第二章：混凝土结构设计方法

1湖南大学沈蒲生高等教育出版社高等教育电子音像出版社混凝土结构设计原理第2章混凝土结构设计方法进入2混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章本章讲述的内容：

●结构设计的目的；●我国结构设计方法的演变过程；●现行设计规范设计方法简介；●结语。3混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章一、结构设计的目的

做任何结构设计，其目的都是既要保证结构的安全，又要使得所设计的结构经济。安全和经济是相互矛盾的。结构设计就是要在安全与经济之间求得合理的平衡。结构设计方法既是一个理论问题，还与国家的技术经济政策密切相关。4混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章二、我国结构设计方法的演变过程

1、建国初期：容许应力法。式中：K为安全系数。容许应力法以一个点的安全决定结构构件的安全，而且，当时的安全系数主要根据经验确定。5混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章2.、五、六十年代：三系数极限状态设计法。三系数：工作条件系数；荷载系数；材料匀质系数。3、七十年代：单系数极限状态设计法。

单系数：安全系数。

受弯：K=1.4；受剪：K=1.55。6混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章４、八十年代：概率极限状态法。概率极限状态法：以可靠度理论为基础，用多个分项系数表达的设计方法。

多个分项系数：结构构件重要性系数，荷载分项系数，材料分项系数，…。

5、21世纪初：概率极限状态法。

与80年代的设计方法相比，设计理论与方法上无大的变化，但可靠度有较大的提高，用钢量增加10%，造价增加5%左右。

7混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章概率极限状态法属近似概率法，将来还要向全概率法发展。保证建筑结构的可靠性，采用基于概率、基于性能的设计方法，这是今后发展的方向。解放60多年来我国结构设计方法的发展过程为：

经验法

半经验法半概率

近似概率法

全概率法8混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章了解结构上的作用、作用效应和结构抗力的概念及其随机特性；

了解混凝土结构设计方法的理论基础—

可靠度理论；

掌握我国规范的设计方法—概率极限状态设计法。本章重点：三、现行设计规范设计方法简介

9混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章2.1.1结构上的作用、作用效应及结构抗力（1）定义：凡是能够使结构产生内力、变形、开裂、腐蚀的因素，统称为结构上的作用。如荷载、地震、基础差异沉降、温度变化、混凝土收缩等。直接作用：荷载。（2）分类：间接作用：温度、收缩、徐变、地基不均匀沉降、地震等。§2.1结构可靠度1、结构上的作用10混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章2、作用效应

定义：作用在结构上产生的效应，如内力、应力、位移、应变、裂缝等，称为作用效应。3、结构抗力

定义：整个结构或结构构件抵抗作用效应的能力，称为结构抗力。11混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章2.1.2结构的预定功能及结构可靠度1、预定功能

（1）在正常施工和正常使用时能承受各种作用。（2）在正常使用时不发生过大的变形和过宽的裂缝。（3）在正常维护的情况下具有足够的耐久性。（4）发生火灾时在规定的时间内有足够的承载力。（5）在遭遇偶发事件时具有必须的整体稳定性。结构的预定功能要求结构在其设计使用年限内具有足够的可靠性，即：安全性、适用性和耐久性。12混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章2、结构的可靠度指结构在规定的时间内、在规定的条件下，完成预定功能的概率。规定的时间：指设计使用年限。规定的条件：指正常设计、正常施工、正常使用。预定功能：指安全性、适用性、耐久性。结构的可靠度是可靠性的概率度量。13混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章3、

结构的设计使用年限类别结构类型结构的设计使用年限（年）１临时性结构5２易于替换的结构构件25３普通房屋和构筑物50４纪念性建筑和特别重要建筑1002.1.3

结构的安全等级按结构的重要性划分一级：重要建筑二级：一般建筑三级：次要建筑14混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章§2.2荷载和材料强度2.2.1荷载1、荷载分类永久荷载(恒荷载)：大小、方向、作用点不随时间改变的荷载为永久荷载，如自重、土压力、预应力等。可变荷载(活荷载)

：大小、方向或作用点随时间改变而变化的荷载为可变荷载，如楼面和屋面活载、风荷载、雪荷载、吊车荷载等。偶然荷载：结构使用期间可能不出现，一旦出现，其作用时间短、效应大的荷载为偶然荷载，如爆炸力，撞击等。15混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章2、荷载代表值

（1）标准值——是荷载的基本代表值。是正常使用情况下可能出现的保证率为95%的偏大值。是永久荷载的唯一代表值。保证率：95％16混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章直升飞机坪：住宅楼面：屋面：不上人屋面

上人屋面

屋顶花园民用建筑楼面活荷载的标准值可查荷载规范，如：其它荷载标准值见荷载规范。荷载规范中的荷载值不包括隔墙重量和二次装修重量。（2）组合值——

当有两个或两个以上可变荷载同时作用时的代表值

。组合值

=ψc

×标准值

17混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章（3）频遇值——可变荷载可能出现的较大值,但小于标准值。计算裂缝、变形时用。频遇值

=ψf×标准值

（4）准永久值——可变荷载中较稳定的那一部分值。计算裂缝、变形时用。准永久值

=ψq×标准值永久荷载只有1个代表值：标准值。可变荷载有4个代表值：标准值、组合值、频遇值、准永久值。18混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章结构承载力取决于截面尺寸大小和材料强度高低。材料强度分标准值和设计值。1

、材料强度标准值混凝土：，钢筋：，注意：荷载标准值高于平均值，材料强度标准值低于平均值。想一想为什么要这样？2.2.2材料强度保证率：95％19混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章2

、材料强度设计值混凝土：,钢筋：,式中：–––混凝土的材料分项系数，取1.40；

–––钢筋的材料分项系数，对延性较好的热轧钢筋取1.10，对500MPa级钢筋取1.15，对预应力钢筋取1.20。20混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章定义：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指定的某一功能要求，这个特定的状态称之为该功能的极限状态。承载能力极限状态：超过这一极限状态时结构将发生破坏、倒塌或失稳等现象。1、

结构极限状态的分类正常使用极限状态：超过这一极限状态时结构将出现过大的变形，开裂或过宽的裂缝，钢筋严重锈蚀，混凝土腐蚀、风化、剥落等现象。§2.3结构的极限状态及分类21混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章2、结构的设计状况（1）持久设计状况：在结构使用过程中一定出现，其持续时间很长的状况。（2）短暂设计状况：在结构使用过程中出现概率大，持续时间短的状况。（3）偶然设计状况：在结构使用过程中出现概率小，持续时间很短的状况。（4）地震设计状况：在结构使用过程中遭受地震作用的状况。22混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章Ｚ

=Ｒ-Ｓ（2-1）Ｚ＞0，结构可靠；Ｚ=0，极限状态。Ｚ＜0，结构失效；正态分布

变异系数δz=μz/σz3、结构的功能函数Z式中，Z为结构的功能函数，R为结构的抗力，S为结构的作用效应。23混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章式中：–––结构抗力的平均值和标准差；

–––作用效应的平均值和标准差。现行设计方法以概率理论为基础，用可靠指标度量，采用多个分项系数表达。设，则可靠指标为：

（2-2）4、

结构的可靠指标24混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章按承载能力极限状态设计时要求的可靠指标值按正常使用极限状态设计时要求的可靠指标值破坏类型安全等级一级二级三级塑性破坏3.73.22.7脆性破坏4.23.73.2取值低于承载力极限状态。对应3.2的失效概率为6.9×10-4，对应3.7的失效概率为1.1×10-4。因此，可靠指标是可靠度的另一种表示方法。25混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章定义：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指定的某一功能要求，这个特定的状态称之为该功能的极限状态。承载能力极限状态：超过这一极限状态时结构将发生破坏、倒塌或失稳等现象。结构极限状态的分类:正常使用极限状态：超过这一极限状态时结构将出现过大的变形，开裂或过宽的裂缝，钢筋严重锈蚀，混凝土腐蚀、风化、剥落等现象。§2.4结构的极限状态26混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章

计算公式

(2-3)式中γ0–––结构重要性系数；安全等级为一级的构件，γ0

≥1.1；安全等级为二级的构件，γ0≥1.0；安全等级为三级的构件，γ0≥0.9；

Sd

–––承载能力极限状态下作用组合的效应的设计值，对持久设计状态和短暂设计状态应按作用的基本组合计算。§2.5结构的承载力极限状态设计方法27混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章–––结构构件的抗力设计值。

Rd

=

R（fc

,

fs

,

ak

,

...）/

γRD式中，

γRD

是结构构件的抗力模型不定性调整系数：静力设计取1.0，对不确定性较大的结构构件根据具体情况取大于1.0的数值；抗震设计应用承载力抗震调整系数γRE代替γRD。

fc

,

fs

,

ak式分别为混凝土的强度设计值、钢筋的强度设计值和截面尺寸的标准值。28混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章

荷载基本组合的效应设计值计算方法一般结构构件：选下列计算中较大者。

由可变荷载控制时

由永久荷载控制时(2-4)(2-5)承载力计算采用基本组合，按下面方法计算：29混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章式中：–––恒载分项系数，当其效应对结构不利时，公式2-4中的，公式2-5中的；当其效应对结构有利时，应取1.0；

–––活载分项系数，一般情况下取1.4，当活载标准值大于的工业房屋楼面结构取1.3；

–––恒载标准值所产生的内力；

–––活载标准值所产生的内力，i=1的活荷载为主导活荷载；

–––第i个可变荷载的组合系数。

γL–––楼面和屋面活荷载考虑设计使用年限的调整系数，当结构设计使用年限为50年时取1.0。30混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章

偶然荷载组合的效应设计值计算方法用于承载能力极限状态计算时：用于偶然事件发生后受损结构的整体稳定性验算时：式中，SAd为按偶然荷载标准值Ad计算的荷载效应值，ψｆ1为第1个可变荷载的频遇值系数，ψf2为第i个可变系数的准永久值系数。(2-6)(2-7)31混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章荷载偶然组合的效应设计值Sd可按下列规定采用

用于承载能力极限计算时：用于偶然事件发生后受损结构整体稳固性验算时：…2-6…2-7式中：SAd

–––按偶然荷载标准值Ad计算的荷载效应值；

ψf1–––第1个可变荷载的频遇值系数；

ψfi–––第i个可变荷载的频遇值系数。

注意：实际设计方法中，为了符合我国设计人员以往的设计习惯，使设计方便起见，已将可靠指标转化成用荷载分项系数、材料强度分项系数等多个分项系数表示。因此，结构设计方法的演变为：可靠性→可靠度→失效概率→可靠指标→多个分项系数。32混凝土结构设计原理第2章主页目录上一章帮助下一章

设计方法

（2-8）式中：–––正常使用极限状态下荷载效应组合值;–––达正常使用要求时的变形、裂缝、应力等的限值。§2.6结构按正常使用极限状态的设计方法33混凝土结构设计原理