1、第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 The Design Approach, 工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要保證安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理 由于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中存在多種不確定性 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法就是研究工程設(shè)計(jì)中的各種不確定性問(wèn)題，取得安全可靠與經(jīng)濟(jì)合理之間的均衡,概 述,第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法 allowable stress, 安全系數(shù) K 是一個(gè)大于1.0的數(shù)值 K 越大，結(jié)構(gòu)安全度就越高，同時(shí)結(jié)構(gòu)材料用量也越多 為取得安全可靠與經(jīng)濟(jì)合理的均衡， 在綜合考慮各種不確定性因素影響后，可選取一個(gè)合適的安全系數(shù)。,第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法, 材料力學(xué)中研究的是：?jiǎn)我徊牧?、線彈性、簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu) 實(shí)際工程結(jié)

2、構(gòu)遠(yuǎn)比它復(fù)雜 如鋼筋混凝土梁的受彎，從安全角度考慮，需要確定其極限受彎承載力； 而為控制正常使用階段的裂縫和撓度變形，需要確定帶裂縫工作階段的受力情況。 采用容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法，無(wú)法統(tǒng)一這兩方面的要求。,第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法, 因此，首先根據(jù)工程結(jié)構(gòu)需要滿足實(shí)際使用的各種要求（結(jié)構(gòu)的功能），對(duì)安全可靠有更具體的科學(xué)定義 另一方面，需要盡可能詳細(xì)了解結(jié)構(gòu)在不同情況下（施工、使用、破壞）可能受到的各種外界影響的大小和變化情況 外界影響：各種荷載、溫度變化、沉降、收縮徐變、地震、侵蝕、凍融等 以及結(jié)構(gòu)尺寸、材料強(qiáng)度等的變異情況，以便科學(xué)合理的選定結(jié)構(gòu)可靠度。,第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,3.2 極限狀態(tài),3

3、.1 極限狀態(tài) 3.1.1 結(jié)構(gòu)上的作用、作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力 作用使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力或變形的原因 結(jié)構(gòu)上的作用作用在結(jié)構(gòu)上的集中力和分布力(荷載),以及引起結(jié)構(gòu)約束變形和外加變形的各種原因。 直接作用：即作用在結(jié)構(gòu)上的集中力或分布力 荷載 間接作用：引起結(jié)構(gòu)約束變形和外加變形的各種原因。 1. 作用（荷載）的分類 按時(shí)間變異分類：1） 永久作用恒荷載:在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)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)。,第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,2） 可變作用活荷載:在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)其值隨時(shí)間變化，或其變化與平均值相比不可忽略。 3.）偶然作用：在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)不一定出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)其值很大，且作用時(shí)間很短 按

4、空間變異分類：固定作用 、可動(dòng)作用； 按結(jié)構(gòu)反應(yīng)分類：動(dòng)態(tài)作用，靜態(tài)作用 作用效應(yīng)S：作用在結(jié)構(gòu)上作用在結(jié)構(gòu)上引起的內(nèi)力和變形。如彎矩M、軸力N、剪力V、扭矩T、撓度 f、裂縫寬度 w 等 結(jié)構(gòu)抗力R：結(jié)構(gòu)抵抗作用效應(yīng)的能力。,3.2 極限狀態(tài),第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,3.1 結(jié)構(gòu)的功能,3.1.2 結(jié)構(gòu)的功能要求 Functions of Structure,結(jié)構(gòu)安全等級(jí) 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù) 0 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限,第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,3.1 結(jié)構(gòu)的功能,3. 建筑結(jié)構(gòu)的功能 安全性 Safety 如（MMu） 結(jié)構(gòu)在預(yù)定的使用期間內(nèi)（一般為50年），應(yīng)能承受在正常施工、正常使用情況下可能出現(xiàn)的

5、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（如溫度和收縮變形受到約束時(shí)）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。,第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,3.1 結(jié)構(gòu)的功能, 適用性 Serviceability 如（f f ） 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(guò)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(guò)大的裂縫寬度。 耐久性 Durability 如（wmax wmax） 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

6、土碳化、鋼筋銹蝕），結(jié)構(gòu)的承載力和剛度不應(yīng)隨時(shí)間有過(guò)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。,第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,3.1 結(jié)構(gòu)的功能, 結(jié)構(gòu)的可靠性 reliability 可靠性安全性、適用性和耐久性的總稱 就是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期限內(nèi)（設(shè)計(jì)工作壽命=50年），在規(guī)定的條件下（正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用和維護(hù)），完成預(yù)定結(jié)構(gòu)功能的能力。 結(jié)構(gòu)可靠性越高，建設(shè)造價(jià)投資越大。 如何在結(jié)構(gòu)可靠與經(jīng)濟(jì)之間取得均衡，就是設(shè)計(jì)方法要解決的問(wèn)題。,第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,3.1 結(jié)構(gòu)的功能, 顯然這種可靠與經(jīng)濟(jì)的均衡受到多方面的影響，如國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力、設(shè)計(jì)工作壽命、維護(hù)和修

7、復(fù)等。 規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)方法，是這種均衡的最低限度，也是國(guó)家法律。 設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)具體工程的重要程度、使用環(huán)境和情況，以及業(yè)主的要求，提高設(shè)計(jì)水準(zhǔn)，增加結(jié)構(gòu)的可靠度。 經(jīng)濟(jì)的概念不僅包括第一次建設(shè)費(fèi)用，還應(yīng)考慮維修，損失及修復(fù)的費(fèi)用,第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,3.2 極限狀態(tài),3.1.3 結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(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”。 區(qū)分結(jié)構(gòu)“可靠”與“失效”的臨界工作狀態(tài)稱為“極限狀態(tài)”,第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,承載力能力極限狀態(tài) Ultimate Limit State 超過(guò)該極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)

8、就不能滿足預(yù)定的安全性功能要求 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載力（包括疲勞） 結(jié)構(gòu)整體或其中一部分作為剛體失去平衡（如傾覆、滑移） 結(jié)構(gòu)塑性變形過(guò)大而不適于繼續(xù)使用 結(jié)構(gòu)形成幾何可變體系（超靜定結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)足夠多塑性鉸） 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如細(xì)長(zhǎng)受壓構(gòu)件的壓曲失穩(wěn)）,3.2 極限狀態(tài),第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,3.2 極限狀態(tài),正常使用極限狀態(tài) Serviceability Limit State 超過(guò)該極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不能滿足預(yù)定的適用性和耐久性的功能要求。 過(guò)大的變形、側(cè)移（影響非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、不安全感、不能正常使用（吊車）等）； 過(guò)大的裂縫（鋼筋銹蝕、不安全感、漏水等）； 過(guò)大的振動(dòng)（不舒適）； 其他正

9、常使用要求。,第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,3.2 極限狀態(tài),結(jié)構(gòu)功能的表達(dá),S R 可靠,S作用效應(yīng) Action Effect,S = S(Q),R結(jié)構(gòu)抗力 Resistant,R = R(fc, fy, A, h0, As, ),S = R 極限狀態(tài),S R 失效,結(jié)構(gòu)力學(xué)的主要內(nèi)容,本課程的主要內(nèi)容,3.1.4 極限狀態(tài)方程,承載能力極限狀態(tài)函數(shù),Z= R-S 極限狀態(tài),第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,3.3 結(jié)構(gòu)中的不確定性,3.2 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法, 恒載 g與構(gòu)件尺寸、材料容重等有關(guān) 活載 q（樓面活載、雪荷載）的數(shù)值是隨時(shí)在變化的 計(jì)算跨度 l 的不準(zhǔn)確,材料強(qiáng)度 fy 和 fc 的離散 截面尺寸

10、h0和 b 的施工誤差 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系參數(shù) k1 和 k2,不一定安全（可靠）,3.2.1 結(jié)構(gòu)的可靠度,第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,由于結(jié)構(gòu)工程中的不確定性，為取得安全可靠與經(jīng)濟(jì)合理的均衡，在設(shè)計(jì)中需要考慮這些不確定性的影響。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法就是處理這種安全可靠與經(jīng)濟(jì)合理的矛盾。, 容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能不是彈性的； 結(jié)構(gòu)中一點(diǎn)達(dá)到容許應(yīng)力，結(jié)構(gòu)即認(rèn)為失效； 沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)功能的多樣性要求； 安全系數(shù)是憑經(jīng)驗(yàn)確定的，缺乏科學(xué)依據(jù)。,第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法, 破損階段設(shè)計(jì)法,整個(gè)截面達(dá)到極限承載力才認(rèn)為失效，考慮了材料塑性和強(qiáng)度的充

11、分發(fā)揮，極限荷載可以直接由試驗(yàn)驗(yàn)證，構(gòu)件的總安全度較為明確。 但安全系數(shù)K仍然憑經(jīng)驗(yàn)確定， 沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)功能的多樣性要求的問(wèn)題。,第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法,除要求對(duì)承載力極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)外，還包括的撓度和裂縫寬度（適用性）的極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)。 對(duì)于承載力極限狀態(tài)，針對(duì)荷載、材料的不同變異性，不再采用單一的安全系數(shù)，而采用的多系數(shù)表達(dá)，, 材料強(qiáng)度 fck 和 fsk 是根據(jù)統(tǒng)計(jì)后按一定保證率取其下限分位值，反映的材料強(qiáng)度的變異性。 荷載值 qik 也盡可能根據(jù)各種荷載的統(tǒng)計(jì)資料，按一定保證率取其上限分位值。 荷載系數(shù) kqi ，材料強(qiáng)度系數(shù) kc 和 ks 仍按

12、經(jīng)驗(yàn)確定，但對(duì)于不同荷載的變異大小，可取不同的荷載系數(shù)。,第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法,由于實(shí)際結(jié)構(gòu)中的不確定性，因此無(wú)論如何設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，都會(huì)有失效的可能性存在，只是可能性大小不同而已。 為了科學(xué)定量的表示結(jié)構(gòu)可靠性的大小，采用概率方法是比較合理的。,失效概率越小，表示結(jié)構(gòu)可靠性越大。因此，可以用失效概率來(lái)定量表示結(jié)構(gòu)可靠性的大小。結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量稱為結(jié)構(gòu)可靠度reliability degree。 當(dāng)失效概率Pf小于某個(gè)值時(shí)，人們因結(jié)構(gòu)失效的可能性很小而不再擔(dān)心，即可認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可靠的。該失效概率限值稱為容許失效概率Pf。,失效概率 pro

13、bability of failure,Pf = P (S R),第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,結(jié)構(gòu)功能函數(shù) Z = R - S,Pf =P (S R) =P(Z 0),b 可靠指標(biāo) reliability index,第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法, 根據(jù)統(tǒng)計(jì)，觸電的年死亡率為610-6 b =3.7時(shí)，Pf=1.110-4，按設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年考慮，年失效概率為1.110-4/50=2.210-6 50年后并不是結(jié)構(gòu)就失效，而是失效概率增加。同時(shí)，結(jié)構(gòu)失效也并不表示結(jié)構(gòu)倒塌，結(jié)構(gòu)倒塌也不一定造成人員傷亡。 我國(guó)對(duì)于一般工程結(jié)構(gòu)，當(dāng)為延性破壞時(shí)，其可靠指標(biāo)取b =3.

14、2，對(duì)脆性破壞取b =3.7。 對(duì)于重要的工程結(jié)構(gòu)，應(yīng)提高可靠指標(biāo)。,第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值Sk, 作用效應(yīng)S的不確定性就主要取決于結(jié)構(gòu)上作用Q的不確定性,永久荷載G 可變荷載Q 偶然荷載（作用）, 不同的荷載，其變異情況不同。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可以確定一個(gè)具有一定保證率（如95%）的上限荷載分位值，該特征值稱為荷載標(biāo)準(zhǔn)值（符號(hào)Gk，Qik）。 按荷載標(biāo)準(zhǔn)值確定的荷載效應(yīng)，稱為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值Sk 有多個(gè)可變荷載同時(shí)作用的情況，考慮到它們同時(shí)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的可能性較小，考慮荷載組合系數(shù)y，,第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,結(jié)構(gòu)抗力標(biāo)準(zhǔn)值Rk,fck、fsk分別為混凝土和鋼筋的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，截面尺寸b、h0和配筋A(yù)s取設(shè)計(jì)值。 Rk的具體表達(dá)形式是本課程的主要內(nèi)容。,第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,3.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式,第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,3.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式,第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,3.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式,第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,3.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式,3.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,第三章