1、會計學1鋼筋混凝土結構原理結構設計基本原理鋼筋混凝土結構原理結構設計基本原理 （2）按隨空間位置的變異按隨空間位置的變異可分為二類：可分為二類：固定作用固定作用自由作用自由作用1 結構上的作用結構上的作用(action)和作用效應和作用效應(effect of an action) 在結構上具有固定分布的作在結構上具有固定分布的作用。其特點是在結構上出現用。其特點是在結構上出現的空間位置固定不變，但其的空間位置固定不變，但其量值可能具有隨機性。量值可能具有隨機性。在結構上一定范圍內可以任在結構上一定范圍內可以任意分布的作用。意分布的作用。如房屋建筑樓面上位置如房屋建筑樓面上位置固定的設備荷載、

2、屋蓋固定的設備荷載、屋蓋上的水箱等。上的水箱等。如樓面的人員荷載、吊如樓面的人員荷載、吊車荷載等。車荷載等。第1頁/共28頁靜態作用靜態作用動態作用動態作用 （3）按結構的反應特點按結構的反應特點可分為二類：可分為二類： 上述各種作用作用在結構或結構構件上，由此在結構內產生的內力和上述各種作用作用在結構或結構構件上，由此在結構內產生的內力和變形（如軸力、剪力、彎矩以及撓度、轉角和裂縫等）稱為變形（如軸力、剪力、彎矩以及撓度、轉角和裂縫等）稱為作用效應作用效應。使結構產生的加速度可以忽略不計的使結構產生的加速度可以忽略不計的作用。作用。使結構產生的加速度不可忽略不計的使結構產生的加速度不可忽略不

3、計的作用。在結構分析時一般均應考慮其作用。在結構分析時一般均應考慮其動力效應。動力效應。如結構自重、住宅或辦如結構自重、住宅或辦公樓的樓面活荷載公樓的樓面活荷載如吊車荷載、地震作用如吊車荷載、地震作用、大型動力設備的作用、大型動力設備的作用、高聳結構上的風荷載、高聳結構上的風荷載等。等。1 結構上的作用結構上的作用(action)和作用效應和作用效應(effect of an action) 第2頁/共28頁2 結構抗力結構抗力(resistance) 結構抗力結構抗力是指整個結構或結構構件承受作用效應（即內力和變形）的是指整個結構或結構構件承受作用效應（即內力和變形）的能力。能力。 影響抗力

4、的主要因素影響抗力的主要因素有：有：材料性能的不確定性材料性能的不確定性幾何參數的不確定性幾何參數的不確定性計算模式的不確定性計算模式的不確定性強度、變形模量等強度、變形模量等構件尺寸等構件尺寸等抗力計算所采用的基本假設抗力計算所采用的基本假設和計算公式不夠精確等和計算公式不夠精確等第3頁/共28頁3 結構可靠性結構可靠性(reliability)及可靠度及可靠度(degree of reliability) 結構可靠性結構可靠性是指結構在規定的時間內，在規定的條件下，完成預定功是指結構在規定的時間內，在規定的條件下，完成預定功能的能力。能的能力。 結構可靠度結構可靠度就是結構在規定的時間內，

5、在規定的條件下，完成預定功就是結構在規定的時間內，在規定的條件下，完成預定功能的概率。即結構可靠度是結構可靠性的概率度量。能的概率。即結構可靠度是結構可靠性的概率度量。 規定的時間規定的時間是指設計使用年限。是指設計使用年限。 規定的條件規定的條件是指正常設計、正常施工和正常使用的條件。是指正常設計、正常施工和正常使用的條件。 預定功能預定功能指滿足結構的安全性、適用性和耐久性要求。指滿足結構的安全性、適用性和耐久性要求。第4頁/共28頁4 4 設計使用年限設計使用年限(design working life)和設計基準期和設計基準期（design reference period) 設計使用

6、年限設計使用年限是指設計規定的結構或結構構件不需進行大修即可按其是指設計規定的結構或結構構件不需進行大修即可按其預定目的使用的時期，即結構在規定的條件下所應達到的使用年限。預定目的使用的時期，即結構在規定的條件下所應達到的使用年限。 設計使用年限設計使用年限的概念不同于的概念不同于實際壽命實際壽命、耐久年限耐久年限或或設計基準期設計基準期。建建筑結構可靠度設計統一標準筑結構可靠度設計統一標準規定了各類建筑結構的設計使用年限。規定了各類建筑結構的設計使用年限。類別類別設計使用年限（年）設計使用年限（年）示例示例15臨時性結構臨時性結構225易于替換的結構構件易于替換的結構構件350普通房屋和構筑

7、物普通房屋和構筑物4100紀念性建筑和特別重要的建筑物紀念性建筑和特別重要的建筑物 設計使用年限分類設計使用年限分類 設計基準期設計基準期指為確定可變作用及與時間有關的材料性能等取值而選用指為確定可變作用及與時間有關的材料性能等取值而選用的時間參數。的時間參數。統一標準統一標準規定設計基準期為規定設計基準期為50年。年。第5頁/共28頁5 5 結構的安全等級結構的安全等級(safety class) 結構的安全等級結構的安全等級根據結構破壞可能產生的后果，即危及人的生命、造根據結構破壞可能產生的后果，即危及人的生命、造成的經濟損失、產生社會影響等的嚴重程度確定。成的經濟損失、產生社會影響等的嚴

8、重程度確定。安全等級安全等級破壞后果破壞后果建筑物類型建筑物類型一級一級很嚴重很嚴重重要的房屋重要的房屋二級二級嚴嚴 重重一般的房屋一般的房屋三級三級不嚴重不嚴重次要的房屋次要的房屋建筑結構的安全等級建筑結構的安全等級 建筑物中各類建筑物中各類結構構件的安全等級結構構件的安全等級宜與宜與整個結構的安全等級整個結構的安全等級相同相同，但，但允許允許對部分結構構件根據其重要程度和綜合效益進行適當的對部分結構構件根據其重要程度和綜合效益進行適當的調整。調整。第6頁/共28頁6 6 混凝土結構構件設計計算方法混凝土結構構件設計計算方法(calculation method for design) 容容

9、 許許 應應 力力 法法：最早的計算理論，沿用彈性理論假設。：最早的計算理論，沿用彈性理論假設。 破破 壞壞 階階 段段 法法：與容許應力法的主要區別是在考慮材料塑性性能：與容許應力法的主要區別是在考慮材料塑性性能 極極 限限 狀狀 態態 設設 計計 法法：明確規定結構按三種極限狀態進行設計，是工程：明確規定結構按三種極限狀態進行設計，是工程 概率極限狀態設計法概率極限狀態設計法：在極限狀態設計法的基礎上考慮結構的可靠：在極限狀態設計法的基礎上考慮結構的可靠的基礎上，按破壞階段計算構件截面的承載能力的基礎上，按破壞階段計算構件截面的承載能力。結構設計理論的重大發展。結構設計理論的重大發展。水準

10、水準 半概率法半概率法水準水準 近似概率法近似概率法水準水準 全概率法全概率法概率，按發展階段，該法可分為三個水準概率，按發展階段，該法可分為三個水準。第7頁/共28頁1 1 荷載的統計特性荷載的統計特性(statistical characteristic of a load) 我國對建筑結構的各種恒載、民用房屋樓面活荷載、風荷載和雪荷載我國對建筑結構的各種恒載、民用房屋樓面活荷載、風荷載和雪荷載進行了大量的調查和實測工作。對所取得的資料應用概率統計方法處理后進行了大量的調查和實測工作。對所取得的資料應用概率統計方法處理后，得到了這些荷載的概率分布統計參數。，得到了這些荷載的概率分布統計參數

11、。 永久荷載永久荷載 正態分布正態分布 可變荷載可變荷載 可變荷載隨時間的變異可統一用可變荷載隨時間的變異可統一用隨機過程來描述。對可變荷載隨隨機過程來描述。對可變荷載隨機過程的樣本函數處理后可得到機過程的樣本函數處理后可得到可變荷載在任意時點的概率分布可變荷載在任意時點的概率分布和在設計基準期內的最大值的概和在設計基準期內的最大值的概率分布。率分布。 極值極值型分型分布布第8頁/共28頁2 2 荷載標準值荷載標準值(characteristic value of a load) ) 荷載標準值荷載標準值是建筑結構按極限狀態設計時采用的荷載基本代表值。荷是建筑結構按極限狀態設計時采用的荷載基本

12、代表值。荷載標準值可由設計基準期最大荷載概率分布的某一分位值確定，若為正態載標準值可由設計基準期最大荷載概率分布的某一分位值確定，若為正態分布，則如圖中的分布，則如圖中的 。kP荷載標準值的概率含義荷載標準值的概率含義 永久荷載標準值永久荷載標準值按結構設計按結構設計 規定的尺寸和材料容重平均值確定。規定的尺寸和材料容重平均值確定。 在結構設計中，各類可變荷載標準值及各種材料容重可由在結構設計中，各類可變荷載標準值及各種材料容重可由荷載規范荷載規范查取。查取。 可變荷載標準值可變荷載標準值樓面活荷載標準值樓面活荷載標準值風荷載標準值風荷載標準值雪荷載標準值雪荷載標準值第9頁/共28頁3 3 材

13、料強度的變異性及統計特性材料強度的變異性及統計特性(variability and statistical characteristic of material strength ) 材料強度的變異性材料強度的變異性主要是指材質以及工藝、加載、尺寸等因素引起的主要是指材質以及工藝、加載、尺寸等因素引起的材料強度的不確定性。材料強度的不確定性。 鋼筋強度鋼筋強度 正態分布正態分布 混凝土強度混凝土強度 正態分正態分布布某鋼廠鋼材屈服強度統計資料某鋼廠鋼材屈服強度統計資料 某預制構件廠對某工程所作使塊的統計資料某預制構件廠對某工程所作使塊的統計資料第10頁/共28頁 4 4 材料強度標準值材料強度

14、標準值(characteristic value of a material strength) 鋼筋和混凝土的強度標準值鋼筋和混凝土的強度標準值是鋼筋混凝土結構按極限狀態設計時采用是鋼筋混凝土結構按極限狀態設計時采用的材料強度基本代表值。材料強度標準值應根據符合規定質量的材料強度的材料強度基本代表值。材料強度標準值應根據符合規定質量的材料強度的概率分布的某一分位值確定。的概率分布的某一分位值確定。 材料強度標準值的概率含義材料強度標準值的概率含義 鋼筋強度標準值鋼筋強度標準值 混凝土的強度標準值混凝土的強度標準值具有具有95%保證率的強度值保證率的強度值具有不小于具有不小于95%保證率的強度

15、值保證率的強度值第11頁/共28頁1 1 結構的極限狀態結構的極限狀態(limit state) 整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態就不能滿足設計規定的某整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態就不能滿足設計規定的某一功能要求，此特定狀態稱為該功能的一功能要求，此特定狀態稱為該功能的極限狀態極限狀態。極限狀態。極限狀態實質實質上是上是區分結區分結構可靠與失效構可靠與失效的界限。的界限。 極限狀態分為兩類：極限狀態分為兩類： 承載能力極限狀態承載能力極限狀態 正常使用極限狀態正常使用極限狀態安全性安全性適用性、耐久性適用性、耐久性 通常對結構構件先按承載能力極限狀態進行承載能力計算，然后根據通

16、常對結構構件先按承載能力極限狀態進行承載能力計算，然后根據使用要求按正常使用極限狀態進行變形、裂縫寬度或抗裂等驗算。使用要求按正常使用極限狀態進行變形、裂縫寬度或抗裂等驗算。第12頁/共28頁2 2 結構的設計狀況結構的設計狀況（design situation) 建筑結構設計時，應根據結構在施工和使用中的環境條件和影響，區建筑結構設計時，應根據結構在施工和使用中的環境條件和影響，區分下列三種分下列三種設計狀況設計狀況： 持久狀持久狀況況 短暫狀況短暫狀況 偶然狀況偶然狀況在結構使用過程中一定出現，在結構使用過程中一定出現，持續時間較長的狀況持續時間較長的狀況在結構施工和使用過程中出現在結構施

17、工和使用過程中出現概率較大，而與設計使用年限概率較大，而與設計使用年限相比持續時間很短的狀況相比持續時間很短的狀況在結構使用過程中出現概率很在結構使用過程中出現概率很小，且持續期很短的狀況小，且持續期很短的狀況均應進行承載能力極限狀態均應進行承載能力極限狀態設計；對偶然狀況，允許主設計；對偶然狀況，允許主要承重結構因出現設計規定要承重結構因出現設計規定的偶然事件而局部破壞，但的偶然事件而局部破壞，但其剩余部分具有在一段時間其剩余部分具有在一段時間內不發生連續倒塌的可靠度內不發生連續倒塌的可靠度；對持久狀況，尚應進行正；對持久狀況，尚應進行正常使用極限狀態設計；對短常使用極限狀態設計；對短暫狀況

18、，可根據需要進行正暫狀況，可根據需要進行正常使用極限狀態設計常使用極限狀態設計第13頁/共28頁3 3 結構的功能函數結構的功能函數(performance function)和極限狀態方程和極限狀態方程(limit state equation) 按極限狀態方法設計建筑結構時，要求所設計的結構具有一定的預定按極限狀態方法設計建筑結構時，要求所設計的結構具有一定的預定功能，這可用包括各有關變量在內的結構功能函數來表達，即功能，這可用包括各有關變量在內的結構功能函數來表達，即12(,)nZg XXX12(,)0nZg XXX極限狀態方程極限狀態方程 當功能函數中僅包括作用效應當功能函數中僅包括作

19、用效應 和結構抗力和結構抗力 兩個基本變量時，可得兩個基本變量時，可得( , )Zg R SRSRS 當當 時時，0Z 結構處于結構處于可靠可靠狀態狀態 當當 時，時， 當當 時，時，結構處于結構處于失效失效狀態狀態結構處于結構處于極限極限狀態狀態功能函數功能函數0Z 0Z 結構所出的狀態結構所出的狀態第14頁/共28頁4 4 結構的失效概率結構的失效概率(probability of failure) fp 由于作用效應由于作用效應 和結構抗力和結構抗力 都是隨機變量或隨機過程，因此要絕對都是隨機變量或隨機過程，因此要絕對地保證地保證 總是大于總是大于 是不可能的。是不可能的。RSSR 由圖

20、可見，在多數情況下，由圖可見，在多數情況下， 大于大于 。但是，由于。但是，由于 和和 的離散性，在的離散性，在它們概率密度曲線的重疊區（陰影段內）仍有可能出現它們概率密度曲線的重疊區（陰影段內）仍有可能出現 小于小于 的情況，這的情況，這種可能性的大小用概率來表示就是失效概率種可能性的大小用概率來表示就是失效概率 。RRRSSSfp 和和 的概率密度曲線的概率密度曲線RS第15頁/共28頁 當結構功能函數中僅有兩個獨立的隨機變量當結構功能函數中僅有兩個獨立的隨機變量 和和 ，且都服從正態分，且都服從正態分布時，功能函數布時，功能函數 的概率密度曲線如圖所示。的概率密度曲線如圖所示。ZRS 功

21、能函數的概率密度曲線功能函數的概率密度曲線 結構的失效概率可直接通過結構的失效概率可直接通過 的概率（圖中陰影面積）來表達，即的概率（圖中陰影面積）來表達，即0f(0)( )ZZpP Zf Z dZ0Z 4 4 結構的失效概率結構的失效概率(probability of failure) fp第16頁/共28頁5 5 結構構件的可靠指標結構構件的可靠指標(reliability index) 令令22RSZZRS則則f()ZZp 由上式可見，由上式可見， 與與 具有數值上的對應關系，也具有與具有數值上的對應關系，也具有與 相對應的物相對應的物理意義。理意義。 越大，越大， 就越小，即結構越可靠

22、，故就越小，即結構越可靠，故 稱為稱為可靠指標可靠指標。fp 當僅有作用效應和結構抗力兩個基本變量且均按正態分布時，結構構當僅有作用效應和結構抗力兩個基本變量且均按正態分布時，結構構件的可靠指標可按上式計算；當基本變量為非正態分布時，結構構件的可靠件的可靠指標可按上式計算；當基本變量為非正態分布時，結構構件的可靠指標應以結構構件作用效應和抗力當量正態分布的平均值和標準差按上式計指標應以結構構件作用效應和抗力當量正態分布的平均值和標準差按上式計算。算。fpfp第17頁/共28頁6 6 一次二階矩法一次二階矩法 當功能函數包含多個正態或非正態變量、極限狀態方程為線形或非線當功能函數包含多個正態或非

23、正態變量、極限狀態方程為線形或非線形時，形時，統一標準統一標準采用采用一次二階矩法一次二階矩法求解可靠指標。求解可靠指標。兩個基本變量時可靠指標與極限狀態方程的關系兩個基本變量時可靠指標與極限狀態方程的關系 三個基本變量時可靠指標與極限狀態方程的關三個基本變量時可靠指標與極限狀態方程的關系系第18頁/共28頁7 7 設計可靠指標設計可靠指標 (reliability index for design) 設計規范所規定的、作為設計結構或結構構件時所應達到的可靠指標設計規范所規定的、作為設計結構或結構構件時所應達到的可靠指標，稱為，稱為設計可靠指標設計可靠指標，它是根據設計所要求達到的結構可靠度而

24、取定的，所，它是根據設計所要求達到的結構可靠度而取定的，所以又稱為以又稱為目標可靠指標目標可靠指標。 設計可靠指標，理論上應根據各種結構構件的重要性、破壞性質（延設計可靠指標，理論上應根據各種結構構件的重要性、破壞性質（延性、脆性）幾失效后果，用優化方法分析確定。限于目前統計資料不夠完備性、脆性）幾失效后果，用優化方法分析確定。限于目前統計資料不夠完備，并考慮到標準規范的現實繼承性，一般采用，并考慮到標準規范的現實繼承性，一般采用“校準法校準法”確定。所謂確定。所謂“校準校準法法”，就是通過對原有規范可靠度的反演計算和綜合分析，確定以后設計時，就是通過對原有規范可靠度的反演計算和綜合分析，確定

25、以后設計時所采用的結構構件的可靠指標。所采用的結構構件的可靠指標。根據根據“校準法校準法”的確定結果，的確定結果，統一標準統一標準給出了結構構件給出了結構構件承載能力承載能力極限狀態的可靠指標極限狀態的可靠指標。第19頁/共28頁破壞類型破壞類型安安 全全 等等 級級一一 級級二二 級級三三 級級延性破壞延性破壞3.73.22.7脆性破壞脆性破壞4.23.73.2結構構件承載能力極限狀態的設計可靠指標結構構件承載能力極限狀態的設計可靠指標結構構件結構構件正常使用極限狀態的設計可靠指標正常使用極限狀態的設計可靠指標，根據其作用效應的可逆，根據其作用效應的可逆程度宜取程度宜取01.5。可逆極限狀態

26、可逆極限狀態指產生超越狀態的作用被移去后，將不再保持超指產生超越狀態的作用被移去后，將不再保持超越狀態的一種極限狀態。越狀態的一種極限狀態。不可逆極限狀態不可逆極限狀態指產生超越狀態的作用被移去后，仍將永久保指產生超越狀態的作用被移去后，仍將永久保持超越狀態的一種極限狀態。持超越狀態的一種極限狀態。7 7 設計可靠指標設計可靠指標 (reliability index for design) 第20頁/共28頁1 1 承載能力極限狀態設計表達式承載能力極限狀態設計表達式 按荷載效應的按荷載效應的基本組合基本組合或或偶然組合偶然組合，采用下列極限狀態設計表達式：，采用下列極限狀態設計表達式：0S

27、Rckskcskkcs(,),ffRR ff aRa0結構重要性系數；結構重要性系數；R結構構件的承載力設計值；結構構件的承載力設計值；( )R結構構件的承載力函數；結構構件的承載力函數；cs,ff混凝土、鋼筋的強度設計值；混凝土、鋼筋的強度設計值；混凝土、鋼筋的強度標準值；混凝土、鋼筋的強度標準值；結構構件的承載力設計值；結構構件的承載力設計值；幾何參數的標準值；幾何參數的標準值；ka荷載效應組合的設計值。荷載效應組合的設計值。cksk,ffcs,S第21頁/共28頁 基本組合基本組合：荷載效應組合的設計值應從下列組合中取最不利值確定：荷載效應組合的設計值應從下列組合中取最不利值確定：可變荷

28、載效應控制組合可變荷載效應控制組合永久荷載效應控制組合永久荷載效應控制組合GGkQ1Q1kQiciQik2niSSSS GGkQiciQik1niSSS 偶然組合偶然組合：荷載效應組合的設計值宜按下列規定確定：荷載效應組合的設計值宜按下列規定確定：偶然荷載的代表值不乘分項系數偶然荷載的代表值不乘分項系數；與偶然荷載同時出現的其他荷載可根據觀測資料和工程經驗采用適與偶然荷載同時出現的其他荷載可根據觀測資料和工程經驗采用適當的代表值。當的代表值。1 1 承載能力極限狀態設計表達式承載能力極限狀態設計表達式 第22頁/共28頁 荷載分項系數荷載分項系數 ：調整荷載標準值使結構可靠度趨于相同。：調整荷

29、載標準值使結構可靠度趨于相同。 荷載分項系數是根據下述荷載分項系數是根據下述原則原則優選確定的。即在各項荷載標準值已給優選確定的。即在各項荷載標準值已給定的條件下，對各類結構構件在各種長期的荷載效應比值和荷載效應組合下定的條件下，對各類結構構件在各種長期的荷載效應比值和荷載效應組合下，用不同的分項系數值，按極限狀態設計表達式設計各種構件并計算其所具，用不同的分項系數值，按極限狀態設計表達式設計各種構件并計算其所具有的可靠指標，然后從中選取一組分項系數，使按此設計所得的各種結構構有的可靠指標，然后從中選取一組分項系數，使按此設計所得的各種結構構件所具有的可靠指標與規定的設計可靠指標之間在總體上差

30、異最小。件所具有的可靠指標與規定的設計可靠指標之間在總體上差異最小。 荷載設計值荷載設計值：荷載分項系數與荷載標準值的乘積。：荷載分項系數與荷載標準值的乘積。 荷載組合值系數荷載組合值系數 ：考慮各可變荷載最大值在同一時刻出現的概率：考慮各可變荷載最大值在同一時刻出現的概率很小，若設計中仍采用各荷載效應設計值疊加，則可能造成結構可靠度不一很小，若設計中仍采用各荷載效應設計值疊加，則可能造成結構可靠度不一致，因而必須對可變荷載設計值再乘以調整系數，即荷載組合值系數。致，因而必須對可變荷載設計值再乘以調整系數，即荷載組合值系數。,GQci 荷載組合值荷載組合值 ：可變荷載設計值乘以荷載組合值系數。

31、：可變荷載設計值乘以荷載組合值系數。ciikQ1 1 承載能力極限狀態設計表達式承載能力極限狀態設計表達式 第23頁/共28頁 材料分項系數材料分項系數：考慮材料的離散性和施工中不可避免的偏差帶來的不：考慮材料的離散性和施工中不可避免的偏差帶來的不利利影響影響。 材料強度設計值材料強度設計值：材料強度標準值乘以材料分項系數。：材料強度標準值乘以材料分項系數。 確定鋼筋和混凝土材料分項系數時，對于具有統計資料的材料，按設確定鋼筋和混凝土材料分項系數時，對于具有統計資料的材料，按設計可靠指標計可靠指標 通過可靠度分析確定；對統計資料不足的情況，則以工程通過可靠度分析確定；對統計資料不足的情況，則以工程經驗為主要依據，通過對規范經驗為主要依據，通過對規范(TJ10-74）結構構件的校準計算確定。）結構構件的校準計算確定。 1 1 承載能力極限狀態設計表達式承載能力極限狀態設計表達式 第24頁/共28頁 可變荷載的頻遇值可變荷載的頻遇值： 可變荷載