水工钢筋混凝土结构课件第二章

第二章钢钢筋砼结结构设计计计算原原理结构设计计的极限限状态结构按极极限状态态设计的的基本概概念荷载的标标准值材料强度度的标准准实用表达达式安全性◎结构在正正常施工工和使用用情况下下能承受受可能出出现的各各种荷载载和变形形。◎在偶然事事件（如如校核洪洪水位、、地震））发生时时和发生生后，结结构应能能保持整整体承载载力和稳稳定性。。适用性◎结构在正正常使用用荷载下下，具有有良好的的工作性性能。如如不发生生影响正正常使用用的过大大的变形形（挠度度、侧移移）、振振幅，或或产生过过大的裂裂缝宽度度。耐久性◎结构的承承载力和和刚度不不应随时时间有过过大的减减小，导导致结构构在其预预定使用用期间内内降低安安全性和和适用性性，缩短短使用寿寿命。结构的功功能要求求：(1)安全性。(2)适用性。(3)耐久性。（一）结结构设计计的极限限状态结构设计计要保证证其可靠性。可靠性——安全性、适用性和耐久性的总称。。结构可靠靠性越高高，建设设造价投投资越大大。在结构可可靠与经经济之间间取得均均衡，就就是设计计方法要要解决的的问题。。结构的可可靠度：：是指结构构在规定定的时间间内（我我国规定定50年），在在规定的的条件下下（如正正常的设计、施施工、使使用和维维修），完成预定定功能要要求的概率。。（一）结结构设计计的极限限状态1）结构极极限状态态的定义义结构或结结构的一一部分超超过某一特定定状态就不能满满足设计计规定的的某一功功能要求求，此特特定状态态称为该功能的的极限状状态。2）极限状状态的分分类承载能力极限状态正常使用极限状态设计程序设计校核结构能够够满足功功能要求求且能良良好地工工作，则则结构是是“可靠””或“有有效”的的。反之，则则结构为为“不可靠靠”或““失效””。结构“可可靠”与与“失效效”的临界状态态称为“极限状状态”。（一）结结构设计计的极限限状态超过该极极限状态态，结构构就不能能满足预预定的安全性要求。结构或结结构的一一部分丧丧失结构构稳定；；（如细长长受压构构件的压压曲失稳稳）结构形成成机动体体系而丧丧失承载载能力；；（超静定定结构中中出现足足够多塑塑性铰)结构发生生滑移、、上浮或或倾覆等等不稳定定情况；；构件的截截面因强强度不足足而发生生破坏；；（包括疲疲劳破坏坏）结构或构构件产生生过大的的塑性变变形而不不适于继继续承载载。承载能力力极限状状态（一）结结构设计计的极限限状态（一）结结构设计计的极限限状态（一）结结构设计计的极限限状态（一）结结构设计计的极限限状态结构设计计首先要要满足承载能力力的要求，，以保证证结构安安全使用用；然后后按正常常使用极限状态态进行校校核，以保结结构的适用性及耐久性。正常使用用极限状状态超过该极极限状态态，结构构就不满满足预定定的适用性和耐久性要求。产生过大大的变形形，影响响正常使使用和外外观；（不安全全感、不不能正常常使用等等）产生过宽宽的裂缝缝，对耐耐久性有有影响或或者产生生人们心心理上不不能接受受的感觉觉；（钢筋锈锈蚀、不不安全感感、漏水水等）产生过大大的振动动影响使使用。2.1作用效应应及结构构抗力2.作用效应应“S”是指在各各种作用用因素的的作用下下，结构构构件内内所产生生的内力力和变形形(如轴力、弯弯矩、扭扭矩、挠挠度、裂裂缝等)。3.结构抗力力“R”是指整个个结构或或构件承承受内力力和变形形的能力力(如构件的的承载能力力、抗裂裂度和刚刚度等)。1.结构的作作用：使结构产产生内力力和变形形的所有有原因。。分分类类：直接作用用、间接接作用（二）概概率极限限状态设设计法的的基本概概念2.2极限状态态方程结构的极极限状态态是用极限状态态函数（或功能能函数））来描述述的，即即：Z=g（R，S）=R––S当Z=0时，结构构处于极限状态态。显然：当Z＞0时，结构构可靠；；当Z＜0时，结构构失效；；故：Z=g（R，S）=R––S=0称为极限状态态方程图2-1结构所处的状态失效是指结构构或结构构的一部部分不能能满足设计所所规定的的某一功功能要求求。失效概率率pf和可靠指指标β不能完成成预定功功能(R＜S)的概率为为“失效概率率”pf。结构能够够完成预预定功能能(R＞S)的概率即即为“可靠概率率”ps，pf+ps＝1，pf小，ps就大，pf能够反映映结构的的可靠程程度。失效概率率，Z＝R-S＜0的事件出出现的概率就就等于原原点以左左曲线下下面与横坐标所所包围的的阴影面面积，图2-2功能函数数Z的概率分分布曲线线1.失效概率率R、S为随机变变量，假假定服从从正态分分布，所所以Z也是随机机变量.Z的概率分分布曲线线也服从从正态分分布。Z的平均值值μZ和标准差差σZ为：失效概率率：可见：β大则Pf小，β小则Pf大。因此，β和Pf一样，可可作为衡衡量结构构可靠性性的一个个指标。。β越大，结结构可靠靠性越高高，所以β称为结构构的“可靠指标标”。2.可靠指标标β图中阴影影部分的的面积与与z、z的大小有有关，增增大z，曲线右右移，阴阴影面积积将减少少，减小小z，曲线变变高变窄窄，阴影影面积将将减少，，引入，将曲线线对称轴至至纵轴的的距离表示成z的倍数，，z=z水工砼结结构设计计时，应应根据水工建筑筑物的级级别，采用不不同的水水工建筑筑物结构构安全级级别。不不同安全全级别可可靠度水水平要求求不同。。水工建筑物级别水工建筑物安全级别1Ⅰ2，3Ⅱ4，5Ⅲ水工建筑筑物结构构安全级级别2.3结构安全全级别2.4目标可靠靠指标Pf≤[Pf]或β≥[β]要使结构构和构件件在设计计基准期期内，在在规定的的条件下下，失效效概率低低于一个个允许的的水平（（允许失效效概率或目标可靠靠指标）即目标可靠靠指标[β]遵循下面面几项原原则确定定：(1)在原规范范“校准准”的基基础上，，考虑安安全级别别、破坏坏性质和和极限状状态的不不同进行行调整。。确定合合理且统统一的目目标可靠靠指标βT。(2)[β]与结构安安全级别别有关。。安全级级别要求求愈高时时目标可可靠指标标就应愈愈大。(3)[β]与构件破破坏性质质有关。。延性破破坏构件件的目标标可靠指指标可低于脆性破坏坏构件的的目标可可靠指标标。(4)[β]与极限状状态有关关。承载载能力极极限状态态下的目目标可靠靠指标应应高于正正常使用用极限状状态下的的目标可可靠指标标。安全第一一，当然然承载能能力极限限状态对对应的βT就应高些些。结构构件承载能力极限状态的目标可靠指标[β]可靠指标β安全等级一级二级三级延性破坏3.73.22.7脆性破坏4.23.73.2（三）荷荷载的标标准值作用与荷荷载直接作用用：荷载间接作用用：混凝土收收缩、温温度变化化、基础础差异沉沉降、地地震等结构在外外作用下下产生的的变化，，如内力力、变形形、裂缝缝等称为为结构的的作用效效应或荷荷载效应应。荷载分类类结构上的的荷载，，按其作作用时间间的长短短和性质质，可分分为三类类：(1)永久荷载载G：在结构设设计使用用年限内内，其值值不随时时间而变变化（其变化化与平均均值相比比可以忽忽略不计计），或或其变化化是单调调的并能能趋于限限值的荷荷载。(2)可变荷载载Q：在结构设设计基准准期内其其值随时时间而变变化（其变化化与平均均值不可可忽略的的荷载））。(3)偶然荷载载Q：在结构设设计基准准期内不不一定出出现，但一旦旦出现其其值很大大且作用用时间很很短的荷荷载。荷载的取取值有标准值、准永久值值、组合值三种。1.荷载标准值Sk荷载的概率分布曲线图定义:指结构构构件在使使用期间间正常情情况下可可能出现现的最大荷载载值。将荷载载视为随随机变量量，采用用数理统统计的方方法加以以处理而而得到的的具有95％保证率率的最大荷荷载值。。Sk由设计基基准期内内荷载最最大值概概率分布布的某一分位位值来确定。。Sk=μs+asσs=μs(1+asδs)2.荷载准永永久值在按正常常使用极极限状态态计算时时，应考考虑荷载载效应的的长期作作用影响响，《建筑结构构可靠度度设计统统一标准准》引入荷载载“准永久值值”作为为它的代代表值。。所谓准永永久值（（Qq）是指可变变荷载在在结构设设计基准准期内经经常作用用的那一一部分荷荷载，《建筑结构构可靠度度设计统统一标准准》规定取被被超越的的总时间间为设计基准准期一半半的荷载载值。Qq=Qk(长期组合合系数≤1)荷载准永永久值实实际上是是考虑荷荷载效应应的长期期组合而而对可变变荷载标标准值的的一种折折减。3.荷载组合合值当结构构构件承受受两种或或两种以以上的可变荷载载时，考虑虑到各种种可变荷荷载不可可能同时时以其最最大值(标准值)出现，因因此，除除了一个个主要可可变荷载载（是指指效应最最大的一一种荷载载）外，，其余可可变荷载载应在其标准准值上乘乘以小于1.0的组合系系数对可变荷荷载标准准值进行行折减，可变荷载载组合值值记为：：Qc=ψcQk，ψc为组合系系数。其其值取为为小于等等于1.0。2.4材料强度度的标准准值材料强度度标准值值是指使用用期间正正常情况况下可能能出现的的最小值值。也就就是强度度标准值值具有95％的保证证率。设计时，，材料强度度尽可能能取低些些，才能保保证结构构的可靠靠性。图2-4材料料强强度度标标准准值值的的取取值值保证证率率系系数数a=1645fk=μf(1-1.645δf)材料料强强度度标标准准值值：：（一一））砼砼强强度度标标准准值值1.砼立立方方体体抗抗压压强强度度标标准准值值fcuk2.砼轴轴心心抗抗压压强强度度标标准准值值fck3.砼轴轴心心抗抗拉拉强强度度标标准准值值ftk（二二））钢钢筋筋强强度度标标准准值值受拉拉热热轧轧钢钢筋筋采采用用国国家家标标准准规规定定的的屈服服强强度度（出出厂厂检检验验的的废废品品限限值值））作作为为标标准准值值fyk，其保保证证率率不不小小于于95%。对于于无无明明显显屈屈服服点点的的钢钢筋筋，，采采用用国国标标规规定定的的极限限抗抗拉拉强强度度作为为标标准准值值fstk，其保保证证率率也也不不小小于于95%。1)《《规范范》采用用的的分分项项系系数数通过过γ0来调调整整荷荷载载效效应应S，从从而而实实现现建建筑筑物物的的重重要要性性不不同同，，可可靠靠度度水水准准的的要要求求不不同同。。计算算荷荷载载效效应应时时，，将将其其值值乘乘以以结结构构重重要要性性系系数数γ0。《规范范》确定定了了不不同同结结构构安安全全级级别别时时的的系系数数γ0值1.1结构构重重要要性性系系数数γ02.5结构构设设计计实实用用设设计计表表达达式式结构构重重要要性性系系数数的的取取值值水工建筑级别安全级别重要性系数1Ⅰ级1.12、3Ⅱ级1.04、5Ⅲ级0.9安全等级破坏后的影响程度建筑物的类型Ⅰ级很严重重要的建筑物Ⅱ级严重一般的建筑物Ⅲ级不严重次要的建筑物结构构的的安安全全等等级级的的划划分分1.2设计计状状况况系系数数结构构在在施施工工、、安安装装、、运运行行、、检检修修等等不不同同时时期期可可能能出出现现不不同同的的结结构构体体系系、、荷荷载载及及环环境境条条件件。。考考虑虑下下列列三三种种设设计计状状况况：：（1）持持久久状状况况：：=1.0（2）短短暂暂状状况况：：=0.95（3）偶偶然然状状况况：：=0.851.3结构构系系数数d在承承载载力力极极限限状状态态设设计计中中，，考考虑虑到到各各种种变变异异等等因因素素，，统统一一用用结结构构系系数数来来考考虑虑。。结构构系系数数的的取取值值素砼结构钢筋砼结构与预应力钢筋砼结构受拉破坏受压破坏2.01.31.21.4荷载载分分项项系系数数γG、γQ《规范范》（SL/T191-96）规规定定，，一一般般情情况况下下：：永久久荷荷载载：：γG=1.0；可变变荷荷载载：：γQ=1.20。荷载载标标准准值值乘乘以以相相应应的的荷荷载载分分项项系系数数后后即即为为荷载载设设计计值值。永久久荷荷载载设设计计值值：：G=γGGk可变变荷荷载载设设计计值值：：Q=γQQk，其中中γG、γQ分别别为为永永久久荷荷载载和和可可变变荷荷载载的的荷荷载载分分项项系系数数。。实际际荷荷载载仍有有可可能超超过过预预定定的的标标准准值值。考考虑虑这这一一最最不不利利情情况况，，在在承承载载能能力力极极限限状状态态设设计计表表达达式式中中还还引引入入一一个个荷荷载载分分项项系系数数。。1.5材料料强强度度分分项项系系数数γcγs材料料的的实际际强强度度低于于其其强度度标标准准值值，因此此，，在在承承载载能能力力极极限限状状态态计计算算中中材材料料强强度度分分项项系系数数γc、γs来考虑这一不不利影响。材料强度分项项系数取值：：混凝土：γc＝1.35。钢筋：γs＝1.11.2。材料强度标准准值除以相应应的材料强度度分项系数后后，即为材料料强度设计值值。fc＝f