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时间:2019-08-01
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1、结构设计原理第二章结构按极限状态法设计计算的原则本章的主要内容设计计算方法的历史与基本思想结构的功能要求极限状态的概念、概率极限状态设计方法现有《公规范》采用的设计方法、原则、表达方式、各系数的含义材料强度取值、作用分类、各种作用组合建筑结构的基本计算原则§2.0概述一、结构设计的目的设计满足功能要求的结构,也就是把外界作用对结构的效应与结构本身的抵抗力来加以比较,以达到结构设计既安全又经济的目的。具体说也就是确定结构的截面尺寸、配筋和满足构造要求。二、结构设计的发展从伽利略至今三百余年里,结构设计经历了各种演变
2、,可从以下两个方面进行归纳:1、从结构设计理论上弹性理论极限状态理论2、从设计方法上定值设计法概率设计法三、结构设计计算的理论和方法有:容许应力法破损阶段设计法多系数极限状态设计法基于可靠性理论的概率极限状态法钢筋混凝土构件:混凝土应力钢筋应力式中:分别为安全系数一、基本概念§2.0.1容许应力法容许应力法——构件在外界作用下,某截面的最大应力达到或超过材料的容许应力时,构件即失效(破坏),即要满足:以钢筋混凝土构件为例:弹性假定:钢筋和混凝土均为弹性材料平截面假定:变形前的平截面变形后保持变形假定混凝土为不抗拉
3、材料钢筋与混凝土相接触的混凝土的应变相等b钢筋混凝土构件容许应力计算简图二、特点1、安全系数K是个大于1的数字K越大,结构的安全度就越高,同时材料的用量就越多2、没有考虑结构功能的多样性要求对于结构一方面要考虑承载能力,另一方面也许考虑其正常使用时裂缝、变形。3、安全系数的确定主要凭借经,缺乏严格科学依据。三、适用情况当结构是非杆件结构(如大体积坝体、空间薄壳结构等)时,因规范没有给出明确的计算公式,则弹性力学方法仍是较实用的分析方法。§2.0.2破损阶段设计法——20世纪30年代一、基本概念破损阶段设计法:构件
4、在外界作用下,某截面的内力达到某极限内力时,构件即失效(破坏),以受弯构件为例,其计算表达式为:式中:为截面中内力,为截面所能承受的极限弯矩为安全系数b钢筋混凝土构件破损阶段计算简图以钢筋混凝土构件为例以构件破坏阶段为计算依据不考虑混凝土的拉力受压区混凝土应力分布为曲边形,计算时等效为矩形应力图二、特点1、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2、安全系数的确定依赖经验,且是一个定值3、没有考虑结构功能的多样性要求由于采用了极限平衡的理论,对荷载作用下结构的应力分布及位
5、移变化,无法做出适当的预计。§2.0.3多系数极限状态设计法(我国原规范采用)一、基本概念1、构件的极限状态,不仅包括承载力的极限状态,而且包括挠度(变形)及裂缝宽度的极限状态,这已经包含了安全性和适用性的一些概念2、对于承载能力极限状态,针对荷载、材料的不同变异性,不再采用单一系数,即多系数法。承载能力极限多系数状态表达式:式中:为标准荷载或效应,为相应的超载系数,为钢筋及混凝土的强度,为相应的均质系数,为工作条件系数,为截面几何特性材料强度,根据统计后按照一定的保证率,取其下限分位值荷载值也尽可能根据各种荷载
6、的统计资料,按照一定的保证率,取其下限分位值材料强度系数、荷载系数仍按经验确定,对不同的荷载变异大小,取用不同的系数,备注:二、特点1、安全系数的选取已经从纯经验性到了部分采用概率统计值2、设计方法的本质依然是一种半经验半概率的方法《公路桥涵设计规范》(JTJ021-85)采用了多系数、单系数表达的极限状态设计法§2.0.4基于可靠性理论的概率极限状态设计法一、发展历史20世纪40年代美国学者A.M.Freadentbal提出了结构可靠性理论,到了60~70年代结构可靠性理论有了很大的发展,70年代以来,国际上的
7、结构可靠度理论在土木工程领域逐步进入了实用阶段。我国从20世纪70年代中期才开始研究,但至80年代后期就在建筑结构领域率先进入了实用阶段,先后出版了下列国家标准:《建筑结构可靠度设计统一标准》(GBJ68-84)《工程结构可靠度设计统一标准》(GB50153-92)《港口工程结构可靠度设计统一标准》(GB50158-92)《铁路工程结构可靠度设计统一标准》(GB50216-94)《公路工程结构可靠度设计统一标准》(GB/T50283-1999)按发展进程,概率设计法划分为三个水准:水准Ⅰ——半概率设计法,只对影响
8、结构可靠度的某些参数,用数理统计进行分析,并与经验相结合,然后引入某些经验系数,该法对结构的可靠度还不能作出定量的估计。水准Ⅱ——近似概率设计法,运用概率论和数理统计,对工程结构、构件或截面设计的可靠概率作出较为近似的相对估计;分析中忽略或简化了变量随时间的关系,非线性极限状态方程线性化。二、结构概率设计方法水准Ⅲ——全概率设计法,在对整个体系进行精确概率分析的基础上,以
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