结构设计基本原理

第3章结构设计基本原理1◆工程结构的设计需要保证安全可靠、经济合理◆由于实际工程结构中存在多种不确定性◆对工程结构的安全可靠可能会产生不利影响◆截面或材料用量增加越多，安全可靠程度就越高，不安全的可能性就越小，但工程结构造价也越大◆

结构设计方法就是研究工程设计中的各种不确定性问题，取得安全可靠与经济合理之间的均衡2◆容许应力设计方法

allowablestress◆安全系数K是一个大于1.0的数值◆K越大，结构安全度就越高，同时结构材料用量也越多◆为取得安全可靠与经济合理的均衡，在综合考虑各种不确定性因素影响后，可选取一个合适的安全系数。3◆材料力学中研究的是：单一材料、线弹性、简单结构◆实际工程结构远比它复杂◆如钢筋混凝土梁的受弯，从安全角度考虑，需要确定其极限受弯承载力；◆而为控制正常使用阶段的裂缝和挠度变形，需要确定带裂缝工作阶段的受力情况。◆采用容许应力设计方法，无法统一这两方面的要求。4◆因此，首先根据工程结构需要满足实际使用的各种要求（结构的功能），对安全可靠有更具体的科学定义◆另一方面，需要尽可能详细了解结构在不同情况下（施工、使用、破坏）可能受到的各种外界影响的大小和变化情况◆外界影响：各种荷载、温度变化、沉降、收缩徐变、地震、侵蚀、冻融等◆以及结构尺寸、材料强度等的变异情况，以便科学合理的选定结构可靠度。5主要内容结构设计的要求结构的功能要求结构的极限状态结构的设计使用年限结构的作用、作用效应和结构抗力结构的作用与作用效应结构抗力结构按概率极限状态设计按承载能力极限状态设计按正常使用极限状态计算6结构的功能要求◆安全性

Safety

◎

如（M≤Mu）◎结构在预定的使用期间内（一般为50年），应能承受在正常施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载、外加变形（如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）等的作用。◎在偶然事件（如爆炸、撞击、火灾等）发生时和发生后，结构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。7◆安全性

Safety

◎

如（M≤Mu）◎上式仅从构件自身的承载力来确定安全性◎结构整体是否安全，不仅与每个构件是否安全有关，更与构件之间的连接是否可靠有关。

◎结构整体牢固性

◎结构不应发生与原因不相称的破坏8◆适用性Serviceability

◎如（f≤[f]）

◎

结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。

◎

如不发生影响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振动（频率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。9◆耐久性Durability

◎如（wmax≤[wmax]）◎结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。◎即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀），结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低，而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。10◆结构的可靠性reliability■可靠性——安全性、适用性和和耐久性的总称■就是指结构在规定定的使用期限内（（设计工作寿命=50年），在规规定的条件下（正常设计、正常施施工、正常使用和和维护），完成预定结构构功能的能力。■结构可靠性越高，，建设造价投资越越大。如何在结构可靠与与经济之间取得均均衡，就是设计方法要要解决的问题。11■显然这种可靠与经经济的均衡受到多多方面的影响，如如国家经济实力、、设计工作寿命、、维护和修复等。。■规范规定的设计方方法，是这种均衡衡的最低限度，也也是国家法律。■设计人员可以根据据具体工程的重要要程度、使用环境境和情况，以及业业主的要求，提高高设计水准，增加加结构的可靠度。。■经济的概念不仅包包括第一次建设费费用，还应考虑维维修，损失及修复复的费用12◆结构的设计使用年年限按规定指标设计的的建筑结构或构件件，在正常施工、正常使用和维护下，不需进行大修修，即可达到按其其预定目的使用的的时期《建筑结构荷载规规范》（GB50009）规定：：50年13结构的极限状态◆结构能够满足功能能要求而良好地工工作，则称结构是是“可靠”的或““有效”的。反之之，则结构为“不不可靠”或“失效效”。◆区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态态称为“极限状态”14承载能力极限状态态UltimateLimitState超过该极限状态，，结构就不能满足足预定的安全性功功能要求◆结构或构件达到最最大承载力（包括括疲劳）◆结构整体或其中一一部分作为刚体失失去平衡（如倾覆覆、滑移）◆结构塑性变形过大大而不适于继续使使用◆结构形成几何可变变体系（超静定结结构中出现足够多多塑性铰）◆结构或构件丧失稳稳定（如细长受压压构件的压曲失稳稳）◆结构因局部破坏而而发生连续倒塌◆地基丧失承载力而而破坏15正常使用极限状态态ServiceabilityLimitState超过该极限状态，，结构就不能满足足预定的适用性和和耐久性的功能要要求。◆过大的变形、侧移移（影响非结构构构件、不安全感、、不能正常使用（（吊车）等）；◆过大的裂缝（钢筋筋锈蚀、不安全感感、漏水等）；◆过大的振动（不舒舒适）；◆影响正常使用的其其它特定状态（如如相对沉降量过大大等）。16结构的作用、作用用效应和结构抗力力作用使结构或构件产生生内力、变形（位移、应变）和和裂缝的各种原因的总称称作用分类直接作用：施加在结构或或构件上的荷载，如结构自重、、楼面上人群及物品重量、风风压力、雪压力力等间接作用：引起结构强迫变变形或约束变形形的原因，如地地震、地基不均匀沉降、温温度变化、混凝凝土收缩、焊接接变形等17直接作用（荷载载）分类永久荷载（恒荷荷载）：在设计基准期内内其值不随时间间变化，或其变变化与平均值相相比可以忽略不不计。例如，结结构自重。可变荷载（活荷荷载）：在设计基准期内内其值随时间变变化，且其变化化与平均值相比比不可忽略。例例如，楼面活荷荷载、桥面或路路面上的行车荷荷载、风荷载、、雪荷载、吊车车荷载等。偶然荷载：在设计基准期内内出现或不一定定出现，一旦出出现，其值很大大且持续时间很很短，如地震、、爆炸、撞击等等。18结构上的作用（（使结构产生内力力和变形的原因因，如荷载、不均均匀沉降、温度度变形、收缩变变形、地震等））引起的效应（（内力、变形或裂裂缝）如弯矩M、轴力N、剪力V、扭矩T、挠度f、裂缝宽度w等S=S(Q)结构力学的主要要内容作用效应S(ActionEffect)19结构抵抗作用效效应（内力和变变形）的能力，，如受弯承载力力Mu、受剪承载力Vu、刚度、抗裂能力等。R=R(fc,fy,A,h0,As,…)本课程的主要内内容结构抗力R(Resistant)20结构功能函数用来表示结构的的三种工作状态态：当，，结构能够完完成预定功能，，处于可靠状态；当，，结构不能完完成预定功能，，处于失效状态；当，，结构处于临界极限状态结构构件完成预预定功能的工作作状况可以用作作用效应S和结构抗力R的关系来描述，，称为结构功能能函数。结构的工作状态态21荷载的代表值结构设计时，应应根据各种极限限状态的设计要要求取用不同的的荷载数值荷载的标准值：：结构在设计基准准期为50年的期间内，在在正常情况下可可能出现具有一一定保证率的最大荷载。永久荷载标准值值，对结构自重，，按结构构件的的设计尺寸与材材料单位体积的自重计算算确定可变荷载标准值值，按《荷载规范范》规定采用（例如：住宅的的楼面使用活荷荷载标准值为2.0kN/m2)荷载和材料强度度2223可变荷载组合值值：当结构承受两种或两种以上上的可变荷载时，，它们同时以各各自的最大值出出现的可能性极极小。此时，除除其中最大荷载载仍取其标准值外，其他可变变荷载均采用小于1的组合系数数yc乘以相应应的标准准值来表表达其荷荷载代表表值2425可变荷载载准永久久值：结构上经经常作用用的可变变荷载。。与时间有一定相相关，即即在规定定的期限限内，具具有较长长的总持持续时间间，对结构的影影响有如如永久荷荷载的性性能《荷载规范》》规定：可变变荷载准永久久值是以荷载载的准永久值值系数yq与相应的可变荷载载标准值的的乘积来确确定262728材料强度标标准值取值原则：：在材料强强度实测值值的总体中中，强度标标准值应具具有不小于于95％的的保证率。。★钢筋强度标标准值fyk★混凝土强度度标准值立方体抗压压强度标准准值fcu,k轴心抗压强强度标准值值fck抗拉强度标标准值ftk29结构设计中中的不确定定性UndeterminedFactorsinDesign★恒载g与构件尺寸、材材料容重等有关关★活载q（楼面活载、雪雪荷载）的数值值是随时在变化化的★计算跨度l的不准确★材料强度fy和fc的离散★截面尺寸h0和b的施工误差不一定安全（可可靠）30◆结构的失效概率率和可靠指标由于实际结构中中的不确定性，，因此无论如何何设计结构，都都会有失效的可可能性存在，只只是可能性大小小不同而已。为了科学定量的的表示结构可靠靠性的大小，采采用概率方法是是比较合理的。。失效概率越小，，表示结构可靠靠性越大。因此此，可以用失效效概率来定量表表示结构可靠性性的大小。结构可靠性的概概率度量称为结构可靠度。当失效概率Pf小于某个值时，，人们因结构失失效的可能性很很小而不再担心心，即可认为结结构设计是可靠靠的。该失效概概率限值称为容许失效概率[Pf]。失效概率Pf=P(S>R)31结构功能函数Z=R-SPf=P(S>R)=P(Z<0)b

—可靠指标

reliabilityindex32◆根据统计，触电电的年死亡率为为6×10-6◆b=3.7时，Pf=1.1×10-4，按设计基准期50年考虑，年失效效概率为1.1×10-4/50=2.2×10-6◆50年后并不是结构构就失效，而是是失效概率增加加。同时，结构构失效也并不表表示结构倒塌，，结构倒塌也不不一定造成人员员伤亡。◆我国对于一般工工程结构，当为为延性破坏时，，其可靠指标取取b=3.2，对脆性破坏取b=3.7。◆对于重要的工程结结构，应提高可靠靠指标。33设计可靠指标、安安全等级根据建筑物的重要要性不同，即一旦旦结构发生破坏时时对生命财产的危危害程度及社会影影响的不同，将建建筑结构分为三个个安全等级：（1）破坏后果很很严重的重要建筑筑物为一级；（2）破坏后果严严重的一般工业与与民用建筑物为二二级；（3）破坏后果不不严重的次要建筑筑物为三级。34概率极限状态设计计法的实用表达式式作用效应标准值Sk◆作用效应S的不确定性就主要要取决于结构上作作用Q的不确定性★永久荷载G★可变荷载Q◆不同的荷载，其变变异情况不同。根根据统计分析可以以确定一个具有一一定保证率（如95%）的上限荷载分位值值，该特征值称为为荷载标准值（符号Gk，Qik）。◆按荷载标准值确定定的荷载效应，称称为荷载效应标准准值Sk35结构抗力标准值Rkfck、fsk分别为混凝土和钢钢筋的强度标准值值，截面尺寸b、h0和配筋As取设计值。Rk的具体表达形式是是本课程的主要内内容。

f(S)SSk

f(R)RRk36Skf(S)，f(R)S，RRk37Skf(S)，f(R)S，RRk38Skf(S)，f(R)S，RRk39设计验算点S*=R*Pf=[Pf]Skf(S)，f(R)S，RRk40作用效应设计值，gS作用效应分项系数数结构抗力设计值，gR结构抗力分项系数数41分项系数42材料强度设计值43g0——结构重要性系数：：在持久设计状况况和短暂设计状况况下，对安全等级级为一级的结构构构件不应小于1.1，对安全等级级为二级的结构构构件不应小于1.0，对安全等级级为三级的结构构构件不应小于0.9；对地震设计计状况应取1.0；按承载能力极限状状态计算实用设计计表达式对持久设计状况，短暂设计状况和地震设计状况，γRd为结构构件的抗力模型不定性系数；静力设计取1.0，抗震设计取承载力抗震调整系数γRE

44荷载效应组合当组合荷载效应由由可变荷载控制时基本组合当组合荷载效应由由永久荷载控制时45类别设计使用年限（年）γL150.9225_3501.041001.1荷载调整系数γL46例1一一简支梁，跨度度l=4m，受永久线线均布荷载标准值值8kN/m，受受可变线均布荷载载标准值6kN/m，跨中受可变变集中荷载，其标标准值10kN。。该梁是重要的建建筑构件，安全等等级为一级，设计计使用年限50年年，求该梁跨中截截面的设计弯矩值值。47【练习】】对某某非地震震区的某某框架顶顶层横梁梁进行内内力分析析，经计计算知在在永久荷荷载标准准值、屋屋面活荷荷载标准准值、风风荷载标标准值的的分别作作用下，，该横梁梁梁端弯弯矩标准准值分别别为：MGK=20kNm，，