土木工程专业混凝土结构设计与应用 多媒体课件

Architecture and Civil, Xi’an Eurasia University西安欧亚学院建筑工程学院

技术 应用 工程

混凝土结构设计原理

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第三章 按近似概率理论的极限状态设计法

混凝土结构设计与应用

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本章重点本章重点

结构上的作用、作用效应和结构抗力的概念及其随机特性；

混凝土结构设计方法的理论基础——可靠 度理论； 我国规范的设计方法——概率极限状态设 计法。

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3.1.1 结构上的作用• 定义：凡能使结构产生内力、应力、位移、应变、 裂缝的因素，都称之为结构上的作用。

直接作用：荷载；

• 分类：

间接作用：温度、收缩、徐变、地基不均匀沉降、 地震等。

§3.1 结构上的作用、作用效应与结构抗力结构上的作用、作用效应与结构抗力

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3.1.2 作用效应

定义：凡能使结构产生内力、应力、位移、应变、裂 缝的因素，都称之为结构上的作用。

2.1.3 结构抗力

定义：结构抵抗作用效应的能力。

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§3.2 荷载分类荷载分类

3.2.1 永久荷载 ( 恒荷载) 定义：大小、方向、作用点不随时间改变的荷载，如

自重、土压力、预应力等；

3.2.2 可变荷载 ( 活荷载 ) 定义：大小、方向、作用点随时间改变的荷载，如楼 面和屋面活载、风荷载、雪荷载、吊车荷载、 车辆荷载等；

3.2.3 偶尔荷载 定义：结构使用期间可能不出现，一旦出现，其作用时

间短、效应大的荷载，如爆炸力，撞击等。

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3.3.1 永久荷载

§3.3 荷载代表值荷载代表值

标准值—— 结构使用期间可能出现的最大值。

• 标准值—— 结构使用期间可能出现的最大值，也是 可变荷载的基本代表值 。

3.3.2 可变荷载

• 组合值—— 当有两个或两个以上可变荷载同时作用 时的代表值 。

组合值 = ψc × 标准值

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• 频遇值——常遇值 , 计算裂缝变形时用。

• 准永久值——可变荷载中，较稳定的那一部分值，计算裂缝变形时用。

频遇值 = ψf × 标准值 t/T<0.1

3.3.3 偶然荷载：按使用特点定。

准永久值 = ψq × 标准值 t/T=0.5

（ t 为设计基准期内荷载达到和超过该值的总持续时间，T 为设计基准期。）

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标准值查荷载规范

§3.4 楼面和屋面活荷载楼面和屋面活荷载

荷载规范中的荷载值不包括隔墙重和二次装修重。

2kN/m0.5 直升飞机坪：

楼面： 2kN/m0.2

屋面：不上人屋面 上人屋面 屋顶花园

2kN/m5.02kN/m0.22kN/m0.3

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当计算主要承重结构时

§3.5 风荷载风荷载

wk = βzμs μz w0 …2 － 1

式中： βz —— 高度 Z 处的风振系数 ;

μs —— 体型系数 ;μz —— 风压高度变化系数，按地面粗糙程度

分为 A 、 B 、 C 、 D 四类， A 类 :海岸、湖区； B 类 : 农村、市郊； C 类 : 一般城市市区； D 类 : 有密集高层建筑市区 ;

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下一章0.400.350.25长沙地区

w0 （ ）

1005010n

基本风压值

w0 ––– 50 年一遇的基本风压（ ）。2kN/m

2kN/m

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0.500.450.35长沙地区

W0 （ ）

1005010n

基本雪压值

2kN/m

§3. ６ 雪荷载 雪荷载

sk = μr s0 …2 － 2

式中： μr ––– 屋面积雪分布系数 ;

　　　 s0 ––– 50 年一遇的基本雪压（　　）。2kN/m

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§3.7 结构的设计使用年限与安全等级结构的设计使用年限与安全等级

3.7.1 结构的设计使用年限

100纪念性建筑和特别重要建筑４50普通房屋和构筑物３25易于替换的结构构件２5临时性结构１

结构的设计使用年限（年）结构类型类

别

3.7.2 结构的安全等级按结构的重要性划分

一级：重要建筑二级：一般建筑三级：次要建筑

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• 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指定的某一功能要求，这个特定的状态称之为该功能的极限状态。

承载能力极限状态：超过这一极限状态时结构将发生破坏、倒塌或失稳等现象。

• 分类：

正常使用极限状态：超过这一极限状态时结构将出现过大的变形，过宽的裂缝，钢筋严重锈蚀，混凝土腐蚀、风化、剥落等现象。

§3.8 结构的极限状态及其分类结构的极限状态及其分类

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• 结构的可靠性：指结构的安全性、 适用性、耐久性。• 结构的可靠度：指结构在规定时间内、规定条件下完成预定功能的概率，是结构可靠性的概率度量。

§3.９ 结构的可靠性和可靠度结构的可靠性和可靠度

平均值μ z

f (z)

反弯点z

p sp r

可靠概率

失效概率

Z＞0Z＜0

失效 可靠

标准差

正态分布

Ｚ = Ｒ－Ｓ

…2 －３

Ｚ＞ 0，结构可靠；

Ｚ = 0，极限状态；Ｚ＜ 0，结构失效。

变异系数

δz=μz/σz

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下一章式中：　　　 ––– 结构抗力的平均值和标准值；　　　　　　　–––作用效应的平均值和标准值。

RR 、

ss 、

§3.10 结构的指标结构的指标

现行设计方法以概率理论为基础，用可靠指标度量，采

用多个分项系数表达。设　　　，则zz

…2 － 42s

2R

sR

z

z

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按承载能力极限状态设计时

按正常使用极限状态设计时

3.23.74.2脆性破坏2.73.23.7塑性破坏

三级二级一级安全等级

破坏类型

根据其可逆程度可取 0 ~ 0.5

。

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3.11.1 计算公式

§3.11按承载力极限状态的设计方法及其荷载组合按承载力极限状态的设计方法及其荷载组合

…2 － 5RS 0

式中： ––– 结构重要性系数；　　 安全等级为一级或使用年限为 100 年时， 安全等级为二级或使用年限为 50 年时， 安全等级为三级或使用年限为 5 年时， –––荷载效应组合的设计值，用基本组合或偶 然组合； –––结构构件抗力设计值。

01.10 0.10

9.00

S

R

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3.11.2 荷载效应组合 一般结构构件：选下列计算中较大者。

由可变荷载控制时

由永久荷载控制时

…2 － 6kQc2 QQ1kQ1GkG ii

n

i i SSSS

…2 － 7kQc1 QGkG ii

n

i i SSS

基本组合

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式中： ––– 荷载分项系数，当其效应对结构不利时， 公式（ 6 ）中的 ，公式（ 7 ）中的 ；当其效应对结构有利时，一般 情况下取 1.0 ，验算倾覆、滑移或漂浮时 取 0.9 ；　　 ––– 活载分项系数，一般情况下取 1.4 ，当活 载标准值大于 的工业房屋楼面结 构取 1.3 ； ––– 恒载标准值所产生的内力； ––– 活载标准值所产生的内力， i=1 的活荷载 为主导活荷载； ––– 第 i 个可变荷载的组合系数。

2.1G

35.1G

2kN/m4

iQ

G

GkS

kQiS

ci

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一般排架、框架结构：选下列计算中较大者

由可变荷载控制时

由永久荷载控制时

…2 － 8kQ1 QGkG i

n

i i SSS

…2 － 9kQc1 QGkG ii

n

i i SSS

式中： ––– 简化式中的荷载组合系数；一般情况下 取 ，只有一个活荷载取 。 和 的取值与式（ 6 ）（ 7 ）相同。　

9.0 0.1

G iQ

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偶然荷载的代表值不乘分项系数；

偶然组合

与偶然荷载同时出现的其他荷载采用适当的代表值；

各种情况下荷载效应的设计值公式由有关规范另定。

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3.11.3 结构抗力设计值 R

取决于截面尺寸大小和材料强度高低。材料强度高低分为标准值和设计值。

材料强度标准值

材料强度设计值

混凝土：ckf tkf

钢筋： ykf

保证率： 95％

645.1f

混凝土： 钢筋：c

ckc

ff

c

tkt

ff

s

yk

y f

f

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式中： ––– 混凝土的材料分项系数；建筑工程 取 1.4,

公路桥涵工程取 1.45 ；

　 ––– 钢筋的材料分项系数；建筑工程 对热轧钢 筋取 1.1 ，对钢丝、钢绞线、热处理钢筋取 1.2 ；公路桥涵工程对热轧钢筋取 1.2 ，对

钢 绞线、热处理钢筋取 1.25 。

c

s

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3.12.1 设计方法

§3.12按正常使用极限状态的设计方法及其对应的荷载组合按正常使用极限状态的设计方法及其对应的荷载组合

…2 － 10CS

式中： ––– 正常使用极限状态下荷载效应组合值 ;

––– 达正常使用要求时的变形、裂缝、应力 等的限值；

SC

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3.12.2 荷载效应组合值 标准组合：主要用于当一个极限状态被超越时将

产生严重的永久性损坏的情况。

频遇组合：主要用于当一个极限状态被超越时将产生局部损坏、较大变形或短暂震动等的情况。

准永久组合：主要用于当长期效应是决定性因素的一些情况。

…2 － 11kQ2 cQ1kGk i

n

i i SSSS

…2 － 12kQ2 qQ1kf1Gk i

n

i i SSSS

…2 － 13kQ1 qGk i

n

i i SSS