1、第二章 結構按極限狀態(tài)法設計原則結構設計計算方法發(fā)展過程：1.容許應力法：以彈性理論為基礎，但未考慮材料的塑性。第一節(jié)：極限狀態(tài)法設計的基本概念1 結構的功能要求： 安全性，適用性，耐久性一一一一一一 結構的功能要求結構的功能要求結構的功能要求結構的功能要求結構的功能要求結構的功能要求 Functions of Structure 安全性安全性 （Safety） 結構在預定的使用期間內(nèi)（一般為結構在預定的使用期間內(nèi)（一般為100年），應能承受在正常施工、年），應能承受在正常施工、 正正 常使用情況下可能出現(xiàn)的各種荷載、外加變形（如超靜定結構的支座常使用情況下可能出現(xiàn)的各種荷載、外加變形（如超靜

2、定結構的支座 不均勻沉降）、約束變形等的作用；不均勻沉降）、約束變形等的作用； 在偶然事件（如地震、爆炸）發(fā)生時和發(fā)生后，結構應能保持整體穩(wěn)在偶然事件（如地震、爆炸）發(fā)生時和發(fā)生后，結構應能保持整體穩(wěn) 定性，不應發(fā)生倒塌或連續(xù)破壞而造成生命財產(chǎn)的嚴重損失。定性，不應發(fā)生倒塌或連續(xù)破壞而造成生命財產(chǎn)的嚴重損失。 適用性適用性 （Serviceability ）結構在正常使用期間，具有良好的工作性能。如不發(fā)生影響正常結構在正常使用期間，具有良好的工作性能。如不發(fā)生影響正常使用的過大的變形（撓度、側移）、振動（頻率、振幅），或產(chǎn)使用的過大的變形（撓度、側移）、振動（頻率、振幅），或產(chǎn)生讓使用者感到不

3、安的過大的裂縫寬度。生讓使用者感到不安的過大的裂縫寬度。 耐久性耐久性 （Durability ）結構在正常使用和正常維護條件下，應具有足夠的耐久性。即在結構在正常使用和正常維護條件下，應具有足夠的耐久性。即在各種因素的影響下（各種因素的影響下（混凝土碳化、鋼筋銹蝕混凝土碳化、鋼筋銹蝕），結構的承載力和），結構的承載力和剛度不應隨時間有過大的降低，而導致結構在其預定使用期間內(nèi)剛度不應隨時間有過大的降低，而導致結構在其預定使用期間內(nèi)喪失安全性和適用性，降低使用壽命。喪失安全性和適用性，降低使用壽命。 適用性耐久性安全性結構的可靠性結構設計就是實現(xiàn)結構設計就是實現(xiàn)可靠性可靠性與與經(jīng)濟性經(jīng)濟性的最佳

4、平衡的最佳平衡設計方法設計方法The Design Methods二二二二二二 極限狀態(tài)極限狀態(tài)極限狀態(tài)極限狀態(tài)極限狀態(tài)極限狀態(tài)Limit State結構能夠滿足功能要求而良好地工作，則稱結構是結構能夠滿足功能要求而良好地工作，則稱結構是“可靠可靠”的或的或“有效有效”的。反之，則結構為的。反之，則結構為“不可靠不可靠”或或“失效失效”。 承載力極限狀態(tài)承載力極限狀態(tài)Ultimate Limit State 正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)Serviceability Limit Staten結構整體或部分作為剛體失去平衡結構整體或部分作為剛體失去平衡n結構或構件達到最大承載力結構或構件達到最

5、大承載力n受動力荷載作用而產(chǎn)生疲勞破壞受動力荷載作用而產(chǎn)生疲勞破壞n結構塑性變形過大而破壞結構塑性變形過大而破壞n結構形成幾何可變體系結構形成幾何可變體系n構件由于壓屈而喪失穩(wěn)定構件由于壓屈而喪失穩(wěn)定n過大的變形和側移過大的變形和側移n過大的裂縫過大的裂縫n過大的振動過大的振動n侵蝕性介質(zhì)腐蝕等侵蝕性介質(zhì)腐蝕等結構功能的表達結構功能的表達 S 作用效應作用效應 Action Effect 結構上的作用是結構上的作用是使結構產(chǎn)生內(nèi)力、變形和裂縫的原因的總稱，分使結構產(chǎn)生內(nèi)力、變形和裂縫的原因的總稱，分為直接作用和間接作用，作用效應即為作用為直接作用和間接作用，作用效應即為作用引起的構件內(nèi)力。引起

6、的構件內(nèi)力。R 結構抗力結構抗力 Resistant 結構抵抗作用效應的能力，如受彎承載力結構抵抗作用效應的能力，如受彎承載力Mu、受剪承載力、受剪承載力Vu、容、容許撓度許撓度f、容許裂縫寬度、容許裂縫寬度w。S R 失效失效 三三三 結構的失效概率與可靠指標結構的失效概率與可靠指標結構的失效概率與可靠指標正態(tài)分布概率密度曲線正態(tài)分布概率密度曲線由概率論可知，頻率密度的積分為概率。由由概率論可知，頻率密度的積分為概率。由于各頻率之和等于于各頻率之和等于1，即圖中正態(tài)曲線與橫坐，即圖中正態(tài)曲線與橫坐標包圍的面積等于標包圍的面積等于1，即：，即：1)(dxxfP1）平均值:它它表示隨機變量取值的

7、集中位置。平均值愈大，則分布曲線的高峰點離開縱坐標軸的水平距離愈遠。2）標準差:它表示隨機變量的離散程度。標準差愈大時，分布曲線愈扁平，說明變量分布的離散性愈大。3）變異系數(shù):它表示隨機變量取值的相對離散程度。mx變異系數(shù)：1)(:121nxxnxxniimniim標準差平均值對于結構設計而言，如何設計的安全呢？對于結構設計而言，如何設計的安全呢？作用取值越大作用取值越大，內(nèi)力值就越大，構件截面尺寸也愈大，結構愈安全；，內(nèi)力值就越大，構件截面尺寸也愈大，結構愈安全；材料強度取值越低材料強度取值越低，結構所需截面越大，結構所需截面越大，結構愈安全結構愈安全)645. 11 (645. 1mmkf

8、ff)645. 11 (645. 1mmkSSS荷載標準值：荷載標準值：材料強度標準值：材料強度標準值：1.645保證率系數(shù)。保證率系數(shù)。作用標準值作用標準值實際作用低于標準值的概率為實際作用低于標準值的概率為95；材料強度標準值材料強度標準值實際強度高于標準值實際強度高于標準值的概率為的概率為95；Sm Sm+1.645fm-1.645 fm結構抗力結構抗力R與作用效應與作用效應S都是隨機變量，因此功能函數(shù)都是隨機變量，因此功能函數(shù)Z=R-S也是隨機變量也是隨機變量Z0 結構可靠結構可靠；Z=0 結構處于極限狀態(tài)結構處于極限狀態(tài)；Z0 結構失效結構失效結構的可靠概率與失效概率的關系結構的可靠

9、概率與失效概率的關系 f(Z) ZbZzPfZ = R - S ZPS=1-Pf0)(dZZfpf0( )spf Z dZ可靠概率：可靠概率：失效概率：失效概率：安全的概念是相對的，所謂安全的概念是相對的，所謂“安全安全”只是只是失效概率相對較小而已，失效概率不可能失效概率相對較小而已，失效概率不可能為零，故不存在絕對安全的結構。為零，故不存在絕對安全的結構。應該通過設計把失效概率控制在某一個可應該通過設計把失效概率控制在某一個可以接受的限制以下就可以。以接受的限制以下就可以。失效概率越小，表示結構可靠性越大。當失效概率失效概率越小，表示結構可靠性越大。當失效概率Pf小于某個值時，即可認為結小

10、于某個值時，即可認為結構設計是可靠的，即構設計是可靠的，即Pf Pf 。該失效概率限值稱為。該失效概率限值稱為允許失效概率允許失效概率Pf。一般工業(yè)與民用建筑的允許失效概率：延性破壞的結構一般工業(yè)與民用建筑的允許失效概率：延性破壞的結構 Pf=6.910-4 脆性破壞的結構脆性破壞的結構 Pf=1.110-41sfpp可靠指標與失效概率的關系可靠指標與失效概率的關系 f(Z) ZbZzPfZ = R - S ZPS=1-Pf失效概率失效概率Pf來度量結構的可靠性具有明確的意義，但計算繁瑣，可以來度量結構的可靠性具有明確的意義，但計算繁瑣，可以利用可靠度指標利用可靠度指標代替失效概率來度量結構的

11、可靠性。代替失效概率來度量結構的可靠性。失效概率失效概率Pf與與可靠指標可靠指標有著一一對應的關系有著一一對應的關系值愈大，失效概率值愈大，失效概率Pf值就愈?。恢稻陀?；值愈小，失效概率值愈小，失效概率Pf值就愈大。值就愈大。 z z平均值；平均值；z標準差標準差zzzzbbb 值 2.7 3.2 3.7 4.2 失效概率Pf 3.510-3 6.910-4 1.110-4 1.310-5 第二節(jié) 結構設計原則（現(xiàn)行規(guī)范）基本設計原則基本設計原則The Basic Design ApproachDesign of StructuresStrengthDeformation承載力極限狀態(tài)設計方

12、法正常使用極限狀態(tài)設計方法一、承載能力極限狀態(tài)計算原則一、承載能力極限狀態(tài)計算原則一、承載能力極限狀態(tài)計算原則 承載能力極限狀態(tài)的計算以塑性理論為基礎。設計計算原則是：作用效應不利組合的設計值S，不大于結構抗力的設計值R，即RS0),f (RRdd 0 結構重要性系數(shù)結構重要性系數(shù) 一級一級 01.1二級二級 01.0三級三級 00.9荷載荷載效應 (Load effect)永久荷載 (Dead Load)可變荷載 (Live Load)偶然荷載 (Accidental Load)作用效應的基本概念作用效應的基本概念如何衡量荷載大?。縱 采用作用代表值來描述荷載的大小v 對于永久作用，其代表值

13、就是標準值，即結構自重等；v 對于可變作用，其代表值分別為標準值、組合值和準 永久值。荷載效應與荷載的關系？如何衡量荷載效應？niQikcikQGkkSSSS21niQikQcikQQGkGSSSSi211作用效應標準值荷載效應設計值作用分項系數(shù)：作用分項系數(shù)：考慮荷載超過標準值的可能性，是一個變量考慮荷載超過標準值的可能性，是一個變量CQS C C作用效應系數(shù)作用效應系數(shù) 承載能力極限狀態(tài)分項系數(shù) 分項系數(shù) 我 國 MC90 永久作用分項系數(shù) G 1.20 1.0(G 有利時) 1.35 汽車等可變作用分項系Q 1.40 1.50 砼材料分項系數(shù) c 1.45 1.50 鋼筋材料分項系數(shù) s

14、 1.2 1.15 作用分項系數(shù)分為作用分項系數(shù)分為永久作用永久作用分項系數(shù)和分項系數(shù)和可變作用可變作用分項系數(shù)分項系數(shù)材料分項系數(shù)分為材料分項系數(shù)分為砼砼分項系數(shù)和分項系數(shù)和鋼筋鋼筋分項系數(shù)分項系數(shù)結構抗力材料強度結構抗力的基本概念結構抗力的基本概念如何衡量材料強度的大?。拷Y構抗力與材料強度的關系？如何衡量結構抗力的大??？v 材料強度標準值),(sscAhbffRR kkRR結構抗力標準值結構抗力設計值),(sskckkAhbffRR材料分項系數(shù)：材料分項系數(shù)：是一個大于是一個大于1.01.0的系數(shù)，考慮材料的系數(shù)，考慮材料強度低于標準值的可能性。強度低于標準值的可能性。由于經(jīng)濟及歷史原因，

15、我國建筑工程的可靠度水平在世界范圍由于經(jīng)濟及歷史原因，我國建筑工程的可靠度水平在世界范圍內(nèi)是比較低的。表現(xiàn)在結構設計方面為：內(nèi)是比較低的。表現(xiàn)在結構設計方面為：荷載標準值偏低；荷載標準值偏低；荷載分項系數(shù)較?。徊牧戏猪椣禂?shù)偏低，因此材料設計強度偏荷載分項系數(shù)較小；材料分項系數(shù)偏低，因此材料設計強度偏高；高；設計計算和構造措施普遍比國外安全儲備少，尤其是最設計計算和構造措施普遍比國外安全儲備少，尤其是最小配筋率，取值明顯低于其他國家規(guī)范的規(guī)定。小配筋率，取值明顯低于其他國家規(guī)范的規(guī)定。進入進入21世紀以后，我國國情有了很大變化，提高結構的安全度世紀以后，我國國情有了很大變化，提高結構的安全度利國利民，體現(xiàn)利國利民，體現(xiàn)“以人為本以人為本”的設計原則。的設計原則。措施：措施：如適當提高材料分項系數(shù)，從而降低設計強度取值；全如適當提高材料分項系數(shù)，從而降低設計強度取值；全面提高了最小配筋率的取值。面提高了最小配筋率的取值。二、正常使用極限狀計算原則設計計算理論基礎：彈性理論或塑性理論。正常使用極限狀態(tài)的計算主要進行下列三個方面的驗算： 2dcdcdff第三節(jié) 材料的設計強度與作用效應組合 一、材料的強度標準值和強度設計值材料的強度標準值：Characteristic value of material strengthsktkckfffsktdcdfff 2混凝土的強度 （1）混凝土