第九章-结构设计理论和桥梁设计规范概要课件

第九章 结构设计理论与桥梁设计规范9/23/20231李亚东：《桥梁工程概论》第九章桥梁设计规范（简称桥规）－是一种标准，而这个标准是专门用来判别各具体桥梁是否安全和适用的桥规特点之一－并不是一成不变的，它需要随着桥梁设计与施工水平的提高而时常修订本章内容结构设计方法的演进极限状态设计对桥规的特征和内容第一节 结构设计方法的演进9/23/20232李亚东：《桥梁工程概论》第九章结构的功能要求能承受正常施工和使用时可能出现的各种荷载（安全性）在正常使用期间具有良好的工作性能（适用性）在使用期内材料不发生严重的损伤（材料耐久性）在偶然事件发生时，能保持必要的稳定性而不至于彻底破坏（特殊安全性）可靠性－安全性，适用性，耐久性可靠度－衡量结构可靠性的指标安全性与安全度第一节 结构设计方法的演进（续）结构设计的基本内容作用与作用效应（结构分析）材料与抗力设计结构可靠性分析作用作用效应构件抗力材料结构可靠性分析9/23/20233李亚东：《桥梁工程概论》第九章结构设计方法的演进基于试验和经验的方法19世纪中叶之前，结构分析方法还处于萌芽阶段可以回答构件在破坏时的荷载安全系数K1，即o

由于历史条件和认识上的局限，不可能采用试验方法解决所有可能出现的问题10/2/20234李亚东：《桥梁工程概论》第九章结构设计方法的演进（续）10/2/20235李亚东：《桥梁工程概论》第九章容许应力法传统设计方法（1826年提出），已沿用了100余年视材料为理想弹性体，用线弹性理论方法，算出结构在荷载下的应力，要求构件截面上任一点的应力σ，不超过材料的容许应力[σ]，即σ

≤[σ]；[σ]=σy

/K

；或[σ]=σb

/K

；安全系数K

>1容许应力法为促进桥梁工程的发展作出了巨大贡献基础：结构分析理论，材料及构件试验，荷载测试三点不足：难以仅用容许应力来防止桥梁其它破坏状态的出现用单一安全系数来考虑不同性质的荷载是不合适的安全系数主要是凭经验和判断确定的结构设计方法的演进（续）10/2/20236李亚东：《桥梁工程概论》第九章破坏阶段法20世纪30年代由前苏联学者提出设计原则－结构构件达到破坏阶段时的设计承载能力不低于荷载产生的构件内力S乘以安全系数K，即KS

≤

R以截面内力（而不是截面应力）为考察对象凭计算确定荷载安全系数具有补充性质，未能自成体系极限状态设计法10/2/20237李亚东：《桥梁工程概论》第九章极限状态的定义和分类定义（前苏联学者50年代初提出）：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，则此特定状态称为该功能的极限状态承载能力（或破坏）极限状态结构或其一部分作为刚体失去平衡（倾覆、滑移）；构件或其连接因材料强度不足而破坏（包括疲劳破坏），或因过度的塑性变形而不适于继续承载；结构转变为机动机构；结构或其构件丧失稳定（压溃）极限状态设计法（续）10/2/20238李亚东：《桥梁工程概论》第九章极限状态的定义和分类正常使用（或运营）极限状态影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或材料耐久性能的局部破坏（包括裂缝）；影响正常使用的振动；影响正常使用的其它特定状态破坏−安全极限状态局部破坏转变为机动体系；局部破坏结构的关键部位（因材料强度超限）；局部破坏结构的构件，丧失弹性平衡的稳定性，或作为刚体失稳；局部破坏构件的一部分或整体，丧失刚体平衡的稳定性极限状态设计法（续）极限状态法的特点第一次明确提出结构“极限状态”的概念，并规定了各种极限状态及其内涵将单一的安全系数转化成多个（一般为3个）系数，分别用于考虑荷载、荷载组合和材料等的不定性影响在某些设计参数的取值上引入概率和统计数学的方法例子（公路桥规）Δd

ΔL只解决了容许应力法的前两点不足10/2/20239李亚东：《桥梁工程概论》第九章概率（极限状态）设计法10/2/202310李亚东：《桥梁工程概论》第九章发展20世纪20~30年代，德国和前苏联学者就曾提出过将概率论用于阐述结构安全性的建议；40年代，美国学者提出了结构失效概率这一概念；50年代，前苏联提出以极限状态法为特征的结构设计规范；70年代，国际标准化组织（ISO）和国际结构安全度联合委员会各自发表了旨在作为范本的基于结构可靠性理论的设计原则；从70年代末起，世界上许多国家均采用结构可靠性理论来指导新一轮结构设计规范的修订。从70年代后期起，我国土木工程界也逐步开始了结构可靠性理论研究和设计规范修订工作。1992年发布了《工程结构可靠度设计统一标准》概率（极限状态）设计法代表着结构设计理论的发展趋势和当代水平。三个层次－工程结构：第一层次；行业统一标准：第二层次；行业内各具体标准：第三层次设计原则10/2/202311李亚东：《桥梁工程概论》第九章方法特征－以极限状态作为结构的设计状态，以概率论方法处理结构的可靠性问题设计准则－对于规定的极限状态，荷载引起的荷载效应大于抗力的概率（称为失效概率PF）不应超过规定的限值[PF]，即PF

<[PF

]可靠指标－为便于运算，引入描述结构可靠程度的指标β来代替失效概率PF。这样，就要求所设计结构的可靠度指标β应大于目标可靠度指标[β]，即β

>[

β

]采用了统一的的指标（PF或β）来描述结构的安全水平，具有可比性，避免了容许应力法的第3点不足目标可靠度指标[β

]－与社会的、经济的和技术的众多因素有关，形式上或名义上的，不能看作是结构真实的失效概率概率设计法的三个水准10/2/202312李亚东：《桥梁工程概论》第九章水准I——半概率法。特点是：对某些参数的取值进行数理统计分析对结构的可靠指标或可靠概率，还不能作出定量估计。简单，实用，符合于工程习惯，容易在工程界推广水准II——近似概率法。特点是：用结构失效概率PF或可靠度指标β来度量结构的可靠度，用数理统计方法确定各基本变量的概率分布及其参数；通过校准以确定目标可靠指标[β]；因在可靠度计算中引入了一些近似、假定和简化，故称之为近似概率法水准III——全概率法。特点是：对基本变量采用随机变量或随机过程描述，对全结构都采用精确的概率分析，求得结构的最优失

效概率作为可靠度的直接度量。限于对影响结构可靠性的因素和

规律的掌握还不够充分，对基本变量的统计信息掌握还不够充足，目前全概率法离实用还有相当距离，仍处于研究阶段第三节 桥规的特点和内容10/2/202313李亚东：《桥梁工程概论》第九章桥规的特点具体性，其内容是与人的认识和经验分不开的局限性，适用范围有限发展性，随着科技的进步和桥梁工程的发展，其内容也是在不断发展和更新成熟与精炼，其条文是在总结已有成熟经验（包括理论和试验成果）的基础上，进行简化并提炼出来的严肃性，一经批准颁布执行，就成为政府文件，必须严肃对待第三节 桥规的特点和内容（续）10/2/202314李亚东：《桥梁工程概论》第九章桥规的基本内容荷载及荷载组合结构内力分析方法材料和工艺杆件及连接的抗力杆件及连接的验算方法构造规定其他铁路桥涵设计规范（TBJ2−85）10/2/202315李亚东：《桥梁工程概论》第九章三次修订－第一次修订（1971~74年）；第二次修订（1979~83年）；第三次修订（从1985年起）内容－1.总则、2.桥涵布置、3.设计荷载、4.钢结构、5.

钢筋混凝土结构、6.

预应力混凝土结构、7.

混凝土和石结构、8.墩台、9.拱桥、10.涵洞、11.既有线顶进桥涵、12.地基和基础等十二章和21个附录组成公路桥涵设计规范（合订本）10/2/202316李亚东：《桥梁工程概论》第九章在70年代和80年代有过两次大的修订工作5本规范（85~89年先后颁布执行）组成的规范合订本公路桥涵设计通用规范（JTJ021-89）公路砖石及混凝土桥涵设计规范（JTJ022-85）公路钢筋混凝土和预应力混凝土桥涵设计规范（JTJ023-85）公路桥涵地基与基础设计规范（JTJ024-85）公路桥涵钢结构及木结构设计规范按概率极限状态法修订规范的工作仍在进行之中英国桥规BS540010/2/202317李亚东：《桥梁工程概论》第九章BS5400（钢桥、混凝土桥及结合桥）是世界上有代表性的一本桥梁设计规范（半概率法），整套文件由下列各篇组成：第一篇 总则（1978年公布）第二篇 荷载规范（1978年公布）第三篇 钢桥设计实用规则（1982年公布）第四篇 混凝土桥设计实用规则（78年公布，84年第二版）第五篇 结合桥设计实用规则（1979年公布）第六篇 钢材及工艺规范（1980年公布）第七篇 混凝土、钢筋及预应力筋材料及工艺规范（

1978

年公布）第八篇关于混凝土、钢筋及预应力筋材料及工艺的意见（1978年公布）第九篇 桥梁支座（1983年公布）第十篇 疲劳设计实用规则（1980年公布，1999年第二版）美国公路桥梁设计规范（1994年版）10/2/202318李亚东：《桥梁工程概论》第九章AASHTO（American

Association

of

State

Highwayand

Transportation

Officials）美国各州公路和运输工作者协会修订－1931年初版，大约每隔4年修订一次名称－AASHTO

LRFD

Bridge

Design

Specifications,First

Edition

1994，LRFD－Load

andResistanceFactor

Design荷载与抗力系