第三章 混凝土结构设计基本原则

'混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理第三章第三章混凝土结构设计基本原则混凝土结构设计基本原则 章节要点本章主要讲述结构的功能要求与极限状态、结构的可靠度及极限状态方程、荷载与材料强度的取值、结构极限状态设计表达式等内容。在理论层面上，要了解和掌握分项系数表达的近似概率极限状态设计表达式的基本原理；在设计层面上，要理解各种材料强度指标的含义，并能查表应用；应能根据《建筑结构荷载规范》分析计算实际结构构件的设计荷载。第三章混凝土结构设计基本原则 本章内容§3-1结构功能要求及极限状态§3-2结构的可靠度及极限状态方程§3-3荷载与材料强度的取值§3-4结构极限状态设计表达式§3-5混凝土结构耐久性设计§3-6结构抗倒塌设计§3-7既有结构再设计原则第三章混凝土结构设计基本原则 §3-1结构功能要求及极限状态3.1.1结构上的作用、作用效应及结构抗力1）作用：直接作用、间接作用、环境作用；2）效应“S”：作用在结构构件中产生的内力、变形、性能退化以及外观损伤等；3）结构抗力“R”：抵抗外部作用或承受效应的能力；永久作用按时间考虑作用可变作用偶然作用第三章混凝土结构设计基本原则 §3-1结构功能要求及极限状态3.1.2结构功能要求及极限状态功能要求安全可靠适用耐久经济合理两种极限状态1）承载能力极限状态：倾覆、压屈、失稳、滑移、变性过大不适于继续承载2）正常使用极限状态：裂缝、沉降过大、变形过大影响正常使用第三章混凝土结构设计基本原则 §3-1结构功能要求及极限状态3）耐久性设计：锈蚀、锈胀；可见的外观损伤4）防止结构连续倒塌设计混凝土中钢筋锈蚀第三章混凝土结构设计基本原则 §3-1结构功能要求及极限状态3.1.3结构的设计状况承载能力极限状态持久设计状况短暂设计状况偶然设计状况地震设计状况正常使用极限状态第三章混凝土结构设计基本原则 §3-1结构功能要求及极限状态3.1.4结构的设计基准期与使用年限设计的结构和结构构件在规定的设计使用年限内，在正常维护条件下，而不需要进行大修加固完成预定功能。表3-1设计使用年限分类设计使用年限（年）适用范围举例5临时性结构25易于替换的结构构件50一般工业与民用建筑100纪念性建筑、桥梁和特别重要的建筑等第三章混凝土结构设计基本原则 §3-2结构的可靠度及极限状态方程3.2.1结构的可靠度表3-2结构的重要性分级表重要性等级破坏后果适用工程类别举例有重大生命、经济、社一级会或环境损失重要建筑二级损失及后果严重或一般一般工业与民用建筑三级损失及后果轻微次要建筑第三章混凝土结构设计基本原则 §3-2结构的可靠度及极限状态方程3.2.2极限状态方程Z=R−S结构可靠Z>0Z-功能函数结构失效R-抗力Z<0S-效应图3-1结构功能状态示意图3.2.3结构失效概率与可靠指标可靠度分析方法：完全概率法、近似概率设计方法第三章混凝土结构设计基本原则 §3-2结构的可靠度及极限状态方程结构失效概率P=P(Z=R−S<0)fµµ−µZRS可靠指标β==σσ2+σ2ZRSPf和β一一对应Pf=Φ−(β)P-结构失效概率fµ和σ分别为概率密度函数的均值和标准差，ZzµR和σR，µS和σS分别为抗力和效应的均值和标准差。第三章混凝土结构设计基本原则 §3-2结构的可靠度及极限状态方程Pf=PZ(=RS−<0)图3-2R、S概率密度分布曲线第三章混凝土结构设计基本原则 §3-2结构的可靠度及极限状态方程图3-3可靠指标与失效概率的关系第三章混凝土结构设计基本原则 §3-3荷载和材料强度的取值3.3.1荷载标准值荷载标准值是指其在结构的使用期间可能出现的最大荷载值，取值见下图:图3-4荷载标准值取值第三章混凝土结构设计基本原则 §3-3荷载和材料强度的取值3.3.2材料强度标准值钢筋和混凝土材料的强度都服从正态分布图3-5钢材强度的概率分布第三章混凝土结构设计基本原则 §3-3荷载和材料强度的取值图3-6混凝土强度的概率分布第三章混凝土结构设计基本原则 §3-3荷载和材料强度的取值强度标准值可统一表示为：材料强度的变异系数f=µ−ασkff材料强度与取材料强度标准值的平均值的概率有关的系数混凝土强度标准值取α=1.645（95%保证率）钢筋强度标准值取α=2.0(高于95%保证率)第三章混凝土结构设计基本原则 §3-4结构极限状态设计表达式3.4.1承载能力极限状态表达式按荷载效应的基本组合或偶然组合γS≤R0dd1）由可变荷载效应控制的组合nS=γS+γS+∑γψSGGkQ1Q1kQiciQiki=22）由永久荷载效应控制的组合nS=γGSGk+∑γQiψciSQiki=1第三章混凝土结构设计基本原则 §3-4结构极限状态设计表达式3.4.2正常使用极限状态表达式S≤C•主要验算构件的变形、抗裂度和裂缝宽度•可靠度可适当放宽•可变荷载作用时间对于变形与裂缝有影响荷载的短期作用与长期作用�标准组合：当一个极限状态被超越时将产生的永久性损害的情况；�频遇组合：当一个极限状态被超越时将产生的局部损害、较大变形或短时间的振动的情况；�准永久组合：长期效应下的损害情况。第三章混凝土结构设计基本原则 §3-4结构极限状态设计表达式�准永久值系数：基准期内超越时间/总时间�频遇系数：基准期内超越次数/总次数�准永久值系数与频遇系数都小于1�准永久值（频遇值）=永久（频遇）值系数×标准值可变荷载有四个值标准值、组合值、准永久值、频遇值第三章混凝土结构设计基本原则 §3-4结构极限状态设计表达式正常使用极限状态标准荷载效应的表达式如下：1）标准组合nSk=SGk+SQ1k+∑ψciSQiki=22）频遇组合nS=S+ψS+∑ψSfGkf1Q1kqiQiki=23）准永久组合nS=S+ψSqGk∑qiQiki=1第三章混凝土结构设计基本原则 §3-5混凝土结构耐久性设计1.宏观控制的经验方法2.根据成熟的劣化模型的计算方法：全概率设计和近似概率用近似概率表达的耐久性极限状态一般表达式为：γF≤R/γ⋅γfrepkmRdF-环境作用的代表值repγRd-计算模型及几何尺寸不确定的系数3.模拟环境作用的试验方法第三章混凝土结构设计基本原则 §3-5结构抗倒塌设计•抗倒塌概念设计的原则1）结构方案合理；2）在易遭受人为灾害影响的结构部分增加冗余约束，增设防护措施；3）增强关键部位的承载能力及变形能力；4）保证结构构件间的可靠连接和连续性；5）提高结构的延性性能。第三章混凝土结构设计基本原则 §3-5结构抗倒塌设计•抗倒塌承载能力设计的原则与方法采用假设易损构件全部或部分丧失承载力，则结构构件的承载力应满足下列公式的要求：EDIZ≤RkEDRZ-人为灾害发生后结构的作用效应；Rk-构件承载力的特征值（标准值）。安全等级为一级的重要混凝土结构的设计方法：拉结构件设计、拆除构件设计、非线性动力分析设计第三章混凝土结构设计基本原则 §3-5既有结构再设计原则•既有结构的再设计适用的情况1）接近或达到设计使用年限结构的审核和延长使用寿命的再设计；2）对有安全隐患的结构进行复核性再设计；3）既有结构改变用途或使用环境变化而进行的再设计；4）既有混凝土结构扩建、改造的再设计；5）遭受偶然作用，结构受灾损坏后的修复性再设计。第三章混凝土结构设计基本原则 本章小结理解可靠度与失效概率的关系，失效概率与可靠指标的关系，目标可靠指标与不同极限状态下的分项系数的关系等，重点理解和掌握分项系数表达的近似概率极限状态设计方法的实质。第三章混凝土结构设计基本原则'