混凝土结构与砌体结构 第2章 结构设计基本原则

'1第二章结构设计基本原则第二章结构设计基本原则1.了解结构上的作用、作用代表值、作用效应、结构抗力及结构可靠度的概念。2.理解结构极限状态的概念、极限状态设计表达式及荷载、材料强度的标准值、设计值的意义。3.了解混凝土结构耐久性的有关规定。学习目标 2第二章结构设计基本原则第一节基本概念第二节结构功能和可靠度第三节极限状态设计法第四节混凝土结构耐久性规定 3第二章结构设计基本原则第一节基本概念一、结构上的作用1.作用的概念作用是指使结构产生内力或变形的原因,一般用Q表示,可分为直接作用：指施加在结构上的集中力或分布力，如结构自重、楼（屋）面活荷载、风荷载等。间接作用：指能够引起结构外加变形或约束变形的原因，如温度变化、地基变形、地震等原因引起的作用。 4第二章结构设计基本原则2.作用按时间的变异分类永久作用又称永久荷载（恒荷载），是指在设计基准期内量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用。例如，结构自重、土压力等。设计基准期是为确定作用及与时间有关的材料性能取值而选定的时间参数，我国采用的设计基准期为50年。可变作用又称可变荷载（活荷载），是指在设计基准期内量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。例如，楼（屋）活荷载、吊车荷载、风荷载等。 5第二章结构设计基本原则偶然作用是指在设计基准期内不一定出现，而一旦出现，则其量值很大，且持续时间很短的作用。例如，地震作用、爆炸力、撞击力等。二、作用的代表值作用代表值是在结构设计中采用的作用数值，包括：标准值、组合值、频遇值和准永久值1.作用标准值作用标准值是指设计基准期内最大作用概率分布的其一分位值。它是作用的基本代表值。作用标准值通过统计分析确定，对一般的作用，其标准值Qk可取 6第二章结构设计基本原则Qk=Qm+ασQ式中Qm——作用的平均值；α——作用的保证率系数，当α=0时，保证率为50%，分位数为0.5；当α=1.645时，保证率为95%，分位数为0.95：σQ——作用的标准差。结构自重按结构构件的设计尺寸和材料重力密度计算确定（钢筋混凝土的重力密度可取25kN/m3）。作用在结构上的各种可变荷载标准值按《荷载规范》的规定采用。 7第二章结构设计基本原则2.作用组合值作用组合值是指当两种或两种以上可变作用同时作用在结构上时，考虑到它们同时达到其标准值的可能性较小，故除产生最大作用效应的主导作用外，其他可变作用标准值均乘以小于1.0的组合值系数ψc作为代表值，称为组合值。ψc可查《荷载规范》。3.作用频遇值对可变作用，在设计基准期内，其被超越的总时间仅为设计基准期一小部分的作用值；或其超越频率为某一给定频率的作用值。可变荷载频遇值由可变荷载标准值乘以频遇系数ψf得到。ψf可查《荷载规范》。 8第二章结构设计基本原则4.作用准永久值对可变作用，在设计基准期内，其被超越的总时间为设计基准期一半的作用值。它对结构的影响相当于永久作用。可变荷载准永久值由可变荷载标准值乘以准永久值系数ψq得到。ψq可查《荷载规范》。三、作用效应作用效应是指由各种作用引起的结构或构件的反应，用Ｓ表示。例如，内力、变形和裂缝等。 9第二章结构设计基本原则作用效应Ｓ应通过统计分析进行确定。一般情况下，结构上的作用为荷载，荷载效应Ｓ与荷载Q之间可近似按线性关系考虑，即Ｓ＝CQC为荷载效应系数，可通过结构力学分析确定，对承受均布荷载作用的简支梁结构抗力是指结构或构件承受作用效应的能力，用R表示。例如，构件的承载力、刚度等。四、结构抗力 10第二章结构设计基本原则影响结构抗力的因素：结构的材料性能、几何尺寸、配筋情况和抗力的计算假定、计算公式等。通常，结构抗力主要取决于材料性能。材料强度标准值是材料性能的基本代表值。一般取符合规定质量的具有不小于95%保证率的材料强度下分位值作为材料强度标准值，即fk=fm（1－1.645δf）式中fk——材料强度标准值；fm——材料强度平均值；δf——材料强度变异系数，δf=σf/fm；σf——材料强度标准差。 11第二章结构设计基本原则钢筋强度标准值取钢材质量控制标准的废品限值。因废品限值具有97.73%的保证率，已满足保证率不小于95%的要求。对热轧钢筋根据屈服强度确定，并用符号fyk表示，按表2-1采用；对预应力钢绞线、钢丝和热处理钢筋根据极限抗拉强度确定，用符号fptk表示，按表2-2采用。混凝土立方体抗压强度标准值fcu,k的保证率是95%，即 12第二章结构设计基本原则fcu,k=fcu,m（1－1.645δf）式中fcu,m——混凝土立方体抗压强度平均值；δf——混凝土立方体抗压强度变异系数，对C40级以下的混凝土δf=0.12；对C60级，δf=0.10；对C80级，δf=0.08。《规范》给出各级混凝土轴心抗压强度标准值fck和轴心抗拉强度标准值ftk见表2-3。 13第二章结构设计基本原则第二节结构功能和可靠度一、结构的功能建筑结构在规定的设计使用年限内（表2-4）应满足的各种要求，称为结构的功能。表2-4结构设计使用年限分类类别结构的设计使用年（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结构 14第二章结构设计基本原则结构的功能包括以下三个方面的内容：1）安全性建筑结构在正常施工和正常使用时能够承受可能出现的各种作用，以及在设计规定的偶然事件（如强烈地震、爆炸等）发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。2）适用性建筑结构在正常使用时具有良好的工作性能，不出现影响正常使用的过大变形和过宽裂缝。 15第二章结构设计基本原则3）耐久性建筑结构在正常维护下具有足够的耐久性能，不发生钢筋锈蚀和混凝土风化等影响结构使用寿命的现象。安全性、适用性和耐久性总称为结构的可靠性。即结构在规定的设计使用年限内，在正常设计、正常施工、正常使用和正常维护条件下，完成预定功能的能力。结构的可靠性可用概率来度量，即结构完成预定功能的概率，称为结构的可靠度。 16第二章结构设计基本原则二、结构的可靠概率和失效概率结构完成预定功能的工作状态用结构的功能函数Z来描述，即Z=R－S当Z＞0时，即结构抗力R大于作用效应S时，则结构能完成预定的功能，处于可靠状态；当Z＜0时，即结构抗力R小于作用效应S时，结构不能完成预定的功能，处于失效状态；当Z=0时，即结构抗力R等于作用效应S时，则结构处于极限状态。 17第二章结构设计基本原则因此，结构可靠工作的基本条件为：Z≥0或R≥Ｓ结构的功能函数Z的分布曲线如图所示。图中，纵坐标轴以左（Z＜0的阴影面积即为结构的失效概率Ｐf纵坐标轴以右（Ｚ＞0）的分布曲线与横坐标Z轴所围成的面积即为结构的可靠概率Ps。 18第二章结构设计基本原则结构的失效概率Pf与可靠概率ＰS的关系为PS+Ｐf=1或PS=1－Ｐf因此，可采用结构的失效概率Ｐf或者是结构的可靠概率PS来度量结构的可靠性。一般采用失效概率Ｐf来度量结构的可靠性，只要失效概率Ｐf足够小，则结构的可靠性必然高。三、结构的可靠指标计算失效概率Ｐf较复杂，故引入可靠指标β代替失效概率Ｐf来度量结构的可靠性。 19第二章结构设计基本原则可靠指标β为结构的功能函数Z的平均值μz与其标准差σz之比，即即μz=βσz由此可见，可靠指标β值越大，失效概率Ｐf值就越小，即结构就越可靠。故将β称为可靠指标。可靠指标β和失效概率Ｐf对应的数值见表2-5。 20第二章结构设计基本原则四、结构的安全等级与目标可靠指标1.安全等级的确定和划分根据结构破坏可能产生的后果，即危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等严重性，采用不同的安全等级。建筑结构安全等级的划分应符合表2-6的要求。2.目标可靠指标为使结构既安全可靠，又经济合理，则结构的失效概率Pf应小到人们可以接受的程度，用可靠指标β表示时，则为β≥［β］ 21第二章结构设计基本原则结构的目标可靠指标［β］主要与结构的安全等级和破坏类型有关：结构的安全等级愈高，其目标可靠指标应愈大。结构构件破坏前有明显的变形或其他预兆，即属于延性破坏时，则其目标可靠指标可取得小一些；结构构件破坏前无明显的变形或其他预兆，具有突发性，即属于脆性破坏时，则其目标可靠指标应取得大一些。结构构件承载能力极限状态设计时采用的目标可靠指标［β］见表2-7。 22第二章结构设计基本原则对一般的结构构件，直接根据目标可靠指标进行设计仍然比较繁杂。因此《规范》采用以概率理论为基础的极限状态设计法，以可靠指标度量结构构件的可靠度，采用分项系数的设计表达式进行设计。即结构构件设计时不直接计算可靠指标β，而是按规范给定的各分项系数进行计算，则所设计的结构构件隐含的可靠指标β可以满足不小于目标可靠指标［β］的要求。 23第二章结构设计基本原则第三节极限状态设计法一、结构极限状态的定义和分类1.定义结构能完成预定功能的可靠状态与其不能完成预定功能的失效状态的界限，称为极限状态。或者说，结构或构件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。2.分类（1）承载能力极限状态当结构或其构件达到最大承载力，或达到不适于继续承载的变形时，称该结构或其构件达到承载能力极限状态。 24第二章结构设计基本原则结构或其构件出现下列状态之一时，就认为超过了承载能力极限状态。1)结构发生滑移、倾覆或漂浮等不稳定情况。2)结构构件因材料强度（包括疲劳强度）不足而发生破坏。3)结构或构件因产生过大的塑性变形而不适用于继续承载。4)结构形成机动体系而丧失承载能力。5)结构或构件丧失稳定。 25第二章结构设计基本原则（2）正常使用极限状态当结构或其构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值时，称该结构或其构件达到正常使用极限状态。结构或其构件出现下列状态之一时，就认为超过了正常使用极限状态。1)变形过大，影响正常使用和外观。2)裂缝较宽，影响耐久性或使人心理上产生不可接受的感觉。3)振动过大，影响正常使用。 26第二章结构设计基本原则二、结构设计要求1.设计要求1）对所有结构构件均应进行承载力计算，必要时尚应进行结构的滑移、倾覆或漂浮验算。2）对使用上需要控制变形的结构构件，应进行变形验算。3）对使用上要求不出现裂缝的构件，应进行混凝土拉应力验算；对使用上允许出现裂缝的构件，应进行裂缝宽度验算。 27第二章结构设计基本原则2.结构设计程序一般先按承载能力极限状态要求设计结构构件，然后再按正常使用极限状态要求进行验算。三、承载能力极限状态设计表达式1.设计表达式混凝土结构构件的承载能力极限状态设计表达式为γ0S≤Rγ0——结构重要性系数；S——承载能力极限状态的荷载效应组合设计值；Ｒ——结构构件的承载力设计值，即结构构件抗力设计值。 28第二章结构设计基本原则2.结构重要性系数γ0结构重要性系数γ0的取值：安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件，γ0不应小于1.1；安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件，γ0不应小于1.0；安全等级为三级或设计使用年限为5年及以下的结构构件，γ0不应小于0.9。3.荷载效应组合设计值Ｓ荷载效应组合设计值Ｓ是指由可能同时出现的各种荷载设计值产生的轴力组合设计值、弯矩组合设计值、剪力组合设计值或扭矩组合设计值等。 29第二章结构设计基本原则荷载设计值是指荷载标准值与其相应的荷载分项系数的乘积。当两种或两种以上可变荷载同时作用在结构上时，除主导可变荷载外，其他可变荷载标准值还应乘以组合值系数，即采用荷载组合值。荷载分项系数及组合值系数由可靠度分析，并结合工程经验确定。(1)荷载效应组合设计值Ｓ的确定从下列组合值1)和2)中取最不利值确定：1)由可变荷载效应控制的组合 30第二章结构设计基本原则式中γG——永久荷载的分项系数，对由可变荷载效应控制的组合，γG取1.2；对由永久荷载效应控制的组合，γG取1.35；γQi——第i个可变荷载的分项系数，一般情况下，γQi取1.4；对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载γQi取1.3ＳGK——按永久荷载标准值GK计算的荷载效应值；SQiK——按可变荷载标准值Qik计算的荷载效应值，其中SQ1K为各可变荷载效应中起主导作用者； 31第二章结构设计基本原则ψci——可变荷载Qi的组合值系数，按《荷载规范》的规定采用；n——参与组合的可变荷载数。当对SQ1K无法明显判断时，可轮次以各可变荷载效应为SQ1K，选其中最不利的荷载效应组合。2)由永久荷载效应控制的组合当考虑以竖向的永久荷载效应控制的组合时，参与组合的可变荷载仅限于竖向荷载。 32第二章结构设计基本原则(2)荷载效应组合设计值Ｓ的简化确定对一般的排架结构、框架结构，可采用简化规则，并按下列组合值中取最不利值确定：1)由可变荷载效应控制的组合S=γGＳGK+γQ1SQ1K2)由永久荷载效应控制的组合同前。 33第二章结构设计基本原则4.结构构件抗力设计值R1）结构构件抗力设计值R是指按材料强度设计值和构件几何参数标准值等计算的截面所能抵抗的轴力、弯矩、剪力设计值等。2）材料强度设计值是材料强度标准值除以对应的材料分项系数。HPB235级、HRB335级、HRB400级和RRB400级钢筋的材料分项系数γS=1.1；预应力钢丝、钢绞线和热处理钢筋的材料分项系数γS=1.2，混凝土的材料分项系数γC=1.4。 34第二章结构设计基本原则普通钢筋的抗拉强度设计值f’y及抗压强度设计值fy＇按表2-8采用；预应力钢筋的抗拉强度设计值fpy及抗压强度设计值fpy＇按表2-9采用。混凝土的轴心抗压强度设计值fc和轴心抗拉强度设计值ft按2-10采用。3）结构构件抗力设计值R的一般表达式为R=R（．）＝R（fc,fs,ak…）式中R（．）——结构构件的承载力函数；fc、fs——混凝土、钢筋的强度设计值；ak——几何参数的标准值。结构构件抗力设计值的具体计算公式，将在以后各章中叙述。 35第二章结构设计基本原则四、正常使用极限状态设计表达式结构构件达到或超过正常使用极限状态，对人们生命财产的影响程度比承载能力极限状态小得多，因此，在正常使用极限状态验算中，材料强度采用标准值；计算荷载效应时，采用荷载的标准值、组合值、频遇值或准永久值。对于正常使用极限状态，结构构件应分别按荷载效应的标准组合、准永久组合或标准组合并考虑长期作用的影响，验算其是否超过正常使用规定的限值。 36第二章结构设计基本原则相应的极限状态设计表达式为S≤c式中S——正常使用极限状态的荷载效应组合值；c——结构构件达到正常使用要求所规定的变形、应力和裂缝宽度等的限值。对于标准组合，其荷载效应组合值S的表达式为 37第二章结构设计基本原则对于频遇组合，其荷载效应组合值S的表达式为式中ψf1——可变荷载Q1频遇值系数；ψqi——可变荷载Qi的准永久值系数。对于准永久组合，其荷载效应组合值S的表达式为 38第二章结构设计基本原则第四节混凝土结构耐久性规定根据环境类别和设计使用年限，《规范》对结构混凝土提出相应的要求和限制，以保证其耐久性。一、影响混凝土结构耐久性的因素(一)影响混凝土耐久性的因素1.混凝土碳化混凝土因水泥水化反应产生氢氧化钙而呈碱性。但当外部酸性介质及水渗入后，将与混凝土中的氢氧化钙生成碳酸钙，即混凝土被碳化。当碳化深度达到钢筋的表面，将导致钢筋锈蚀。 39第二章结构设计基本原则2.化学侵蚀混凝土结构处于有侵蚀性化学物质环境中时，导致混凝土酥松、剥落，丧失力学性能。3.冻融破坏混凝土在低温下因渗入其内部的水结冰膨胀，破坏混凝土内部的结构。4.温湿度变化混凝土因温度变化产生热胀冷缩，因湿度变化产生干缩或湿胀。这种胀缩受到约束影响时，混凝土就将开裂。 40第二章结构设计基本原则5.碱骨料反应混凝土中的碱金属与含有碱活性的骨料发生化学反应生成碱活性物质。这种物质吸水后体积急剧膨胀，造成混凝土破坏。（二）影响钢筋耐久性的因素1.钢筋锈蚀混凝土的碳化、侵蚀性的酸性介质，特别是氯离子都会引起钢筋锈蚀。钢筋锈蚀后不仅受力面积减少，而且可将混凝土保护层胀裂，进一步加快钢筋的锈蚀速度。 41第二章结构设计基本原则2.应力腐蚀钢筋在应力状态下会发生电位变化，使电化学作用引起的钢筋锈蚀速度加快。影响混凝土结构耐久性的因素很多，还需进一步的研究。目前采用的是宏观的控制方法。二、耐久性规定混凝土结构的耐久性，应根据结构所处的环境类别和设计使用年限进行设计。（一）环境类别混凝土结构的使用环境是影响耐久性的最重要因素，其分类见表2-11。 42第二章结构设计基本原则（二）耐久性要求混凝土的密实性、氯离子含量和碱含量是影响耐久性的另一个重要因素。为此，《规范》要求：1）对处于一类、二类和三类环境中，设计使用年限为50年的结构，混凝土应符合表2-12的规定。2）对处于一类环境中，设计使用年限为100年的结构，混凝土应符合下列规定：钢筋混凝土的最低混凝土强度等级为C30；预应力混凝土结构的最低混凝土强度等级为C40。混凝土中的最大氯离子含量为0.06%。 43第二章结构设计基本原则宜使用非碱活性骨料；当使用碱活性骨料时，混凝土中的最大碱含量为3.0kg/m3。混凝土保护层厚度应比第三章第二节中所述的保护层厚度增加40%；当采取有效的表面防护措施时，混凝土保护层厚度可适当减少。使用过程中，应定期维护。3）对处于二类和三类环境中，设计使用年限为100年的混凝土结构，应采取专门的有效措施。4）对处于严寒或寒冷地区潮湿环境中的结构，混凝土应满足抗冻要求，混凝土的抗冻等级应符合有关标准的要求。 44第二章结构设计基本原则5）有抗渗要求的混凝土结构，混凝土的抗渗等级应符合有关标准的要求。6）对处于三类环境中的结构构件，其受力钢筋宜采用环氧树脂涂层带肋钢筋；对预应力钢筋、锚具及连接器，应采取专门的防护措施。7）对处于四类和五类环境中的混凝土结构，其耐久性要求应符合有关标准的规定。8）临时性混凝土结构，可不考虑混凝土的耐久性要求。 返回总目录TheEnd'