1、結構設計原理結構設計原理第第 一一 講講 第一講：緒論（第一講：緒論（1/12）n一、結構的基本知識n二、混凝土結構n三、鋼結構n四、砌體結構n五、本課程特點第一講：緒論（第一講：緒論（2/12） 一、結構的基本知識（一、結構的基本知識（1/4）1、結構的組成 ：由若干個單元所組成的結構骨架。2、基本(單元)構件 板：提供活動面，直接承受并傳遞荷載； 梁：板的支撐構件，承受板傳來的荷載并傳遞； 柱：承受樓面體系（梁、板）傳來的荷載并傳遞； 墻：承受樓面體系（梁、板）傳來的荷載并傳遞； 基礎：將柱及墻等傳來的上部結構荷載傳給地基； 索：懸掛構件或結構體系的主要傳力單元； 桿：組成空間構件，如屋架

2、等。 第一講：緒論（第一講：緒論（3/12） 一、結構的基本知識（一、結構的基本知識（2/4）3、結構的分類按材料分類 混凝土結構、鋼結構、砌體結構、木結構和混合結構 混凝土結構:素混凝土、鋼筋混凝土、預應力混凝土 纖維筋混凝土和其它形式的加筋混凝土。 砌體結構：包括磚石砌體結構、砌塊砌體結構 混合結構：磚混結構、鋼與混凝土組合結構第一講：緒論（第一講：緒論（4/12） 一、結構的基本知識（一、結構的基本知識（3/4）按受力體系分類 框架結構：主要(豎向)受力體系由梁和柱組成； 剪力墻結構：主要(豎向)受力體系由墻組成； 筒體結構：四周封閉的墻形成筒； 塔式結構：下端固定、上端自由的高聳構筑物

3、； 桅式結構：豎立的細長桅桿和纖繩所組成的構筑物； 懸索、懸吊結構：由拉索及邊緣構件組成的承重結構； 殼體結構:由曲面形板與邊緣構件組成的空間結構； 網架結構：由多根桿件通過節點連結形成的空間結構；第一講：緒論（第一講：緒論（5/12） 一、結構的基本知識（一、結構的基本知識（4/4） 板柱結構：由樓板和柱組成承重體系的結構； 墻板結構：由樓板和墻組成承重體系的結構； 折板結構：由多塊條形平板組合而成的空間結構； 充氣結構：用薄膜制成的，沖入氣體后而形成的結構； 膜結構：用柔性受拉索和薄膜及邊緣構件組成的結構； 按使用功能分類： 建筑結構、特種結構、橋梁結構、地下結構等 按照建筑物外形分類：

4、單層、多層、高層、大跨和高聳結構等 按照施工方法分類： 現澆結構、裝配結構和裝配整體式結構 第一講：緒論（第一講：緒論（1） 下一講的重要內容下一講的重要內容1、混凝土結構組成及工作原理；2、鋼結構組成及工作原理；3、砌體結構組成及工作原理；4、本課程的特點。 結構設計原理結構設計原理第第 二二 講講 第二講：緒論（第二講：緒論（2） 上一講的主要內容上一講的主要內容1、結構的組成:基本單元（桿件）2、結構基本單元 板、柱、梁、墻、基礎等3、結構的分類 按材料分類：混凝土、鋼、砌體、木和混合結構 按受力體系：框架、剪力墻等多種 按使用功能：建筑結構、特種結構、橋梁結構、地下結構 按外形分類：單

5、層、多層、高層、大跨和高聳結構等 按施工方法：現澆結構、裝配結構和裝配整體式結構第二講：緒論（第二講：緒論（6/12） 二、二、 混凝土結構（混凝土結構（1/4）1、結構形成的原理 組 成: 由鋼筋和混凝土結合成一體，共同發揮作用。 混凝土：抗壓強度很高，但抗拉強度很低。 鋼 筋：抗拉和抗壓強度均很高。 共同工作的目的 充分發揮兩種材料的強度優勢，取長補短。 素混凝土梁的工作特點 開裂前：按照整截面分析，上部受拉下部受壓， 受拉區的拉力由混凝土承擔。 開裂后：梁斷裂。第二講：緒論（第二講：緒論（7/12） 二、二、 混凝土結構（混凝土結構（2/4）鋼筋混凝土梁如何共同工作 開裂前：受拉區的拉力

6、由鋼筋和混凝土共同承擔。 開裂后：受拉鋼筋承擔大了部分拉力，繼續承擔荷載， 直至屈服強度，受壓混凝土壓碎，梁破壞。 第二講：緒論（第二講：緒論（8/12） 二、二、 混凝土結構（混凝土結構（3/4）素混凝土梁與鋼筋混凝土梁的對比 極限狀態：素砼梁：無明顯變形，開裂即破壞 鋼筋砼梁：有明顯變形，鋼筋屈服，砼壓碎 承載能力：素砼梁：取決于混凝土的抗拉，低 鋼筋砼梁：取決于鋼筋抗拉和砼抗壓強度，高 抗裂能力：配筋后略有增加，但不顯著 共同工作的基礎 兩者之間存在較好的傳遞應力的能力，粘結力； 兩種材料的溫度線膨脹系數相近； 混凝土對鋼筋的保護，抗火和耐久性提高。 第二講：緒論（第二講：緒論（9/12

7、） 二、二、 混凝土結構（混凝土結構（4/4）2、優缺點 優 點： 耐久性好；耐火性好； 可模性好、整體性好。 可就地取材。 缺 點： 自重大； 抗裂差； 施工環節多周期長； 拆除、改造難度大。3、現狀與發展 第二講：緒論（第二講：緒論（10/12） 三、三、 鋼結構（鋼結構（1/1）1、鋼結構的構成 是用鋼板、角鋼、工字鋼、槽鋼、鋼管和圓鋼等鋼材 通過焊接等有效的連接方式，所形成的結構。2、優缺點 優 點： 強度和強度質量比高； 材質均勻、性能好，結構可靠性高。 施工簡便、工期短。 延性好、抗震能力強。 易于改造和加固。 缺 點：耐腐蝕性差；耐火性差；鋼材價格相對較高。3、現狀與發展 第二講

8、：緒論（第二講：緒論（11/12） 四、砌體結構四、砌體結構 （1/1）1、砌體結構的組成 砌體結構是用磚、石或砌塊， 用砂漿等膠結材料砌筑的結構。2、優缺點 優 點：耐久性好； 耐火性好； 就地取材； 施工技術要求低； 造價低廉。 缺 點： 強度低，砂漿與磚石之間的粘接力較弱； 自重大；砌筑工作量大，勞動強度高。 粘土用量大，不利于持續發展。3、現狀與發展第二講：緒論（第二講：緒論（12/12） 五、本課程特點（五、本課程特點（1/1）1、是原理課，應突出原理和概念2、基本構件由不同材料組成，在了解共性特點的同時， 應注意由于組成材料不同而導致的計算方法的不同3、強調不同材料構件的計算原理和

9、方法4、涉及內容多，系統性差5、公式多、公式的條件多6、簡化、近似和經驗處理多 第二講：緒論（第二講：緒論（2） 下一講的主要內容下一講的主要內容1、作用及作用效應 2、作用的分類 3、荷載的隨機性與概率模式 4、荷載的代表值結構設計原理結構設計原理第第 三三 講講 第三講：計算原則（第三講：計算原則（1） 上一講的主要內容上一講的主要內容1、混凝土結構組成及工作原理： 由鋼筋和混凝土結合成一體，共同發揮作用。 發揮材料優勢（混凝土的壓、鋼筋的拉），取長補短。 是一種復合材料構件，工作過程相對復雜。2、鋼結構組成及工作原理： 單一材料構件，材料理想，工作原理簡單。3、砌體結構組成及工作原理：

10、用砂漿等膠結材料把磚、石或砌塊等砌筑成一體的結構。 是一種復合材料構件，工作過程相對復雜。第三講：第三講：結構基本計算原則結構基本計算原則 （1/28）n一、結構上的作用n二、結構的抗力n三、結構的功能和極限狀態n四、設計的基本原則n五、基于近似概率法的設計表達式n六、本章要點第三講：第三講：計算原則（計算原則（2/28） 一、結構上的作用一、結構上的作用 （1/5）1、作用及作用效應 (1)作 用 引起結構內力和變形的一切原因。 直接作用：直接以力的不同集結形式作用于結構， 也稱為荷載； 間接作用：不是直接以力出現，但是對結構產生內力。 (2)作用效應 作用在結構上產生的內力和變形等。 由直

11、接作用(荷載)引起的效應稱為荷載效應。第三講：第三講：計算原則（計算原則（3/28） 一、結構上的作用（一、結構上的作用（2/5）2、作用的分類 (1)按照隨時間的變異性分類 永久作用：不隨時間變化，或變化幅度可以忽略； 可變作用：隨時間變化，且變化幅度不可以忽略； 偶然作用：可能，但不一定出現，一旦出現效應很大。 (2)按照隨位置的變異性分類 固定作用：在結構空間位置上具有固定的分布； 可動作用：在結構空間位置一定范圍內可以任意分布。 (3)按照結構的反應分類： 靜態作用：對結構不產生動力效應，或小的可以忽略； 動態作用：對結構產生動力效應，且不可以忽略。第三講：第三講：計算原則（計算原則（

12、4/28） 一、結構上的作用（一、結構上的作用（3/5）3、荷載的隨機性與概率模式 (1)永久荷載 性質：其量值是不確定的，其量值不隨時間變化 數學描述：隨機變量概率模式，基本服從正態分布 (2)可變荷載 性質：其量值是不確定的，其量值也隨時間變化 數學描述：把隨機過程模式簡化成隨機變量模式 簡化方法：分析荷載最大值分布規律，是一隨機變量 分布規律：極值I型概率分布模式0f(Q)Q第三講：第三講：計算原則（計算原則（5/28） 一、結構上的作用（一、結構上的作用（4/5）4 荷載的代表值 (1)實質：以確定值（代表值）表達不確定的隨機變量， 便于設計時，定量描述和運算。 (2) 取值原則：根據

13、荷載概率分布特征, 控制保證率。第三講：第三講：計算原則（計算原則（6/28） 一、結構上的作用（一、結構上的作用（5/5）(2) 代表值取值 永久荷載的代表值 標準值：取分布的平均值，保證率50%； 可變荷載的代表值 標準值：基本代表值，保證率尚未統一； 準永久值：對可變荷載穩定性的描述， 等于標準值乘準永久值系數； 組合值：兩種或（以上）可變荷載作用時，都以標準值出現的概率小，因此對標準值乘以組合系數進行折減。 第三講：第三講：計算原則（計算原則（1） 下一講的主要內容下一講的主要內容1、抗力的不定因素及取值2、結構的功能3、極限狀態 結構設計原理結構設計原理第第 四四 講講 第四講：計算

14、原則（第四講：計算原則（2） 上一講的主要內容上一講的主要內容1、作用及作用效應 作 用：引起結構內力和變形的一切原因。 作用效應：作用在結構上產生的內力和變形等。2、作用的分類按時間分：永久作用；可變作用；偶然作用。 按位置分：固定作用、可動作用。 按反應分：靜態作用、動態作用：3、荷載的隨機性及代表值 目的：以確定值（代表值）表達不確定的隨機變量； 種類： 標準值、準永久值、組合值。第四講：第四講：計算原則（計算原則（7/28） 二、結構的抗力二、結構的抗力 （1/2）1、抗力及其不定因素 抗力：抵抗作用效應的能力 性質：與時間有關的隨機過程 材料的性能，結構尺寸等都是隨機變量； 有些材料

15、的力學性能是隨時間變化的。 簡化：忽略隨時間的變化，用隨機變量模型描述。 抗力不定性主要因素： 材料性能的不定性 幾參數的不定性 計算模式的不定性 0f(f)f第四講：第四講：計算原則（計算原則（8/28） 二、結構的抗力二、結構的抗力 （2/2）2、 材料強度的標準值 (1)實質：以確定值（標準值）表達不確定值，便于應用。 (2) 標準值取值：根據材料強度概率分布的0.05分位值， 即95%保證率的要求確定。3、抗力的概率分布模式 (假設)對數正態分布第四講：第四講：計算原則（計算原則（9/28） 三、結構功能和極限狀態（三、結構功能和極限狀態（1/2）1、結構的功能（1）安全性：要求結構承

16、擔正常施工和正常使用條件下，可能出現的各種作用，而不產生破壞。并且在偶然事件發生時以及發生后，能保持必需的整體穩定性，不至于因局部損壞而產生連續破壞。（2）適用性：要求結構在正常使用時滿足正常的要求，具 有良好的工作性能。（3）耐久性 要求結構在正常使用和維護下，在規定的使 用期內，能夠滿足安全和使用功能要求。如 材料的老化、腐蝕等不能超過規定的限制等。 第四講：第四講：計算原則（計算原則（10/28） 三、結構功能和極限狀態（三、結構功能和極限狀態（2/2）2、極限狀態 (1)定義：極限狀態是判別結構是否能夠滿足其功能要求的 標準，指結構或結構一部分處于失效邊緣的狀態。(2)分類： 承載能力

17、極限狀態 是判別結構是否滿足安全性要求的標準，指結構或結構 構件達到最大承載能力或不適于繼續加載的變形。 正常使用極限狀態： 是判別結構是否滿足正常使用和耐久性要求的標準， 指結構或構件達到正常使用或耐久性的某些規定限值。 第四講：第四講：計算原則（計算原則（2） 下一講的主要內容下一講的主要內容1、功能函數與極限狀態方程2、結構可靠度的概念結構設計原理結構設計原理第第 五五 講講 第五講：計算原則（第五講：計算原則（3） 上一講的主要內容上一講的主要內容1、抗力及其不定因素及材料強度的標準值 標準值的實質：以確定值表達不確定值，便于應用。 標準值取值：具有95%保證率的強度值。2、結構的功能

18、 安全性、適用性和耐久性3、極限狀態 目的：判別結構是否能夠滿足功能要求； 分類： 承載能力極限狀態和正常使用極限狀態。第五講：第五講：計算原則（計算原則（11/28） 四、設計計算原則（四、設計計算原則（1/11）1、功能函數與極限狀態方程 (1) 功能函數 Z=R-S=g(X1,X2,X3.Xn) (2) 結果分析 Z=R-S0：處于可靠狀態； Z=R-S0 問題：R和S為隨機變量，功能函數值Z是隨機變量 絕對保證R大于S不可能！0)()0(dzzfZPpZffspZPp1)0(Zfz(z)pfz0z第五講：第五講：計算原則（計算原則（12/28） 四、設計計算原則（四、設計計算原則（2/

19、11）解決方法：控制可靠度，絕大多數情況下： RS 允許極少數情況下：RS(2)結構可靠度和失效概率 可靠度(可靠概率)：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，以Ps表示。 失效概率：結構不能完成預定功能的概率，以Pf表示。 0Z(z)zf第五講：第五講：計算原則（計算原則（13/28） 四、設計計算原則（四、設計計算原則（3/11）(3)可靠度三個水準 水準I：是用隨機變量的一階矩（平均值）加以概括; 水準II：用隨機變量的一階矩和二階矩來描述; 水準III：也稱為全概率法，是以真實分布進行計算。 第五講：第五講：計算原則（計算原則（3） 下一講的主要內容下一講的主要內

20、容1、可靠性的計算及可靠指標結構設計原理結構設計原理第第 六六 講講 第六講：計算原則（第六講：計算原則（4） 上一講的主要內容上一講的主要內容1、功能函數和極限狀態方程 Z=R-S2、結構可靠性概念 功能函數值Z可能0（可靠）。 因此要用概率控制。3、可靠概率和失效概率4、可靠度的水準：I、II、IIISRZ22SRZzzfZZxZZ,21)(222)(第六講：第六講：計算原則（計算原則（14/28） 四、設計計算原則（四、設計計算原則（4/11）3、可靠度的計算方法及可靠指標(1)可靠指標 簡單分析：假設只有兩個隨機變量R和S ，相互獨立， 均服從正態分布，已知平均值和均方差。 功能函數Z

21、:dzdzzfZPpZZzZZf02)(02221)()0()(2122ZZtfdtpZZ22SRSRZZ)(1)(fp第六講：第六講：計算原則（計算原則（15/28） 四、設計計算原則（四、設計計算原則（5/11 ）計算結構失效概率 進行數學變換得（把Z由正態分布變換成標準正態分布）定義可靠度指標：則：第六講：第六講：計算原則（計算原則（16/28） 四、設計計算原則（四、設計計算原則（6 /11 ）分析： 可靠指標與可靠度（失效概率）相關，可靠指標越大， 結構越可靠；可靠指標越小，結構越不可靠。優點：用統計特征值來反映可靠度，不直接用概率。可靠度指標取值 確定方法：校核法、類比法協商給定法

22、 取值：與安全等級、截面破壞形態、極限狀態有關： 安全等級越高，可靠指標越大（0.5）；脆性破壞高于延性破壞（0.5）；承載力極限狀態高于正常使用極限狀態。第六講：第六講：計算原則（計算原則（4） 下一講的主要內容下一講的主要內容1、可靠指標的計算方法-中心點法結構設計原理結構設計原理第第 七七 講講 dzdzzfZPpZZzZZf02)(02221)()0(22SRSRZZ)(1)(fp第七講：計算原則（第七講：計算原則（5） 上一講的主要內容上一講的主要內容1、可靠概率和失效概率的計算用數學方法可以計算但計算工作量大。2、可靠指標的定義及計算 取值：安全等級、截面破壞形態、極限狀態有關).

23、,(321XnXXXZg2112niXiiZXiXg第七講：第七講：計算原則（計算原則（17/28） 四、設計計算原則（四、設計計算原則（7/11）(2)計算方法之一：中心點法 假設：Z中所有隨機量是相互獨立的，均服從正態分布 將Z在平均值處按泰勒級數展開，忽略二次以上項 確定Z的特征值 求可靠指標適用條件：基本變量的正態分布；功能函數是線性的。特點：直接用特征值；概念清楚，應用簡便；誤差較大。kNNu320012. 0NukNNG120007. 0NGkNNQ60024. 0NQQGuQGuNNNNNNgZ),(kNgNQNGNuNQNGNuZ1400),(21222)()()(NQQGuG

24、NuuzNgNgNg6 .418)(21222NQNGNu344. 36 .4181400ZZ第七講：第七講：計算原則（計算原則（18/28） 四、設計計算原則（四、設計計算原則（8/11）例題：某軸心受壓短柱，按中心點法求構件可靠指標已知：抗壓承載力： 恒載產生的壓力： 活載產生的軸向壓力：建立功能函數: 求Z的特征值： 求可靠指標 QGuQGuNNNNNNgZ),(1800),(NuNQNGNuNQNGNuZgz21221222)277920144. 0()(NuNQNGNu7 . 3277920144. 018002NuNuZZ028595283600803. 02NuNukNNu345

25、11第七講：第七講：計算原則（計算原則（19/28） 四、設計計算原則（四、設計計算原則（9/11）例題：上題中，要求可靠指標3.7，在其它條件不變的條件下,用中心點法求該柱應具有的承載能力平均值。 建立功能函數 求Z的特征值求可靠指標 承載能力平均值 第七講：第七講：計算原則（計算原則（4） 下一講的主要內容下一講的主要內容1、可靠指標的計算方法-驗算點法結構設計原理結構設計原理第第 八八 講講 第八講：計算原則（第八講：計算原則（6） 上一講的主要內容上一講的主要內容1、中心點法的原理 假設基本變量均符合正態分布，功能函數是線性方程； 利用按泰勒級數展開（忽略二次及以上項） 經數學推導，可

26、靠指標可以直接用平均值和均方差表示；2、中心點法的特點 直接用變量的特征值計算； 概念清楚，應用簡便； 計算結果誤差較大。0SRZRRRRSSSSRS0SRSRSRZ第八講：第八講：計算原則（計算原則（20/28） 四、設計計算原則（四、設計計算原則（10/11）(3)計算方法之二： 驗算點法介紹中心點法的缺陷：非正態分布？非線形方程？誤差！處理辦法：對中心點法進行了改進簡單分析簡單分析：僅考慮兩個相互獨立的正態分布變量R和S 極限狀態方程為：標準化變換，令以 和 表述的極限狀態 RORS*SR*P*S極限狀態線0222222SRSRSRSSRRSR0coscosSRSR第八講：第八講：計算原

27、則（計算原則（21/28） 四、設計計算原則（四、設計計算原則（11/11）即：可靠指標的實質：標準正態坐標系中原點到極限狀態方程直線的最短距離。驗算點定義：P點 非正態變量的當量正態化原則 在驗算點處，當量前后分布函數值相等；當量前后概率密度函數值相等。第八講：第八講：計算原則（計算原則（6） 下一講的主要內容下一講的主要內容1、近似概率的設計表達式結構設計原理結構設計原理第第 九九 講講 第九講：計算原則（第九講：計算原則（7） 上一講的主要內容上一講的主要內容1、驗算點法的原理 是對中心點法的修正： 對非正態變量等效正態化； 通過數學變化尋找驗算點；2、驗算點法的特點 計算結果比較準確；

28、 計算復雜，與隨機變量的分布有關； 當隨機變量為正態分布，功能函數是線形方程時，計算 結果和中心點法相同。2222)()(SSRRSSRSR22SRSRZZ第九講：第九講：計算原則（計算原則（22/28） 五、近似概率法設計表達式五、近似概率法設計表達式(1/6)1、一般方法(1)結構可靠性設計需要解決的問題： 理論模式問題：失效標準、概率模式和計算方法等。 社會認同問題：設計可靠指標的取值能否被社會接受。 應用方法問題：所采用的設計表達式的形式問題。(2)安全系數法簡單示例： 設Z只有兩個獨立的正態變量R和S，根據定義 得：22)(1SSRRSR222222211RSRSRSRkkSRK )

29、1 ()1 (112222222SSRRRSRSRKkKRKS第九講：第九講：計算原則（計算原則（23/28） 五、近似概率法設計表達式五、近似概率法設計表達式(2/6)即解得：定義安全系數：則： 安全系數法設計表達式： SSRRSRSRSR)(22SSRR)1 ()1 (KSRKSR/)(2SQSGRSQSGRSQSQSGSGRR)1 ()1 ()1 (22QKSQSQSQGKSGSGSGKRRRSSR11111122RKKQQKGGRQCGC/第九講：第九講：計算原則（計算原則（24/28） 五、近似概率法設計表達式五、近似概率法設計表達式(3/6)(3)分項系數法簡單示例當功能函數有兩個

30、隨機變量R和S時整理可得：以標準值代入整理得： 當功能函數有三個隨機變量R和SG和SQ時整理可得以標準值代入: 分項系數法設計表達式 第九講：第九講：計算原則（計算原則（7） 下一講的主要內容下一講的主要內容1、現行設計表達式結構設計原理結構設計原理第第 十十 講講 kKRKSRKKQQKGGRQCGC/第十講：計算原則（第十講：計算原則（8） 上一講的主要內容上一講的主要內容1、安全系數法經過變化設計表達式可以表示成： 安全系數K與可靠指標和隨機變量的數字特征有關2、分項系數法經過變化設計表達式可以表示成：分項系數法與可靠指標和隨機變量的數字特征有關。RS 0,.),(.),(kkKRafR

31、afRR)(2111niiKCiQiQiKQQKGGQCQCGCS第十講：第十講：計算原則（計算原則（25/28） 五、近似概率法設計表達式五、近似概率法設計表達式(4/6)2、我國現行規范采用的基本設計表達式 (1)承載能力極限狀態設計表達式 組合情況： 基本組合：永久荷載和最大的可變荷載以標準值作為 代表值，其它可變荷載以組合值為代表值。 偶然組合 基本組合承載能力設計采用下列設計表達式：.),(skksssUafSUUniiKQiCikQKGsQCQCGCS211.),(lkklllUafSUUniiKQiqiKGlQCGCS1第十講：第十講：計算原則（計算原則（26/28） 五、近似概

32、率法設計表達式五、近似概率法設計表達式(5/6)(2)正常使用極限狀態設計表達式組合情況： 短期效應組合 長期效應組合在作用的短期效應組合作用下的設計表達式：在作用的長期效應組合作用下的設計表達式： *RSSQGRQKQGKGRSS/0GQ第十講：第十講：計算原則（計算原則（27/28） 五、近似概率法設計表達式五、近似概率法設計表達式(6/6)3、分項系數的確定(1)確定的原則：以驗算點法為基礎(2)方 法： 在驗算點處將極限狀態方程轉化為分項系數表達的方程 對于驗算點法 對于分項系數法 等價求分項系數。 確定原則：對不同材料、荷載和結構，取統一值； 在各項標準值等給定的前提下，誤差最小。

33、(3)優化結果 荷載分項系數 =1.2, =1.4 結構抗力分項系數 :進一步分離成材料強度分項系數 結構重要性系數 =1.1,1.0, 0.9第十講：第十講：計算原則（計算原則（28/28） 本章要點（本章要點（1/1）1、了解結構荷載、荷載效應和結構抗力的隨機性；2、掌握荷載、材料強度的代表值；3、掌握結構的功能、極限狀態等基本概念；4、理解結構可靠性的概念和原理，掌握可靠度指標概念和取值；5、了解可靠性設計的一般設計方法和設計基本表達式；6、掌握以概率為基礎的分項系數設計表達式；7、理解分項系數的概念，熟悉分項系數的種類和取值。 結構設計原理結構設計原理第第 十十 一一 講講 第第11講

34、：講：材料的性能材料的性能(1/34) 內容提要內容提要n一、鋼材的物理力學性能n二、混凝土的物理力學性能n三、砌體的材料及力學性能n四、本章要點第第11講：講：材料的性能材料的性能(2/34) 一、鋼材的物理力學性能（一、鋼材的物理力學性能（1/13） 1、簡單應力下鋼材的性能 (1)鋼材的應力-應變關系 曲線形式： 有明顯流幅的： 彈性、屈服、強化和頸縮階段 沒有明顯流幅的： 沒有明顯的屈服階段 曲線簡化：屈服前：完全彈性的；屈服后：完全塑性的。 第第11講：講：材料的性能材料的性能(3/34) 一、鋼材的物理力學性能（一、鋼材的物理力學性能（2/13）(2)鋼材的強度指標屈服強度：設計時

35、鋼材允許達到的最大應力 有明顯流幅的鋼材：取屈服點的應力； 無有明顯流幅的鋼材：取條件屈服強度。 條件屈服強度：殘余應變為0.2%對應的應力。極限強度：材料能承受的最大應力反映安全儲備屈強比：屈服強度/極限強度 (3)鋼材的塑性指標伸長率：拉斷后構件伸長率截面收縮率：拉斷后面積縮小率 冷彎性能：以冷彎的角度來衡量 第第11講：講：材料的性能材料的性能(4/34) 一、鋼材的物理力學性能（一、鋼材的物理力學性能（3/13）2、復雜應力下鋼材的性能(1)復雜應力狀態下的屈服條件判別方法：用能量理論建立屈服條件，用折算應力判別 當 時，鋼材沒有屈服 當 時，鋼材屈服。折算應力 以主應力表示： 以應力

36、分量表示 yzsfzs213232221)()()(21zs)(3)(222222zxyzxyxzzyyxzyxzsyzsf第第11講：講：材料的性能材料的性能(5/34) 一、鋼材的物理力學性能（一、鋼材的物理力學性能（4/13） 分析結果： 主應力同號時，不易屈服， 塑性下降，越接近越明顯。 主應力異號時，易屈服，破 壞呈塑性，差別越大越明顯。(2)反復荷載下鋼材的疲勞 疲勞破壞：在低于強度的應力反復作用下，所發生破壞。 疲勞破壞特點： 包括裂紋形成，緩慢發展和迅速斷裂三個過程 沒有明顯的變形，脆性破壞 第第11講：講：材料的性能（材料的性能（1） 下一講的主要內容下一講的主要內容1、反復

37、荷載下鋼材的疲勞2、影響鋼材性能的一般因素 結構設計原理結構設計原理第第 十二十二 講講 第第12講：講：材料的性能材料的性能（2） 上一講的主要內容上一講的主要內容1、鋼材的應力-應變關系 有明顯流幅的鋼材和沒有明顯流幅的鋼材2、鋼材的強度指標 屈服強度、極限強度和屈強比3、鋼材的塑性指標 伸長率、截面收縮率和冷彎性能4、復雜應力狀態下的屈服條件第第12講：講：材料的性能材料的性能(5/34) 一、鋼材的物理力學性能（一、鋼材的物理力學性能（4/13） 分析結果： 主應力同號時，不易屈服， 塑性下降，越接近越明顯。 主應力異號時，易屈服，破 壞呈塑性，差別越大越明顯。(2)反復荷載下鋼材的疲

38、勞 疲勞破壞：在低于強度的應力反復作用下，所發生破壞。 疲勞破壞特點： 包括裂紋形成，緩慢發展和迅速斷裂三個過程 沒有明顯的變形，脆性破壞 第第12講：講：材料的性能材料的性能(6/34) 一、鋼材的物理力學性能（一、鋼材的物理力學性能（5/13） 影響因素： 荷載的的性質：拉、壓、剪等 應力循環特征：(應力比 ) 靜載（=1） 同號循環（0） 脈沖循環(=0) 異號循環(0) 完全對稱循環（-1） 循環次數:應力比一定時，疲勞強度與荷載的循環次數有關。 maxmin/第第12講：講：材料的性能材料的性能(7/34) 一、鋼材的物理力學性能（一、鋼材的物理力學性能（6/13）疲勞極限：當最大應

39、力小于某一數值，反復荷載循環無窮次，材料也不會破壞。 疲勞曲線(試驗結果) 循環N次 包絡線ABCD簡化疲勞曲線 ABCD的方程 BCD(拉為主) AB(壓為主) 6102Nmin0maxkkp10maxkp0min第第12講：講：材料的性能材料的性能(8/34) 一、鋼材的物理力學性能（一、鋼材的物理力學性能（7/13）3 影響鋼材性能的一般因素(1)化學成分 碳：提高強度；但塑性，可焊性、耐銹蝕性等劣化。 錳：提高強度，改善脆性；但對可焊性和耐銹力不利。 硅：提高強度，但含量過高，對塑性可焊性耐銹力不利。 硫：高溫時變脆，降低塑性韌性抗疲勞能力和耐銹能力。 磷：提高強度和耐銹力，低溫變脆，

40、降低塑性可焊性等。 (2)鋼材缺陷 偏析:鋼中化學成分的不一致性和不均勻性 裂紋：先天的裂紋，或是微觀的或是宏觀的 分層：在厚度方向分成多層，各層相互連接，并不脫離 夾雜物：尤其是硫化物和氧化物等第第12講：講：材料的性能（材料的性能（2） 下一講的主要內容下一講的主要內容1、鋼材的硬化性能2、溫度對鋼材性能的影響3、鋼材的應力集中問題4、鋼材的分類5、土木結構對鋼材的要求。 結構設計原理結構設計原理第第 十三十三 講講 第第13講：講：材料的性能材料的性能（3） 上一講的主要內容上一講的主要內容1、反復荷載下鋼材的疲勞 影響因素：應力循環特征、循環次數 疲勞破壞、疲勞極限、疲勞強度和疲勞曲線

41、2、化學成分對鋼材性能的影響3、鋼材缺陷對鋼材性能的影響 第第13講：講：材料的性能材料的性能(9/34) 一、鋼材的物理力學性能（一、鋼材的物理力學性能（8/13）(3)鋼材的硬化時效硬化：現象：時間增加，強度提高，塑性下降。 特點：過程很長，反復荷載和高溫下易產生。冷作硬化：常溫下產生塑性變形后屈服點提高，塑性降低。應變時效：產生塑性變形后，特別是在高溫下，使已經產 生冷作硬化的鋼材又發生時效硬化。第第13講：講：材料的性能材料的性能(10/34) 一、鋼材的物理力學性能（一、鋼材的物理力學性能（9/13）(4)溫度 在正常溫度下：基本不隨溫度變化 在高溫度下：溫度升高，強度、彈性模量均有

42、下降趨勢 藍脆現象：250左右，抗拉強度反而提高， 塑性和韌性下降。 在低溫時：溫度降低，強度略提高， 塑性等下降，有脆性傾向。 冷脆現象：當溫度降低至某一溫度以下時， 材料變脆。 第第13講：講：材料的性能材料的性能(11/34) 一、鋼材的物理力學性能（一、鋼材的物理力學性能（10/13）(5)應力集中 現象：當構件內部缺陷或截面形狀等改變時，應力分布 不均勻，出現局部高峰應力，促使鋼材變脆。 影響因素：截面變化愈劇烈，應力集中現象愈明顯。 第第13講：講：材料的性能材料的性能(12/34) 一、鋼材的物理力學性能（一、鋼材的物理力學性能（11/13）4、結構對鋼材的要求及鋼材的分類(1)

43、結構對鋼材的要求 具有較高的屈服強度和極限強度； 具有良好的塑性和韌性 具有良好的工藝加工性能； 良好的耐銹蝕能力 與混凝土良好的粘結力(2)鋼材的選擇： 結構或構件的類型及重要性； 作用的性質（靜力和動力作用）； 連接方式（焊接、鉚接或螺栓連接）； 工作環境（溫度和腐蝕等）。第第13講：講：材料的性能材料的性能(13/34) 一、鋼材的物理力學性能（一、鋼材的物理力學性能（12/13）(3)結構用鋼材的分類 碳素鋼： 強度等級：按屈服強度分五個品種，Q195Q275。 質量等級：A、B、C、D四級，對沖擊韌性要求不同 脫氧方式：鎮靜、半鎮靜、沸騰和特殊鎮靜，用ZbF和TZ示例：Q235Bb表

44、示屈服強度為235，B級半鎮靜鋼 低合金鋼： 強度等級：按屈服強度分五個品種，Q295Q460。 質量等級：A、B、C、D、E五級，對沖擊韌性要求不同 脫氧方式：鎮靜和特殊鎮靜鋼 熱處理鋼第第13講：講：材料的性能材料的性能(14/34) 一、鋼材的物理力學性能（一、鋼材的物理力學性能（13/13）(4)(4)鋼材的規格鋼材的規格鋼板鋼板：以“寬度厚度長度”或“寬度厚度”表示型鋼型鋼：角鋼角鋼：等邊“L肢寬厚度”；不等邊“L長肢寬短肢寬厚度” 工字鋼工字鋼：普通工字鋼以I+截面的高度；輕型工字鋼前面加Q 槽鋼槽鋼：有普通槽鋼和輕型槽鋼兩種，用截面的高度編號 H H型鋼型鋼：熱扎和焊接兩種，“高

45、度*寬度*腹板厚度*翼緣厚度” 鋼管鋼管：有熱軋無縫鋼管和焊接鋼管。以“外徑壁厚”表示薄壁型鋼薄壁型鋼：用薄鋼板冷軋而成，形式及尺寸可以變化。鋼筋鋼筋 按照表面形狀按照表面形狀：有光面鋼筋和變形鋼筋 鋼筋種類鋼筋種類： 熱軋鋼筋：分HRB235、HRB335和HRB400或RRB400三級，符號+直徑 預應力鋼絲：有光面碳素、螺旋肋和三面刻痕鋼絲三種，符號+直徑 預應力鋼絞線：多根鋼絲絞合制成。“1股數公稱直徑”表示 熱處理鋼筋：HT+鋼筋表示 第第13講：講：材料的性能（材料的性能（3） 下一講的主要內容下一講的主要內容1、受壓的應力應變關系2、簡單受力下混凝土的強度 結構設計原理結構設計原

46、理第第 十四十四 講講 第第14講：講：材料的性能材料的性能（4） 上一講的主要內容上一講的主要內容1、鋼材的硬化 時效硬化、冷作硬化和應變時效 2、溫度的影響 常溫度下、高溫下和低溫時 藍脆現象和冷脆現象3、應力集中的現象和影響因素4、鋼材的分類和規格5、結構對鋼材的要求 第第14講：講：材料的性能材料的性能(15/34) 二、混凝土的物理力學性能（二、混凝土的物理力學性能（1/11）1、簡單受力下混凝土的性能 (1)受壓的應力應變關系曲線特征應力小：近似線性關系應力大：非線性關系近峰值:不穩定非線性下降段：反彎點后平緩 主要影響因素混凝土強度：強度提高,峰值點應變高；下降段陡延性差加載速度

47、：愈大，強度高，峰值應變低；下降段陡延性差第第14講：講：材料的性能材料的性能(16/34) 二、混凝土的物理力學性能（二、混凝土的物理力學性能（2/11）數學模型 普通混凝土：(C50以下) =0.002 ，n=2 0.002(均勻壓),0.0033(不均勻壓、彎) 高強混凝土(C50以上)ncccf0110cu5,010)50(5 . 0002. 0kcuf5,10)50(0033. 0kcucuf)50(6012,kcufn第第14講：講：材料的性能材料的性能(17/34) 二、混凝土的物理力學性能（二、混凝土的物理力學性能（3/11）(2)簡單受力下混凝土的強度立方體抗壓強度立方體抗壓

48、強度標準方法制作,邊長150mm立方體,28天齡期，進行抗壓實驗得到的破壞時試件的平均壓應力。立方體抗壓強度標準值：95%保證率的立方體抗壓強度值。用途：力學性能的基本代表值，混凝土強度等級劃分依據。強度等級：按立方體抗壓強度標準值分為14級，“C+標準值” 軸心抗壓強度 立方體受壓不是處于單軸受力狀態！采用棱柱體，中間基本上是處于軸心受壓。,*cuf,*cf第第14講：講：材料的性能材料的性能(18/34) 二、混凝土的物理力學性能（二、混凝土的物理力學性能（4/11）影響因素：材料成分、養護、齡期、實驗方法和試件尺寸 與立方體強度的關系 關系系數(比值)：小于等于C50時，取0.76； 大

49、于C50時： 考慮混凝土脆性的折減系數，小于C40時，不折減取1.0； 大于C40時： 軸心抗拉強度試驗方法：直接拉伸、彎折和劈裂與立方體強度的關系mcumcff,21,88. 01)50(002. 076. 0,1kcuf2)40(00325. 01,2kcuf55. 0,2,395. 088. 0mcumtff第第14講：講：材料的性能（材料的性能（4） 下一講的主要內容下一講的主要內容1、混凝土的模量2、復合應力下混凝土強度和變形 3、長期荷載下混凝土的變形 工程結構設計原理工程結構設計原理第第 十五十五 講講 第第15講：講：材料的性能材料的性能（5） 上一講的主要內容上一講的主要內容

50、1、受壓的應力應變關系 曲線特征、影響因素和數學模型2、簡單受力下混凝土的強度 立方體抗壓強度 軸心抗壓強度 軸心抗拉強度3、混凝土強度指標之間的關系第第15講：講：材料的性能材料的性能(19/34) 二、混凝土的物理力學性能（二、混凝土的物理力學性能（5/11）(3)混凝土的變形模量原點彈性模量定義：過原點作切線的斜率取值：變形模量定義：原點和任意點作割線的斜率。關系： 彈性特征系數 切線模量：過任一點作切線的斜率為時的切線模量剪切模量：根據彈性模量和泊松比確定： kcucfE,57 .342 . 210cccecccecccEEcccccEEG4 . 0) 1(2第第15講：講：材料的性能

51、材料的性能(20/34) 二、混凝土的物理力學性能（二、混凝土的物理力學性能（6/11）2、復雜應力下混凝土的性能 (1)復合應力下混凝土強度和變形 多向受壓雙向壓：強度提高；三向壓(約束受壓)：強度和延性明顯提高，雙向受拉:影響不大 一拉一壓：強度降低 剪壓或剪拉：剪拉：強度降低剪壓： 壓應力較小：抗剪強度隨壓應力增加而增大； 壓應力較大：抗剪強度隨壓應力的增加而降低。 rccckff第第15講：講：材料的性能材料的性能(21/34) 二、混凝土的物理力學性能（二、混凝土的物理力學性能（7/11）(2)長期荷載下混凝土的變形混凝土的徐變現象：在荷載長期作用下，變形將隨時間而增加；原因：凝膠體

52、的粘性流動，內部微裂縫不斷產生和發展等影響：導致變形增大，應力重分布和內力分布等。 混凝土徐變曲線特點：開始增長較快， 以后逐漸減慢， 逐漸趨于穩定(收斂)卸載時變形恢復: 瞬時彈性恢復、彈性后效，永久應變第第15講：講：材料的性能材料的性能(22/34) 二、混凝土的物理力學性能（二、混凝土的物理力學性能（8/11）影響徐變的主要因素應力水平：應力越大，徐變也越大 應力小于0.5fc，線性徐變；大于0.5fc，非線性徐變。齡期：加載時齡期越短，徐變越大 組成：水泥用量越多，水灰比越大，徐變也越大； 骨料強度和彈性模量越高，徐變越小。養護和使用環境：養護溫度高，濕度大，徐變越小； 受力后環境溫

53、度越高，濕度低，徐變就越大。 第第15講：講：材料的性能（材料的性能（5） 下一講的主要內容下一講的主要內容1、重復荷載下混凝土性能2、鋼筋與混凝土的粘結 工程結構設計原理工程結構設計原理第第 十六十六 講講 第第16講：講：材料的性能材料的性能（6） 上一講的主要內容上一講的主要內容1、混凝土的變形模量 彈性模量、變形模量切線模量和剪切模量2、復雜應力下混凝土的強度和變形 三向受壓 雙向受壓、雙向受拉、一拉一壓 剪壓或剪拉 3、混凝土的徐變 徐變曲線、影響因素第第16講：講：材料的性能材料的性能(23/34) 二、混凝土的物理力學性能（二、混凝土的物理力學性能（9/11）(3)重復荷載下混凝

54、土性能一次重復加載下加載：隨應力增加應變增加卸載：不重復加載軌跡，有彈性后效和殘余變形 多次重復加載下峰值小于疲勞強度：每循環成環，面積逐漸減少，至直線；峰值大于疲勞強度：開始與小應力的相似； 成直線后，凸凹方向改變，斜率降低，裂縫和變形嚴重混凝土疲勞破壞：因荷載重復作用而引起的破壞混凝土疲勞強度：疲勞破壞需要重復荷載的最小應力峰值 (4)混凝土的收縮、膨脹和溫度變形 第第16講：講：材料的性能材料的性能(24/34) 二、混凝土的物理力學性能（二、混凝土的物理力學性能（10/11）3、鋼筋與混凝土的粘結(1)鋼筋與混凝土粘結的作用作用：保證力的相互傳遞，是共同工作的基本條件 單元分析：假設：

55、一端力T，另端為T+dT根據平衡條件：分析結果 應力變化大，粘結力大，變化小，粘結小當鋼筋應力沒有變化時，粘結應力等于零 dxdAdxdTss第第16講：講：材料的性能材料的性能(25/34 ) 二、混凝土的物理力學性能（二、混凝土的物理力學性能（11/11）有關的設計問題鋼筋端部的錨固裂縫間應力的傳遞裂縫截面：拉力為零離開一段距離：混凝土有拉力兩條裂縫中間：混凝土拉力最大(2)粘結力的組成 化學吸附 摩擦 機械咬合 附加咬合等作用第第16講：講：材料的性能（材料的性能（6） 下一講的主要內容下一講的主要內容1、砌體的材料及種類2、砌體的受力特點 結構設計原理結構設計原理第第 十十 七七 講講

56、 第第17講：講：材料的性能材料的性能（7） 上一講的主要內容上一講的主要內容1、重復荷載下混凝土性能 一次和多次重復加載下的變形曲線 混凝土疲勞破壞和混凝土疲勞強度2、鋼筋與混凝土粘結力 粘結力作用 粘結力組成3、與粘結有關的設計問題 鋼筋端部的錨固 裂縫間應力的傳遞第第17講：講：材料的性能材料的性能(26/34) 三、砌體的物理力學性能（三、砌體的物理力學性能（1/8）1、砌體的材料及種類 (1)塊體材料磚 普通磚：240mm115mm53mm實心 空心磚：全國無統一規格分級：按極限抗壓強度為6級，以“MU+極限強度”表示砌塊 按材料分：粉煤灰、煤渣混凝土和混凝土等按內部結構分：有實心的

57、，也有空心的按尺寸分：小型900mm 分級：按照極限抗壓強度分5級，以“MU+極限強度”石材 按照加工的程度：分細料石、粗料石和毛料石。分級：按極限抗壓強度，分9級，以“MU+極限強度” 第第17講：講：材料的性能材料的性能(27/34) 三、砌體的物理力學性能（三、砌體的物理力學性能（2/8）(2)砂漿作用：使塊體連成整體；抹平塊體表面；填補塊體間縫隙；分類：按照組成成分：無塑性摻合料的水泥砂漿、有塑性摻合 料的混合砂漿、不含水泥的砂漿按照重力密度：大于1.5t/m3重砂漿，小于1.5t/m3輕砂漿分級：按抗壓極限強度分7級，以“M+極限強度”表示砌體對砂漿的基本要求符合強度和耐久性要求；應

58、具有一定的可塑性，在砌筑時容易且較均勻地鋪開；應具有足夠的保水性，即在運輸和砌筑時保持質量的能力。第第17講：講：材料的性能材料的性能(28/34) 三、砌體的物理力學性能（三、砌體的物理力學性能（3/8）(3)砌體的種類 砌體是由塊體用砂漿砌筑成的整體。磚砌體：實心砌體，或空心砌體， 有一順一頂或三順一頂砌筑法。 石砌體：料石、毛石和毛石混凝土砌體。砌塊砌體砌塊排列是要有規律性，減少通縫。配筋砌體:在砌體內配置適量的鋼筋，形成配筋砌體，如 在水平灰縫中配置網狀鋼筋，形成網狀配筋砌體； 在砌體外或預留槽內配置縱向筋形成組合砌體。第第17講：講：材料的性能材料的性能(29/34) 三、砌體的物理

59、力學性能（三、砌體的物理力學性能（4/8）2、砌體的力學性能(1)砌體的抗壓強度破壞過程及應力特點受力全過程： 第一階段：自受力到單塊磚內出現豎向裂縫； 第二階段：單塊磚內裂縫發展，連接并穿過若干皮磚 第三階段：裂縫貫通，把砌體分成若干1/2磚立柱，失穩應力特點： 不僅存在壓應力， 而且有彎曲應力和剪切應力，以及橫向拉壓應力 第第17講：講：材料的性能材料的性能(30/34) 三、砌體的物理力學性能（三、砌體的物理力學性能（5/8）原因分析：水平灰縫厚度和密實度不均勻 磚表面力分布不均勻且上下不對應橫向變形時相互約束 受壓時橫向膨脹，磚和砂漿 橫向變形系數不同，相互約束。彈性地基梁作用 砂漿層

60、受壓將產生壓縮變形， 磚就象在彈性地基上的梁， 其內部將產生彎曲應力和剪應力豎向灰縫處的應力集中第第17講：講：材料的性能（材料的性能（7） 下一講的主要內容下一講的主要內容1、影響砌體強度的主要因素2、砌體的抗壓強度3、砌體的抗拉強度4、砌體的抗彎強度5、砌體的抗剪強度6、砌體的模量 結構設計原理結構設計原理第第 十十 八八 講講 第第18講：講：材料的性能材料的性能（8） 上一講的主要內容上一講的主要內容1、砌體的材料 塊體材料：磚、砌塊和石材 砂漿：水泥砂漿、混合砂漿、其它砂漿2、砌體的種類 磚砌體、石砌體、砌塊砌體和配筋砌體3、砌體的受壓性能 破壞過程：三個階段 應力特點：存在壓、彎和