第2章结构按极限状态法设计计算的原则课件

第2章结构按极限状态法设计计算的原则概率设计按精确程度可分三个水准：半概率近似概率（我国）全概率最优失效概率经过大量的试验，用统计方法确定各个变量的规律，确定结构的失效概率，来度量结构的可靠性，用：

结构的可靠性理论作为基础的概率极限状态设计法作为现行公路工程设计的总原则。第一节概率极限状态法设计的基本概念一、结构的可靠性与可靠度任何一个建筑物在规定的使用期限内都应满足安全、适用、耐久三个方面的功能要求：（一）安全性：在正常施工和正常使用条件下，承受可能出现的各种功能的能力，以及各种偶然事件发生时和发生后，仍能保持必要的整体性而不至倒塌的能力。（二）适用性：结构在正常使用条件下具有良好工作的性能。（三）耐久性：结构在正常维护条件下，随时间变化仍能满足功能要求的能力。

安全性、适用性、耐久性这三者可以统称为结构的可靠性（Reliability），即：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。可靠性用可靠度（Degree

of

Reliability），来进行数量描述，即：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。规定的时间一般是指设计基准期，我国现行公路桥规规定桥梁的设计基准期（DesignReferencePeriod）为100年。规定的条件一般是指正常设计、正常施工和正常使用条件。

二、结构的极限状态（StructualLimitState）结构或构件能够满足设计规定的某一功能要求的一种特定临界状态。极限状态主要分为两类：1、承载能力极限状态（UltimateLimitState）2、正常使用极限状态（ServiceabilityLimitState）

1、承载能力极限状态：

结构或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。主要表现：（1）构件或连接的材料强度超过破坏，过度塑性变形；（2）整个结构或其部分作为刚体失衡，如侧移、倾覆等；（3）结构体系变为机动体系；（4）结构或构件失稳，如压屈等。

2、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限值。主要表现：（1）影响正常使用或外观的变形；（2）影响正常使用或耐久性的局部损坏（包括裂缝）；（3）影响正常使用的震动；（4）影响正常使用的其它状态，如渗漏、腐蚀、冻害等。

★设计时是先按承载能力极限状态设计构件，再按正常使用极限状态进行验算。★三、结构的抗力以及功能函数1、结构的抗力（Resistance）结构或构件承受作用效应的能力。

2、结构的功能函数（Function）若R为结构抗力，S为作用效应，则功能函数Z=g（R、S）。Z=R–S，就是最简单的功能函数，随条件的变化，Z有三种可能性：（1）Z=R-S>0，结构抗力大于作用效应，即结构可靠；（2）Z=R-S<0，结构抗力小于作用效应，即结构失效；（3）Z=R-S=0，结构抗力等于作用效应，即处于极限状态。因此可以看出，结构安全可靠的基本条件是：Z≥0或R≥S。

第二节我国现行公路桥规的计算原则一、三种设计状况1、持久状况，对应桥梁的使用阶段，进行承载能力极限状态和正常使用极限状态的计算；2、短暂状况，对应桥梁的施工阶段，一般只进行承载能力极限状态的计算；3、偶然状况，对于桥梁在使用过程中可能出现的偶然状况，如地震等，其出现概率极小，持续时间短，只需进行承载能力极限状态的计算。二、承载能力极限状态计算表达式1、结构的重要性系数γ0公路桥规按不同的安全等级进行设计，以体现不同情况桥涵的可靠度差异，如表：

安全等级破坏后果桥涵类型结构重要性系数γ0一级很严重特大桥、重要大桥1.1二级严重大桥、中桥、重要小桥1.0三级不严重小桥、涵洞0.9公路桥涵结构的安全等级2、承载能力极限状态计算表达式

γ0——结构重要性系数，对结构安全等级分为一、二、三级，分取1.1、1.0、0.9；Sd——承载能力极限状态设计的荷载效应组合（即作用效应）的设计值；R——结构构件的承载力（即抗力）设计值；R()——结构构件的承载力函数；

fd

——分别为混凝土、钢筋的强度设计值；

ad

——几何参数标准值，当几何参数的变异性对结构性能有明显不利的影响时，可另增减一个附加值。2、承载能力极限状态计算表达式

二、持久状况正常使用极限状态设计表达式按正常使用极限状态设计时，应验算结构构件的应力、变形、抗裂度或裂缝宽度。由于结构构件达到或超过正常使用极限状态时，其危害程度上不足以引起结构大规模的破坏，因此对它的可靠度，设计时应该适当的降低。按正常使用极限状态设计时，采用下列极限状态表达式：C1——结构构件达到正常使用要求所规定的限值，例如变形、裂缝等限值；S——正常使用极限状态荷载效应（变形、裂缝等）组合。S≤C1第三节材料强度的取值一、材料强度指标的取值原则1、材料性能标准值fk（CharacteristicValue）材料性能标准值是极限状态设计表达式中所取材料性能的基本代表值。由于材料的离散性，同一等级的混凝土的实际强度并不完全一致，它构成一种分布——正态分布（如下图），可有两个特征值——平均值μf

和标准差σf来确定反映其分布特性。

混凝土强度标准值取实测值概率分布0.05分位数确定。可用下式表达：fk

——材料强度标准值；μf

——材料强度统计平均值；σf

——材料强度标准差；δf

——材料强度变异系数，δf=σf

/μf

。γfc——材料分项系数根据经验取值，规范中混凝土取1.45。2、材料强度的设计值fd（DesignValue）材料强度的设计值是材料标准强度除以材料性能的分项系数后的值，如下：二、混凝土强度标准值和强度设计值1、混凝土立方体抗压强度标准值fcu,k混凝土立方体抗压强度标准值是区分混凝土强度等级的标准。

《公路桥规》将混凝土强度等级按fcu,k共分为14级，C15～C80，等级差为5MPa。《公路桥规》规定受力构件的混凝土强度等级应按下列规定采用：（1）钢筋混凝土构件不应低于C20，用HRB400、KL400级钢筋配筋时，不应低于C25；（2）预应力混凝土构件不应低于C40。混凝土的强度等级C是衡量混凝土质量好坏的重要标志;但因为混凝土的形状和受力特性与实际结构构件都不同，因此混凝土的强度等级一般不直接参与计算。所以要用混凝土的其他强度指标，如混凝土的轴心抗压强度标准值fck和轴心抗拉强度标准值ftk等。2、混凝土轴心抗压强度标准值fck和轴心抗拉强度标准值ftk（1）混凝土轴心抗压强度标准值fckC50以下混凝土αc1=0.76

，C50～C80取0.76～0.82。（2）混凝土轴心抗拉强度标准值ftk

3、混凝土轴心抗压强度设计值fcd和轴心抗拉强度设计值ftd前面提到混凝土材料分项系数γfc取1.45，接近按二级安全等级结构分析的脆性破坏构件目标可靠指标的要求。三、钢筋强度标准值fsk和强度设计值fsd国标中规定的标准保证率不低于95%。规范规定：1、对热轧钢筋和精轧螺纹钢筋的材料性能分项系数取1.2；2、对钢绞线、钢丝等取1.47，可得钢筋的抗拉强度设计值。注意:钢筋抗压强度设计值fsd’须用弹性模量乘以极限压应变0.002，且不得大于其抗拉强度设计值fsd，即：或第四节作用、作用的代表值和作用效应组合一、作用（Action）分类：按时间的变异分类：（1）永久作用：指在设计基准期内，其值不随时间变化或变化可以忽略不计，包括结构自重、土压力，预加力、基础沉降、焊接等。（2）可变作用：指在设计基准期内，其值随时间变化或变化不可以忽略不计的作用，包括安装荷载、人群荷载、风、雪，温度变化等。（3）偶然作用：指在设计基准期内，不一定出现，一旦出现量值又很大，持续时间很短的作用，包括地震、爆破、撞击等。作用分类编号作用分类作用名称1永久作用（恒载DL）结构重力（包括结构附加重力）2预加力3土的重力4土侧压力5混凝土收缩及徐变作用6水的浮力7基础变位作用编号作用分类作用名称8可变作用（活载LL）汽车荷载9汽车冲击力10汽车离心力11汽车引起的土侧压力12人群荷载13汽车制动力14风力15流水压力16冰压力17温度作用（均匀温度和梯度温度）18支座摩阻力19偶然作用AL地震作用20船舶或漂流物的撞击作用21汽车撞击作用二、作用的代表值

“作用代表值”是在实用的极限状态设计表达式中所采用的荷载规定值。公路桥规中规定设计须考虑的最常见的三种作用代表值：作用标准值，作用准永久值，作用频遇值。（一）作用的标准值是指在结构的使用期间，各种作用的基本代表值，所以可由设计基准期荷载最大值概率分布的某一分位值来确定。

永久作用采用标准值作为代表值。（二）可变作用频遇值在设计基准期间，可变作用超越的总时间为规定的较小比率或超越次数为规定次数的作用值。简言之就是指结构上频繁出现且量值较大的荷载作用取值。正常使用极限状态按短期效应（频遇）组合设计时，采用频遇值作为可变作用的代表值，采用标准值乘以频遇值系数ψ1表示。（三）可变作用准永久值在设计基准期间，可变作用超越的总时间为设计基准期一半的作用值。简言之就是指结构上经常出现且量值较小的荷载作用取值。正常使用极限状态按长期效应（准永久）组合设计时，采用准永久值作为可变作用的代表值，采用标准值乘以准永久值系数ψ2表示。实际上是考虑可变作用的长期效应而对标准值的折减。三、作用效应组合（CombinationforActionEffects）1、承载能力极限状态计算时作用效应组合此时结构应按作用效应的基本组合进行计算，必要时还要考虑到偶然作用。1、不考虑偶然作用的称为“基本组合”（FundermentalCombinationforActionEffects）；2、考虑偶然作用的称为“偶然组合”（AccidentalCombinationforActionEffects）。基本组合的内力组合设计值按下式计算：永久作用效应分项系数汽车荷载效应分项系数2、正常使用极限状态计算时作用效应组合在计算正常使用极限状态的荷载效应组合值S时，需要首先确定荷载效应的标准组合和准永久组合。荷载效应的标准组合（短期效应）和准永久组合（长期效应）应按下列规定计算：（1）作用短期效应组合（CombinationforShort-termActionEffects）：（2）作用长期效应组合（CombinationforLong-termActionEffects）:可变作用频遇值可变作用准永久值[例1]钢筋混凝土简支梁桥主梁在结构重力、汽车荷载和人群荷载作用下，分别得到在主梁的1/4跨径处截面的弯矩标准值为：结构重力产生的弯矩MGk

=552kN·m；汽车荷载弯矩MQ1k

=459.7kN·m（已计入冲击系数）；人群荷载弯矩MQ2k

=40.6kN·m。进行设计时的作用效应组合计算。

解：1、承载能力极限状态设计时作用效应的基本组合钢筋混凝土简支梁桥主梁现按结构的安全等级为二级，取结构重要性系数为γ0=1.0。永久作用效应的分项系数，因恒载作用效应对结构承载能力不利，故取γG1=1.2。汽车荷载效应的分项系数为γQ1=1.4。对于人群荷载其他可变作用效应的分项系数γQj=1.4。本组合为永久作用与汽车荷载和人群荷载组合，故取人群荷载的组合系数为ψc=0.80。按承载能力极限状态设计时作用效应值基本组合的设计值为：2、正常使用极限状态设计时作用效应组合（1）作用短期效应组合根据《公路桥规》规定，汽车荷载作用效应应不计入冲击系数，计算得到不计冲击系数的汽车荷载弯矩标准值为

MQ1k=385.98kN·m。汽车荷载作用效应的频遇值系数ψ11=0.7，人群荷载作用效应的频遇值系数ψ12=1.0。历史ⅱ岳麓版第13课交通与通讯的变化资料精品课件欢迎使用[自读教材·填要点]一、铁路，更多的铁路1．地位铁路是

建设的重点，便于国计民生，成为国民经济发展的动脉。2．出现1881年，中国自建的第一条铁路——唐山

至胥各庄铁路建成通车。1888年，宫廷专用铁路落成。交通运输开平

3．发展(1)原因：①甲午战争以后列强激烈争夺在华铁路的

。②修路成为中国人

的强烈愿望。(2)成果：1909年

建成通车；民国以后，各条商路修筑权收归国有。4．制约因素政潮迭起，军阀混战，社会经济凋敝，铁路建设始终未入正轨。修筑权救亡图存京张铁路

二、水运与航空1．水运(1)1872年,

正式成立，标志着中国新式航运业的诞生。(2)1900年前后，民间兴办的各种轮船航运公司近百家，几乎都是在列强排挤中艰难求生。2．航空(1)起步：1918年，附设在福建马尾造船厂的海军飞机工程处开始研制

。(2)发展：1918年，北洋政府在交通部下设“

”；此后十年间，航空事业获得较快发展。轮船招商局水上飞机筹办航空事宜处三、从驿传到邮政1．邮政(1)初办邮政：1896年成立“大清邮政局”，此后又设

，邮传正式脱离海关。(2)进一步发展：1913年，北洋政府宣布裁撤全部驿站；1920年，中国首次参加

。邮传部万国邮联大会2．电讯(1)开端：1877年，福建巡抚在

架设第一条电报线，成为中国自办电报的开端。(2)特点：进程曲折，发展缓慢，直到20世纪30年代情况才发生变化。3．交通通讯变化的影响(1)新式交通促进了经济发展，改变了人们的通讯手段和

，

转变了人们的思想观念。(2)交通近代化使中国同世界的联系大大增强，使异地传输更为便捷。(3)促进了中国的经济与社会发展，也使人们的生活

。台湾出行方式多姿多彩[合作探究·提认知]

电视剧《闯关东》讲述了济南章丘朱家峪人朱开山一家，从清末到九一八事变爆发闯关东的前尘往事。下图是朱开山一家从山东辗转逃亡到东北途中可能用到的四种交通工具。依据材料概括晚清中国交通方式的特点，并分析其成因。

提示：特点：新旧交通工具并存(或：传统的帆船、独轮车，近代的小火轮、火车同时使用)。

原因：近代西方列强的侵略加剧了中国的贫困，阻碍社会发展；西方工业文明的冲击与示范；中国民族工业的兴起与发展；政府及各阶层人士的提倡与推动。[串点成面·握全局]

一、近代交通业发展的原因、特点及影响1．原因(1)先进的中国人为救国救民，积极兴办近代交通业，促进中国社会发展。(2)列强侵华的需要。为扩大在华利益，加强控制、镇压中国人民的反抗，控制和操纵中国交通建设。(3)工业革命的成果传入中国，为近代交通业的发展提供了物质条件。2．特点(1)近代中国交通业逐渐开始近代化的进程，铁路、水运和航空都获得了一定程度的发展。(2)近代中国交通业受到西方列强的控制和操纵。(3)地域之间的发展不平衡。3．影响(1)积极影响：促进了经济发展，改变了人们的出行方式，一定程度上转变了人们的思想观念；加强了中国与世界各地的联系，丰富了人们的生活。(2)消极影响：有利于西方列强的政治侵略和经济掠夺。1．李鸿章1872年在上海创办轮船招商局，“前10年盈和，成为长江上重要商局，招商局和英商太古、怡和三家呈鼎立之势”。这说明该企业的创办 (

)A．打破了外商对中国航运业的垄断B．阻止了外国对中国的经济侵略C．标志着中国近代化的起步D．使李鸿章转变为民族资本家解析：李鸿章是地主阶级的代表，并未转化为民族资本家；洋务运动标志着中国近代化的开端，但不是具体以某个企业的创办为标志；洋务运动中民用企业的创办在一定程度上抵制了列强的经济侵略，但是并未能阻止其侵略。故B、C、D三项表述都有错误。答案：A二、近代以来交通、通讯工具的进步对人们社会生活的影响(1)交通工具和交通事业的发展，不仅推动各地经济文化交流和发展，而且也促进信息的传播，开阔人们的视野，加快生活的节奏，对人们的社会生活产生了深刻影响。(2)通讯工具的变迁和电讯事业的发展，使信息的传递变得快捷简便，深刻地改变着人们的思想观念，影响着人们的社会生活。2．清朝黄遵宪曾作诗曰：“钟声一及时，顷刻不少留。虽有万钧柁，动如绕指柔。”这是在描写 (

)A．电话B．汽车C．电报 D．火车解析：从“万钧柁”“动如绕指柔”可推断为火车。答案：D[典题例析][例1]

上海世博会曾吸引了大批海内外人士利用各种交通工具前往参观。然而在19世纪七十年代，江苏沿江居民到上海，最有可能乘坐的交通工具是 (

)A．江南制造总局的汽车B．洋人发明的火车C．轮船招商局的轮船D．福州船政局的军舰[解析]由材料信息“19世纪七十年代，由江苏沿江居民到上海”可判断最有可能是轮船招商局的轮船。[答案]

C[题组冲关]1．中国近代史上首次打破列强垄断局面的交通行业是(

)A．公路运输 B．铁路运输C．轮船运输 D．航空运输解析：根据所学1872年李鸿章创办轮船招商局，这是洋务运动中由军工企业转向兼办民用企业、由官办转向官督商办的第一个企业。具有打破外轮垄断中国航运业的积极意义，这在一定程度上保护了中国的权利。据此本题选C项。答案：C2.右图是1909年《民呼日报》上登载的一幅漫画，其要表达的主题是(

)A．帝国主义掠夺中国铁路权益B．西方国家学习中国文化C．西方列强掀起瓜分中国狂潮D．西方八国组成联军侵略中国解析：从图片中可以了解到各国举的灯笼是火车形状，20世纪初的这一幅漫画正反映了帝国主义掠夺中国铁路权益。B项说法错误，C项不能反映漫画的主题，D项时间上不一致。答案：A[典题例析][例2]

(2010·福建高考)上海是近代中国茶叶的一个外销中心。1884年，福建茶叶市场出现了茶叶收购价格与上海出口价格同步变动的现象。与这一现象直接相关的近代事业是(

)A．电报业 B．大众报业C．铁路交通业 D．轮船航运业[解析]材料主要反映了信息交流的快捷，故选A。[答案]

A[题组冲关]3．假如某爱国实业家在20世纪初需要了解全国各地商业信息，可采用的最快捷的方式是 (

)A．乘坐飞机赴各地了解B．通过无线电报输送讯息C．通过互联网D．乘坐火车赴各地了