3结构设计基本原理课件

第3章结构设计基本原理本章主要内容与重点主要内容：结构可靠度及结构设计方法荷载和材料强度的取值概率极限状态设计法极限状态设计表达式重点：第2章结构设计基本原理结构可靠度及结构设计方法荷载和材料强度的取值概率极限状态设计法第2章结构设计基本原理

2.1结构可靠度及结构设计方法1结构上的作用和作用效应结构上的作用是指施加在结构上的集中力或分布力，以及引起结构外加变形或约束变形的原因（地震、基础差异沉降、温度变化、混凝土收缩等）。

（1）按随时间的变异可分为三类：永久作用可变作用偶然作用

结构上的作用可按下列性质分类：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不计的作用。如结构自重、土压力、预应力、地基沉降、焊接等。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。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。如楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、温度变化等。如爆炸力、撞击力、罕遇的地震等。————————————第2章结构设计基本原理

2.1结构可靠度及结构设计方法

（2）按随空间位置的变异可分为二类：固定作用自由作用1结构上的作用和作用效应在结构上具有固定分布的作用。其特点是在结构上出现的空间位置固定不变，但其量值可能具有随机性。在结构上一定范围内可以任意分布的作用。如房屋建筑楼面上位置固定的设备荷载、屋盖上的水箱等。如楼面的人员荷载、吊车荷载等。————————第2章结构设计基本原理

2.1结构可靠度及结构设计方法静态作用动态作用

（3）按结构的反应特点可分为二类：

上述各种作用作用在结构或结构构件上，由此在结构内产生的内力和变形（如轴力、剪力、弯矩以及挠度、转角和裂缝等）称为作用效应。使结构产生的加速度可以忽略不计的作用。使结构产生的加速度不可忽略不计的作用。在结构分析时一般均应考虑其动力效应。如结构自重、住宅或办公楼的楼面活荷载如吊车荷载、地震作用、大型动力设备的作用、高耸结构上的风荷载等。————————1结构上的作用和作用效应作用分：◆直接作用：荷载(如永久荷载又称恒载、可变荷载又称活载等)◆间接作用：混凝土的收缩温度变化基础的差异沉降地震等施加在结构上的集中力或分布力称为直接作用。引起结构外加变形和约束变形的其他作用称为间接作用。第2章结构设计基本原理

2.1结构可靠度及结构设计方法2结构抗力结构抗力是指整个结构或结构构件承受作用效应（即内力和变形）的能力。影响抗力的主要因素有：材料性能的不确定性几何参数的不确定性计算模式的不确定性强度、变形模量等——构件尺寸等——抗力计算所采用的基本假设和计算公式不够精确等——第2章结构设计基本原理2.1结构可靠度及结构设计方法3结构可靠性及可靠度结构可靠性(结构的安全性、适用性、耐久性之总和)是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。结构可靠度就是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。即结构可靠度是结构可靠性的概率度量。规定的时间是指设计使用年限。规定的条件是指正常设计、正常施工和正常使用的条件。预定功能指满足结构的安全性、适用性和耐久性要求。第2章结构设计基本原理2.1结构可靠度及结构设计方法4设计使用年限和设计基准期设计使用年限是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期，即结构在规定的条件下所应达到的使用年限。设计使用年限的概念不同于实际寿命、耐久年限或设计基准期。《建筑结构可靠度设计统一标准》规定了各类建筑结构的设计使用年限。类别设计使用年限（年）示例15临时性结构225易于替换的结构构件350普通房屋和构筑物4100纪念性建筑和特别重要的建筑物

设计使用年限分类设计基准期指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。《统一标准》规定设计基准期为50年。第2章结构设计基本原理2.1结构可靠度及结构设计方法5结构的安全等级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。安全等级破坏后果建筑物类型一级很严重重要的房屋二级严重一般的房屋三级不严重次要的房屋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。第2章结构设计基本原理2.1结构可靠度及结构设计方法6混凝土结构构件设计计算方法容许应力法：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：明确规定结构按二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—全概率法第2章结构设计基本原理2.2荷载和材料强度的取值1荷载的统计特性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。永久荷载——正态分布可变荷载——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。——极值Ⅰ型分布第2章结构设计基本原理2.2荷载和材料强度的取值2荷载标准值

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。荷载标准值的概率含义

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。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第2章结构设计基本原理2.2荷载和材料强度的取值3材料强度的变异性及统计特性

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

混凝土强度——

正态分布某钢厂钢材屈服强度统计资料

某预制构件厂对某工程所作试块的统计资料第2章结构设计基本原理2.2荷载和材料强度的取值

4材料强度标准值

钢筋和混凝土的强度标准值是钢筋混凝土结构按极限状态设计时采用的材料强度基本代表值。材料强度标准值应根据符合规定质量的材料强度的概率分布的某一分位值确定。

材料强度标准值的概率含义

钢筋强度标准值

混凝土的强度标准值具有95%保证率的强度值具有不小于95%保证率的强度值————第2章结构设计基本原理

2.3概率极限状态设计法

3.1.3混凝土结构的极限状态设计应包括：

1承载能力极限状态：结构或结构构件达到最大承载力、出现疲劳破坏或不适于继续承载的变形，或结构的连续倒塌；2正常使用极限状态：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。极限状态分为两类：承载能力极限状态正常使用极限状态——安全性——适用性、耐久性通常对结构构件先按承载能力极限状态进行承载能力计算，然后根据使用要求按正常使用极限状态进行变形、裂缝宽度或抗裂等验算。第2章结构设计基本原理

2.3概率极限状态设计法2结构的设计状况建筑结构设计时，应根据结构在施工和使用中的环境条件和影响，区分下列三种设计状况：持久状况短暂状况偶然状况在结构使用过程中一定出现，持续时间较长的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时间很短的状况在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的状况均应进行承载能力极限状态设计；对偶然状况，允许主要承重结构因出现设计规定的偶然事件而局部破坏，但其剩余部分具有在一段时间内不发生连续倒塌的可靠度；对持久状况，尚应进行正常使用极限状态设计；对短暂状况，可根据需要进行正常使用极限状态设计——————地震状况第2章结构设计基本原理

2.3概率极限状态设计法3结构的功能函数和极限状态方程按极限状态方法设计建筑结构时，要求所设计的结构具有一定的预定功能，这可用包括各有关变量在内的结构功能函数来表达，即——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——功能函数结构所出的状态第2章结构设计基本原理

2.3概率极限状态设计法4结构的失效概率由于作用效应和结构抗力都是随机变量或随机过程，因此要绝对地保证总是大于是不可能的。由图可见，在多数情况下，大于。但是，由于和的离散性，在它们概率密度曲线的重叠区（阴影段内）仍有可能出现小于的情况，这种可能性的大小用概率来表示就是失效概率。

和的概率密度曲线第2章结构设计基本原理

2.3概率极限状态设计法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4结构的失效概率第2章结构设计基本原理

2.3概率极限状态设计法5结构构件的可靠指标令则由上式可见，与具有数值上的对应关系，也具有与相对应的物理意义。越大，就越小，即结构越可靠，故称为可靠指标。当仅有作用效应和结构抗力两个基本变量且均按正态分布时，结构构件的可靠指标可按上式计算；当基本变量为非正态分布时，结构构件的可靠指标应以结构构件作用效应和抗力当量正态分布的平均值和标准差按上式计算。第2章结构设计基本原理

2.3概率极限状态设计法7设计可靠指标设计规范所规定的、作为设计结构或结构构件时所应达到的可靠指标，称为设计可靠指标，它是根据设计所要求达到的结构可靠度而取定的，所以又称为目标可靠指标。设计可靠指标，理论上应根据各种结构构件的重要性、破坏性质（延性、脆性）及失效后果，用优化方法分析确定。限于目前统计资料不够完备，并考虑到标准规范的现实继承性，一般采用“校准法”确定。所谓“校准法”，就是通过对原有规范可靠度的反演计算和综合分析，确定以后设计时所采用的结构构件的可靠指标。根据“校准法”的确定结果，《统一标准》给出了结构构件承载能力极限状态的可靠指标。第2章结构设计基本原理

2.3概率极限状态设计法破坏类型安全等级一级二级三级延性破坏3.73.22.7脆性破坏4.23.73.2结构构件承载能力极限状态的设计可靠指标结构构件正常使用极限状态的设计可靠指标，根据其作用效应的可逆程度宜取0～1.5。7设计可靠指标第2章结构设计基本原理

2.4极限状态设计表达式1承载能力极限状态设计表达式按荷载效应的基本组合或偶然组合，采用下列极限状态设计表达式：——结构重要性系数；——结构构件的承载力设计值；结构构件的承载力函数；——混凝土、钢筋的强度设计值；————混凝土、钢筋的强度标准值；——结构构件的材料系数；几何参数的标准值；——荷载效应组合的设计值。——第2章结构设计基本原理

2.4极限状态设计表达式

材料分项系数：考虑材料的离散性和施工中不可避免的偏差带来的不利影响。

材料强度设计值：材料强度标准值除以材料分项系数。确定钢筋和混凝土材料分项系数时，对于具有统计资料的材料，按设计可靠指标通过可靠度分析确定；对统计资料不足的情况，则以工程经验为主要依据，通过对规范(TJ10-74）结构构件的校准计算确定。基本组合一、荷载组合

可变荷载控制的组合（又称1.2组合）承载能力极限状态第2章结构设计基本原理

2.4极限状态设计表达式

荷载分项系数：调整荷载标准值使结构可靠度趋于相同。荷载分项系数是根据下述原则优选确定的。即在各项荷载标准值已给定的条件下，对各类结构构件在各种长期的荷载效应比值和荷载效应组合下，用不同的分项系数值，按极限状态设计表达式设计各种构件并计算其所具有的可靠指标，然后从中选取一组分项系数，使按此设计所得的各种结构构件所具有的可靠指标与规定的设计可靠指标之间在总体上差异最小。

荷载设计值：荷载分项系数与荷载代表值的乘积。

荷载组合值系数：考虑各可变荷载最大值在同一时刻出现的概率很小，若设计中仍采用各荷载效应设计值叠加，则可能造成结构可靠度不一致，因而必须对可变荷载设计值再乘以调整系数，即荷载组合值系数。

荷载组合值：可变荷载标准值乘以荷载组合值系数。1承载能力极限状态设计表达式基本组合一、荷载组合

永久荷载控制的组合（又称1.35组合）荷载组合的效应设计值基本组合二、荷载效应组合

可变荷载控制的组合（又称1.2组合）基本组合二、荷载效应组合

永久荷载控制的组合（又称1.35组合）第2章结构设计基本原理

2.4极限状态设计表达式

偶然组合：荷载效应组合的设计值宜按下列规定确定：偶然荷载的代表值不乘分项系数；与偶然荷载同时出现的其他荷载可根据观测资料和工程经验采用适当的代表值。标准组合正常使用极限状态频遇组合第2章结构设计基本原理

2.4极限状态设计表达式

可变荷载的频遇值：

可变荷载的准永久值：在设计基准期内，其超越的总时间为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值。可由可变荷载的频遇值系数乘以可变荷载标准值求得。在设计基准期内，其超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值。可由可变荷载的准永久值系数乘以可变荷载标准值求得。2正常使用极限状态设计表达式准永久组合3.5耐久性设计

3.5.1混凝土结构应根据设计使用年限和环境类别进行耐久性设计，耐久性设计包括下列内容：1确定结构所处的环境类别；2提出材料的耐久性质量要求；3确定构件中钢筋的混凝土保护层厚度；4满足耐久性要求相应的技术措施；5在不利的环境条件下应采取的防护措施；6提出结构使用阶段检测与维护的要求。注：对临时性的混凝土结构，可不考虑混凝土的耐久性要求。

新增条文。条文说明：

耐久性设计按正常使用极限状态控制，表现为：钢筋混凝土构件表面出现锈渍或锈胀裂缝；预应力筋开始锈蚀；结构表面混凝土出现可见的耐久性损伤（酥裂、粉化等）。耐久性引起的材料劣化进一步发展，还可能引起构件承载力破坏，甚至结构倒塌。

由于影响混凝土结构材料性能劣化的因素复杂，规律不确定性很大，目前一般建筑结构的耐久性只能采用经验性的方法解决。根据调查研究及国情，参考现行国家标准《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T50476的规定，并考虑房屋混凝土结构的特点加以简化和调整，本规范规定了混凝土结构耐久性定性设计的基本内容。3.5.2

混凝土结构的环境类别划分应符合表3.5.2的要求。

表3.5.2混凝土结构的环境类别

环境类别条件一室内干燥环境；(室内正常环境）无侵蚀性静水浸没环境二a室内潮湿环境；非严寒和非寒冷地区的露天环境；非严寒和非寒冷地区与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境；严寒和寒冷地区的冰冻线以下与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境二b干湿交替环境；水位频繁变动环境；严寒和寒冷地区的露天环境；严寒和寒冷地区冰冻线以上与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境三a严寒和寒冷地区冬季水位变动区环境；受除冰盐影响环境；（使用除冰盐的环境；海滨室外环境）海风环境三b盐渍土环境；受除冰盐作用环境；海岸环境四海洋环境（海水环境）五受人为或自然的侵蚀性物质影响的环境注：1室内潮湿环境是指构件表面经常处于结露或湿润状态的环境；

2严寒和寒冷地区的划分应符合国家现行标准《民用建筑热工设计规范》GB50176的有关规定；

3海岸环境和海风环境宜根据当地情况，考虑主导风向及结构所处迎风、背风部位等因素的影响，由调查研究和工程经验确定；

4受除冰盐影响环境为受到除冰盐盐雾影响的环境；受除冰盐作用环境指被除冰盐溶液溅射的环境以及使用除冰盐地区的洗车房、停车楼