结构基本计算原理.ppt
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1、第三章 结构设计基本原理,第三章 结构设计基本原理 Basic Design Approach of RC Structure,第三章 结构设计基本原理,Questions1 What working states should be considered for practical structures?2 How to ensure the safety and serviceability of your design?3 What factors must be considered to ensure the safety and serviceability?,第三章 结构基本计算
2、原理,工程结构的设计需要保证安全可靠、经济合理 由于实际工程结构中存在多种不确定性 结构设计方法就是研究工程设计中的各种不确定性问题,取得安全可靠与经济合理之间的均衡,3.1 结构可靠度及结构设计方法 3.1.1 工程结构设计方法回顾,3.1 极限状态设计法的基本概念,第二章 结构基本计算原理,3.1 极限状态设计法的基本概念,由于结构工程中的不确定性,为取得安全可靠与经济合理的均衡,在设计中需要考虑这些不确定性的影响。结构设计方法就是处理这种安全可靠与经济合理的矛盾。,The working stress design method is adequate when material str
3、esses are low.The method models the behavior of a member under service loads satisfactorily but provides an unsatisfactory indication of conditions as loading increases and failure approaches.,容许应力设计方法 allowable stress,第三章 结构设计基本原理,安全系数 K 是一个大于1.0的数值 K 越大,结构安全度就越高,同时结构材料用量也越多 为取得安全可靠与经济合理的均衡,在综合考虑各种
4、不确定性因素影响后,可选取一个合适的安全系数。,3.1 极限状态设计法的基本概念,第三章 结构设计的基本原理,3.1 极限状态设计法的基本概念,钢筋混凝土结构的受力性能不是弹性的;结构中一点达到容许应力,结构即认为失效;没有考虑结构功能的多样性要求;安全系数是凭经验确定的,缺乏科学依据。,第三章 结构设计法的基本原理,3.1 极限状态设计法的基本概念,破损阶段设计法,整个截面达到极限承载力才认为失效,考虑了材料塑性和强度的充分发挥,极限荷载可以直接由试验验证,构件的总安全度较为明确。但安全系数K仍然凭经验确定,没有考虑结构功能的多样性要求的问题。,第三章 结构设计基本原理,材料力学研究的是:单
5、一材料、线弹性、简单结构 实际工程结构远比它复杂 如钢筋混凝土梁的受弯,从安全角度考虑,需要确定其极限受弯承载力;而为控制正常使用阶段的裂缝和挠度变形,需要确定带裂缝工作阶段的受力情况。采用容许应力设计方法,无法统一这两方面的要求,3.1 极限状态设计法的基本概念,第三章 结构设计基本原理,因此,首先根据工程结构需要满足实际使用的各种要求(结构的功能)对安全可靠有更具体的科学定义 另一方面,需要尽可能详细了解结构在不同情况下(施工、使用、破坏)可能受到的各种外界影响的大小和变化情况 外界影响:各种荷载、温度变化、沉降、收缩徐变、地震、侵蚀、冻融等 以及结构尺寸、材料强度等的变异情况,以便科学全
6、面合理的确定结构可靠性。,3.1 极限状态设计法的基本概念,第三章 结构设计基本原理,3.1 结构可靠度及结构设计方法,3.1.2 结构的预定功能 Functions of Structure,1.安全性 Safety 如(MMu)结构在预定的使用期间内(design life 一般为50年),应能承受在正常施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载、外加变形(如超静定结构的支座不均匀沉降)、约束变形(如温度和收缩变形受到约束时)等的作用。在偶然事件(如地震、爆炸)发生时和发生后,结构应能保持整体稳定性,不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。,第三章 结构设计基本原理,3.1 结构可靠度
7、及结构设计方法,2.适用性 Serviceability 如(f f)结构在正常使用期间,具有良好的工作性能。如不发生影响正常使用的过大的变形(挠度、侧移)、振动(频率、振幅),或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。3.耐久性 Durability 如(wmax wmax)结构在正常使用和正常维护条件下,应具有足够的耐久性。即在各种因素的影响下(混凝土碳化、钢筋锈蚀),结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低,而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性,降低使用寿命。,第三章 结构设计基本原理,3.1 结构可靠度及结构设计方法,3.1.3.结构的可靠性 reliability 可靠性安全
8、性、适用性和耐久性的总称 就是指结构在规定的使用期限内(design life=50年),在规定的条件下(正常设计、正常施工、正常使用和维护),完成预定结构功能的能力。结构可靠性越高,建设造价投资越大。如何在结构可靠与经济之间取得均衡,就是设计方法要解决的问题。,第三章 结构设计基本原理,3.1 结构可靠度及结构设计方法,显然这种可靠与经济的均衡受到多方面的影响,如国家经济实力、设计工作寿命(design life)、维护和修复等。规范规定的设计方法,是这种均衡的最低限度,也是国家法律。设计人员可以根据具体工程的重要程度、使用环境和情况,以及业主的要求,提高设计水准,增加结构的可靠度。经济的概
9、念不仅包括第一次建设费用,还应考虑维修,损失及修复的费用,乃至可能对社会和经济所造成的影响,3.1.4.结构的可靠性与安全等级(Safety Grade),第三章 结构设计基本原理,第二章 结构基本计算原则,2.3.2 极限状态,3.1.5 结构的极限状态 Limit State,结构能够满足功能要求而良好地工作,则称结构是“可靠”的或“有效”的。反之,则结构为“不可靠”或“失效”。区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限状态”,A limit state is that loading condition which,if exceeded,will render the stru
10、cture unserviceable.,1、极限状态的分类,承载力能力极限状态 Ultimate Limit State超过该极限状态,结构就不能满足预定的安全性功能要求An ultimate limit state occurs at the collapse,or partial collapse,of a structure.,第二章 结构基本计算原则,主要包括以下几个方面 结构或构件达到最大承载力(包括疲劳)结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡(如倾覆、滑移)结构塑性变形过大而不适于继续使用 结构形成几何可变体系(超静定结构中出现足够多塑性铰)结构或构件丧失稳定(如细长受压构件的压曲
11、失稳),2.3.2 极限状态,第二章 结构基本计算原则,2.3.2 极限状态,2、正常使用极限状态 Serviceability Limit State 超过该极限状态,结构就不能满足预定的适用性和耐久性的功能要求。An serviceability limit state is produced by excessive the deflection,cracking,or vibration.过大的变形、侧移(影响非结构构件、不安全感、不能正常使用(吊车)等);过大的裂缝(钢筋锈蚀、不安全感、漏水等);过大的振动(不舒适);其他正常使用要求。,第二章 结构基本计算原则,2.3.2 极限状态
12、,An ultimate limit state is necessary to determine the maximum load carrying capacity of a structure.An serviceability limit state is necessary to ensure satisfactory behavior under working load condition.,第二章 结构基本计算原则,2.3.2 极限状态,3.1.6 结构上的作用、作用效应和结构的抗力,1、结构上的作用(action):定义:是指施加在结构上的集中力或分布力,以及引起结构外加变
13、形或约束变形的原因(如地震、温度变化等)。前者称作直接作用或者荷载,后者称作间接作用。结构上的作用按时间变异分为三类:,永久荷载G Permanent action consist of dead load,creep,shrinkage and differential settlement.可变荷载Q Variable or transient action consist of supperimposed live load,wind load,seismic load and temperature.,第二章 结构基本计算原则,2.3.2 极限状态,S作用效应 Action Effec
14、t 结构上的作用(使结构产生内力和变形的原因,如荷载、不均匀沉降、温度变形、收缩变形、地震等)引起的效应如弯矩M、轴力N、剪力V、扭矩T、挠度 f、裂缝宽度 w 等,S=S(Q),结构力学的主要内容,3.1.6 结构上的作用、作用效应和结构的抗力,2、作用效应,偶然荷载(作用)Accidental action consist of fire,explosion,severe earthquake.,第二章 结构基本计算原则,2.3.2 极限状态,S R 可靠,R=R(fc,fy,A,h0,As,),S=R 极限状态,S R 失效,本课程的主要内容,R结构抗力 Resistance 结构抵抗作
15、用效应的能力,如受弯承载力Mu、受剪承载力Vu、容许挠度f、容许裂缝宽度w,3、结构抗力,4、极限状态方程Ultimate State Function,第二章 结构基本计算原则,2.1 结构中的不确定性,3.2.0结构设计中的不确定性 Uncertainties and unexpected deviations factor in Design,恒载 g与构件尺寸、材料容重等有关 活载 q(楼面活载、雪荷载)的数值是随时在变化的 计算跨度 l 的不准确,材料强度 fy 和 fc 的离散截面尺寸h0和 b 的施工误差应力-应变关系参数 k1 和 k2,不一定安全(可靠),3.2 荷载和材料强
16、度的取值,第三章 结构设计基本原理,、材料强度的取值,1、材料强度的变异性及统计特性,3.2 荷载和材料强度取值,材料强度的变异性:主要指材质及工艺、加载、尺寸等因素引起的材料强度的不确定性。统计资料表明:钢筋、混凝土强度的概率分布符合正态分布。,第三章 结构设计基本原理,3.2 荷载和材料强度的取值,材料强度有实测值、标准值和设计值显然,结构设计时所取用的材料强度取值应采用概率统计方法来确定,第三章 结构设计基本原理,2、材料强度标准值(characteristic value of material strength)它是混凝土结构按极限状态设计时采用的材料强度基本代表值。它应根据符合规定
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