结构设计基本原理-第一讲

结构设计基本原理-第一讲第一页，共45页。回顾CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋与混凝土之间的粘结力主要由三部分组成：（）、（）和（）。判断：钢筋混凝土构件，当混凝土收缩时，混凝土受压，钢筋受拉。（）水灰比越大，混凝土的徐变越小。（）第二页，共45页。CH3

FundamentalofStructuralDesign2023/4/22第三页，共45页。本章重点Emphasis

了解混凝土结构设计方法的理论基础——可靠度理论（reliabilitytheory）；

掌握我国规范的设计方法——概率极限状态设计法（probabilityultimatestatedesign）及其表达式。CH3.结构设计基本原理

理解结构上的作用（action）、作用效应（effectsofactions）和结构抗力（resistanceofstructure）的概念（conception）及其随机特性（randomcharacter）；第四页，共45页。结构的定义与分类DefinitionandClassification结构structure

：由不同受力构件组成的承受各种外部作用的骨架

按空间位置和力的传递关系分为：水平承重结构Horizontalbearingstructure竖向承重结构Verticalbearingstructure地下承重结构Undergroundbearingstructure3.1结构可靠度及设计方法第五页，共45页。3.1.1结构上的作用、作用效应和结构抗力

Action,actioneffectandresistance作用Action直接作用Directaction间接作用Indirectaction指施加在结构上的荷载（力），如恒荷载、风荷载等。即外力指引起结构外加变形或约束变形的其它作用如地基沉降、温度变化、混凝土收缩等。3.1StructureRelibilityandDesignMethod第六页，共45页。地基沉降导致柱头裂缝混凝土收缩裂缝3.1StructureRelibilityandDesignMethod第七页，共45页。作用按随时间的变异性分为三类：在结构使用期间，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计，如自重、土压力、预压应力等。（永久荷载或恒荷载）在结构使用期间,其值随时间变化且其变化与平均值相比不可忽略，如楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等。（可变荷载或活荷载）在结构使用期间不一定出现，而一旦出现，其量值很大且持续时间很短的作用，如地震、爆炸、冲击等。（偶然荷载）3.1StructureRelibilityandDesignMethod永久作用Permanentaction可变作用Variableaction偶然作用Accidentalaction第八页，共45页。

作用效应（或荷载效应）S和结构抗力RActioneffectandstructuralresistance指作用引起的结构或构件的内力、变形和裂缝等（荷载效应）Internalforce，deformationandcrack指结构或构件承受作用效应的能力，如承载力、刚度和抗裂度等bearingcapacity，stiffnessandcrackresistanceS与R均为随机变量3.1StructureRelibilityandDesignMethod第九页，共45页。结构设计中的不确定性:以图中次梁为例g+q3.1StructureRelibilityandDesignMethod第十页，共45页。结构设计中的不确定性

a.恒载g与构件尺寸、材料容重等有关b.活载q的数值是随时在变化的c.计算跨度l的不准确a.材料强度fy和fc的离散b.截面尺寸h0和b的施工误差c.计算模式的不确定性不一定完全安全（可靠）!g+q虽设计保证随机变量

S：R：3.1StructureRelibilityandDesignMethod第十一页，共45页。普通钢筋混凝土楼板做法3.1StructureRelibilityandDesignMethod第十二页，共45页。3.1StructureRelibilityandDesignMethod第十三页，共45页。计算跨度lg+q3.1StructureRelibilityandDesignMethod第十四页，共45页。3.1StructureRelibilityandDesignMethod第十五页，共45页。3.1StructureRelibilityandDesignMethod第十六页，共45页。

结构设计的目的：科学地解决结构物的可靠与经济这对矛盾，力求以最经济的途径，使所建造的结构以适当的可靠度，在预定的使用期限内满足各项预定功能的要求，包括安全性、适用性和耐久性。（Safety,Serviceability,Durability）结构的功能要求FunctionalRequirementsofStructure可靠性Reliability3.1.2结构的预定功能及结构可靠度（scheduledfunctionanddegreeofreliability）3.1StructureRelibilityandDesignMethod第十七页，共45页。◆安全性Safety

①结构在正常设计、施工、使用情况下能承受可能出现的各种直接作用和间接作用，如施加的荷载、外加变形、约束变形;

②发生火灾时，在规定的时间内可保持足够承载力；

③在偶然事件（如地震、校核洪水位等）发生时和发生后，结构仍能保持必需的承载力和稳定性，不致发生结构的连续倒塌而造成生命财产的严重损失。结构的功能要求如：小震不坏、中震可修、大震不倒。3.1StructureRelibilityandDesignMethod可靠性Reliability第十八页，共45页。3.1StructureRelibilityandDesignMethod第十九页，共45页。◆适用性Serviceability

结构在正常使用荷载作用下具有良好的使用性能。如不产生影响使用的过大变形或振幅，不发生足以让使用者感到不安的过宽的裂缝等。◆耐久性Durability

结构在正常使用、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，钢筋不发生锈蚀等。3.1StructureRelibilityandDesignMethod可靠性Reliability结构的功能要求第二十页，共45页。3.1StructureRelibilityandDesignMethod第二十一页，共45页。混凝土被腐蚀后，钢筋发生锈蚀3.1StructureRelibilityandDesignMethod第二十二页，共45页。可靠性Reliability

：指结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。

可靠度DegreeofReliability

：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。可靠度是可靠性的概率度量。规定的条件正常设计、施工、使用和维护条件下安全性、适用性、耐久性预定功能结构的可靠性与可靠度Reliability，degreeofreliability3.1StructureRelibilityandDesignMethod第二十三页，共45页。

可靠性Reliability

：结构或构件在规定的时间内，规定的条件下，完成预定功能的能力。设计使用年限设计使用年限DesignWorkingLife:是设计规定的结构或构件不需进行大修就能按预期目的使用、完成预定功能的时期，即结构在规定的条件下所应达到的使用年限。设计使用年限并不等同于结构实际寿命和耐久年限。3.1StructureRelibilityandDesignMethod第二十四页，共45页。3.1StructureRelibilityandDesignMethod设计使用年限DesignWorkingLife:类别设计使用年限/年示例15临时性建筑结构225易于替换的结构构件350（70）普通房屋和构筑物4100标志性建筑和特别重要的建筑结构表3.1房屋建筑结构的设计使用年限设计使用年限并不等同于结构实际寿命和耐久年限。规定的时间第二十五页，共45页。3.1.3结构的安全等级safetyclass

结构设计时，应根据房屋的重要性，采用不同的可靠度水准。采用的结构的安全等级表示房屋的重要性程度。3.1StructureRelibilityandDesignMethod

结构的安全等级根据结构破坏可能产生的后果，即危及人的生命、造成的经济损失、产生社会影响等的严重程度确定。第二十六页，共45页。3.1.3结构的安全等级safetyclass安全等级破坏后果建筑物类型一级很严重重要的房屋：大型公共建筑等二级严重一般的房屋：普通住宅和办公楼三级不严重次要的房屋：小型或临时性建筑等表3.2建筑结构的安全等级

建筑物中各类结构构件的安全等级宜与整个结构的安全等级相同，但允许对部分结构构件根据其重要程度和综合效益进行适当的调整。3.1StructureRelibilityandDesignMethod第二十七页，共45页。建筑抗震设防类别基本规定

建筑应根据其使用功能的重要性分为甲类、乙类、丙类、丁类四个抗震设防类别。甲类建筑应属于重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑，乙类建筑应属于地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑，丙类建筑应属于除甲、乙、丁类建筑以外的建筑，丁类建筑应属于抗震次要建筑。甲类建筑在地震破坏后会产生巨大社会影响或造成巨大经济损失。严重次生灾害指地震破坏后可能引发水灾、火灾、爆炸、剧毒或强腐蚀性物质大量泄漏和其他严重次生灾害。第二十八页，共45页。建筑抗震设防类别基本规定

乙类建筑属于地震破坏后会产生较大社会影响或造成相当大的经济损失，包括城市的重要生命线工程和人流密集的多层的大型公共建筑等丁类建筑，其地震破坏不致影响甲、乙、丙类建筑，且社会影响和经济损失轻微。一般为储存物品价值低、人员活动少、无次生灾害的单层仓库等。

第二十九页，共45页。3.1.4混凝土结构构件设计计算方法calculationmethodfordesign容许应力法：最早的计算理论，沿用弹性理论假设。破坏阶段法：与容许应力法的主要区别是在考虑材料塑性性能的基础上，按破坏阶段计算构件截面的承载能力。极限状态设计法：明确规定结构按三种极限状态进行设计，是工程结构设计理论的重大发展。概率极限状态设计法：在极限状态设计法的基础上考虑结构的可靠概率，按发展阶段，该法可分为三个水准。水准Ⅰ—半概率法水准Ⅱ—近似概率法水准Ⅲ—全概率法3.1StructureRelibilityandDesignMethod第三十页，共45页。小结1、几个概念：作用、作用效应、结构抗力；结构的功能要求；结构的可靠性、可靠度。3.1StructureRelibilityandDesignMethod第三十一页，共45页。因此，结构设计时所取用的荷载值和材料强度值应采用概率统计方法来确定。3.2荷载和材料强度的取值结构所用材料的实际强度也在一定范围内波动。结构物所承受的荷载不是一个定值，而是在一定范围内变动；第三十二页，共45页。3.2荷载和材料强度的取值3.2.1荷载标准值的确定1）荷载的统计特性(statisticalcharacteristicofaload)

我国对建筑结构的各种恒载、民用房屋楼面活荷载、风荷载和雪荷载进行了大量的调查和实测工作。对所取得的资料应用概率统计方法处理后，得到了这些荷载的概率分布统计参数。第三十三页，共45页。3.2荷载和材料强度的取值

经统计分析，永久荷载G符合正态分布

其值不随时间变化或变化很小。由于构件尺寸在施工中的允许误差以及材料组成或施工工艺对材料容重的影响，构件的实际自重是在一定范围内波动的。永久荷载G（Permanentload）：根据构件体积和材料容重确定1）荷载的统计特性(statisticalcharacteristicofaload)第三十四页，共45页。3.2荷载和材料强度的取值可变荷载Q（Variableload）：其值随时间而变化

可变荷载随时间的变异可统一用随机过程来描述。对可变荷载随机过程的样本函数处理后可得到可变荷载在任意时点的概率分布和在设计基准期内的最大值的概率分布。经统计分析，楼面活荷载、风荷载和雪荷载服从极值Ⅰ型分布1）荷载的统计特性(statisticalcharacteristicofaload)第三十五页，共45页。---均值：表示随机变量

取值的集中位置---标准差：表示随机变量的离散程度---变异系数：反映相对

离散程度概率知识补充3.2荷载和材料强度的取值正态曲线第三十六页，共45页。概率知识补充3.2荷载和材料强度的取值第三十七页，共45页。3.2荷载和材料强度的取值2)荷载标准值(standardvalueofaload)

荷载标准值是建筑结构按极限状态设计时采用的荷载基本代表值。荷载标准值可由设计基准期最大荷载概率分布的某一分位值确定，若为正态分布，则如图中的Pk

。

荷载标准值理论上应为结构在使用期间，在正常情况下，可能出现的具有一定保证率的偏大荷载值。若Pk=μp+1.645σp

，则Pk具有95%的保证率。第三十八页，共45页。3.2荷载和材料强度的取值永久荷载标准值——按结构设计规定的尺寸和材料容重平均值确定。

在结构设计中，各类可变荷载标准值及各种材料容重可由《荷载规范》查取。其中楼面活载保证率大于95%，风、雪荷载取50年一遇最大值。

可变荷载标准值楼面活荷载标准值风荷载标准值雪荷载标准值2)荷载标准值(standardvalueofaload)第三十九页，共45页。3.2荷载和材料强度的取值3.2.2材料强度标准值的确定1)材料强度的变异性及统计特性(variabilityandstatisticalcharacteristicofmaterialstrength)

材料强度的变异性主要是指材质以及工艺、加载、尺寸等因素引起的材料强度的不确定性。

钢筋强度——

正态分布某钢厂钢材屈服强度统计资料第四十页，共45页。3.2荷载和材料强度的取值

混凝土强度