轴力、剪力、扭矩等）如弯矩、轴力、剪力、扭矩等）281qlM 如 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、?uM如第二章 混凝土结构基本设计原则 因因S S和和R R都是都是随机变量随机变量，uMM 不一定绝对安全不一定绝对安全3.4 结构设计方法第二章 混凝土结构基本设计原则 Z 0 可靠可靠 Z = 0 极限状态极限状态

17、Z S。但在但在重叠区重叠区（阴影段内）仍（阴影段内）仍有可能有可能出现出现RS是不可能的。是不可能的。第二章 混凝土结构基本设计原则 第二章 混凝土结构基本设计原则 f(Z)zzPfZ = R - S dzZfZPfP00fZZP 可见，可见，Pf 越小，越小， 越大越大3.4 结构设计方法第二章 混凝土结构基本设计原则 值值 2.7 3.2 3.7 4.2 失效概率失效概率 Pf 3.4710-3 6.8710-4 1.0810-4 1.3310-5 当当Pf 小于某个值时，人们不再担心。该失效概率称小于某个值时，人们不再担心。该失效概率称为为容许失效概率容许失效概率Pf 。第二章 混凝土

18、结构基本设计原则 破破 坏坏 类类 型型安安 全全 等等 级级一一 级级二二 级级三三 级级延延 性性 破破 坏坏3.73.22.7脆脆 性性 破破 坏坏4.23.73.2破破 坏坏 类类 型型安安 全全 等等 级级一一 级级二二 级级三三 级级延延 性性 破破 坏坏4.74.23.7脆脆 性性 破破 坏坏5.24.74.2第二章 混凝土结构基本设计原则 安全等级或使用年限安全等级或使用年限1.11.00.93.4 结构设计方法第二章 混凝土结构基本设计原则 nikQiCiQiKQQGKGSSSS211基本组合基本组合-由可变荷载效应控制由可变荷载效应控制nikQiCiQiGKGSSS1基本组

19、合基本组合-由永久荷载效应控制由永久荷载效应控制3.4 结构设计方法第二章 混凝土结构基本设计原则 njSSmiSudSQjkQjCKQQGiKGi2111基本组合基本组合3.4 结构设计方法第二章 混凝土结构基本设计原则 正常使用极限状态的荷载效应组合值正常使用极限状态的荷载效应组合值正常使用极限状态所规定的正常使用极限状态所规定的变形变形、裂缝宽度裂缝宽度和应和应力等的限值。力等的限值。nikQiCiKQGKSSSS21nikQiqiGKSSS1qi-准永久系数准永久系数。对民用建筑一般为。对民用建筑一般为0.30.5。具体。具体查荷查荷载规范载规范GB50009-2001 。3.4 结构

20、设计方法第二章 混凝土结构基本设计原则 jj2,1-分别为分别为频遇值系数频遇值系数和和准永久系数准永久系数。具。具体体查查JTG D60第第4.1.7。njQjkSjmiGiKSsdS111njQjkSjmiGiKSldS1213.4 结构设计方法第二章 混凝土结构基本设计原则 第二章 混凝土结构基本设计原则 根据材料强度概率分布的某个分位值确定。根据材料强度概率分布的某个分位值确定。 混凝土混凝土的分位值取的分位值取0.05（即（即95%的保证率）；的保证率）； 钢筋钢筋的分位值取的分位值取0.0227（即（即97.73%的保证率）。的保证率）。 等于材料强度标准值除以材料分项系数。等于材

21、料强度标准值除以材料分项系数。混凝土：混凝土： c=1.4；普通钢筋普通钢筋: s= 1.1；预应力钢筋预应力钢筋: s= 1.2(1.41)。 cckcffsykyff混凝土：混凝土： c=1.45；普通钢筋普通钢筋: s= 1.2；预应力钢筋预应力钢筋: s= (1.25)1.47。 cckfcdfsskfsdf第二章 混凝土结构基本设计原则 强度强度种类种类符符号号混凝土强度等级混凝土强度等级C15C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80建建工工轴心轴心抗压抗压fck10.013.4 16.7 20.1 23.4 26.8 2

22、9.6 32.4 35.5 38.5 41.5 44.5 47.4 50.2轴心轴心抗拉抗拉ftk1.271.54 1.78 2.01 2.20 2.39 2.51 2.64 2.74 2.85 2.93 2.99 3.05 3.11道道桥桥轴心轴心抗压抗压fck10.013.4 16.7 20.1 23.4 26.8 29.6 32.4 35.5 38.5 41.5 44.5 47.4 50.2轴心轴心抗拉抗拉ftk1.271.54 1.78 2.01 2.20 2.40 2.51 2.65 2.74 2.85 2.93 3.00 3.05 3.10第二章 混凝土结构基本设计原则 强度强度种

23、类种类符符号号混凝土强度等级混凝土强度等级C15C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80建建工工轴心轴心抗压抗压fc7.29.611.9 14.3 16.7 19.1 21.1 23.1 25.3 27.5 29.7 31.8 33.8 35.9轴心轴心抗拉抗拉ft0.911.10 1.27 1.43 1.57 1.71 1.80 1.89 1.96 2.04 2.09 2.14 2.18 2.22道道桥桥轴心轴心抗压抗压fcd6.99.211.5 13.8 16.1 18.4 20.5 22.4 24.4 26.5 28.5 30

24、.5 32.4 34.6轴心轴心抗拉抗拉ftd0.881.06 1.23 1.39 1.52 1.65 1.74 1.83 1.89 1.96 2.02 2.07 2.10 2.14第二章 混凝土结构基本设计原则 钢筋种类钢筋种类抗拉强抗拉强度标准度标准值值fyk抗拉抗拉强度强度设计设计值值fy抗压强抗压强度设计度设计值值fyHPB235235210210HRB335335300300HRB400400360360RRB400400360360钢筋种类钢筋种类抗拉强抗拉强度标准度标准值值fsk抗拉抗拉强度强度设计设计值值fsd抗压强抗压强度设计度设计值值fsdR235235195195HRB3

25、35335280280HRB400400330330KL4004003303303.4 结构设计方法第二章 混凝土结构基本设计原则 荷载也有荷载也有实测值实测值、标准值标准值和和设计值设计值：等于：等于荷载代表值荷载代表值与荷载分项系数的乘积。与荷载分项系数的乘积。，其代表值就是，其代表值就是标准值标准值，即结构自重；，即结构自重；，其代表值分别为，其代表值分别为标准值标准值、组合值组合值、 频遇值频遇值和和准永久值准永久值。（2）频遇值）频遇值结构上结构上时而时而出现的出现的较大作用值较大作用值,但但小于小于 标准值。标准值。频遇值频遇值 =频遇值系数频遇值系数标准值标准值 t/T 0.1（

26、3）准永久值）准永久值结构上结构上经常经常出现的出现的作用值作用值准永久值准永久值 =准永久值系数准永久值系数标准值标准值 t/T=0.5（t为设计基准期内荷载为设计基准期内荷载达到和超过达到和超过该值的该值的总持续时总持续时间间，T为设计基准期。为设计基准期。）（1） 组合值组合值当有当有两个两个或或两个以上两个以上可变荷载可变荷载同时作同时作 用用时的代表值时的代表值 。组合值组合值=组合值系数组合值系数标准值标准值 第二章 混凝土结构基本设计原则 第二章 混凝土结构基本设计原则 分分项项系系数数 荷荷载载规规范范 GB50009-2001 取取值值 对对结结构构不不利利时时：1.20 （

27、可可变变荷荷载载效效应应组组合合控控制制） 1.35 （永永久久荷荷载载效效应应组组合合控控制制） 永永 久久 荷荷 载载 分分项项系系数数 G 对对结结构构有有利利时时：1.0（一一般般情情况况） 0.9（倾倾覆覆、滑滑移移或或漂漂浮浮验验算算） 可可 变变 荷荷 载载 分分项项系系数数 Q 1.40（一一般般情情况况） 1.30(qk4kN/m2工工 业业 房房 屋屋 楼楼面面活活荷荷载载) 0.7(屋屋面面活活荷荷载载、雪雪荷荷载载以以及及除除书书库库、档档案案库库、通通风风机机房房、电电梯梯机机房房外外的的民民用用建建筑筑楼楼面面活活荷荷载载) ) 0.9(屋屋面面积积灰灰荷荷载载以以及及民民用用建建筑筑中中的的书书库库、档档案案库库、通通风风机机房房、电电梯梯机机房房的的楼楼面面活活荷荷载