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、适用性和耐久性的总称■就是指结构在规定的使用期限内（设计工作寿命=50年），在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护），完成预定结构功能的能力。■结构可靠性越高，建设造价投资越大。如何在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计方法要解决的问题。11■显然这种可靠与经济的均衡受到多方面的影响，如国家经济实力、设计工作寿命、维护和修复等。■规范规定的设计方法，是这种均衡的最低限度，也是国家法律。■设计人员可以根据具体工程的重要程度、使用环境和情况，以及业主的要求，提高设计水准，增加结构的可靠度。■经济的概念不仅包括第一次建设费用，还应考虑维修，损失及修复的费用12◆结构的设计使用年限按规定指标设计的建筑结构或构件，在正常施工、正常使用和维护下，不需进行大修，即可达到按其预定目的使用的时期《建筑结构荷载规范》（GB50009）规定：50年13结构的极限状态◆

结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠”的或“有效”的。反之，则结构为“不可靠”或“失效”。◆区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限状态”14承载能力极限状态

UltimateLimitState超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求◆结构或构件达到最大承载力（包括疲劳）◆结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移）◆结构塑性变形过大而不适于继续使用◆结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰）◆结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）◆结构因局部破坏而发生连续倒塌◆地基丧失承载力而破坏15正常使用极限状态

ServiceabilityLimitState

超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久性的功能要求。◆过大的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、不能正常使用（吊车）等）；◆过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）；◆过大的振动（不舒适）；◆影响正常使用的其它特定状态（如相对沉降量过大等）。16结构的作用、作用效应和结构抗力

作用

使结构或构件产生内力、变形（位移、应变）和裂缝的各种原因的总称

作用分类直接作用：施加在结构或构件上的荷载，如结构自重、楼面上人群及物品重量、风压力、雪压力等间接作用：引起结构强迫变形或约束变形的原因，如地震、地基不均匀沉降、温度变化、混凝土收缩、焊接变形等17

直接作用（荷载）分类

永久荷载（恒荷载）：在设计基准期内其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计。例如，结构自重。

可变荷载（活荷载）：在设计基准期内其值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略。例如，楼面活荷载、桥面或路面上的行车荷载、风荷载、雪荷载、吊车荷载等。

偶然荷载：在设计基准期内出现或不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短，如地震、爆炸、撞击等。18

结构上的作用（使结构产生内力和变形的原因，如荷载、不均匀沉降、温度变形、收缩变形、地震等）引起的效应（内力、变形或裂缝）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)结构力学的主要内容

作用效应S(ActionEffect)

19结构抵抗作用效应（内力和变形）的能力，如受弯承载力Mu、受剪承载力Vu、刚度、抗裂能力等。R=R(fc,fy,A,h0,As,…)本课程的主要内容

结构抗力R(Resistant)

20结构藏功能软函数用来表网示结构透的三种篮工作状末态：当婆，结角构能够碗完成预辣定功能画，处于可靠状态；当问，踢结构筛不能厘完成乎预定薯功能冻，处志于失效状态；当煌，真结构渐处于临界抓极限状态结构晓构件异完成舅预定斜功能劲的工汉作状叨况可识以用异作用兴效应S和结鹊构抗苦力R的关系华来描述翅，称为突结构功数能函数五。结构奸的工嚷作状珠态21荷载酸的代利表值结构设氧计时，孙应根据塌各种极客限状态尼的设计挨要求取体用不同光的荷载扯数值荷载的布标准值洁：结构蜜在设购计基扮准期赏为50年的览期间禾内，曲在正服常情躺况下视可能经出现乖具有闷一定保证率的最大荷载。永久快荷载燥标准衬值，对结行构自重瞧，按结谷构构件铃的设计段尺寸与胖材料单诊位体积的竹自重计鼻算确定可变荷端载标准屡值，按《荷载趁规范》规定捡采用（例早如：猴住宅雅的楼配面使棉用活加荷载帜标准慌值为2.0遮kN/脾m2)荷载镜和材想料强俘度2223可变荷未载组合齿值：当结构喜承受两种晕或两斤种以挖上的可变老荷载时腿，它们悄同时以袜各自的轧最大值漂出现的批可能性举极小。眉此时，饰除其中最大担荷载仍取其标准值外，其他可池变荷载均采用小于1的组合系衫数yc乘以驱相应享的标卵准值粗来表正达其质荷载盐代表淹值2425可变肚荷载宾准永途久值眯：结构上丧经常作确用的可挽变荷载循。与时间有一街定相具关，摊即在姐规定凯的期绸限内哄，具岁有较浓长的趴总持恼续时鼓间，皱对结构的解影响有翼如永久侮荷载的消性能《荷载赠规范》规定副：可睁变荷吉载准都永久姥值是浪以荷群载的部准永辟久值差系数yq与相应的可变鼠荷载标钞准值的美乘积来歪确定262728材料强本度标准益值取值虾原则锦：在帽材料梳强度挖实测好值的垮总体烘中，搁强度燥标准艳值应籍具有党不小招于95％的得保证任率。★钢筋蜘强度酱标准突值fyk★混凝霸土强伶度标阿准值立方劈燕体抗正压强柱度标敏准值fcu,k轴心堂抗压状强度谨标准互值fck抗拉掠强度离标准粱值ftk29结构设重计中的关不确定辈性Un祥de饲te悟rm拉in血ed壁F侮ac姓to哗rs晕i扮n油De物si忽gn★恒载g与构件逼尺寸、衡材料容随重等有旺关★活载q（楼面腔活载扫、雪颂荷载途）的华数值杰是随跨时在脂变化菊的★计算穿跨度l的不准扮确★材料强蕉度fy和fc的离散★截面质尺寸h0和b的施若工误季差不一定歇安全（化可靠）30◆结构的矿失效概蔬率和可膨靠指标由于碑实际骗结构党中的仍不确附定性侄，因钥此无钞论如兽何设查计结誉构，蜘都会挡有失烂效的摸可能断性存肚在，既只是识可能锣性大毯小不畏同而包已。为了科丧学定量亚的表示随结构可乞靠性的稳大小，鞠采用概研率方法算是比较吃合理的杜。失效帆概率丘越小捎，表伞示结总构可缺靠性胁越大遮。因苍此，螺可以友用失括效概哈率来丸定量幼表示少结构批可靠到性的风大小继。结构可币靠性的鸟概率度助量称为结构可躲靠度。当失赠效概攻率Pf小于睡某个朝值时浮，人逮们因鸭结构霞失效悟的可知能性扩很小而而不舱再担啊心，匹即可宇认为始结构伟设计喜是可根靠的宏。该萌失效蛋概率干限值啦称为容许失泰效概率[Pf]。失效母概率Pf=P(S>R)31结构地功能视函数Z=R-SPf=P(S>R)=P(Z<0苏)b

—可靠指标

reliabilityindex32◆根据宣统计凉，触蛋电的观年死扎亡率嘱为6×斥10-6◆b=3愁.7时，Pf=1.例1×1球0-4，按设计阀基准期50年考逗虑，印年失爆效概巩率为1.1今×10-4/5胶0=脂2.皂2×涌10-6◆50年后形并不谨是结烈◆我国对于一般工程结构，当为延性破坏时，其可靠指标取b=3.2，对脆性破坏取b=3.7。◆对于重要的工程结构，应提高可靠指标。33设计可蜓靠指标雅、安全精等级根据怎建筑弄物的弄重要骂性不拦同，学即一惰旦结闭构发贪生破勾坏时饥对生忌命财固（1）破坏木后果很持严重的离重要建莲筑物为仅一级；（2）破吧坏后毯果严件重的蛙一般刑工业揭与民稀用建序筑物府为二赖级；（3）破乏坏后辟果不艇严重兵的次漂要建勺筑物诱为三聚级。34概率州极限节状态慌设计斥法的邪实用陆表达拼式作用效吴应标准夸值Sk◆作用效左应S的不少确定统性就镇主要橡取决社于结如构上殿作用Q的不确艺定性★永久照荷载G★可变知荷载Q◆不同的辜荷载，理其变异钟情况不播同。根就据统计亦分析可功以确定阳一个具石有一定色保证率（如95对%）的上限弯荷载分及位值，家该特征继值称为轻荷载标库准值（符号Gk，Qik）。◆按荷膝载标寨准值腔确定雨的荷违载效零应，晃称为绑荷载宁效应位标准袋值Sk35结构抗睬力标准仅值Rkfck、fsk分别贱为混段凝土衡和钢镇筋的携强度迁标准坏值，艳截面乓尺寸b、h0和配秧Rk的具体表达形式是本课程的主要内容。

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作用效乏应设计童值，gS作用梅效应们分项苍系数结构刑抗力应设计狼值，gR结构每抗力务分项步系数41分项系野数42材料打强度伤设计郑值43g0——结构重夕要性系输数：在狂持久设乐计状况纸和短暂辛设计状国况下，书对安全失等级为盯一级的苗结构构前件不应久小于1.闲1，对安轰全等级艺为二级统的结构架构件不呀应小于1.0，对厌安全鄙等级提为三举级的环结构提构件饭不应炮小于0.希9；对地阻震设计暂状况应龟取1.摸0；按承瞧载能胶力极寸限状处态计吃算实抛用设郊计表富达式对持久设计渐状况督，短暂设计边状况蠢和地震设计巨状况，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荷载效涂应组合当组合欺荷载效糟应由可变伞荷载队控制时基本祥组合当组合祝荷载效促应由永久顷荷载获控制时45类别设计使用年限（年）γL150.9225_3501.041001.1荷载宫调整夸系数γL46例1一简里支梁际，跨膏度l=4m，受永常久线均轨布荷载柴标准值8kN毫/m，受艇可变饺线均脑布荷层载标绩准值6k萍N/难m，跨中尾受可变防集中荷腾载，其这标准值10k课N。该右梁是办重要主的建详筑构撇件，绣安全惭等级石为一袜级，痰设计务使用黑年限50年，求容该梁跨帖中截面太的设计明弯矩值岛。47【练习】对某偿非地僚震区绿的某榆框架笔顶层兴横梁远进行贤内力检分析钟，经遇计算沫知在欧永久忘荷载贸标准闻值、惠屋面活活荷趋载标妻准值庭、风沫荷载阔标准坑值的速分别补作用嚷下，疼该横撞梁梁爪端弯粗矩标层准值壁分别贸为：MGK=2躬0k夜Nm，MLK=6均KN肠m(