第3章

混凝土結(jié)構(gòu)設計基本原理

第1頁，共25頁。一、結(jié)構(gòu)的作用、作用效應及結(jié)構(gòu)抗力

結(jié)構(gòu)上的作用是指施加在結(jié)構(gòu)上的各種力（直接作用）以及引起結(jié)構(gòu)變形的各種原因（間接作用）。1、按時間的變異分類：永久作用、可變作用、偶然作用2、按結(jié)構(gòu)的反應分類：靜態(tài)作用、動態(tài)作用作用的分類：

（一）作用3.1結(jié)構(gòu)可靠度及設計方法第2頁，共25頁。（二）作用效應S

施加在結(jié)構(gòu)上的作用產(chǎn)生的內(nèi)力（彎矩、剪力、軸力、扭矩等）和變形（撓度、轉(zhuǎn)角、裂縫等）稱為作用效應。S=cQ

作用為荷載Q，在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的效應為荷載效應S為：c–––荷載效應系數(shù);Q–––荷載.例：簡支梁在均布荷載作用下跨中彎矩：簡支梁在跨中一集中荷載作用下跨中彎矩：（荷載效應系數(shù)為）（荷載效應系數(shù)為）第3頁，共25頁。（三）結(jié)構(gòu)抗力R

結(jié)構(gòu)抗力是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受作用效應的能力。如結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力、抵抗變形、抗裂性等。

結(jié)構(gòu)抗力的影響因素：材料性能的不確定性材料幾何參數(shù)的不確定性計算模式的不確定性

本課程主要講述各種構(gòu)件的結(jié)構(gòu)抗力的計算，作用效應的計算在結(jié)構(gòu)力學課程中已講述。第4頁，共25頁。Z>0，即R>S

結(jié)構(gòu)可靠Z=0，即R=S結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)。

即R<S

結(jié)構(gòu)失效Z<0，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件能否完成預定功能與結(jié)構(gòu)的作用效應S與結(jié)構(gòu)的抗力R有關(guān)。Z=R–S結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)：S—結(jié)構(gòu)的作用效應R—結(jié)構(gòu)的抗力第5頁，共25頁。二、結(jié)構(gòu)的功能要求和可靠度1、安全性

結(jié)構(gòu)在正常施工和使用時應能承受可能出現(xiàn)的各種作用；在發(fā)生火災時，在規(guī)定的時間內(nèi)保持足夠的承載力；當發(fā)生偶然事件時，能保持必須的整體穩(wěn)定性。2、適用性

結(jié)構(gòu)在正常使用時保持良好的使用性能，如不發(fā)生過大的變形和裂縫，不妨礙正常使用。3、耐久性

結(jié)構(gòu)在正常維護下，材料性能雖隨時間變化，但仍能滿足預定功能要求，如材料的風化、老化、腐蝕等不超過一定的限度。第6頁，共25頁。

安全性、適用性、耐久性總稱為結(jié)構(gòu)的可靠性。結(jié)構(gòu)的可靠度是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)（設計使用年限），在規(guī)定的條件下（正常的設計、施工和使用)，完成預定功能的概率。結(jié)構(gòu)可靠度是結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量。結(jié)構(gòu)可靠度越高，建設造價投資越大。因此，如何在結(jié)構(gòu)可靠與經(jīng)濟之間取得均衡，是設計方法要解決的問題。

建筑的設計使用年限見表3-1，如無特殊說明，一般為50年。第7頁，共25頁。三、結(jié)構(gòu)的安全等級

根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生的各種后果的嚴重性（危及人的生命、造成經(jīng)濟損失、產(chǎn)生社會影響等）來劃分建筑的安全等級。建筑結(jié)構(gòu)的安全等級共劃分為三級，見表3-2。建筑物中各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全等級，宜于整個結(jié)構(gòu)的安全等級相同。第8頁，共25頁。一、荷載標準值1、永久荷載標準值：Gk

按構(gòu)件的設計尺寸和材料重度（或單位面積的自重）平均值計算。各種材料重度見《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》。

混凝土：25KN/m3

水泥砂漿：20KN/m3

石灰砂漿和混合砂漿：17KN/m3實例：梁截面尺寸為250×600mm，計算其自重標準值。3.2荷載和材料強度的取值第9頁，共25頁。2、可變荷載標準值:QK

主要類型有：（1）樓（屋）面活荷載標準值：（2）風荷載標準值：（3）雪荷載標準值：各類可變荷載標準值見《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》

。

如：辦公樓、住宅樓面均布活荷載標準值為2.0KN/m2

走道、樓梯間均布活荷載標準值為2.5KN/m2第10頁，共25頁。二、材料強度標準值1、鋼筋的強度標準值：對有明顯屈服點的熱軋鋼筋，取屈服強度；對無明顯屈服點的鋼筋、鋼絲及鋼絞線，取0.85b

各類鋼筋、鋼絲、和鋼絞線的強度標準值見附表1、2。2、混凝土的強度標準值：混凝土強度標準值見附表9。材料強度標準值：材料強度概率分布中具有95%保證率的材料強度值。第11頁，共25頁。

整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)（如承載力、變形、裂縫寬度等超過某一限值）就不能滿足設計規(guī)定的某一功能要求（安全、適用或耐久），此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。一、結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)3.3概率極限狀態(tài)設計方法第12頁，共25頁。1、承載能力極限狀態(tài)

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載力、出現(xiàn)疲勞破壞、發(fā)生不適于繼續(xù)承載的變形或因結(jié)構(gòu)局部破壞而引發(fā)的連續(xù)倒塌。

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件出現(xiàn)下列情形之一時，認為超過了承載能力極限狀態(tài)：（1）應力超過材料強度而破壞，或因過度變形不適于繼續(xù)承載；（2）作為剛體失去平衡；（3）轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系；（4）喪失穩(wěn)定；（5）因局部破壞而發(fā)生連續(xù)倒塌；（6）地基喪失承載能力而破壞；（7）疲勞破壞。承載能力極限狀態(tài)主要考慮結(jié)構(gòu)有關(guān)安全性的功能，所有的結(jié)構(gòu)構(gòu)件都需按承載能力極限狀態(tài)進行設計。第13頁，共25頁。2、正常使用極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到正常使用或耐久性的某項規(guī)定限值。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件出現(xiàn)下列情形之一時，認為超過了承載能力極限狀態(tài)：

（1）影響正常使用或外觀的變形（變形過大）;

（2）影響正常使用或耐久性能的局部損壞（裂縫過寬）;

（3）影響正常使用的振動（振幅過大等）；（4）影響正常使用的其他特定狀態(tài)，如沉降量過大等。正常使用極限狀態(tài)主要考慮結(jié)構(gòu)有關(guān)適用性和耐久性的功能，允許出現(xiàn)的概率稍高一些，但也應引起足夠的重視。

通常對結(jié)構(gòu)構(gòu)件先按承載能力極限狀態(tài)進行計算，按后根據(jù)使用要求按正常使用極限狀態(tài)進行驗算。第14頁，共25頁。二、結(jié)構(gòu)的設計狀況結(jié)構(gòu)設計時，應區(qū)分以下四種設計狀況：

1、持久設計狀況

2、短暫設計狀況

3、偶然設計狀況

4、地震設計狀況

以上4種設計狀況，均應進行承載能力極限狀態(tài)設計，以確保結(jié)構(gòu)的安全。對持久設計狀況，尚應進行正常使用極限狀態(tài)設計，以確保結(jié)構(gòu)的適用和耐久；對短暫設計狀況和地震設計狀況，可根據(jù)需要進行正常使用極限狀態(tài)設計；對于偶然設計狀況，可不進行正常使用極限狀態(tài)設計。第15頁，共25頁。Z>0，即R>S

結(jié)構(gòu)可靠Z=0，即R=S結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)。

即R<S

結(jié)構(gòu)失效Z<0，Z=R–S結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)：S—結(jié)構(gòu)的作用效應R—結(jié)構(gòu)的抗力三、結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)和極限狀態(tài)方程第16頁，共25頁。3.4極限狀態(tài)設計的實用表達式一、承載能力極限狀態(tài)設計表達式結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面設計表達式可采用內(nèi)力或應力表達。（一）基本表達式對持久設計狀況、短暫設計狀況和地震設計狀況，用內(nèi)力形式的表達式：0SRR=R（fc，fs，…….)/Rd第17頁，共25頁。0–––結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；在持久設計狀況和短暫設計狀況下，對安全等級為一、二、三級的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，分別不應小于1.1,1.0,0.9

，對地震設計狀況性下應取1.0；S–––承載能力極限狀態(tài)下作用組合的效應設計值；對持久設計狀況和短暫設計狀況按作用的基本組合計算；對地震設計狀況按作用的地震組合計算；R

–––結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設計值。Rd–––結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力模型不定性；靜力設計取1.0，對不確定性較大的結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)具體情況取大于1.0的數(shù)值；抗震設計用承載力抗震調(diào)整系數(shù)RE代替Rd

。

第18頁，共25頁。（二）荷載效應組合的設計值S（只有一種可變荷載）SGK–––永久作用標準值GK的效應；SQK——可變作用標準值QK的效應。1、由可變荷載效應控制的組合2、由永久荷載效應控制的組合對持久和短暫設計狀況，應采用基本組合：第19頁，共25頁。G–––永久荷載分項系數(shù)。按以下規(guī)定取值：

1、當其效應對結(jié)構(gòu)不利時：對由可變荷載效應控制的組合，取1.2；對由永久荷載效應控制的組合，取1.35；

2、當其效應對結(jié)構(gòu)有利時：一般情況下取1.0。Q–––可變荷載分項系數(shù)。

一般情況取1.4；當樓面活荷載標準值大于4kN/m2，取1.3。–––可變荷載組合值系數(shù)，查《荷載規(guī)范》。風荷載為0.6，大部分可變荷載為0.7。荷載分項系數(shù)、可變荷載組合值系數(shù)第20頁，共25頁。實例：一辦公樓的設計使用年限為50年，樓蓋中的一簡支梁作用均布荷載，跨度為6米，作用其上的永久荷載標準值gk=3kN/m；可變荷載標準值qk=6kN/m，可變荷載組合值系數(shù)C

=0.7。計算該梁按承載能力極限狀態(tài)計算的荷載基本效應組合的設計值（跨中彎矩、支座剪力）

。第21頁，共25頁。二、正常使用極限狀態(tài)設計表達式

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件超過正常使用極限狀態(tài)時所造成的財產(chǎn)和生命損失要小于超過承載力極限狀態(tài)的后果，故其可靠度指標要低一些。正常使用極限狀態(tài)常采用荷載效應的標準組合、頻遇組合或準永久組合，其表達式如下：SCS–––正常使用極限狀態(tài)的荷載效應的設計值；如變形、裂縫寬度等；C——結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常使用要求所規(guī)定的變形、裂縫寬度等的限值。見附表14、16。第22頁，共25頁。正常使用極限狀態(tài)荷載組合效應設計值S（只有一種可變荷載）SGK–––由永久荷載的標準值GK計算的荷載效應值。SQK——

由可變荷載的標準值QK計算的荷載效應值。1、標準組合：2、頻遇組合：3、準永久組合：––––––可變荷載的頻遇值系數(shù)?？勺兒奢d的準永久值系數(shù)。第23頁，共25頁。本講結(jié)束第24頁，共25頁。內(nèi)容梗概第3章

混凝土結(jié)構(gòu)設計基本原理。簡支梁在跨中一集中荷載作用下跨中彎矩：。即R=S結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)。因此，如何在結(jié)構(gòu)可靠與經(jīng)濟之間取得均衡，是設計方法要解決的問題。建筑的設計使用年限見表3-1，如無特殊說明，一般為50年。按構(gòu)件的設計尺寸和材料重度（或單位面積的自重）。各類可變荷載標準值見《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》。材料強度標準值：材料強度概率分布中具有95%保證率的材料強度值。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到正常使用或耐久性的某項規(guī)定限值。0–––結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。Rd–––結(jié)構(gòu)構(gòu)