1、3 結構設計方法結構設計方法結構的功能結構的功能 Functions of Structure 安全性安全性 （Safety） 結構在預定的使用期間內(nèi)（一般為結構在預定的使用期間內(nèi)（一般為50年），應能承受在正常施工、年），應能承受在正常施工、 正正 常使用情況下可能出現(xiàn)的各種荷載、外加變形（如超靜定結構的支座常使用情況下可能出現(xiàn)的各種荷載、外加變形（如超靜定結構的支座 不均勻沉降）、約束變形等的作用；不均勻沉降）、約束變形等的作用； 在偶然事件（如地震、爆炸）發(fā)生時和發(fā)生后，結構應能保持整體穩(wěn)在偶然事件（如地震、爆炸）發(fā)生時和發(fā)生后，結構應能保持整體穩(wěn) 定性，不應發(fā)生倒塌或連續(xù)破壞而造成生命

2、財產(chǎn)的嚴重損失。定性，不應發(fā)生倒塌或連續(xù)破壞而造成生命財產(chǎn)的嚴重損失。 適用性適用性 （Serviceability ）結構在正常使用期間，具有良好的工作性能。如不發(fā)生影響正常結構在正常使用期間，具有良好的工作性能。如不發(fā)生影響正常使用的過大的變形（撓度、側(cè)移）、振動（頻率、振幅），或產(chǎn)使用的過大的變形（撓度、側(cè)移）、振動（頻率、振幅），或產(chǎn)生讓使用者感到不安的過大的裂縫寬度。生讓使用者感到不安的過大的裂縫寬度。 耐久性耐久性 （Durability ）結構在正常使用和正常維護條件下，應具有足夠的耐久性。即在結構在正常使用和正常維護條件下，應具有足夠的耐久性。即在各種因素的影響下（各種因素的影

3、響下（混凝土碳化、鋼筋銹蝕混凝土碳化、鋼筋銹蝕），結構的承載力和），結構的承載力和剛度不應隨時間有過大的降低，而導致結構在其預定使用期間內(nèi)剛度不應隨時間有過大的降低，而導致結構在其預定使用期間內(nèi)喪失安全性和適用性，降低使用壽命。喪失安全性和適用性，降低使用壽命。 3.1 結構設計的要求結構設計的要求3 結構設計方法結構設計方法建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準類別設計使用年限（年）示 例15臨時性結構225易于替換的結構構件350普通房屋和構筑物4 100紀念性建筑和特別重要的建筑結構3 結構設計方法結構設計方法適用性耐久性安全性結構的可靠性結構設計就是實現(xiàn)結構設計就是實現(xiàn)可靠性可靠性與與經(jīng)濟性經(jīng)濟性

4、的最佳平衡的最佳平衡設計方法設計方法The Design Methods可靠性：結構在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預定可靠性：結構在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預定功能的能力。功能的能力。 3 結構設計方法結構設計方法n極限狀態(tài)：極限狀態(tài)：整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設計規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)為該功能的極限狀態(tài)Limit State結構能夠滿足功能要求而良好地工作，則稱結構是結構能夠滿足功能要求而良好地工作，則稱結構是“可靠可靠”的或的或“有效有效”的。反之，則結構為的。反之，則結構為“不可靠不可靠”或或“失效失效”。 承載力極限狀態(tài)承載力極限狀態(tài)Ult

5、imate Limit State 正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)Serviceability Limit Staten 整個結構或結構的一部分作為剛體失整個結構或結構的一部分作為剛體失去平衡；去平衡；n結構構件或連接因超過材料強度而破結構構件或連接因超過材料強度而破壞；壞；n結構轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系；結構轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系；n結構或結構構件喪失穩(wěn)定；結構或結構構件喪失穩(wěn)定；n地基喪失承載能力而破壞地基喪失承載能力而破壞n影響正常使用或外觀的變形；影響正常使用或外觀的變形；n影響正常使用或耐久性能的局影響正常使用或耐久性能的局部損壞；部損壞；n影響正常使用的振動；影響正常使用的振動；n影響正常使用的其

6、它特定狀態(tài)影響正常使用的其它特定狀態(tài)3 結構設計方法結構設計方法基本設計原則基本設計原則The Basic Design ApproachDesign of StructuresStrengthDeformation承載力極限狀態(tài)設計方法正常使用極限狀態(tài)設計方法3 結構設計方法結構設計方法結構功能的表達結構功能的表達 S 作用效應作用效應 Action Effect 結構上的作用是結構上的作用是使結構產(chǎn)生內(nèi)力、變形和裂縫的原因的總稱，分使結構產(chǎn)生內(nèi)力、變形和裂縫的原因的總稱，分為直接作用和間接作用，作用效應即為作用為直接作用和間接作用，作用效應即為作用引起的構件內(nèi)力。引起的構件內(nèi)力。R 結構抗

7、力結構抗力 Resistant 結構抵抗作用效應的能力，如受彎承載力結構抵抗作用效應的能力，如受彎承載力Mu、受剪承載力、受剪承載力Vu、容、容許撓度許撓度f、容許裂縫寬度、容許裂縫寬度w。S R 失效失效 3 結構設計方法結構設計方法3 結構設計方法結構設計方法R，S是隨機變量 偶然作用是隨機事件 可變作用：可能出現(xiàn)也可能不出現(xiàn)、數(shù)值可能大也可能小 永久作用：材料的不同、尺寸誤差、基礎沉降、砼收縮、溫度變化等也具有隨機性 作用效應與作用有關，所以也具有隨機性 影響結構抗力的主要因素有：材料性能、幾何參數(shù)及計算的精確性。由于材料的不同、尺寸誤差、制作安裝誤差與計算的不精確性，所以R也是隨機變量

8、。3 結構設計方法結構設計方法概率極限狀態(tài)法的概念結構的極限狀態(tài)方程 Z=R-S=g(R,S)=0 其中Z=R-S=g(R,S)為結構功能函數(shù)，結構抗力R與材料強度、截面幾何參數(shù)有關，作用效應與荷載等有關 可靠狀態(tài)：Z0 失效狀態(tài)：Z0 極限狀態(tài)：Z=03 結構設計方法結構設計方法結構的可靠度 可靠度：在規(guī)定的時間內(nèi)，規(guī)定的條件下，完成預定功能的概率 注：R與S均為不確定值 度量指標：可靠概率Ps或失效概率Pf ， Pf =P(Z0 結構可靠結構可靠；Z=0 結構處于極限狀態(tài)結構處于極限狀態(tài)；Z0 結構失效結構失效結構的可靠概率與失效概率的關系結構的可靠概率與失效概率的關系 f(Z) ZZzP

9、fZ = R - S ZPS=1-Pf0)(dZZfpf0( )spf Z dZ可靠概率：可靠概率：失效概率：失效概率：安全的概念是相對的，所謂安全的概念是相對的，所謂“安全安全”只是只是失效概率相對較小而已，失效概率不可能失效概率相對較小而已，失效概率不可能為零，故不存在絕對安全的結構。為零，故不存在絕對安全的結構。應該通過設計把失效概率控制在某一個可應該通過設計把失效概率控制在某一個可以接受的限制以下就可以。以接受的限制以下就可以。失效概率越小，表示結構可靠性越大。當失效概率失效概率越小，表示結構可靠性越大。當失效概率Pf小于某個值時，即可認為結小于某個值時，即可認為結構設計是可靠的，即構

10、設計是可靠的，即Pf Pf 。該失效概率限值稱為。該失效概率限值稱為允許失效概率允許失效概率Pf。一般工業(yè)與民用建筑的允許失效概率：延性破壞的結構一般工業(yè)與民用建筑的允許失效概率：延性破壞的結構 Pf=6.910-4 脆性破壞的結構脆性破壞的結構 Pf=1.110-41sfpp3 結構設計方法結構設計方法可靠指標與失效概率的關系可靠指標與失效概率的關系 f(Z) ZZzPfZ = R - S ZPS=1-Pf失效概率失效概率Pf來度量結構的可靠性具有明確的意義，但計算繁瑣，可以來度量結構的可靠性具有明確的意義，但計算繁瑣，可以利用可靠度指標利用可靠度指標代替失效概率來度量結構的可靠性。代替失效

11、概率來度量結構的可靠性。失效概率失效概率Pf與與可靠指標可靠指標有著一一對應的關系有著一一對應的關系值愈大，失效概率值愈大，失效概率Pf值就愈小；值就愈小；值愈小，失效概率值愈小，失效概率Pf值就愈大。值就愈大。 z z平均值；平均值；z標準差標準差zzzz 值 2.7 3.2 3.7 4.2 失效概率Pf 3.510-3 6.910-4 1.110-4 1.310-5 3 結構設計方法結構設計方法目標可靠指標 目標可靠度指標：對于一般結構作為設計依據(jù)的可靠指標，是可靠度指標的一個限值。 統(tǒng)一標準以我國長期工程經(jīng)驗的結構可靠度水平為校準點，考慮了各種荷載效應組合情況，選擇若干有代表性的構件進行

12、了大量的計算分析，規(guī)定對于一般工業(yè)與民用建筑作為設計依據(jù)的可靠指標，稱為目標可靠度指標 3 結構設計方法結構設計方法結構的安全等級 根據(jù)建筑物的重要性不同，即一旦結構發(fā)生破壞時對生命財產(chǎn)的危害程度及社會影響的不同，將建筑結構分為三個安全等級 一級：破壞后果很嚴重的重要建筑物 二級：破壞后果嚴重的一般建筑物 三級：破壞后果不嚴重的次要建筑物 延性破壞：結構構件在破壞前有明顯變形或其它預兆 脆性破壞：結構構件在破壞前無明顯變形或其它預兆3 結構設計方法結構設計方法建筑結構的安全等級與可靠度指標的關系 安全等級 破壞效果 建筑物類型 可靠度指標 脆性破壞 延性破壞 一級 很嚴重 重要建筑 4.23.

13、7二級 嚴重 一般建筑 3.73.2三級 不嚴重 次要建筑 3.22.73 結構設計方法結構設計方法3.6 概率極限狀態(tài)法的設計表達式概率極限狀態(tài)法的設計表達式荷載分項系數(shù)：荷載分項系數(shù)：考慮荷載超過標準值的可能性，是一個變量考慮荷載超過標準值的可能性，是一個變量v作用：用于反應反映 的效果n3.6.1 荷載分項系數(shù)，材料分項系數(shù)和結構重要性系數(shù)1.1. 荷載分項系數(shù)荷載分項系數(shù) 等于荷載的設計值與標準值的比值，一般情況下大于等于荷載的設計值與標準值的比值，一般情況下大于1 1。恒載的設計值恒載的設計值 G = G = G GG Gk k （3.113.11）活載的設計值活載的設計值 Q =

14、Q = Q QQ Qk k3 結構設計方法結構設計方法 混凝土的設計強度 f c = f ck / c （3.13） 鋼筋的設計強度 f s = f sk / s （3.14）材料分項系數(shù)：材料分項系數(shù)：是一個大于是一個大于1.01.0的系數(shù)，考慮材料強度低的系數(shù)，考慮材料強度低于標準值的可能性。于標準值的可能性。n2. 材料分項系數(shù)n等于材料的標準強度與設計強度的比值，其值大于1。3 結構設計方法結構設計方法荷載分項系數(shù)分為荷載分項系數(shù)分為恒荷載恒荷載分項系數(shù)和分項系數(shù)和活荷載活荷載分項系數(shù)分項系數(shù)材料分項系數(shù)分為材料分項系數(shù)分為砼砼分項系數(shù)和分項系數(shù)和鋼筋鋼筋分項系數(shù)分項系數(shù)3 結構設計方

15、法結構設計方法g g0 結構重要性系數(shù)結構重要性系數(shù) 根據(jù)建筑結構的重要性將結構分為根據(jù)建筑結構的重要性將結構分為三個安全等級三個安全等級，采用結構，采用結構重要性系數(shù)來體現(xiàn)。重要性系數(shù)來體現(xiàn)。一級一級 g g01.1二級二級 g g01.0三級三級 g g00.9n3. 結構重要性系數(shù)03 結構設計方法結構設計方法3.6.3 極限狀態(tài)設計表達式 2 正常使用極限狀態(tài) 變形驗算f f 裂縫控制驗算 S內(nèi)力組合設計值（荷載效應），代表軸力設計值N、彎矩設計值M、剪力設計值V和扭矩設計值MT。考慮了荷載分項系數(shù)、荷載組合系數(shù)。 R結構構件承載力設計值（抗力），代表截面對于軸力、彎矩、剪力和扭矩的抵

16、抗能力。考慮了材料分項系數(shù)的影響RS 0g 1 承載能力極限狀態(tài)3 結構設計方法結構設計方法3.7 荷載效應組合荷載的代表值荷載的代表值： 荷載是隨機變量，對不同的荷載和設計情況，應采用不同的代表值。 永久荷載永久荷載：代表值只有一個，即標準值。結構自重按設計尺寸與容重計算確定。 可變荷載可變荷載： 標準值標準值：取出現(xiàn)頻率最多的值作為標準值，設計時直接查規(guī)范取用。 組合值組合值 cQk ：結構上多個活載共同作用時，并不會同時達到其標準值，則對其標準值進行折減，即組合值。用于承載能力極限狀態(tài)的基本組合和正常使用極限狀態(tài)的標準 組合。荷載頻遇值荷載頻遇值 準永久值準永久值 qQk ：可變荷載中，

17、在整個設計基準期內(nèi)出現(xiàn)時間較長的那部分荷載值。用于正常使用極限狀態(tài)的準永久組合。3 結構設計方法結構設計方法按承載力極限狀態(tài)計算按承載力極限狀態(tài)計算 g g0 結構重要性系數(shù)結構重要性系數(shù) 根據(jù)建筑結構的重要性將結構分為根據(jù)建筑結構的重要性將結構分為三個安全等級三個安全等級，采用結構，采用結構重要性系數(shù)來體現(xiàn)。重要性系數(shù)來體現(xiàn)。一級一級 g g01.1二級二級 g g01.0三級三級 g g00.9規(guī)范設計表達式規(guī)范設計表達式 RS 0gn3.7.3 荷載效應組合表達式3 結構設計方法結構設計方法可變荷載控制組合時可變荷載控制組合時永久荷載控制組合時永久荷載控制組合時niQikciQikQQGkGSSSS211gggn