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第3章结构设计基本原则

时间:2021-03-26 17:51

  第3章结构设计基本原则_职业技术培训_职业教育_教育专区。第3章 混凝土结构设计基本原理 3.1 结构可靠度及设计方法 一、结构的作用、作用效应及结构抗力 (一)作用 结构上的作用是指施加在结构上的各种力(直接作 用)以及引起结构变形的各种原因(间接作用

  第3章 混凝土结构设计基本原理 3.1 结构可靠度及设计方法 一、结构的作用、作用效应及结构抗力 (一)作用 结构上的作用是指施加在结构上的各种力(直接作 用)以及引起结构变形的各种原因(间接作用)。 作用的分类: 1、按时间的变异分类:永久作用、可变作用、偶然作用 2、按结构的反应分类:静态作用、动态作用 (二)作用效应S 施加在结构上的作用产生的内力(弯矩、剪力、轴力、扭矩 等)和变形(挠度、转角、裂缝等 )称为作用效应。 作用为荷载Q,在结构上产生的效应为荷载效应S为 : S = cQ c ––– 荷载效应系数; Q ––– 荷载. 例:简支梁在均布荷载作用下跨中弯矩:M 1l2q (荷载效应系数为 1 8 l 2 ) 8 简支梁在跨中一集中荷载作用下跨中弯矩:M 1 lP 4 (荷载效应系数为 1 4 l ) (三)结构抗力R ? 结构抗力是指结构或构件承受作用效应的能力。如结构构件 承载力、抵抗变形、抗裂性等。 材料性能的不确定性 ? 结构抗力的影响因素: 材料几何参数的不确定性 计算模式的不确定性 本课程主要讲述各种构件的结构抗力的计算,作用效应的 计算在结构力学课程中已讲述。 结构或构件能否完成预定功能与结构的作用效应S与结构的抗力R有关。 结构的功能函数: Z = R – S S—结构的作用效应 R—结构的抗力 Z 0, 即RS 结构可靠 Z = 0, 即R=S 结构处于极限状态。 Z 0, 即RS 结构失效 二、结构的功能要求和可靠度 1、安全性 结构在正常施工和使用时应能承受可能出现的各种作用;在发 生火灾时,在规定的时间内保持足够的承载力;当发生偶然事件时, 能保持必须的整体稳定性。 2、适用性 结构在正常使用时保持良好的使用性能,如不发生过大的变形 和裂缝,不妨碍正常使用。 3、耐久性 结构在正常维护下,材料性能虽随时间变化,但仍能满足预定功 能要求,如材料的风化、老化、腐蚀等不超过一定的限度。 安全性、适用性、耐久性总称为结构的可靠性。 结构的可靠度是指结构在规定的时间内(设计使用年 限),在规定的条件下(正常的设计、施工和使用),完成预 定功能的概率。 结构可靠度是结构可靠性的概率度量。结构可靠度 越高,建设造价投资越大。因此,如何在结构可靠与经 济之间取得均衡,是设计方法要解决的问题。 建筑的设计使用年限见表3-1,如无特殊说明,一 般为50年。 三、结构的安全等级 根据结构破坏可能产生的各种后果的严重性(危 及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等)来划分 建筑的安全等级。 建筑结构的安全等级共划分为三级,见表 3-2。 建筑物中各类结构构件的安全等级,宜于整个结构 的安全等级相同。 3.2 荷载和材料强度的取值 一、荷载标准值 1、永久荷载标准值: Gk 按构件的设计尺寸和材料重度(或单位面积的自重) 平均值计算。 各种材料重度见《建筑结构荷载规范》。 混凝土:25KN/m3 水泥砂浆:20KN/m3 石灰砂浆和混合砂浆:17KN/m3 实例:梁截面尺寸为250×600mm,计算其自重标准值。 2、可变荷载标准值: QK 主要类型有: (1)楼(屋)面活荷载标准值: (2)风荷载标准值: (3)雪荷载标准值: 各类可变荷载标准值见《建筑结构荷载规范》 。 如:办公楼、住宅楼面均布活荷载标准值为2.0KN/m2 走道、楼梯间均布活荷载标准值为2.5KN/m2 二、材料强度标准值 材料强度标准值:材料强度概率分布中具有95%保证率的材料强度值。 1、钢筋的强度标准值: 对有明显屈服点的热轧钢筋,取屈服强度; 对无明显屈服点的钢筋、钢丝及钢绞线b 各类钢筋、钢丝、和钢绞线、混凝土的强度标准值: 混凝土强度标准值见附表9。 3.3 概率极限状态设计方法 一、结构的极限状态 整个结构或结构的一部分超过某一特定状态(如承载力、 变形、裂缝宽度等超过某一限值)就不能满足设计规定的某一 功能要求(安全、适用或耐久),此特定状态称为该功能的极 限状态。 极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态。 1、承载能力极限状态 结构或构件达到最大承载力、出现疲劳破坏、发生不适于继续 承载的变形或因结构局部破坏而引发的连续倒塌。 结构或构件出现下列情形之一时,认为超过了承载能力极限状态: (1)应力超过材料强度而破坏,或因过度变形不适于继续承载; (2)作为刚体失去平衡; (3)转变为机动体系; (4)丧失稳定; (5)因局部破坏而发生连续倒塌; (6)地基丧失承载能力而破坏; (7)疲劳破坏。 承载能力极限状态主要考虑结构有关安全性的功能,所有 的结构构件都需按承载能力极限状态进行设计。 2、正常使用极限状态 结构或构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值。 结构或构件出现下列情形之一时,认为超过了承载能力极限状态: (1)影响正常使用或外观的变形(变形过大); (2)影响正常使用或耐久性能的局部损坏(裂缝过宽); (3)影响正常使用的振动(振幅过大等); (4)影响正常使用的其他特定状态,如沉降量过大等。 正常使用极限状态主要考虑结构有关适用性和耐久性的功能, 允许出现的概率稍高一些,但也应引起足够的重视。 通常对结构构件先按承载能力极限状态进行计算,按后根 据使用要求按正常使用极限状态进行验算。 二、结构的设计状况 结构设计时,应区分以下四种设计状况: 1、持久设计状况 2、短暂设计状况 3、偶然设计状况 4、地震设计状况 以上4种设计状况,均应进行承载能力极限状态设计,以确保 结构的安全。对持久设计状况,尚应进行正常使用极限状态设计, 以确保结构的适用和耐久;对短暂设计状况和地震设计状况,可根 据需要进行正常使用极限状态设计;对于偶然设计状况,可不进行 正常使用极限状态设计。 三、结构的功能函数和极限状态方程 结构的功能函数: Z = R – S S—结构的作用效应 R—结构的抗力 Z 0, 即RS 结构可靠 Z = 0, 即R=S 结构处于极限状态。 Z 0, 即RS 结构失效 3.4 极限状态设计的实用表达式 一、承载能力极限状态设计表达式 结构构件截面设计表达式可采用内力或应力表达。 (一)基本表达式 对持久设计状况、短暂设计状况和地震设计状况,用内 力形式的表达式: 0 S R R= R(fc, fs ,…….)/Rd 0 –––结构重要性系数;在持久设计状况和短暂设计状况下,对安全 等级为一、二、三级的结构构件,分别不应小于1.1, 1.0, 0.9 , 对地震设计状况性下应取1.0; S ––– 承载能力极限状态下作用组合的效应设计值;对持久设计状 况和短暂设计状况按作用的基本组合计算;对地震设计状况 按作用的地震组合计算; R ––– 结构构件的抗力设计值。 Rd––– 结构构件的抗力模型不定性;静力设计取1.0,对不确定性 较大的结构构件根据具体情况取大于1.0的数值;抗震设计 用承载力抗震调整系数RE代替Rd 。 (二)荷载效应组合的设计值S(只有一种可变荷载) 对持久和短暂设计状况,应采用基本组合: 1、由可变荷载效应控制的组合 SGSGkQLSQK 2、由永久荷载效应控制的组合 SGSG k QL cSQK SGK–––永久作用标准值GK的效应; SQK——可变作用标准值QK的效应。 荷载分项系数、可变荷载组合值系数 G ––– 永久荷载分项系数。按以下规定取值: 1、当其效应对结构不利时: 对由可变荷载效应控制的组合,取1.2; 对由永久荷载效应控制的组合,取1.35; 2、当其效应对结构有利时:一般情况下取1.0。 Q––– 可变荷载分项系数。 一般情况取1.4;当楼面活荷载标准值大于4kN/m2,取 1.3。 C ––– 可变荷载组合值系数,查《荷载规范》。 风荷载为0.6,大部分可变荷载为0.7。 实例: 一办公楼的设计使用年限为50年,楼盖中的一简支梁作用均布 荷载,跨度为6米,作用其上的永久荷载标准值 gk=3kN/m;可变荷 载标准值qk=6kN/m,可变荷载组合值系数 C = 0.7。计算该梁按承 载能力极限状态计算的荷载基本效应组合的设计值(跨中弯矩、支 座剪力) 。 二、正常使用极限状态设计表达式 结构或构件超过正常使用极限状态时所造成的财产和生命损失 要小于超过承载力极限状态的后果,故其可靠度指标要低一些。 正常使用极限状态常采用荷载效应的标准组合、频遇组合或准永 久组合,其表达式如下: S C S––– 正常使用极限状态的荷载效应的设计值;如变形、裂缝宽度等; C——结构构件达到正常使用要求所规定的变形、裂缝宽度等的限值。 见 附表14、16。 正常使用极限状态荷载组合效应设计值S(只有一种可变荷载) 1、标准组合: SSGkSQK 2、频遇组合: SSGkfSQK 3、准永久组合: SSGkqSQK SGK––– 由永久荷载的标准值GK计算的荷载效应值。 SQK—— 由可变荷载的标准值QK计算的荷载效应值。 f ––– 可变荷载的频遇值系数。 q ––– 可变荷载的准永久值系数。 本讲结束