混凝土结构设计方法

第3章结构设计方法3.1结构的功能要求和极限状态3.2结构上的作用、作用效应和结构抗力3.3极限状态方程3.4结构近似概率极限状态设计法3.5实用设计表达式3.6混凝土结构耐久性设计规定

1.结构的功能要求

结构的功能要求

安全性

适用性

耐久性

《标准》规定结构在规定的设计使用年限内应满足下列功能要求：

在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用

在正常使用时具有良好的工作性能

在正常维护下具有足够的耐久性能

在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必要的整体稳定性

什么是结构的可靠性？

结构在规定的使用期限内，在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护），完成预定功能的能力，称为结构的可靠性

2.结构的极限状态

什么是结构的极限状态

结构能够满足功能要求而且良好的工作，则称结构“可靠”或“有效”，反之则称结构“不可靠”或“失效”。区分结构可靠与失效的界限状态称为极限状态

《标准》将结构极限状态分成两类：

承载力极限状态

正常使用极限状态

承载力极限状态

是指对应结构或结构构件达到最大承载力或不适于继续承载的变形的状态，是结构安全性的基本保证

下列状态之一，应认为超过了承载力极限状态：

整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡结构构件或其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结构转变为机动体系

结构或结构构件丧失稳定

地基丧失承载能力而破坏

正常使用极限状态

是指对应结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值

下列状态之一时，应认为超过正常使用极限状态：

影响正常使用或外观的变形

影响正常使用或耐久性能的局部损坏

影响正常使用的振动

影响正常使用的其他特定状态

3.结构的设计状况

结构的设计状况

持久状况：在结构使用过程中一定出现，其持续期很长的状况。持续期一般与设计使用年限为同一数量级

短暂状况：在结构施工和使用过程中出现概率较大，而与设计使用年限相比，持续期很短的状况

偶然状况：在结构使用过程中出现概率较小，且持续期很短的状况

1.结构上的作用

什么是结构上的作用？

结构上的作用是结构产生内力和变形的所有原因

永久作用：在设计基准期内其量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略的作用

可变作用：在设计基准期内其量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用

偶然作用：在设计基准期内不一定出现，而一旦出现其值很大且持续时间很短的作用作用按随时间的变异分类：

作用按随空间位置的变异分类：

固定作用：在结构上具有固定分布的作用

自由作用：在结构上一定范围内可以任意分布的作用

作用按结构的反应特点分类：

静态作用：使结构产生的加速度可以忽略不计的作用

动态作用：使结构产生的加速度不可忽略不计的作用

荷载代表值永久荷载应采用标准值作为代表值

可变荷载应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值

偶然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表值

荷载标准值是荷载的基本代表值

荷载标昏准值荷载标陕准值是想指其在牺结构的呜使用其驴间可能侍出现的最大荷载燥值，该值在统一由设计基直准期最大荷载训概率分布哥的某个分丢位值来确荷载组烤合值荷载组锤合值是结构水承受两蹄种或两灶以上可距变荷载也时，承胜载力极参限状态挥按基本结组合设世计和正瞎常使用艇极限状巾态按标显准组合趣设计采当用的可变荷欠载代表余值荷载频遇备值荷载频续遇值是设计基往准期内荷载达到们和超过该腾值的总持糕续时间与捉设计基准毛期的比值羽小于0.1的荷载就代表值荷载准匀永久值荷载准峰永久值根据在设计基准盖期内荷载达到循和超过该收值的总持兔续时间与雁设计基准闲期的比值皱为0.5确定2.作用效应和结构抗尽力什么是作用效丛应？结构或腾结构构炎件在各沙种作用蔽因素的愉作用下流，将产盾生内力和题变形称为作用滚效应，用S表示什么是结构抗脱力？结构抗亿力是指结构或购结构构宝件承受寨内力和凶变形能看力，用R表示1.设计基争准期和始设计使钱用年限设计基阿准期设计基律准期是裹为确定可变作用及与时间裹有关的材料性斗能取值而赛选定的时间参数设计使惜用年限设计使计用年限甜是设计规定挖的一个期雨限，是计算结构对可靠度的除依据注意：结构设粘计使用西年限不等同醉于其使用省寿命2.极限状态惹方程当Z＞0时，结卵构处于可靠状些态当Z＝0时，结构例达到极限状态当Z＜0时，结构哭处于失效状态Z＝R究－S＝撑g（R供,S）结构功能两函数极限状态挺方程Z＝R-响S＝枯g（R,菠S）＝0一般表伟达式Z＝g（药X1,X2,…,驱Xn）1.结构可靠拍度和失效概率结构的恩可靠性是指结构戏或结构构息件在规定斧的时间透内，在茧规定的亏条件下舞，完成预定结降构功能的能力结构可靠热度是结构可靠性的概率度量S≤R的概率称划为可靠概景率,记为PsS＞R的概率称批为失效概笛率，记为PfPs+Pf=1of(Z)Z失效概姐率pf与可靠担指标β壶的关系结构或申结构构嫁件失效阶的概率功能函援数Z的平均睁值μZ功能函商数Z的标准尿差σZof(R珠)f(S)f(S款)S和R概率密度困曲线结构可靠厘指标β2.目标可靠镜指标和安全等眨级什么是号目标可症靠指标垂？为了使躁结构设烤计既安全可靠句又经济合略理，选择阻的在不肚同情况统下可接受的算可靠指标〔β〕按承载撒力极限屠状态设互计时应体满足或用失效蜻概率表示≥建筑结构轮的安全等动级《标准笨》根据至结构破趴坏可能督产生的后果的严喘重性，将建始筑物划坛分为三个安锅全等级1.分项系数分项系赛数因为（3－1渡）用加拿拔大学者N．C．Lind提出的分咳离方法，珠将（3－1很）等式右边少根号项线姓性化，即(3－2唤)分离系数a当S和R均为正态扩分布，且满寻足1／3＜σR／σS＜3时，如乏果取a＝0.75±0.06，其误差能满足工潮程结构要丙求。将（3－2）式代入（3－1）式得：因为(3－3恋)(3－4治)将（3－粪4）式代入（3－3句）得：将（3－夺5）式移项道整理后趴得设计红表达式(3－些5)(3－甜6)R和S标准值与歉平均值有锯下列关系（3－鞭7）将（3－丧7）式代入（3－6昨）式，并用〔β〕代替β，则可得：式中(3－阀8)2.承载力极坛限状态设计表切达式承载力假极限状料态设计表达耕式式中结构构件期的重要性做系数g0安全等特级为一级或设计贸使用年签限为100年及以上影的结构降构件不荐应小于1.1安全等级王为二级或设计幻玉使用年黑限为50年的结构构摄件不应小妹于1.0安全等纷级为三级或设计使周用年限为5年及以饺下的结构俱构件不枣应小于0.9抗震设竭计中，不考虑应结构构钩件的重榴要性系准数荷载效应杠组合的设酷计值S按承载按力极限埋状态设跳计时:应考虑作刚用效应的基本组妹合必要时尚疾应考虑作亭用效应的偶然组合《荷载规册范》规定S基本组程合应从洞下列组倒合值中无取最不利值确定：1.由可变荷被载效应侄控制的组合对于一般排架、胳框架结浪构，可采用针下列简化送的组合2.由永久荷载断效应控制的组合一般情况牧下可取y＝0.9绵0当只有一姿个可变荷枣载时,取y＝1.貌03.正常使用云极限状态设计表肚达式正常使用医极限状态税设计表达困式Sk荷载效应组合值式中C结构构件微满足正常傲使用要求所规定的秆限值荷载效应乓组合值Sk1.荷载漏效应的标准组允合2.荷玩载效应萝的准永久组神合4.按极限渴状态设被计时材料升强度指滥标材料强度段指标的取钱值原则按承载力极限状态扶设计时，夏材料强度胞指标取设计值按正常使用极限状态逃设计时，若材料强度通指标取标准值《规范》规定董材料强舱度的标准值应不小于95%保证率的粒强度值，即：材料强度爹的设计值钢筋抗公拉强度深标准值有明显屈醉服点的热轧钢步筋是以钢谨材出厂的废品限值作为钢彻筋强度候的标准值,其值保证群率约为97.73%，即相当于平均值盘减去二共倍的标舌准差没有明仆显屈服敲点的钢筋取0.8邻5σb作为钢筋铸强度的标准值混凝土强终度等级根据150淘mm的筝立方体更标准试羡件，按照标准养护蛋和试验方破法测得的具缠有具有95%保证率业的抗压淘强度即（3－9奴）《规范》规定钢筋混恋凝土结军构的混没凝土强面度等级不应低于C15当采用HRB3缎35级钢筋时康，混凝土便强度等级不宜低于C20当采用HRB4墓00和RRB晚400级钢筋疗以及承裤受重复牌荷载的蓝构件，彼混凝土庆强度等絮级不得低于C30当采用走钢绞线苹、钢丝倡、热处托理钢筋劳作预应君力钢筋淘时，混右凝土强团度等级不宜低于C40混凝土图的轴心恰抗压强蓝度标准宿值《规范》隔假定混凝开土的轴心创抗压强度往与相应混授凝土强度爆等级的立照方体强度抛具有相同的栏变异系购数将（3－荡9）代入乎得混凝土胁的轴心浪抗拉强代度标准痕值《规范》吵假定混凝妨土的轴心蹈抗拉强度涛与相应混忽凝土强度获等级的立齐方体强度委具有相同的极变异系叔数将（3—9）式代仗入上式禽可得1.耐久性拦设计要求结构耐惊久性设村计要求混凝土结陕构应能在汇预期的自然和瓶人为环始境的化学和物耐理作用下，脱满足在规贩定的设计工激作寿命肺期内不出现翠无法接槐受的承载力减洒小、使用拾功能降低律和不能接膏受的外观厌破损等耐久性定义结构或竭构件在预定设计察工作寿命尤期内，在正常慌维护条奸件下，不需要进行大俭修即可满足正常使僚用和安汇全功能醉要求影响混凝皆土结构耐浑久性的因聋素混凝土碳化混凝土的碱集料香反应混凝土唇的冻融钢筋锈蚀混凝土裂缝构件表巾面机械磨损消和风化等2.工程实例Det朴eri乘ora情tio饰no怪fR怨ein峰for壮ced宅Co奔ncr爹ete揉Br农idg恶ed佛ue衰to梢Poo聋rD雨ura马bil培ityHig裹hwa银yB互rid成ge挣in吐Ser蜻vic泊eN板ew窄Yor迫kS宾tat遣e,恳US贵州某铝嘴厂－一柱开蹦裂嘉裕关－结构梁腐茎蚀破坏张掖－碱泉村张掖－墙面张掖－高架桥墩青海化工河厂－桥柱青海化工跨厂－桥面护栏团结湖－桥柱沈阳－山鬼海关高速套公路路椽石沈阳－山刚海关高速迹公路冬季撤尼盐沈阳－山弱海关掺入硅枪灰、减贺水剂、饮超细粉楼煤灰的路缘3.耐久性设茧计方法结构耐久钳性设计方探法《规范》主要考虑秒混凝土结借构的工作环渣境和设计使滑用年限这两个参因素进垫行耐久刮性设计伙，即对鸟构件混兔凝土最小保刑护层厚哑度、混虽凝土材载料和裂予缝控制等提出具别体要求4.结构工谱作环境类别结构工作肥环境类别《规范》将混凝土痰结构的工欲作环境分旱为五类5.混凝土翠的要求混凝土践的要求混凝土质技量对结构担耐久性的辆影响主要活取决于混酸凝土的密实性、箭氯离子和记碱的含量等《规范》观规定：用泄于一类、二帝类和三类环境中，设计使蜜用年限摩为50年的结构混碑凝土应符翅合表3—5的要求。表3—5注：1氯离子鼻含量系偏指其占搅水泥用温量的百通分率2预应力构房诚件混凝土煤中的最大氯能离子含幻玉量为0.06续%，最小水泥堪用量为300㎏／m3；最低混涨凝土强装度等级缠应按表蒜中规定提高两懂个等级润；3素混凝抵土构件观的最小类水泥用高量不应籍少于表恐中数值航减25㎏／m3；4当混凝决土中加倦入活性悠掺合料葛或能提花高耐久餐性的外亚加剂时殿，可适谜当降低洋最小水医泥用量倦；5当有可靠佣工程经验会时，处于于一类和二热类环境中拾的最低混窝凝土强度仙等级可降富低一个等嘉级；6当使用膛非碱性档骨料时梦，对混椒凝土中必碱含量戒可不作兄限制。对于一类环境中否，设计璃使用年境限为100年的结享构混凝脊土应符险合下列腔规定：1钢筋混骆凝土结梁构的最诱低混凝项土强度晶等级为芝C30秧；预应显力混凝牙土结构散的最低梳混凝土看强度等您级为C透40；2混凝土中增的最大氯逗离子含量巴为0.06毒%；3宜使用治非碱性似活性骨颠料；当孤使用碱判性活性贩骨料时晋，混凝谊土中的辛最大碱妇含量为3.0㎏／m3；4在使用顾过程中视，应定粥期维护对于二类和三类环境中，脑设计使用惭年限为100年的结爆构混凝饥土应采喝取下列肾有效措羡施：1限制混惧凝土的醒水灰比哀；2适当提勇高混凝胁土的强工度等级3提高混喉凝土的枪抗冻和阀抗渗能恒力；4构件表卵面涂防扰护层使兵构件不炮直接承必受环境遗作用。6.最小保护精层厚度混凝土饼最小保姥护层厚蒸度《规范》对所处一徐、二、三宇类环境中阁，设计使坊用年限为50年的混记凝土结冈构，规精定了最彼小混凝史土保护谈层厚度捐（见附挺表13）对所处摸一类环益境中，就设计使览用年限谷为100年的混凝错土结构，遵混凝土保诊护层厚度辈应按附表13的规定礼增加40%当采取贱有效的聋表面防争护措施俊时，混封凝土保蠢护层厚目度可适钞当减少附表13注：1纵向受团力筋的天混凝土浆保护层室应符合茄附表的嘱规定，秒且不应摸小于钢纺筋的公丹称