结构设计方法教育课件.ppt

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,*,结构设计方法PPT讲座,1.设计使用年限,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。,设计使用年限（年）,类 别,临时性建筑结构,易于替换的结构构件,普通房屋和构筑物,标志性建筑和特别重要的建筑结构,5,25,50,100,建筑结构设计使用年限,3.1 结构功能要求和极限状态,3.1.1 结构的功能要求和其他基本要求,公路桥涵结构的设计使用年限,铁路桥涵结构的设计使用年限为100年。,类别,设计使用年限（年）,示例,1,30,小桥、涵洞,2,50,中桥、重要小桥,3,100,特大桥、大桥、重要中桥,1.设计使用年限,港口工程结构的设计使用年限,类别,设计使用年限（年）,示例,1,5,10,临时性港口建筑物,2,50,永久性港口建筑物,3.1.1 结构的功能要求和其他基本要求,3.1 结构功能要求和极限状态,3.1.1 结构的功能要求和其他基本要求,2.结构的功能要求,结构在规定的设计使用年限内，对,安全性、适用性、耐久性的要求。,结构在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用；,安全性,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。,3.1 结构功能要求和极限状态,3.1.1 结构的功能要求和其他基本要求,结构在正常使用时具有良好的工作性能。,适用性,在正常维护下，结构具有足够的抵御使其材料性能恶化的各种侵蚀的能力。,耐久性,安全性和适用性，一般都通过设计计算来实现。耐久性很大部分尚处于研究阶段，还达不到量化计算的程度，一般是通过设计构造、施工措施和使用维护等来实现。,3.1.1 结构的功能要求和其他基本要求,2.结构的功能要求,3.设计基准期,3.1.1 结构的功能要求和其他基本要求,为确定可变荷载作用和,材料性能,等的取值而选用的时间参数，即确定结构设计所采用的作用统计参数（如平均值、标准差、变异系数、最大值、最小值等）时需要明确一个时间参数，该时间参数为设计基准期。,我国房屋结构和港口工程结构取50年，如以50年内的一定高度的最大风速确定基本风压力、以50年内空旷地带的最大积雪深度确定基本雪压力。,我国铁路桥涵和公路桥涵结构均取100年，以此统计时间确定列车荷载,、,汽车荷载、人群荷载、风荷载等的统计参数。,4.结构设计的其他要求,3.1.1 结构的功能要求和其他基本要求,（1）避免、消除或减少结构可能受到的危害；,（2）采用对可能受到的危害反应不敏感的结构,类型；,（3）采用对单个构件或结构的有限部分被意外,移除或结构出现可接受的局部损坏时，结,构的其他部分仍能保存的结构类型；,（4）不宜采用无破坏预兆的结构体系；,（5）使结构具有整体稳固性。,3.1.2 结构安全等级和结构重要性系数,结构安全等级是根据结构破坏可能产生后果的严重性来划分的。,工程结构的安全等级,安全等级,一级,二级,三级,破坏后果,很严重,严重,不严重,公路桥涵结构的安全等级,安全等级,破坏后果,示 例,结构重要性系数,0,一级,重要结构,特大桥、大桥、中桥、重要小桥,1.1,二级,一般结构,小桥、重要涵洞、重要挡土墙,1.0,三级,次要结构,涵洞、挡土墙、防撞护栏,0.9,3.1.2 结构安全等级和结构重要性系数,设计状况,（1）持久设计状况，在结构使用过程中一定出现，持续期一般与设计使用年限为同一数量级；,（2）短暂设计状况，适用于结构出现的临时情况，在施工和使用过程中出现概率较大，而与设计使用年限相比，持续期很短的状况；,（3）偶然设计状态，适用于结构出现的异常情况，在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的状况；,（4）地震设计状况，适用于结构遭受地震时的情况，在抗震设防地区必须考虑地震设计状况。,房屋建筑结构的安全等级,安 全 等级,破坏后果,示 例,结构重要性系数,0,对持久设计状况和短暂设计状况,对偶然设计状况和地震设计状况,一级,很严重：对人的生命、经济、社会或环境影响很大,大型公共建筑,1.1,1.0,二级,严重：对人的生命、经济、社会或环境影响较大,普通的住宅和办公楼等,1.0,三级,不严重：对人的生命、经济、社会或环境影响较小,小型的或临时性储存建筑等,0.9,3.1.3 结构功能的极限状态,1.,结构功能的,极限状态定义,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，把这一特定状态称为该功能的极限状态。,2.结构的功能函数和极限状态方程,作用,（荷载）效应S,由作用,（荷载）,引起结构或结构构件的反应，例如内力、变形、裂缝等。,3.1.3 结构功能的极限状态,2.结构的功能函数和极限状态方程,作用,（荷载）效应S,楼面持久性活荷载频数图,3.1.3 结构功能的极限状态,2.结构的功能函数和极限状态方程,作用,（荷载）效应S,S,f,（,S,）,S,k,o,作用,（荷载）,效应概率密度曲线,当荷载与荷载效应按线性关系对待时，荷载效应与荷载有相同的统计分布规律。,3.1.3 结构功能的极限状态,2.结构的功能函数和极限状态方程,抗力R,结构或构件承受作用效应的能力，如承载能力。,影响结构抗力大小的主要因素,材料性能,构件的几何尺寸,结构的构成形态,某厂钢材屈服强度统计资料,3.1.3 结构功能的极限状态,2.结构的功能函数和极限状态方程,抗力R,3.1.3 结构功能的极限状态,2.结构的功能函数和极限状态方程,抗力R,某预制厂混凝土立方抗压强度统计资料,3.1.3 结构功能的极限状态,2.结构的功能函数和极限状态方程,抗力R,R,f,（,R,）,o,R,k,抗力概率密度曲线,由材料的变异性、构件几何特征和计算模式等的不定性，决定了结构抗力也应是随机变量。,3.1.3 结构功能的极限状态,2.结构的功能函数和极限状态方程,SR失效,S=R极限状态,结构的功能要求 SR,功能函数,结构极限状态方程,3.极限状态分类,目前,极限状态分为两类：,一类与结构安全直接相关，称为承载能力极限状态；,一类与结构适用和耐久相关，称为正常使用极限状态。,3.1.3 结构功能的极限状态,3.1.3 结构功能的极限状态,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,承载能力极限状态,3.极限状态分类,钢柱断裂,连接破坏,过度变形,结构转变为机动体系,柱端塑性铰,映秀镇漩口中心教学楼震害,3.1.3 结构功能的极限状态,承载能力极限状态,3.极限状态分类,整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡(如,倾覆等),2009年6月上海倒楼事件,3.1.3 结构功能的极限状态,承载能力极限状态,3.极限状态分类,结构或结构构件丧失稳定(如压屈等),日本阪神地震某钢结构柱间支撑压屈失稳,3.1.3 结构功能的极限状态,承载能力极限状态,3.极限状态分类,地基丧失承载能力而破坏(如失稳等),1964年日本新泻地震引起地基液化使建筑严重倾斜,3.1.3 结构功能的极限状态,承载能力极限状态,3.极限状态分类,正常使用极限状态,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)；,影响正常使用的振动；,影响正常使用的其他特定状态。,3.1.3 结构功能的极限状态,3.极限状态分类,3.2 结构可靠度的基本概念和设计方法,3.2.1 结构可靠性理论的发展历史,结构在规定的时间内、在规定的条件下，完成预定功能的能力。,1.结构可靠性,规定的时间,设计使用年限,规定的条件,正常设计、正常施工、正常使用,2.发展历史,结构元部件可靠性理论的研究起步于20世纪20年代，50年代前后开始引起广泛关注。,结构系统可靠性理论是20世纪80年代前后发展起来的一门新兴边缘学科，主要数学基础是概率论、随机过程理论、决策论、博弈论和组合数学（研究离散对象的科学），主要计算手段是有限元法、边界元法和随机网络分析技术。,3.2 结构可靠度的基本概念和设计方法,3.2.1 结构可靠性理论的发展历史,3.2.2 影响结构可靠性的三种不确定性,1.事物的随机性,事件发生的条件不充分，使得在条件和事件之间不能出现必然的因果关系，从而事件的出现与否表现出不确定性，这种不确定性称为随机性。,2.事物的模糊性,一个集合到底包含哪些事物是不明确的，主要表现在客观事物差异的中间过渡中的“不分明性”。,3.事物知识的不完整性,按照掌握的完善程度把事物（或称系统）分为三类：白色系统、黑色系统和灰色系统。,3.2.3 结构设计中的随机变量,将结构中的的随机变量表示为,X,1,，,X,2,，,X,n,，其中,X,i,为第,i,个随机变量。将,X,i,的概率分布函数和概率密度函数通过概率分布的拟合优度检验后，认为是已知的，如正态分布、对数正态分布等，这就是可靠度分析的基础。,结构设计参数主要分为两大类,即随机变量表现为作用（荷载）效应S和抗力R两项。,3.2.3 结构设计中的随机变量,频率,密度,对称轴,反弯点,随机变量,x,正态分布曲线,1.概率密度函数,x,2.概率分布函数,3.2.3 结构设计中的随机变量,2.概率分布函数,3.2.3 结构设计中的随机变量,一般正态分布,标准正态分布,数学手册,3.2.4 结构的可靠度,结构在规定的时间内、在规定的条件下，完成预定功能的概率，用,p,s,表示。其反意词失效概率，用,p,f,表示。,3.2.5 结构的可靠指标和失效概率,1.可靠指标与失效概率的关系,可靠度,失效概率,S,f,R,Z,=,R,-,S,0,（可靠概率,）,定义及推导,平均值,一次矩,均方值,二次矩（惯性矩）,方差,均方差（标准差）,全概率,定义及推导,功能函数,3.2.5 结构的可靠指标和失效指标,可靠指标,f,（z）,P,f,一次二阶矩法,与,P,f,关系,2.7,3.2,3.7,4.2,P,f,3.510,-3,6.910,-4,1.110,-4,1.310,-5,1.可靠指标与失效概率的关系,3.2.5 结构的可靠指标和失效指标,2.按可靠指标的设计准则,延性破坏,结构构件在破切前有明显的变形或其他预兆。,脆性破坏,结构构件在破切前无明显的变形或其他预兆。,结构承载力极限状态的可靠指标,破坏类型,延性破坏,脆性破坏,建筑结构,桥梁结构,一 二 三 一 二 三,3.7 3.2 2.7 4.7 4.2 3.7,4.2 3.7 3.2 5.2 4.7 4.2,安全等级,安全等级,结构正常使用极限状态的可靠指标,应根据结构构件的特点和工程经验确定。,作 业,某建筑结构工字形截面简支钢梁，跨度,6m,截面尺寸如图所示,荷载效应和抗力均服从正态分布，已知钢梁上作用的均布荷载平均值为,s,=,15kN/m,标准差,s,=3.1kN/m,钢材强度平均值为,R,=270N/mm,2,标准差,R,=30N/mm,2,，试计算确定,：,钢梁抗弯是否满足,=3.2的要求？,钢梁抗弯可靠度为多少,（,提示：查阅数学手册正态概率积分表,）,？,350,150,8,10,10,截面尺寸单位mm,3.3 极限状态实用设计表达式,R,S,f,（,Z,）,O,S、R概率密度曲线,为了适应设计人员的传统习惯，通过可靠度校准，实用设计表达式采用以荷载和材料强度的标准值以及相应的分项系数来表达的方式。,3.3 极限状态实用设计表达式,实用设计表达式中所包含的各种分项系数，宜根据有关基本变量的概率分布类型和统计参数及规定的可靠指标，通过计算分析，并结合工程经验，经优化确定。,设计表达式中隐含了结构的失效概率，设计出来的构件已经具有某一可靠概率的保证。,当缺乏统计数据时，可根据传统的或经验的设计方法，由有关标准规定各种分项系数。,3.3.1 一般规定,3.3.2 承载能力极限状态计算基本规定,（1）结构或结构构件（包括基础等）的破坏或过度变形的承载能力极限状态设计，应符合下列要求：,0,结构重要性系数；,S,d,作用组合的效应（如轴力、弯矩或表示,几个轴力、弯矩的向量）设计值；,R,d,结构或结构构件的抗力设计值。,（2）整个结构或其一部分作为刚体失去静力平衡的承载能力极限状态设计，应符合下式要求：,S,d,dst,不平衡作用效应的设计值；,R,d,stb,平衡作用效应的设计值。,3.3.2 承载能力极限状态计算基本规定,（3）地基的破坏或过度变形的承载能力极限状态设计，可采用分项系数法进行，但其分项系数的取值与式中所包含的分项系数的取值可有区别。地基的破坏或过度变形的承载力设计，也可采用容许应力法等进行。,（4）结构或结构构件的疲劳破坏的承载能力极限状态设计，可按统一标准GB50153-2008附录F规定的方法进行。,3.3.3 建筑结构承载力极限状态实用设计表达式,0,S,d,R,d,=R/,对于持久设计状况、短暂设计状况和地震设计状况，当采用内力的形式表达时，承载能力极限状态实用设计表达式：,0,结构的重要性系数；,S,d,作用（荷载）效应设计值；,R,d,抗力设计值；,R,抗力函数；,抗力不定性系数，静力计算取1.0。,3.3.4 正常使用极限状态实用设计表达式,S,d,作用组合的效应（如变形、裂缝等）设计值；,C,结构构件变形、应力、裂缝宽度和自振频率等,的相应限值,，应按有关的结构设计规范的规定,采用。,钢筋混凝土构件、预应力混凝土构件应分别按荷载的准永久组合并考虑长期作用的影响或标准组合并考虑长期作用的影响，钢结构构件应考虑荷载效应的标准组合、钢与混凝土组合梁尚应考虑准永久组合，采用下列极限状态设计表达式进行验算：,混凝土受弯构件挠度限值,详教材P497附表11，附表12为最大裂缝宽度限值规定。,3.4 作用组合,1.进行承载能力极限状态设计时,基本组合，用于持久设计状况和短暂设计状况。,偶然组合，用于偶然设计状况。,地震组合，用于地震设计状况。,2.进行正常使用极限状态设计时,标准组合，宜用于不可逆正常使用极限状态设计。,频遇组合，宜用于不可逆正常使用极限状态设计。,准永久组合，宜用于长期效应为决定因素的正常,使用极限状态设计。,3.4.1 基本变量的设计值及分项系数,（1）作用的设计值可按下式确定,（2）材料性能的设计值可按下式确定,（3）几何参数的设计值可采用几何参数的标准值，,当其变异性对结构性能有明星影响时，可按下,式确定,（4）结构抗力的设计值可按下式确定,3.4.2 作用组合（荷载组合）,1.承载能力极限状态的作用组合,基本组合,首先，教材上所说的作用组合实际是指的作用效应组合；其次，组合公式来源于多种规范（标准）。现仅重点介绍作用与作用效应按线性关系考虑的建筑结构荷载效应组合。,分基本组合和偶然组合两种，重点为基本组合。,为了提高以自重为主的结构的可靠度，,可变荷载只考虑竖向荷载。,可变荷载效应起控制作用的组合,永久荷载效应分项系数,可变荷载效应分项系数,可变荷载,Q,i,的组合值系数,考虑设计使用年限的荷载调整系数,（P44公式有误),房屋建筑考虑结构设计使用年限的荷载调整系数,结构的设计使用年限（年）,L,5,0.9,50,1.0,100,1.1,注：对设计使用年限为25年的结构构件，,L,应按各种材,料结构设计规范的规定采用。,永久荷载效应起控制作用的组合,3.4.2 作用组合（荷载组合）,1.承载能力极限状态的作用组合,偶然组合,梁计算简图,屋面平面简图,负荷宽度,墙,梁,例1,中国广东某厂房钢筋砼屋面简支梁，计算跨度为6m，净跨为5.8m,截面尺寸为,b,h,=,250mm500mm，梁的负荷宽度为3.6m，已知屋面板,（预制槽板）,自重标准值为3kN/m,2,（含面层及粉底重），不上人屋面活荷载标准值0.5kN/m,2,（组合值系数0.7）,积灰荷载标准值为0.3kN/m,2,（组合值系数0.9）,安全等级为二级，设计使用年限为50年，试求梁跨中弯矩设计值和支座,边缘截面剪力设计值。,解：,计算,g,k,梁自重,0.250.526=3.25,kN,/,m,板自重,33.6=10.8,kN,/,m,g,k,=,14.05,kN,/,m,q,1k,=,0.53.6=1.8,kN/m,q,2k,=,0.33.6=1.08,kN/m,方法一,跨中弯矩设计值,支座边缘截面剪力设计值,同理,方法二,2.正常使用极限状态的作用组合,3.4.2 作用组合（荷载组合）,准永久组合,频遇组合,标准组合,在荷载相同条件下,P48公式按课件修改,梁计算简图,屋面平面简图,负荷宽度,墙,梁,例2,中国广东某厂房钢筋砼屋面简支梁，跨度为6m，截面尺寸为,b,h,=,250mm500mm，梁的负荷宽度为3.6m，,已知屋面板（预制槽板）自重标准值为3kN/m,2,（含面层及粉底重），,不上人屋面活荷载标准值0.5kN/m,2,（组合值系数0.7）,积灰荷载标准值为0.3kN/m,2,（组合值系数0.9）,当梁的截面刚度,B,s,=,3,1013,Nmm,2,时，挠度允许值为,f,=,l,/200,，试求荷载效应标准组合下梁跨中挠度,f,k,是否满足要求。,解：,作 业,某2.1万m,2,的大型商场楼盖的钢筋混凝土矩形截面简支外伸梁（如图所示），梁截面尺寸,300mm,750mm,，安全等级一级，设计使用年限,50,年，环境类别一类，梁上均布永久荷载标准值（不含梁自重）,g,k,=,17.6,kN/m,，均布活荷载标准值,q,k,=,8.4,kN/m,（为计算跨中最大弯矩，活荷载只布置在,9m,跨内，组合值系数,0.7,），试分别计算：,梁跨中弯矩设计值；,梁跨中弯矩标准组合值。,简支外伸梁荷载简图,9m,3.6m,3.6m,3.5,结构的耐久性设计,混凝土结构耐久性取决于钢材和混凝土两种材料,，一般情况下,主要取决于内部钢筋是否锈蚀。,混凝土的高碱性在钢筋表面形成一层氧化膜，,氧化膜,能有效地保护钢筋。但大气中的二氧化碳或其他酸性介质，将使混凝土中性化而降低其碱度，这种现象称混凝土碳化。,碳化最终将导致氧化膜失效。,碳化、锈蚀均与环境和时间有关，另外，碳化还与混凝土的碱性程度有关。,1.重点介绍混凝土结构的耐久性问题,混凝土中钢筋腐蚀过程示意图,t,0,预备阶段,t,1,发展阶段中期,t,2,发展阶段后期,t,3,发展阶段晚期,2.耐久性设计依据,环境类别,设计使用年限,3.5 结构的耐久性设计,混凝土结构的环境类别,环境类别,条 件,一,室内干燥环境；无侵蚀性静水浸没环境,二a,室内潮湿的环境；非严寒和非寒冷地区的露天环境；非严寒和非寒冷地区与无侵蚀性的水及土壤直接接触的环境；严寒和寒冷地区的冰冻线以下与无侵蚀性的水及土壤直接接触的环境,二b,干湿交替环境；水位频繁变动环境；寒冷和严寒地区的露天环境；,寒冷和严寒地区冰冻线以上与无侵蚀性的水及土壤直接接触的环境；,三a,严寒和寒冷地区冬季水位变动区环境；受除冰盐影响环境；海风环境；,三b,盐渍土环境；受除冰盐作用环境；海岸环境,四,海水环境,五,受人为和自然的化学侵蚀性物质影响的环境。,3.5 结构的耐久性设计,3.影响混凝土耐久性的主要因素,混凝土的水胶比,混凝土强度等级,氯离子含量和碱含量,结构混凝土材料的耐久性基本要求,环境类别,最大水胶比,最低强度等级,最大氯离子含量,(%),最大碱含量,（kg/m,3,）,一,0.60,C20,0.30,不限制,二a,0.55,C25,0.20,3.0,二b,0.50（0.55）,C30（C25）,0.15,三a,0.45（0.50）,C35（C30）,0.15,三b,0.40,C40,0.10,设计使用年限50年结构按上表要求,100年结构耐久性作用等级按上表提高一级,25年结构耐久性作用等级可按上表降低一级,3.5 结构的耐久性设计,4.耐久性措施,确定混凝土保护层厚度,限制裂缝宽度,限制混凝土中不利成分,钢筋防锈措施,使用阶段的维护和检测,混凝土保护层的最小厚度c（mm）,环境类别,板、墙、壳,梁、柱、杆,一,15,20,二a,20,25,二b,25,35,三a,30,40,三b,40,50,设计使用年限为50年尚应满足上表要求,钢筋的混凝土保护层厚度不应小于钢筋的公称直径,设计使用年限为100年不应小于上表要求的1.4倍,作 业,思考题P51：110,写出以下术语的界定（可,以用自己的语言）：,结构功能要求与可靠性,设计基准期与设计使用年限,极限状态分类,承载能力极限状态的范畴,正常使用极限状态的范畴,结构耐久性设计依据,