混凝土结构设计的一般原则和方法课件

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1、授课老师：李峥教授授课老师：李峥教授黄淮学院建筑工程学院第第 10 10 章章 混凝土结构设计的一般原则和方法混凝土结构设计的一般原则和方法 教学要求教学要求 1.1.了解建筑结构的组成和类型；了解建筑结构了解建筑结构的组成和类型；了解建筑结构设计的步骤、内容和一般原则；设计的步骤、内容和一般原则； 2.2.理解建筑结构上的作用与荷载的定义、荷载理解建筑结构上的作用与荷载的定义、荷载分类及其四种代表值；分类及其四种代表值；掌握掌握竖向荷载、雪荷载与风竖向荷载、雪荷载与风荷载的计算方法；荷载的计算方法； 3.3.理解建筑结构的功能要求和极限状态；理解建筑结构的功能要求和极限状态； 4.4.理解建

2、筑结构按近似概率极限状态设计法的理解建筑结构按近似概率极限状态设计法的思路及其实用设计表达式。思路及其实用设计表达式。 10.1 10.1 建筑结构设计的一般原则建筑结构设计的一般原则 10.1.1 10.1.1 建筑结构的组成和类型建筑结构的组成和类型 1.1.组成组成 (1)(1)上部结构：上部结构：水平结构体系水平结构体系 竖向结构体系竖向结构体系( (抗侧力结构体系）抗侧力结构体系） (2)(2)下部结构：下部结构：主要由地下室和基础等组成。主要由地下室和基础等组成。 2.2.类型类型 (1)(1)按结构材料分：按结构材料分：砌体结构、混凝土结构、钢结构、砌体结构、混凝土结构、钢结构、

3、组合结构和混合结构等。组合结构和混合结构等。 （2 2）按竖向结构体系分：）按竖向结构体系分：排架结构、框架结构、剪力排架结构、框架结构、剪力墙结构、框架墙结构、框架剪力墙结构和筒体结构等。剪力墙结构和筒体结构等。 10.1 10.1 建筑结构设计的一般原则建筑结构设计的一般原则 10.1.2 10.1.2 建筑结构设计的阶段和内容建筑结构设计的阶段和内容 1.1.工程建设三个主要环节工程建设三个主要环节 (1)(1)工程勘察：工程勘察： (2)(2)工程设计：工程设计： (3)(3)工程施工：工程施工： 程序：先勘察后设计，先设计后施工程序：先勘察后设计，先设计后施工 2.2.建筑结构设计的

4、三个阶段建筑结构设计的三个阶段 (1)(1)初步设计（方案设计）：初步设计（方案设计）： (2)(2)技术设计：技术设计： (3)(3)施工图设计：施工图设计： 10.1 10.1 建筑结构设计的一般原则建筑结构设计的一般原则 10.1.3 10.1.3 建筑结构设计的一般原则建筑结构设计的一般原则 1.1.一般原则一般原则 安全、适用、耐久和经济合理。安全、适用、耐久和经济合理。 三性：安全性、适用性、耐久性三性：安全性、适用性、耐久性 考虑：功能要求与经济性之间的均衡考虑：功能要求与经济性之间的均衡 2.2.具体的结构设计原则具体的结构设计原则 混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范（GB5

5、0010GB5001020102010），中国建筑工业出版社。），中国建筑工业出版社。 建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范（GB50009-2012GB50009-2012），中国建筑工业出版社。），中国建筑工业出版社。 砌体设计规范砌体设计规范（GB50003GB500032001120011），中国建筑工业出版社。），中国建筑工业出版社。 建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范（GB50011-2010GB50011-2010），中国建筑工业出版社。），中国建筑工业出版社。 高层建筑混凝土结构技术规程高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2010), (JGJ3-2010), 中国建筑工业出版社。

6、中国建筑工业出版社。 建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范(GB50007-2011), (GB50007-2011), 中国建筑工业出版社。中国建筑工业出版社。 10.2 10.2 建筑结构荷载建筑结构荷载 10.2.1 10.2.1 结构上的作用、作用效应结构上的作用、作用效应 1.1.结构上的作用结构上的作用 使结构产生内力或变形的原因称为使结构产生内力或变形的原因称为“作用作用”，分直接作，分直接作用和间接作用两种。用和间接作用两种。 (1)(1)直接作用：直接作用：荷载荷载 (2)(2)间接作用：间接作用：混凝土的收缩、温度变化、基础的差异混凝土的收缩、温度变化、基础的差异沉降、

7、地震等。间接作用不仅与外界因素有关，还与结构沉降、地震等。间接作用不仅与外界因素有关，还与结构本身的特性有关。例如，地震对结构物的作用，不仅与地本身的特性有关。例如，地震对结构物的作用，不仅与地震加速度有关，还与结构自身的动力特性有关，所以不能震加速度有关，还与结构自身的动力特性有关，所以不能把地震作用称为把地震作用称为“地震荷载地震荷载”。 2.2.作用效应作用效应S S 结构上的作用使结构产生的内力结构上的作用使结构产生的内力（如弯矩、剪力、轴向如弯矩、剪力、轴向力、扭矩等）、变形、裂缝等统称为作用效应或荷载效应。力、扭矩等）、变形、裂缝等统称为作用效应或荷载效应。荷载与荷载效应之间通常按

8、某种关系相联系。荷载与荷载效应之间通常按某种关系相联系。 1.1.按作用时间的长短和性质，荷载可分为三类：按作用时间的长短和性质，荷载可分为三类： 1)1)永久荷载永久荷载 在结构设计使用期间，其值不随时间而在结构设计使用期间，其值不随时间而变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计，或其变化是变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。例如，结构的自身重力、土单调的并能趋于限值的荷载。例如，结构的自身重力、土压力、预应力等荷载，永久荷载又称恒荷载。压力、预应力等荷载，永久荷载又称恒荷载。 2)2)可变荷载可变荷载 在结构设计使用期内其值随时间而变化，在结构设计使用

9、期内其值随时间而变化，其变化与平均值相比不可忽略的荷载。例如，楼面活荷载、其变化与平均值相比不可忽略的荷载。例如，楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等，可变荷载又称活荷载。吊车荷载、风荷载、雪荷载等，可变荷载又称活荷载。 3)3)偶然荷载偶然荷载 在结构设计使用期内不一定出现，一旦在结构设计使用期内不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载。例如，爆炸力、出现，其值很大且持续时间很短的荷载。例如，爆炸力、撞击力等。撞击力等。 10.2.2 10.2.2 荷载的分类荷载的分类 2.2.按随空间位置的变异，荷载可分为二类：按随空间位置的变异，荷载可分为二类： 1)1)固定荷载固定荷载 固

10、定设备、水箱等固定设备、水箱等 2)2)移动荷载移动荷载 楼面上的人群荷载、吊车荷载、车辆荷楼面上的人群荷载、吊车荷载、车辆荷载等载等 3.3.按结构对荷载的反应性质，荷载可分为二类：按结构对荷载的反应性质，荷载可分为二类： 1)1)静定荷载静定荷载 结构自重、楼面活荷载、雪荷载等结构自重、楼面活荷载、雪荷载等 2)2)动力荷载动力荷载 设备振动、吊车荷载、风荷载、车辆刹设备振动、吊车荷载、风荷载、车辆刹车、撞击力和爆炸力等车、撞击力和爆炸力等 建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范“设计基准期设计基准期”的规定的规定 “设计基准期设计基准期”、“设计使用年限设计使用年限”、“建筑寿命建筑寿命”概念

11、概念的区别的区别10.2.2 10.2.2 荷载的分类荷载的分类荷载的标准值荷载的标准值 在结构的使用期间（一般结构的设计基准期为在结构的使用期间（一般结构的设计基准期为5050年）可能出现的最大荷载值称为荷载标准值。年）可能出现的最大荷载值称为荷载标准值。荷载标荷载标准值是荷载的基本代表值。准值是荷载的基本代表值。对于结构自重可以根据结对于结构自重可以根据结构的设计尺寸和材料的重力密度确定；可变荷载标准构的设计尺寸和材料的重力密度确定；可变荷载标准值由设计使用年限内最大荷载概率分布的某个分位值值由设计使用年限内最大荷载概率分布的某个分位值确定。确定。 10.2.3 10.2.3 荷载代表值荷

12、载代表值建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范给出了四种荷载代表值：给出了四种荷载代表值： 标准值、组合值、频遇值和准永久值。标准值、组合值、频遇值和准永久值。规范表规范表4.1.1（续）（续）10.2.4 10.2.4 竖向荷载竖向荷载1.楼、屋面的荷载：楼、屋面的荷载：竖向恒荷载和竖向活荷载两种类型竖向恒荷载和竖向活荷载两种类型（1）民用建筑楼面均布活荷载（表）民用建筑楼面均布活荷载（表10-1）（2）工业建筑楼面活荷载）工业建筑楼面活荷载（3）屋面活荷载（表）屋面活荷载（表10-2）2.雪荷载：雪荷载： 基本雪压基本雪压的规定：是以一般空旷平坦地面上统计的的规定：是以一般空旷平坦地面上统计的5

13、050年年一遇重现期的最大积雪自重给出的。一遇重现期的最大积雪自重给出的。 组合值系数组合值系数0.70.7，频遇值系数，频遇值系数0.60.6，准永久值系数按，准永久值系数按、分区的不同，分别取分区的不同，分别取0.50.5、0.20.2和和0 0。 10.2.5 10.2.5 风荷载风荷载1.风荷载的特点：风荷载的特点：压力、吸力和横风向干扰力及其合力压力、吸力和横风向干扰力及其合力构成了建筑物上的风荷载。构成了建筑物上的风荷载。2.风荷载的标准值：风荷载的标准值：zS z 基本风压基本风压的规定：以当地空旷地面上的规定：以当地空旷地面上10m10m高处高处10min10min的平的平均风

14、速观测数据，经概率统计得到的均风速观测数据，经概率统计得到的5050年一遇的最大风速年一遇的最大风速计算得到。组合值系数计算得到。组合值系数0.60.6，频遇值系数，频遇值系数0.40.4，准永久值系，准永久值系数数0 0。基本风压不小于。基本风压不小于0.3KN/m0.3KN/m2 23.3.风压高度变化系数风压高度变化系数4.4.风荷载体型系数风荷载体型系数5.5.风振系数风振系数例题例题12-212-2 10.3.1 结构的功能要求结构的功能要求 1.1.结构的安全等级结构的安全等级 我国根据建筑结构破坏时可能产生的后果严重与否，我国根据建筑结构破坏时可能产生的后果严重与否，分为三个安全

15、等级：分为三个安全等级： 一级一级破坏后果很严重、重要的建筑物；破坏后果很严重、重要的建筑物； 二级二级破坏后果严重、一般的建筑物；破坏后果严重、一般的建筑物； 三级三级破坏后果不严重、次要建筑物。破坏后果不严重、次要建筑物。 对人员比较集中使用频繁的影剧院、体育馆等，安对人员比较集中使用频繁的影剧院、体育馆等，安全等级宜按一级设计；建筑物中梁、柱等各类构件的安全等级宜按一级设计；建筑物中梁、柱等各类构件的安全等级一般应与整个建筑物的安全等级相同。全等级一般应与整个建筑物的安全等级相同。 结构的安全等级是用结构重要性系数来体现。结构的安全等级是用结构重要性系数来体现。 10.3 10.3 结构

16、的功能要求和极限状态结构的功能要求和极限状态2. 结构的设计使用年限结构的设计使用年限 结构的设计使用年限，是指设计的结构或结构构件不结构的设计使用年限，是指设计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。需进行大修即可按其预定目的使用的时期。一般建筑结一般建筑结构的设计使用年限可为构的设计使用年限可为5050年。年。各类工程结构的设计使用各类工程结构的设计使用年限是不应统一的。例如，桥梁应比房屋的设计使用年年限是不应统一的。例如，桥梁应比房屋的设计使用年限长，大坝的设计使用年限更长。限长，大坝的设计使用年限更长。 注意：注意：结构的设计使用年限虽与其使用寿命有联系，结构的设计使用

17、年限虽与其使用寿命有联系，但不等同。超过设计使用年限的结构并不是不能使用，但不等同。超过设计使用年限的结构并不是不能使用，而是指它的可靠度降低了。而是指它的可靠度降低了。 各类建筑结构的设计使用年限见表各类建筑结构的设计使用年限见表10-710-7。3. 建筑结构的功能要求建筑结构的功能要求 设计的结构和结构构件在规定的设计使用年限内，设计的结构和结构构件在规定的设计使用年限内，在正常维护条件下，应能保持其使用功能，而不需进行在正常维护条件下，应能保持其使用功能，而不需进行大修加固。应该满足的功能要求可概括为：大修加固。应该满足的功能要求可概括为： (1)(1)安全性安全性 建筑结构应能承受正

18、常施工和正常使建筑结构应能承受正常施工和正常使用时可能出现的各种荷载和变形，在偶然事件（如地震、用时可能出现的各种荷载和变形，在偶然事件（如地震、爆炸等）发生时和发生后保持必需的整体稳定性，不致爆炸等）发生时和发生后保持必需的整体稳定性，不致发生倒塌。发生倒塌。 3. 建筑结构的功能要求建筑结构的功能要求 (2)(2)适用性适用性 结构在正常使用过程中应具有良好的结构在正常使用过程中应具有良好的工作性。例如，不产生影响使用的过大变形或振幅，工作性。例如，不产生影响使用的过大变形或振幅，不发生足以让使用者不安的过宽的裂缝等。不发生足以让使用者不安的过宽的裂缝等。 (3)(3)耐久性耐久性 结构在

19、正常维护条件下应有足够的耐结构在正常维护条件下应有足够的耐久性，完好使用到设计规定的年限，即设计使用年限。久性，完好使用到设计规定的年限，即设计使用年限。例如，混凝土不发生严重风化、腐蚀、脱落，钢筋不例如，混凝土不发生严重风化、腐蚀、脱落，钢筋不发生锈蚀等。发生锈蚀等。10.3.2 结构功能的极限状态结构功能的极限状态 极限状态：极限状态：整个结构或结构的一部分超过某一特定状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，这个特定的状态称为该功能的极限状态。能完成预定的各项功能时，结构称为该功能的极限状态。能完成预定的各

20、项功能时，结构处于有效状态；反之，则处于失效状态，有效状态和失效处于有效状态；反之，则处于失效状态，有效状态和失效状态的分界，称为极限状态，是结构开始失效的标志。极状态的分界，称为极限状态，是结构开始失效的标志。极限状态可分为二类。限状态可分为二类。 1.1.承载能力极限状态承载能力极限状态 结构或构件达到结构或构件达到最大承载能力最大承载能力或者或者达到不适于继续承达到不适于继续承载的变形状态载的变形状态，称为承载能力极限状态。超过承载能力极，称为承载能力极限状态。超过承载能力极限状态后，结构或构件就不能满足安全性的要求。限状态后，结构或构件就不能满足安全性的要求。10.3.2 结构功能的极

21、限状态结构功能的极限状态 出现下列情形之一，超过了承载能力极限状态：出现下列情形之一，超过了承载能力极限状态： (1)(1)材料强度不够而破坏；材料强度不够而破坏； (2)(2)因疲劳而破坏；因疲劳而破坏； (3)(3)产生过大的塑性变形而不能继续承载；产生过大的塑性变形而不能继续承载； (4)(4)结构或构件丧失稳定；结构或构件丧失稳定； (5)(5)结构转变为机动体系。结构转变为机动体系。2. 正常使用极限状态正常使用极限状态结构或构件达到结构或构件达到正常使用正常使用或或耐久性能耐久性能中某项规定限中某项规定限度的状态称为正常使用极限状态。超过了正常使用极限度的状态称为正常使用极限状态。

22、超过了正常使用极限状态，结构或构件就不能保证适用性和耐久性的功能要状态，结构或构件就不能保证适用性和耐久性的功能要求。求。 例如：结构或构件出现影响正常使用的过大变形、例如：结构或构件出现影响正常使用的过大变形、过宽裂缝、局部损坏和振动。过宽裂缝、局部损坏和振动。 结构或构件按承载能力极限状态进行计算后，还应结构或构件按承载能力极限状态进行计算后，还应该按正常使用极限状态进行验算。该按正常使用极限状态进行验算。10.3.3 极限状态方程极限状态方程1. 承载能力极限状态函数承载能力极限状态函数 结构的极限状态可以用极限状态函数来表达。承载结构的极限状态可以用极限状态函数来表达。承载能力极限状态

23、函数可表示为能力极限状态函数可表示为 Z = R S （3-1） 式中式中 S 表示荷载效应，它代表由各种荷载分别产生表示荷载效应，它代表由各种荷载分别产生的荷载效应的总和；的荷载效应的总和； R 表示结构构件抗力。表示结构构件抗力。 2. 结构状态结构状态 根据根据S、R的取值不同，的取值不同，Z值可能出现三种情况（图值可能出现三种情况（图3-1）：）： 10.3.3 极限状态方程极限状态方程图图3-1 极限状态方程取值示意图极限状态方程取值示意图 Z = R-S 0 时时, 结构处于可靠状态；结构处于可靠状态； Z = R-S 0 时时, 结构处于极限状态；结构处于极限状态； Z = R-

24、S 0 时时, 结构处于失效状态。结构处于失效状态。3. 功能函数功能函数结构设计中经常考虑的不仅是结构的承载能力，多结构设计中经常考虑的不仅是结构的承载能力，多数场合还需要考虑结构对变形或开裂等的抵抗能力，也数场合还需要考虑结构对变形或开裂等的抵抗能力，也就是说要考虑结构的适用性和耐久性的要求。由此，上就是说要考虑结构的适用性和耐久性的要求。由此，上述的极限状态方程可推广为述的极限状态方程可推广为 Z = g(xZ = g(x1 1，x x2 2，x xn n) ) （3-23-2） 式中，式中，g()g()是函数记号，在这里称为功能函数。是函数记号，在这里称为功能函数。g()g() 由所研

25、究的结构功能而定，可以是承载能力，也可以由所研究的结构功能而定，可以是承载能力，也可以 是变形或裂缝宽度等。是变形或裂缝宽度等。 x x1 1，x x2 2，x xn n 为影响该结构为影响该结构 功能的各种荷载效应以及材料强度、构件的几何尺寸等。功能的各种荷载效应以及材料强度、构件的几何尺寸等。 10.4 10.4 按近似概率的极限状态设计法按近似概率的极限状态设计法10.4.1 结结 构构 的的 可可 靠靠 度度 结构在结构在规定的时间规定的时间内，在内，在规定的条件规定的条件下，下，完成预定功完成预定功能的能力称为能的能力称为结构的可靠性结构的可靠性（规定时间规定时间是指结构的设计使是指

26、结构的设计使用年限，用年限，规定条件规定条件，是指正常设计、正常施工、正常使用，是指正常设计、正常施工、正常使用和维护的条件，不包括和维护的条件，不包括非正常的，例如人为的错误等）。非正常的，例如人为的错误等）。 结构的可靠度结构的可靠度是结构可靠性的概率度量，即结构在设是结构可靠性的概率度量，即结构在设计工作寿命内，在正常计工作寿命内，在正常条件下，完成预定功能的概率。因条件下，完成预定功能的概率。因此，结构的可靠度是用可靠概率此，结构的可靠度是用可靠概率P Ps s来描述的。来描述的。 10.4.2 可靠指标与失效概率可靠指标与失效概率1. 结构的失效概率结构的失效概率 结构在规定的时间和

27、条件下不能完成预定功能的概率结构在规定的时间和条件下不能完成预定功能的概率Pf，Pf为失效概率。为失效概率。Ps + Pf = 1.0 2. 失效概率失效概率Pf的计算方法的计算方法 (1) S和和R的概率密度曲线的概率密度曲线 设构件的荷载效应设构件的荷载效应S、抗力、抗力R，都是服从正态分布的随，都是服从正态分布的随机变量且二者为线性关系。机变量且二者为线性关系。S、R的平均值分别为的平均值分别为S、R，标准差分别为标准差分别为S、R， S和和R的概率密度曲线如图的概率密度曲线如图3一一2所所示。示。10.4.2 可靠指标与失效概率可靠指标与失效概率图图3-2 R、S的概率密度分布曲线的概

28、率密度分布曲线(1) S和和R的概率密度曲线的概率密度曲线按照结构设计的要求，显然按照结构设计的要求，显然R应该大于应该大于S。从图中的。从图中的概率密度曲线可以看到，在多数情况下构件的抗力概率密度曲线可以看到，在多数情况下构件的抗力R大于大于荷载效应荷载效应S。但是，由于离散性，在。但是，由于离散性，在S、R的概率密度曲线的概率密度曲线的重叠区（阴影部分），仍有可能出现构件的抗力的重叠区（阴影部分），仍有可能出现构件的抗力R小于小于荷载效应荷载效应S的情况。重叠区的大小与的情况。重叠区的大小与S、R以及以及S、R有有关。所以，关。所以，加大平均值之差加大平均值之差R-S，减小标准差，减小标准

29、差S和和R可可以使重叠的范围减小，失效概率降低。以使重叠的范围减小，失效概率降低。（2）Z的概率密度分布曲线的概率密度分布曲线同前，若令同前，若令Z=RS，Z也应该是服从正态分布的随机也应该是服从正态分布的随机变量。图变量。图3-3表示表示Z的概率密度分布曲线。的概率密度分布曲线。 图中的阴影部分表示出现图中的阴影部分表示出现Z0事件的概率，也就是事件的概率，也就是构件失效的概率构件失效的概率Pf，计算失效概率，计算失效概率Pf比较麻烦，故改用比较麻烦，故改用一种可靠指标的计算方法。一种可靠指标的计算方法。图图3-3 可靠指标与失效概率关系示意图可靠指标与失效概率关系示意图（3）可靠指标）可靠

30、指标 从图从图3-33-3可以看到，阴影部分的面积与可以看到，阴影部分的面积与Z Z和和Z Z的大小的大小有关：增大有关：增大Z Z，曲线右移，阴影面积将减少；减小，曲线右移，阴影面积将减少；减小Z Z，曲线变得高而窄，阴影面积也将减少。如果将曲线对称轴曲线变得高而窄，阴影面积也将减少。如果将曲线对称轴至纵轴的距离表示成至纵轴的距离表示成Z Z的倍数，取的倍数，取 则则 22/ )(/SRSRzzzz.（3）可靠指标）可靠指标 可以看出可以看出大，则失效概率小。所以，大，则失效概率小。所以，和失效概率和失效概率一样可作为衡量结构可靠度的一个指标，称为可靠指标。一样可作为衡量结构可靠度的一个指标

31、，称为可靠指标。 （4 4）与失效概率与失效概率P Pf f的对应关系的对应关系建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准根据结构的安全等根据结构的安全等级和破坏类型，规定了按承载能力极限状态设计时的目级和破坏类型，规定了按承载能力极限状态设计时的目标可靠指标标可靠指标，见表，见表10-8。 结构和结构构件的破坏类型分为延性破坏和脆性破坏结构和结构构件的破坏类型分为延性破坏和脆性破坏两类两类。延性破坏有明显的预兆，可及时采取补救措施，。延性破坏有明显的预兆，可及时采取补救措施，所以目标可靠指标可定得稍低些。脆性破坏常常是突发所以目标可靠指标可定得稍低些。脆性破坏常常是突发性破坏，破坏

32、前没有明显的预兆，所以目标可靠指标就性破坏，破坏前没有明显的预兆，所以目标可靠指标就应该定得高一些。应该定得高一些。 用可靠指标用可靠指标进行结构设计和可靠度校核，可以较全进行结构设计和可靠度校核，可以较全面地考虑可靠度影响因素的客观变异性，使结构满足预面地考虑可靠度影响因素的客观变异性，使结构满足预期的可靠度要求。期的可靠度要求。3. 目标可靠指标目标可靠指标 3. 目标可靠指标目标可靠指标 10.5 10.5 实用设计表达式实用设计表达式 10.5.1 10.5.1 分分 项项 系系 数数 对于一般常见的工程结构，采用可靠指标进行设计对于一般常见的工程结构，采用可靠指标进行设计工作量大，有

33、时会遇到统计资料不足而无法进行的困难。工作量大，有时会遇到统计资料不足而无法进行的困难。考虑到多年来的设计习惯和实用上的简便，考虑到多年来的设计习惯和实用上的简便，建筑结构建筑结构设计统一标准设计统一标准提出了便于实际使用的设计表达式，称提出了便于实际使用的设计表达式，称为为实用设计表达式实用设计表达式。 例如，永久荷载和可变荷载组合下的设计表达式为例如，永久荷载和可变荷载组合下的设计表达式为: : （3-83-8） (1)(1)抗力分项系数抗力分项系数 R R (2) (2)永久荷载分项系数永久荷载分项系数 G G (3) (3)可变荷载分项系数可变荷载分项系数 Q QQQGGRR10.5.

34、2 荷载效应组合荷载效应组合1. 承载能力极限状态承载能力极限状态(基本组合和偶然组合）基本组合和偶然组合）0S RR=R(fc,fs,ak,）/Rd 2.正常使用极限状态（标准组合、频遇组合和准正常使用极限状态（标准组合、频遇组合和准永久组合）永久组合）S k C 10.5.3 承载能力极限状态设计表达式承载能力极限状态设计表达式1. 承载能力极限状态设计简单表达式承载能力极限状态设计简单表达式 0S R （3-22） Sk sSk 0S R Rk /R Rk 荷载效应荷载效应 荷载效应荷载效应 荷载效应荷载效应 承载能力承载能力 结构抗力结构抗力 结构抗力结构抗力 标准值标准值 设计值设计

35、值 组合值组合值 设计值设计值 设计值设计值 标准值标准值 式中式中 0结构构件的重要性系数。结构构件的重要性系数。2. 荷载效应组合的设计值荷载效应组合的设计值S实际上荷载效应中的实际上荷载效应中的荷载有永久荷载和可变荷载荷载有永久荷载和可变荷载，并且可变荷载不止一个，多个可变荷载也不一定会同时并且可变荷载不止一个，多个可变荷载也不一定会同时发生，例如，高层建筑各楼层可变荷载全部满载且遇到发生，例如，高层建筑各楼层可变荷载全部满载且遇到最大风荷载的可能性就不大。为此，最大风荷载的可能性就不大。为此，考虑到两个或两个考虑到两个或两个以上可变荷载同时出现的可能性较小，引入荷载组合值以上可变荷载同

36、时出现的可能性较小，引入荷载组合值系数对其标准值折减。系数对其标准值折减。按承载能力极限状态设计时，应按承载能力极限状态设计时，应考虑作用效应的基本组合，必要时尚应考虑作用效应的考虑作用效应的基本组合，必要时尚应考虑作用效应的偶然组合。偶然组合。2. 荷载效应组合的设计值荷载效应组合的设计值S 对于基本组合，荷载效应组合的设计值对于基本组合，荷载效应组合的设计值S S应从由可变应从由可变荷载效应控制的组合和由永久荷载效应控制的荷载效应控制的组合和由永久荷载效应控制的两组组合中两组组合中取最不利值取最不利值确定确定: : (1)(1)对由可变荷载效应控制的组合，对由可变荷载效应控制的组合，其承载

37、能力极限其承载能力极限状态设计表达式一般形式为状态设计表达式一般形式为 .),(.211100kcsQikLjciniQiKQLQiKGGiffRSSSS）（2. 荷载效应组合的设计值荷载效应组合的设计值S (2)(2)对由永久荷载效应控制的组合，对由永久荷载效应控制的组合，其承载能力极限其承载能力极限状态设计表达式的一般形式为状态设计表达式的一般形式为 .),(.100kcsniQiKciQiLiKGGiffRSSS）（公式中符号的含义：公式中符号的含义： 0 结构构件的重要性系数结构构件的重要性系数 , 与安全等级对应与安全等级对应 ，对，对 安全安全等级为一级或设计使用年限为等级为一级或

38、设计使用年限为 100 年及以上的结构构件不应年及以上的结构构件不应小于小于1.1；对二级或设计使用年限为；对二级或设计使用年限为50年的结构构件不应小于年的结构构件不应小于1.0；对三级或设计使用年限为；对三级或设计使用年限为 5 年及以下的结构构件不应小年及以下的结构构件不应小于于0.9；在抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数；在抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数； G永久荷载的分项系数永久荷载的分项系数 ，当永久荷载效应对结构不当永久荷载效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合利时，对由可变荷载效应控制的组合G = 1.2； 由永久荷载效由永久荷载效应控制的组合应控制的组合G

39、= 1.35。当永久荷载效应对结构有利时，。当永久荷载效应对结构有利时， 取取G 1.0；Q1Q1、Qi Qi 可变荷载的分项系数；可变荷载的分项系数；Q1Q1、QiQi一般一般1.41.4； ci ci 可变荷载的组合值系数；可变荷载的组合值系数； G Gk k 永久荷载标准值；永久荷载标准值；_ _ Q Q1k 1k 最大的一个可变荷载的标准值；最大的一个可变荷载的标准值； Q Q1k1k、Q Qik ik 其余可变荷载的标准值；其余可变荷载的标准值；以上不等式右侧为以上不等式右侧为结构承载力，用承载力函数结构承载力，用承载力函数R R（）表示）表示，表明其为混凝土和钢筋强度标准值表明其为

40、混凝土和钢筋强度标准值 （f fckck、f fsksk）、分项系）、分项系数（数（c c、s s）、几何尺寸标准值（）、几何尺寸标准值（a ak k）以及其他参数的）以及其他参数的函数。函数。3. 一般排架和框架的简化表达式一般排架和框架的简化表达式对于一般常遇的排架结构和框架结构，为了计算方对于一般常遇的排架结构和框架结构，为了计算方便，可变荷载的影响大小可不予区分，并采用相同的组便，可变荷载的影响大小可不予区分，并采用相同的组合值系数。对由合值系数。对由可变荷载效应控制的组合可变荷载效应控制的组合，其设计表达，其设计表达式可以简化表达为式可以简化表达为 对由对由永久荷载效应控制的组合永久

41、荷载效应控制的组合，其承载力极限状态设，其承载力极限状态设计表达式仍为前面公式。计表达式仍为前面公式。 KQQKGGSSS11niQiKQiKGGSSS1.9 . 010.5.4 正常使用极限状态设计表达式正常使用极限状态设计表达式按正常使用极限状态设计，主要是按正常使用极限状态设计，主要是验算构件的变形验算构件的变形和抗裂度或裂缝宽度。和抗裂度或裂缝宽度。 按正常使用极限状态设计时，变形过大或裂缝过宽按正常使用极限状态设计时，变形过大或裂缝过宽虽影响正常使用，但危害程度不及承载力引起的结构破虽影响正常使用，但危害程度不及承载力引起的结构破坏造成的损失那么大，所以可适当降低对可靠度的要求。坏造

42、成的损失那么大，所以可适当降低对可靠度的要求。计算时取荷载标准值，计算时取荷载标准值，不需乘分项系数，也不需乘分项系数，也不考虑结构不考虑结构重要性系数重要性系数0。 1. 正常使用极限状态设计简单表达式正常使用极限状态设计简单表达式 S C2. 可变荷载的准永久值系数和频遇值系数可变荷载的准永久值系数和频遇值系数在正常使用状态下，可变荷载作用时间的长短对于变在正常使用状态下，可变荷载作用时间的长短对于变形和裂缝的大小显然是有影响的。形和裂缝的大小显然是有影响的。可变荷载的最大值并非可变荷载的最大值并非长期作用于结构之上，所以应按其在设计基准期内作用时长期作用于结构之上，所以应按其在设计基准期

43、内作用时间的长短和可变荷载超越总时间或超越次数，对其标准值间的长短和可变荷载超越总时间或超越次数，对其标准值进行折减。进行折减。建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准采用一个小采用一个小于于1 1的准永久值系数和频遇值系数来考虑这种折减。的准永久值系数和频遇值系数来考虑这种折减。 (1)(1)准永久值系数，准永久值系数， 是根据在设计基准期内荷载达到是根据在设计基准期内荷载达到和超过该值的总持续时间与设计基准期内总持续时间的比和超过该值的总持续时间与设计基准期内总持续时间的比值而确定。值而确定。 (2)(2)频遇值系数，频遇值系数，是根据在设计基准期间可变荷载超是根据在设计基准期

44、间可变荷载超越的总时间或超越的次数来确定的。越的总时间或超越的次数来确定的。3. 可变荷载的准永久值和频遇值可变荷载的准永久值和频遇值 准永久值准永久值 = = 可变荷载标准值可变荷载标准值准永久值系数准永久值系数(q q) ) 频遇值频遇值 = = 可变荷载标准值可变荷载标准值频遇值系数频遇值系数(f f) ) 4.4.可变荷载的代表值可变荷载的代表值 可变荷载有四种代表值，即可变荷载有四种代表值，即标准值、组合值、准永久标准值、组合值、准永久值和频遇值。值和频遇值。其中其中标准值称为基本代表值标准值称为基本代表值，其他代表值可，其他代表值可由基本代表值乘以相应的系数得到。各类可变荷载和相应

45、由基本代表值乘以相应的系数得到。各类可变荷载和相应的组合值系数、准永久值系数、频遇值系数可在荷载规范的组合值系数、准永久值系数、频遇值系数可在荷载规范中查到。中查到。5. 荷载效应组合的设计值荷载效应组合的设计值 根据实际设计的需要，常须区分根据实际设计的需要，常须区分荷载的短期作用荷载的短期作用（标（标准组合、频遇组合）和准组合、频遇组合）和荷载的长期作用荷载的长期作用（准永久组合）下（准永久组合）下构件的变形大小和裂缝宽度验算。所以，构件的变形大小和裂缝宽度验算。所以，建筑结构可靠建筑结构可靠度设计统一标准度设计统一标准规定按不同的设计目的，分别选用荷载规定按不同的设计目的，分别选用荷载的

46、标准组合、频遇组合和荷载的准永久组合。的标准组合、频遇组合和荷载的准永久组合。 (1)(1)荷载的标准组合荷载的标准组合 标准组合主要用于当一个极限状态被超越时将产生严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害的情况。按荷载的标准组合时，荷载效应重的永久性损害的情况。按荷载的标准组合时，荷载效应组合的设计值组合的设计值 S S 应按下式计算：应按下式计算： n2iQikciQ1kkGSSSS5. 荷载效应组合的标准值荷载效应组合的标准值 (2)(2)荷载的频遇组合荷载的频遇组合 频遇组合主要用于当一个极限状态被超越时将产生局部频遇组合主要用于当一个极限状态被超越时将产生局部

47、损害、较大变形或短暂振动的情况。按荷载的频遇组合损害、较大变形或短暂振动的情况。按荷载的频遇组合 时，荷载效应组合的设计值时，荷载效应组合的设计值 S S 应按下式计算：应按下式计算： (3)(3)荷载的准永久组合荷载的准永久组合 准永久组合主要用于当长期效应是决定性因素的情况。准永久组合主要用于当长期效应是决定性因素的情况。 按荷载的准永久组合时，荷载效应组合的设计值按荷载的准永久组合时，荷载效应组合的设计值 S S 应按应按 下式计算：下式计算： niQiKqiKQfKGSSSS211Qikn1iqikGSSS10.5.5 按极限状态设计时按极限状态设计时 材料强度和荷载的取值材料强度和荷

48、载的取值 1 1钢筋抗拉强度标准值钢筋抗拉强度标准值 对于钢材，国家标准中已规定了每一种钢材的废品对于钢材，国家标准中已规定了每一种钢材的废品限值。抽样检查中如发现某炉钢材的屈服强度达不到此限值。抽样检查中如发现某炉钢材的屈服强度达不到此限值，即作为废品处理。例如，限值，即作为废品处理。例如，HPB300 HPB300 钢筋，其废品限钢筋，其废品限值为值为300N/mm300N/mm2 2。确定的这个废品限值大体能满足保证率。确定的这个废品限值大体能满足保证率为为97.7397.73，即平均值减去二倍的标准差。这一保证率已，即平均值减去二倍的标准差。这一保证率已高于高于建筑结构设计统一标准建筑

49、结构设计统一标准规定的保证率规定的保证率9595的要的要求，因而求，因而混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范中取国家冶金局标准中取国家冶金局标准规定的废品限值作为钢筋强度的标准值。规定的废品限值作为钢筋强度的标准值。 1. 钢筋强度标准值钢筋强度标准值热轧钢筋抗拉强度标准值用热轧钢筋抗拉强度标准值用fyk表示，取等于国家标准表示，取等于国家标准颁布的屈服强度的废品限值；预应力钢绞线、钢丝和热颁布的屈服强度的废品限值；预应力钢绞线、钢丝和热处理钢筋的强度标准值用处理钢筋的强度标准值用fPtk 表示表示, 系根据极限抗拉强度系根据极限抗拉强度确定确定(条件屈服点条件屈服点0.85b)。图图3-5

50、钢筋屈服强度频率分布图钢筋屈服强度频率分布图2. 混凝土立方体抗压强度标准值混凝土立方体抗压强度标准值 混凝土立方体抗压强度标准值用混凝土立方体抗压强度标准值用f fcu,kcu,k表示。根据表示。根据建建筑结构设计统一标准筑结构设计统一标准规定的保证率规定的保证率9595的要求，混凝土的要求，混凝土强度标准值取平均值减强度标准值取平均值减 1.645 1.645 倍的标准差。倍的标准差。 f fcu,kcu,k fcufcu1.6451.645fcufcu 式中式中f fcu,kcu,k混凝土立方体抗压强度的平均值（混凝土立方体抗压强度的平均值（N /mmN /mm2 2）；）； fcufc

51、u混凝土立方体抗压强度的平均值（混凝土立方体抗压强度的平均值（N /mmN /mm2 2）；）； 混凝土立方体抗压强度的标准差。混凝土立方体抗压强度的标准差。 f2. 混凝土立方体抗压强度标准值混凝土立方体抗压强度标准值f图图3-6 混凝土立方体强度的统计资料混凝土立方体强度的统计资料分项系数和设计值分项系数和设计值 (1)(1)材料强度的分项系数和设计值材料强度的分项系数和设计值 钢筋强度的分项系数钢筋强度的分项系数s s 根据钢筋种类不同，取值范围根据钢筋种类不同，取值范围在在1.11.11.51.5；混凝土强度的分项系数；混凝土强度的分项系数C C 规定为规定为1.41.4。 材料的强度

52、设计值材料的强度设计值 = = 材料强度标准值材料强度标准值 / / 材料的分项系数。材料的分项系数。 混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范中同时给出了钢筋和混凝土强中同时给出了钢筋和混凝土强度的标准值和设计值。度的标准值和设计值。 混凝土强度标准值混凝土强度标准值 混凝土强度设计值混凝土强度设计值 普通钢筋强度标准值和设计值普通钢筋强度标准值和设计值预应力钢筋强度标准值预应力钢筋强度标准值预应力钢筋强度设计值预应力钢筋强度设计值3. 分项系数和设计值分项系数和设计值 (2)(2)荷载分项系数和设计值荷载分项系数和设计值 永久荷载的分项系数，根据其效应对结构不利和有永久荷载的分项系数，根据其效

53、应对结构不利和有利分别取利分别取1.21.2（或（或1.351.35）和）和1.01.0，可变荷载的分项系数，可变荷载的分项系数一般取一般取1.41.4。 设计中为了使得结构达到规定的可靠指标，在计算设计中为了使得结构达到规定的可靠指标，在计算中应采用荷载设计值进行计算。中应采用荷载设计值进行计算。 荷载设计值荷载的标准值荷载设计值荷载的标准值 荷载分项系数荷载分项系数 思思 考考 题题 10.110.1 结构可靠性的含义是什么？它包含哪些功能要求？结构可靠性的含义是什么？它包含哪些功能要求？ 结构超过极限状态会产生什么后果？建筑结构安结构超过极限状态会产生什么后果？建筑结构安 全等级是按什么

54、原则划分的？全等级是按什么原则划分的？ 10.210.2 “ “作用作用”和和“荷载荷载”有什么区别？影响结构可靠性有什么区别？影响结构可靠性的的 因素有哪些？结构构件的杭力与哪些因素有关？因素有哪些？结构构件的杭力与哪些因素有关？ 为什么说构件的抗力是一个随机变量？为什么说构件的抗力是一个随机变量？ 10.310.3 什么是结构的极限状态？结构的极限状态分为几什么是结构的极限状态？结构的极限状态分为几 类，其含义各是什么？类，其含义各是什么？ 10.410.4 建筑结构应该满足哪些功能要求？结构的设计工建筑结构应该满足哪些功能要求？结构的设计工 寿命如何确定？结构超过其设计工作寿命是否意寿命

55、如何确定？结构超过其设计工作寿命是否意 味着不能再使用？为什么？味着不能再使用？为什么？ 10.510.5 正态分布概率密度曲线有哪些数字特征？这些数正态分布概率密度曲线有哪些数字特征？这些数 字特征各表示什么意义？正态分布概率密度曲线字特征各表示什么意义？正态分布概率密度曲线 有何特点？有何特点？思思 考考 题题 1010.6.6 材料强度是服从正态分布的随机变量材料强度是服从正态分布的随机变量 x x，其概，其概率密度为率密度为f(x)f(x)，怎样计算材料强度大于某一取值，怎样计算材料强度大于某一取值x x。 的概率的概率P(xxP(xx。) )？ 10.710.7 什么是保证率？什么叫

56、结构的可靠度和可靠指什么是保证率？什么叫结构的可靠度和可靠指标？标？ 我国我国建筑结构设计统一标准建筑结构设计统一标准对结构可靠度是如对结构可靠度是如 何定义的？何定义的？ 10.810.8 什么是结构的功能函数？什么是结构的极限状什么是结构的功能函数？什么是结构的极限状态？态？ 功能函数功能函数Z Z0 0、Z ZO O和和Z=0Z=0时各表示结构处于什么时各表示结构处于什么 样的状态？样的状态？ 10.910.9 什么是结构可靠概率什么是结构可靠概率P Ps s和失效概率和失效概率p pf f? ?什么是目什么是目标可靠指标？可靠指标与结构失效概率有何定性关系？标可靠指标？可靠指标与结构失

57、效概率有何定性关系？ 怎样确定可靠指标？为什么说我国怎样确定可靠指标？为什么说我国“规范规范”采用的极采用的极 限状态设计法是近似概率设计方法？其主要特点是限状态设计法是近似概率设计方法？其主要特点是 什么？什么？思思 考考 题题 10.1010.10 我国我国“规范规范”承载力极限状态设计表达式采承载力极限状态设计表达式采用何种形式？说明式中各符号的物理意义及荷载效应用何种形式？说明式中各符号的物理意义及荷载效应基基 本组合的取值原则。式中可靠指标体现本组合的取值原则。式中可靠指标体现在何处？在何处？ 10.1110.11 什么是荷载标准值？什么是活荷载的频遇值什么是荷载标准值？什么是活荷载

58、的频遇值和准永久值？什么是荷载的组合值？对正常使用极限和准永久值？什么是荷载的组合值？对正常使用极限状态验算，为什么要区分荷载的标准组合和荷载状态验算，为什么要区分荷载的标准组合和荷载 的准永久组合？如何考虑荷载的标准组合和荷载的准永久组合？如何考虑荷载的标准组合和荷载 的准永久组合？的准永久组合？ 10.12 10.12 混凝土强度标准值是按什么原则确定的？混混凝土强度标准值是按什么原则确定的？混凝土材料分项系数和强度设计值是如何确定的？凝土材料分项系数和强度设计值是如何确定的？ 10.1310.13 钢筋的强度设计值和标准值是如何确定的？钢筋的强度设计值和标准值是如何确定的？分别说明钢筋和

59、混凝土的强度标准值、平均值及设计分别说明钢筋和混凝土的强度标准值、平均值及设计值之间的关系。值之间的关系。 一跨度为一跨度为4m4m的简支梁，承受自重为的简支梁，承受自重为g gk k=3kN/m=3kN/m的均布线的均布线荷载荷载, ,再在梁的跨中作用有再在梁的跨中作用有Q Qk k=1kN=1kN的集中可变荷载，安的集中可变荷载，安全等级取二级，可变荷载的组合值系数取全等级取二级，可变荷载的组合值系数取0.70.7，求梁的，求梁的不利荷载效应设计值。不利荷载效应设计值。作业题作业题2.2.某钢筋混凝土地沟板，板厚某钢筋混凝土地沟板，板厚70mm70mm，宽，宽500mm500mm，板上抹灰，板上抹灰（水泥砂浆厚（水泥砂浆厚20mm),20mm),地面标准活荷载地面标准活荷载2.50kN/m2.50kN/m2 2，可变，可变荷载的组合值系数取荷载的组合值系数取0.70.7，计算跨度，计算跨度L L取取2.00m2.00m，试计算，试计算板的不利荷载效应设计值。板的不利荷载效应设计值。练习题练习题