1、第二章 結(jié)構(gòu)按極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)原則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法發(fā)展過程：1.容許應(yīng)力法：以彈性理論為基礎(chǔ)，但未考慮材料的塑性。2.破壞階段法：考慮了材料的塑性，但僅僅用一個(gè)籠統(tǒng)的安全系數(shù)考慮超載，材料的變異等。3.極限狀態(tài)法：用三個(gè)分項(xiàng)系數(shù)把不同的荷載、不同材料及不同構(gòu)件的受力性質(zhì)等用不同的安全系數(shù)區(qū)別開來。目前公路橋規(guī)采用該方法。第一節(jié)：極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)的基本概念1 結(jié)構(gòu)的功能要求： 安全性，適用性，耐久性2 結(jié)構(gòu)的可靠度： 結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成上述預(yù)定功能的概率一 結(jié)構(gòu)的功能要求 Functions of Structure 安全性 （Safety） 結(jié)構(gòu)在預(yù)定的使用期間內(nèi)（一般為10

2、0年），應(yīng)能承受在正常施工、 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(jié)構(gòu)的支座 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(shí)和發(fā)生后，結(jié)構(gòu)應(yīng)能保持整體穩(wěn) 定性，不應(yīng)發(fā)生倒塌或連續(xù)破壞而造成生命財(cái)產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失。 適用性 （Serviceability ）結(jié)構(gòu)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(cè)移）、振動(dòng)（頻率、振幅），或產(chǎn)生讓使用者感到不安的過大的裂縫寬度。 耐久性 （Durability ）結(jié)構(gòu)在正常使用和正常維護(hù)條件下，應(yīng)具有足夠的耐久性。即在各種因素的影響下（混凝土碳化、鋼筋銹蝕），結(jié)構(gòu)的承載力和剛度不應(yīng)隨時(shí)間

3、有過大的降低，而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在其預(yù)定使用期間內(nèi)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(jié)構(gòu)的可靠性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是實(shí)現(xiàn)可靠性與經(jīng)濟(jì)性的最佳平衡設(shè)計(jì)方法The Design Methods二 極限狀態(tài)Limit State結(jié)構(gòu)能夠滿足功能要求而良好地工作，則稱結(jié)構(gòu)是“可靠”的或“有效”的。反之，則結(jié)構(gòu)為“不可靠”或“失效”。 承載力極限狀態(tài)Ultimate Limit State 正常使用極限狀態(tài)Serviceability Limit State 結(jié)構(gòu)整體或部分作為剛體失去平衡 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載力 受動(dòng)力荷載作用而產(chǎn)生疲勞破壞 結(jié)構(gòu)塑性變形過大而破壞 結(jié)構(gòu)形成幾何可變體系 構(gòu)件由于

4、壓屈而喪失穩(wěn)定 過大的變形和側(cè)移 過大的裂縫 過大的振動(dòng) 侵蝕性介質(zhì)腐蝕等結(jié)構(gòu)功能的表達(dá) S 作用效應(yīng) Action Effect 結(jié)構(gòu)上的作用是使結(jié)構(gòu)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(yīng)即為作用引起的構(gòu)件內(nèi)力。R 結(jié)構(gòu)抗力 Resistant 結(jié)構(gòu)抵抗作用效應(yīng)的能力，如受彎承載力Mu、受剪承載力Vu、容許撓度f、容許裂縫寬度w。S R 失效 三 結(jié)構(gòu)的失效概率與可靠指標(biāo)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。由于各頻率之和等于1，即圖中正態(tài)曲線與橫坐標(biāo)包圍的面積等于1，即：1）平均值:它它表示隨機(jī)變量取值的集中位置。平均值愈大，則分布曲線的高峰點(diǎn)

5、離開縱坐標(biāo)軸的水平距離愈遠(yuǎn)。2）標(biāo)準(zhǔn)差:它表示隨機(jī)變量的離散程度。標(biāo)準(zhǔn)差愈大時(shí)，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(jī)變量取值的相對(duì)離散程度。對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，如何設(shè)計(jì)的安全呢？作用取值越大，內(nèi)力值就越大，構(gòu)件截面尺寸也愈大，結(jié)構(gòu)愈安全；材料強(qiáng)度取值越低，結(jié)構(gòu)所需截面越大，結(jié)構(gòu)愈安全荷載標(biāo)準(zhǔn)值：材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值：1.645保證率系數(shù)。作用標(biāo)準(zhǔn)值實(shí)際作用低于標(biāo)準(zhǔn)值的概率為95；材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值實(shí)際強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)值的概率為95；Sm Sm+1.645fm-1.645 fm結(jié)構(gòu)抗力R與作用效應(yīng)S都是隨機(jī)變量，因此功能函數(shù)Z=R-S也是隨機(jī)變量Z0 結(jié)構(gòu)可靠；Z=0 結(jié)構(gòu)處于極限

6、狀態(tài)；Z0 結(jié)構(gòu)失效結(jié)構(gòu)的可靠概率與失效概率的關(guān)系 f(Z) Z=bsZmzPfZ = R - S sZPS=1-Pf可靠概率：失效概率：安全的概念是相對(duì)的，所謂“安全”只是失效概率相對(duì)較小而已，失效概率不可能為零，故不存在絕對(duì)安全的結(jié)構(gòu)。應(yīng)該通過設(shè)計(jì)把失效概率控制在某一個(gè)可以接受的限制以下就可以。失效概率越小，表示結(jié)構(gòu)可靠性越大。當(dāng)失效概率Pf小于某個(gè)值時(shí)，即可認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可靠的，即Pf Pf 。該失效概率限值稱為允許失效概率Pf。一般工業(yè)與民用建筑的允許失效概率：延性破壞的結(jié)構(gòu) Pf=6.910-4 脆性破壞的結(jié)構(gòu) Pf=1.110-4可靠指標(biāo)與失效概率的關(guān)系 f(Z) Z=bsZmzP

7、fZ = R - S sZPS=1-Pf失效概率Pf來度量結(jié)構(gòu)的可靠性具有明確的意義，但計(jì)算繁瑣，可以利用可靠度指標(biāo)代替失效概率來度量結(jié)構(gòu)的可靠性。失效概率Pf與可靠指標(biāo)有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系值愈大，失效概率Pf值就愈??；值愈小，失效概率Pf值就愈大。z平均值；z標(biāo)準(zhǔn)差第二節(jié) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則（現(xiàn)行規(guī)范）基本設(shè)計(jì)原則The Basic Design ApproachDesign of StructuresStrengthDeformation承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法一、承載能力極限狀態(tài)計(jì)算原則 承載能力極限狀態(tài)的計(jì)算以塑性理論為基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)計(jì)算原則是：作用效應(yīng)不利組合的設(shè)計(jì)值S，不

8、大于結(jié)構(gòu)抗力的設(shè)計(jì)值R，即g0 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù) 一級(jí) g01.1二級(jí) g01.0三級(jí) g00.9荷載荷載效應(yīng) (Load effect)永久荷載 (Dead Load)可變荷載 (Live Load)偶然荷載 (Accidental Load)作用效應(yīng)的基本概念如何衡量荷載大??？ 采用作用代表值來描述荷載的大小 對(duì)于永久作用，其代表值就是標(biāo)準(zhǔn)值，即結(jié)構(gòu)自重等； 對(duì)于可變作用，其代表值分別為標(biāo)準(zhǔn)值、組合值和準(zhǔn) 永久值。荷載效應(yīng)與荷載的關(guān)系？如何衡量荷載效應(yīng)？作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值作用分項(xiàng)系數(shù)：考慮荷載超過標(biāo)準(zhǔn)值的可能性，是一個(gè)變量C作用效應(yīng)系數(shù)作用分項(xiàng)系數(shù)分為永久作用分項(xiàng)系數(shù)和可變作用分項(xiàng)

9、系數(shù)材料分項(xiàng)系數(shù)分為砼分項(xiàng)系數(shù)和鋼筋分項(xiàng)系數(shù)結(jié)構(gòu)抗力材料強(qiáng)度結(jié)構(gòu)抗力的基本概念如何衡量材料強(qiáng)度的大??？結(jié)構(gòu)抗力與材料強(qiáng)度的關(guān)系？如何衡量結(jié)構(gòu)抗力的大?。?材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值結(jié)構(gòu)抗力標(biāo)準(zhǔn)值結(jié)構(gòu)抗力設(shè)計(jì)值材料分項(xiàng)系數(shù)：是一個(gè)大于1.0的系數(shù)，考慮材料強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)值的可能性。由于經(jīng)濟(jì)及歷史原因，我國(guó)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面為：荷載標(biāo)準(zhǔn)值偏低；荷載分項(xiàng)系數(shù)較??；材料分項(xiàng)系數(shù)偏低，因此材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度偏高；設(shè)計(jì)計(jì)算和構(gòu)造措施普遍比國(guó)外安全儲(chǔ)備少，尤其是最小配筋率，取值明顯低于其他國(guó)家規(guī)范的規(guī)定。進(jìn)入21世紀(jì)以后，我國(guó)國(guó)情有了很大變化，提高結(jié)構(gòu)的安全度利國(guó)利民，體現(xiàn)“以人為本

10、”的設(shè)計(jì)原則。措施：如適當(dāng)提高材料分項(xiàng)系數(shù)，從而降低設(shè)計(jì)強(qiáng)度取值；全面提高了最小配筋率的取值。二、正常使用極限狀計(jì)算原則設(shè)計(jì)計(jì)算理論基礎(chǔ)：彈性理論或塑性理論。正常使用極限狀態(tài)的計(jì)算主要進(jìn)行下列三個(gè)方面的驗(yàn)算： 1限制應(yīng)力2短期作用下的變形3各種作用組合作用下的裂縫寬度第三節(jié) 材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度與作用效應(yīng)組合 一、材料的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和強(qiáng)度設(shè)計(jì)值材料的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值：Characteristic value of material strength材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值： Design value of material strength 2混凝土的強(qiáng)度 （1）混凝土抗壓強(qiáng)度 棱柱體抗壓強(qiáng)度平均值與立方體抗壓強(qiáng)度平均值近似為：（2）混凝土的抗拉強(qiáng)度1鋼筋的設(shè)計(jì)強(qiáng)度二、作用效應(yīng)組合 (Combination for action effects)（一）作用的分類 1永久作用(Permanent action)：在設(shè)計(jì)使用期內(nèi)，其值不隨時(shí)間變化，或其變化與平均值相比可忽略不計(jì)的作用。2可變作用(Variable action)：在設(shè)計(jì)使用期內(nèi)，其值隨時(shí)間變化，且其變化與平均值相比不可忽略的作用。按其對(duì)橋函結(jié)構(gòu)的影響程度，又分為基本可變作用（活載）和其它可變作用。3.偶然作用(Accidental action)：在設(shè)計(jì)使用期內(nèi)，不一定出現(xiàn)，但一旦出現(xiàn)，其值很大且持續(xù)時(shí)間很短