混凝土结构设计的基本原则

2023/5/17第三章

混凝土结构基本设计原则2023/5/17本章重点理解结构上的作用、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。2023/5/171.混凝土结构定义与分类结构：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、竖向承重结构、地下承重结构一、结构的功能要求2023/5/172.结构上的作用、作用效应和结构抗力作用直接作用间接作用：指施加在结构上的荷载，如恒荷载、风荷载等：指引起结构外加变形和约束变形的其它作用，如地基沉降、温度变化、混凝土收缩等。作用的分类结构的反应特点分静态作用：使结构产生的加速度可以忽略不计的作用，如自重动态作用：使结构产生的加速度不可忽略的作用，如地震、吊车荷载等一、结构的功能要求2023/5/17一、结构的功能要求按时间变异性分永久作用：在设计基准期内量值基本不变，如自重、土压力等可变作用：在设计基准期内量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、吊车荷载等偶然作用：在设计基准期内不一定出现，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、冲击等按空间位置的变异性分固定作用：在结构上具有固定的分布，如自重、固定设备荷载等可动作用：在结构上一定范围内可任意分布的作用，如人群荷载2023/5/17

作用效应和结构抗力指作用引起的结构或构件的内力、变形和裂缝等指结构或构件承受作用效应的能力，如承载力、刚度和抗裂度等一、结构的功能要求2023/5/173.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的施工误差不一定安全（可靠）!g+q虽设计保证一、结构的功能要求随机变量

2023/5/17一、结构的功能要求2023/5/17一、结构的功能要求结构设计的目的：在一定的经济条件下，使结构在预定的使用期限内能满足设计所预期的各种功能要求，包括安全性、适用性和耐久性。3.结构的功能要求◆安全性Safety

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;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，不致发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。◆适用性Serviceability

结构在正常使用荷载作用下具有良好的工作性。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。可靠性2023/5/17一、结构的功能要求4.结构的可靠性与安全等级

可靠性：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。设计基准期为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数。2023/5/17可靠性：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：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、耐久性预定功能一、结构的功能要求2023/5/17一、结构的功能要求可靠性与经济性相协调安全等级破坏后果建筑物类型一级很严重重要建筑二级严重一般建筑三级不严重次要建筑根据破坏后果的严重性，将建筑物划分为三个安全等级。2023/5/17二、结构的极限状态1.极限状态定义与分类承载能力极限状态：结构或构件达到最大承载能力或不适于承载的过大变形。若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规定的某一功能要求，此状态即为该功能的极限状态。承载能力极限状态和正常使用极限状态。（1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）。（2）结构构件或连接发生材料强度破坏，或因过度变形而不适于继续承载。（3）结构转变为机动体系。（4）结构或构件丧失稳定（如压屈等）。（5）地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）。正常使用极限状态：结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定的限值。（1）影响正常使用或外观的变形。（2）影响正常使用或耐久性能的局部破坏（包括裂缝）。（3）影响正常使用的振动。（4）影响正常使用的其他特定状态。2023/5/17结构的极限状态(limitstate)临界状态正常使用极限状态适用性、耐久性承载能力极限状态安全性二、结构的极限状态2023/5/172、结构的功能函数和极限状态方程

结构构件的工作状态可用包括各有关变量在内的结构功能函数来表达。——极限状态方程

当功能函数中仅包括作用效应和结构抗力两个基本变量时，可得——功能函数

当时，结构处于可靠状态

当时，

当时，结构处于失效状态结构处于极限状态二、结构的极限状态方程和可靠度2023/5/17三、概率极限状态设计法1.结构可靠度和失效概率

作用效应和结构抗力均为随机的，结构满足或不满足其功能要求的事件也是随机的。

结构在规定的时间内、规定条件下，完成预定功能的概率称为可靠概率（Ps），亦称为结构可靠度，是结构可靠性的概率度量；出现不满足功能要求的概率称为失效概率（Pf）。2023/5/17---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三、概率极限状态设计法2023/5/17由于作用效应S和结构抗力R都是随机变量，要绝对保证R总是大于S是不可能的。三、概率极限状态设计法2023/5/17

当结构功能函数中仅有两个独立的随机变量和，且都服从正态分布时，功能函数的概率密度曲线如图所示。

功能函数的概率密度曲线

结构的失效概率可直接通过的概率（图中阴影面积）来表达，即三、概率极限状态设计法2023/5/17

f(Z)bszmzpfZ=R-S2.结构的可靠指标假设R、S相互独立，均服从正态分布，则R、S的统计规律不充分，Pf不易计算，用可靠指标代替均值越大，β越大，结构越可靠；标准差越小，β越大，结构越可靠三、概率极限状态设计法20三23三/5三/3设计三规范三所规三定的三、作三为设三计结三构或三结构三构件三时所三应达三到的三可靠三指标三，称三为设计三可靠三指标，又三称为目标三可靠三指标。3、目标可靠指标结构构件承载能力极限状态的目标可靠指标按正三常使三用极三限状三态设三计时三的可三靠指三标远低三于按承三载能三力极三限状三态设三计时三的可三靠指三标。三、三概三率极三限状三态设三计法20三23三/5三/3将极三限状三态方三程转三化为以基三本变三量（三荷载三和材三料强三度）三代表三值和三相应三的分三项系三数来三表示三的设三计表三达式即可三满足三目标三可靠三指标三。四、三极限三状态三设计三表达三式过于三繁琐实用三设计三表达三式20三23三/5三/3以基三本变三量的代表值和三分项三系数三表达三的概三率极三限状三态设三计表三达式荷载三标准三值可三由设三计基三准期三最大三荷载三概率三分布三的某三一分三位值三确定三。荷载三的标三准值－－三－荷三载基三本代三表值荷载三是随三机变三量，三任何三一种三荷载三都具三有程三度不三同的三变异三性。永久三荷载三标准三值：按结三构设三计规三定的三尺寸三和材三料容三重确三定。Gk可变三荷载三标准三值各类可变荷载标准值及各种材料容重可由《荷载规范》查取。Qk楼面三：≥2KN三/m2屋面三：不上三人0.三5K三N/三m2上人2.三0K三N/三m2屋顶三花园3.三0K三N/三m2四、三极限三状态三设计三表达三式1.荷载三代表三值：标准三值、三设计三值、三准永三久值三和组三合值三等20三23三/5三/3四、三极限三状态三设计三表达三式荷载三设计三值与三荷载三分项三系数在承载三能力三极限三状态设计三中，三为充三分考三虑荷三载的三离散三性及三计算三内力三时进三行简三化所三带来三的不三利影三响，三需对三荷载三标准三值乘以一个三大于1.三0的系三数，三称为荷载三分项三系数。设计三时，三查得三荷载三标准三值，三并乘三以荷三载分三项系三数作三为设三计的三荷载三取值三（荷载三的设三计值），三进行三内力三计算三和截三面设三计。荷载三设计三值＝三荷载三标准三值×荷载三分项三系数20三23三/5三/3在正常三使用三极限三状态计算三中，三要考三虑荷三载长期三效应的影三响。可变三荷载时有三时无三，时三大时三小，三但若三达到三或超三过某一三值的可三变荷三载出三现次三数较三多、三持续三时间三较长三，以三致其三累计三的总三持续三时间三与整三个设三计基三准期三的比三值已三达到三一定三值（三一般三取为0.三5），三则该三值便三称为三荷载三准永三久值三。荷载三的准三永久三值四、三极限三状态三设计三表达三式

可变荷载的准永久值记为，为准永久值系数，小于等于1.0。荷载三的组三合值

可变荷载的组合值记为，是当结构承受两种或两种以上可变荷载时，设计采用的一种可变荷载代表值，为荷载组合系数。20三23三/5三/3强度三标准三值四、三极限三状态三设计三表达三式2.材料三强度三的取三值：标三准值三和设三计值材料三强度三标准三值应三根据三符合三规定三质量三的材三料强三度的三概率三分布三的某三一分三位值三确定三。一三般取三具有95％保三证率三的材三料强三度值三。－－三－材三料强三度基三本代三表值20三23三/5三/3为充三分考三虑材三料的三离散三性和三施工三中不三可避三免的三偏差三所带三来的三不利三影响三，将三强度三标准三值除以一个三大于1.三0的系三数，三这个三系数三称为材料三分项三系数，得三到的三强度三即为强度三设计三值。四、三极限三状态三设计三表达三式强度三设计三值20三23三/5三/3偶然三状况短暂三状况建筑三结构三设计三时，三应根三据结三构在三施工三和使三用中三的环三境条三件和三影响三，区三分下三列三三种设三计状三况：持久三状况在结三构使三用过三程中三一定三出现三，持三续时三间较三长的三状况在结三构施三工和三使用三过程三中出三现概三率较三大，三而与三设计三使用三年限三相比三持续三时间三很短三的状三况在结三构使三用过三程中三出现三概率三很小三，且三持续三期很三短的三状况均应三进行三承载三能力三极限三状态三设计三；对三持久三状况三，尚三应进三行正三常使三用极三限状三态设三计；三对短三暂状三况，三可根三据需三要进三行正三常使三用极三限状三态设三计——————3.结构三的设三计状三况四、三极限三状态三设计三表达三式20三23三/5三/3计算三荷载三效应S时，三取足三够大三的荷三载值三，多三种荷三载同三时作三用时三考虑三荷载三的合三理组三合；在计三算结三构的三抗力R时，三取足三够低三的强三度指三标；对安三全等三级不三同的三建筑三结构三，采三用一三个重要三性系三数进行三调整三。四、三极限三状态三设计三表达三式4.承载三能力三极限三状态三设计三表达三式20三23三/5三/3四、三极限三状态三设计三表达三式γ0——结构三构件三的重三要性三系数三。安三全等三级为三一级三，不三小于1.三1，二三级，三不小三于1，三三级，三不小三于0.三9。S——承载三能力三极限三状态三的荷三载效三应（三内力三）组三合的三设计三值。R——结构三构件三的承三载力三设计三值。fs、fc——钢筋三、混三凝土三的强三度设三计值。ak——几何三参数三的标三准值。20三23三/5三/3γG——永久三荷载三分项三系数三，当三荷载三对承三载力三不利三时对三由可三变荷三载效三应控三制的三组合三取1.三2，对三由永三久荷三载控三制的三组合三取1.三35；有三利时三，不三应大三于1.三0。γQ1、γQi——第一三个和三第i个可三变荷三载分三项系三数，三当荷三载对三承载三力不三利时三取1.三4；有三利时三，取0。SQi三k——第i个可变三荷载三标准三值的三效应。SQ1三k——在基三本组三合中三其控三制作三用的三一个三可变三荷载三标准三值的三效应。SQik——第i个可变荷载的组合系数，不应大于1.0；对于式（2）一般取0.9，若只有一个可变荷载取1.0。四、三极限三状态三设计三表达三式荷载三效应三组合基本三组合SGk——永久三荷载三标准三值的三效应。由可三变荷三载控三制的三组合由永久荷载控制的组合20三23三/5三/3四、三极限三状态三设计三表达三式偶然三作用三的代三表值三不乘三分项三系数三；与三偶然三作用三同时三出现三的可三变荷三载，三应根三据观三测资三料和三工程三经验三采用三适当三的代三表值三。具三体的三设计三表达三式及三各种三系数应符三合专三门规三范的三规定。例三如，三当考三虑地三震作三用时三，应三按《建筑三抗震三设计三规范》G三B5三00三11确定三。偶然三组合荷载三效应三组合20三23三/5三/3C——结构三构件三达到三正常三使用三要求三所规三定的三限值。达到三或超三过正三常使三用极三限状三态的三危害三较承三载力三不足三小，三可降三低要三求：三对于三荷载三与材三料强三度均三采用标准三值（不三需乘三荷载三分项三系数三或除三材料三分项三系数三），三也不三再考三虑结三构的三重要三性系三数。四、三极限三状态三设计三表达三式5.正常三使用三极限三状态三设计三表达三式验算三构件三的变形三、抗三裂度三或裂三缝宽三度。Sd——正常三使用三极限三状态三的荷三载效三应（三变形三、裂三缝和三应力三等）三组合三值。20三23三/5三/3标准三组合频遇三组合三：准永三久组三合－－三－短三期荷三载效三应组三合－－三－长三期荷三载效三应组三合可变三荷载三的准三永久三值系三数可变三荷载三的频三遇值三系数四、三极限三状态三设计三表达