单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,混凝土结构设计原理,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,学习目标,掌握极限状态的基本概念；,了解结构可靠度的基本原理；,熟悉近似概率极限状态设计法,在混凝土结构设计中的应用。,第三章 混凝土结构设计的基本原则,教学提示,首先应明确,建筑结构可靠度设计统一,标准,和,建筑结构荷载规范,是结构,设计宜遵守的基本原则。,本章应重点介绍结构上的作用、对结构,的功能要求、设计基准期、两类极限状,态以及极限状态的实用设计表达式。,第三章 混凝土结构基本设计原则,工程结构需要,安全适用、经济合理；,这只有,技术先进,才能实现。,实际,工,程结构中,存在,多种,不确定性,；,工,程结构的,基本设计原则,就是,研究,各种,不确定性,问题，实现,可靠性,与,经济性,的最佳平衡。,一、作用的概念：,使结构产生,内力,或,变形,的原因，分,直接作用,和,间接作用,两种。,直接作用,：是指施加在结构上的,集中力,或,分布力,，,即,荷载,。,间接作用,：是指引起结构,外加变形,或,约束变形,的原,因（混凝土收缩、温度变化、基础差异,沉降、地震等）。,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.1,极限状态和设计状况,结构上的作用,3.1,极限状态和设计状况,（按随时间的变异性可分为三类）,1,、永久作用：,在,结构使用期间，,其量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用。,二、作用的分类：,如,结构自重、土压力、预应力、地基沉降、焊接等。,2,、可变作用：,在,结构使用期间，,其量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。,如,楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、,汽车荷载,、温度变化等。,3,、偶然作用：,在,结构使用期间,不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用。,如,爆炸力、撞击力、罕遇的地震等。,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.1,极限状态和设计状况,第三章 混凝土结构基本设计原则,三、荷载标准值,是荷载的,基本代表值,，为设计基准期内,最大荷载,概率分布的某个分位值。,1,、,永久荷载标准值：,按,设计尺寸,与,材料重力密度,的乘积计算。一般相当于设计基准期内,最大荷载,概率分布的,0.5,分位值。,2,、可变荷载标准值：,为设计基准期内,最大荷载,概率分布的某个分位值。,对于建筑结构,，查荷载规范,GB50009,。,对于道桥结构,，查公路桥涵通用规范,JTG D60,。,3.1,极限状态和设计状况,3.1,极限状态和设计状况,3.1.2,结构的功能,（包括,安全性,、,适应性,和,耐久性,）,一、结构的安全等级,第三章 混凝土结构基本设计原则,根据结构,破坏后果,的影响程度分为,三级,。,安全等级,破坏后果,建筑物类型,一级,很严重,重要的建筑物,二级,严 重,一般的建筑物,三级,不严重,次要的建筑物,建筑结构的安全等级,第三章 混凝土结构基本设计原则,安全等级,破坏后果,桥梁类型,一级,很严重,特大及重要大桥,二级,严 重,大、中桥及重要小桥,三级,不严重,小桥、涵洞,桥梁结构的安全等级,3.1,极限状态和设计状况,第三章 混凝土结构基本设计原则,1,、结构的设计使用年限,是指设计规定的结构或结构构件,不需进行大修,即可按其,预定目的,使用的时期。,2,、结构的设计使用年限,不同于,实际寿命,和,设计基准期,。,二、结构的设计使用年限和设计基准期,类别,设计使用年限（年）,示例,1,5,临时性结构,2,25,易于替换的结构构件,3,50,普通房屋和构筑物,4,100,纪念性建筑和特别重要的建筑物,建筑结构设计使用年限分类,3.1,极限状态和设计状况,3,、设计基准期：,指为确定,可变作用,及,与时间有关的材料性能,等取值而选用的,时间参数,。,建筑结构,的设计基准期为,50,年。,桥梁结构,的设计基准期为,100,年。,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.1,极限状态和设计状况,三、结构的功能,（包括,安全性,、,适应性,和,耐久性,）,1,、安全性,结构在,设计规定的使用年限,内，能承受在正常施工和正常使用时可能出现的,各种作用,。在设计规定的,偶然事件,发生时及发生后，仍能保持必需的,整体稳定性。,第三章 混凝土结构基本设计原则,设计使用年限：,一般为,50,年,。,各种作用：,指荷载、外加变形和约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）；,偶然事件：,如地震、爆炸、火灾、撞击等；,整体稳定性：,指建筑结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。,结构在设计规定的使用年限内，在,正常使用,时具有,良好的工作性能,。,良好的工作性能：,指不发生影响正常使用的过大的变形、振动，或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度等。,第三章 混凝土结构基本设计原则,2,、适用性,3,、耐久性,结构在设计规定的使用年限内，在,正常维护,下具有足够的,耐久性能,。,耐久性能：,指在各种因素（,混凝土碳化,、,钢筋锈蚀,等）的影响下，结构的,承载力,和,刚度,不应随时间有过大的降低，而降低使用寿命。,3.1,极限状态和设计状况,3.1.3,极限状态,结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构为,可靠,（或有效）。反之，则结构为,不可靠,（或失效）。,区分结构,“,可靠,”,与,“,失效,”,的,临界工作状态,称为,“,极限状态,”,第三章 混凝土结构基本设计原则,一、极限状态的概念,整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，,此特定状态为该功能的极限状态。,二、两类极限状态,承载能力,极限状态与,正常使用,极限状态。,3.1,极限状态和设计状况,（,1,）概念,：,承载能力极限状态对应于结构或结构构件,达到最大承载力,或,不适于继续承载的变形,。,-,安全性,。,第三章 混凝土结构基本设计原则,1,、承载能力极限状态,Ultimate Limit State,（,2,）标志,整个结构或结构的一部分作为,刚体失去平衡,。,结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏）或因过度变形而不适于继续承载。,结构转变为机动体系（超静定结构中出现足够多塑性铰）。,结构或结构构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）,。,地基丧失承载能力而破坏。,3.1,极限状态和设计状况,（,2,）标志：,影响正常使用或外观的变形；,影响正常使用或,耐久性能的局部损坏,（包括裂缝、钢筋锈蚀、漏水等）；,影响正常使用的振动；,影响正常使用的其他特定状态。,第三章 混凝土结构基本设计原则,2,、正常使用极限状态,Serviceability Limit State,（,1,）概念,：,正常使用极限状态对应于结构或结构构件达到,正常使用,或,耐久性能,的,某项规定限值,。对应于结构的,适应性和耐久性,。,3.1,极限状态和设计状况,S,作用效应,结构上的作用引起的效应（,如弯矩、轴力、剪力、扭矩等）,结构力学的主要内容,R,结构抗力,结构抵抗作用效应的能力，如受弯承载力,M,u,本课程的主要内容,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.1.4,极限状态方程,因,S,和,R,都是,随机变量,，,不一定绝对安全,所以,第三章 混凝土结构基本设计原则,Z,0,可靠,Z,=,0,极限状态,Z,S,。,但在,重叠区,（阴影段内）仍,有可能,出现,RS,是不可能的。,3.2.2,可靠指标与失效概率,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.2,极限状态设计法,二、,Z,的概率密度曲线、失效概率、可靠指标,第三章 混凝土结构基本设计原则,失效概率,可见，,P,f,越小，,越大,3.2,极限状态设计法,第三章 混凝土结构基本设计原则,三、容许失效概率,四、失效概率,p,f,与可靠指标,的关系,当,P,f,小于某个值时，人们不再担心。该失效概率称为,容许失效概率,P,f,。,赛车,飞机 火车 雷击,公众心理分析：胆大,10,-3,谨慎,10,-4,不再考虑,10,-5,失效概率：较安全,510,-3,安全,510,-4,很安全,510,-5,3.2,极限状态设计法,第三章 混凝土结构基本设计原则,五、,建筑,结构的目标可靠指标,破 坏 类 型,安 全 等 级,一 级,二 级,三 级,延 性 破 坏,3.7,3.2,2.7,脆 性 破 坏,4.2,3.7,3.2,六、,桥梁,结构的目标可靠指标,破 坏 类 型,安 全 等 级,一 级,二 级,三 级,延 性 破 坏,4.7,4.2,3.7,脆 性 破 坏,5.2,4.7,4.2,3.2,极限状态设计法,3.3,实用设计表达式,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3.1,设计验算点的确定、分项系数,f,(S),S,S,k,f,(R),R,R,k,一、,S,、,R,的概率密度曲线,3.3,实用设计表达式,S,k,f,(S),，,f,(R),S,，,R,R,k,第三章 混凝土结构基本设计原则,二、设计验算点的确定,3.3,实用设计表达式,S,k,f,(S),，,f,(R),S,，,R,R,k,第三章 混凝土结构基本设计原则,二、设计验算点的确定,3.3,实用设计表达式,S,k,f,(S),，,f,(R),S,，,R,R,k,第三章 混凝土结构基本设计原则,二、设计验算点的确定,3.3,实用设计表达式,S,K,0.1,（,3,）准永久值,结构上,经常,出现的,作用值,准永久值,=,准永久值系数,标准值,t/T,=0.5,（,t,为设计基准期内荷载,达到和超过,该值的,总持续时间,，,T,为设计基准期。,）,（,1,）组合值,当有,两个,或,两个以上,可变荷载,同时作,用,时的代表值,。,组合值,=,组合值系数,标准值,第三章 混凝土结构基本设计原则,3.3,实用设计表达式,第三章 混凝土结构基本设计原则,建规,G,、,Qi,、,Ci,的取,值,桥规,见,JTG D62,第条,3.3,实用设计表达式,小结,本章的主要内容,1,、结构的功能：安全性、适用性和耐久性；可靠性与可靠度,2,、两类极限状态：概念和标志,3,、结构设计中的不确定性,本章小结,第三章 混凝土结构基本设计原则,链接下一章,4,、以概率论为基础的极限状态设计法,（,1,）,失效概率与可靠指标,（,2,）,极限状态设计表达式,0,S,R,（,3,）,荷载效应组合：基本组合（可变荷载效应控制、永久荷载效应控制）、标准组合、准永久组合、,短期效应组合,、,长期效应组合,。,（,4,）,荷载,的实测值、标准值、组合值、,频遇值,、准永久值和设计值,（,5,）,材料强度的实测值、标准值和设计值,