钢筋混凝土结构第1章.ppt

1、1.3 结构的功能和极限状态结构的功能和极限状态设计方法简述设计方法简述中国海洋大学中国海洋大学港口、航道与海岸工程专业港口、航道与海岸工程专业钢筋混凝土结构课程钢筋混凝土结构课程主要内容主要内容结构的作用及作用效应结构的作用及作用效应结构的功能结构的功能结构的极限状态结构的极限状态以概率理论为基础的极限状态设计方法以概率理论为基础的极限状态设计方法极限状态设计表达式极限状态设计表达式依据依据港口工程结构可靠度设计统一标准港口工程结构可靠度设计统一标准 港口工程荷载规范港口工程荷载规范 港口工程混凝土结构设计规范港口工程混凝土结构设计规范一、结构的作用及作用效应一、结构的作用及作用效应作用：作

2、用：施加在结构上的集中力和分布力以及引起结构外加变形和约束变形的原因总称为结构上的作用。直接作用（荷载）：直接作用（荷载）：集中力和分布力。间接作用：间接作用：引起结构外加变形和约束变形的原因，如地基沉降、混凝土收缩变形、温度变形和焊接变形等。作用效应：作用效应：结构上的作用使结构产生的内力、变形、裂缝等。作用的分类：作用的分类：按时间按时间的变化的变化永久作用：永久作用：在设计基准期内，量值随时间的变化与平均值相比可以忽略的作用。如：自重力、预加应力、固定设备重力、固定水位的静水压力等。可变作用：可变作用：在设计基准期内，量值随时间的变化与平均值相比不可忽略的作用。如：堆货荷载、流动机械荷载

3、、船舶荷载、波浪力、冰荷载等。偶然作用：偶然作用：在设计基准期内，不一定出现，一旦出现，其量值很大且持续时间很短的作用。如：地震荷载等。按空间位按空间位置的变化置的变化固定作用：固定作用：在结构上具有固定分布的作用。如：结构自重力、固定设备自重力等。自由作用：自由作用：在结构的一定范围内可以任意分布的作用。如：堆货荷载、流动起重机械荷载等。按对结构按对结构的反应的反应静态作用：静态作用：加载过程中使结构产生的加速度可以忽略不计的作用。如：自重力、堆货荷载、土压力等。动态作用：动态作用：加载过程中使结构产生不可忽略加速度的作用。如：船舶撞击力、汽车荷载、地震作用等。二、结构的功能二、结构的功能港

4、口工程结构必须满足下列各项功能要求港口工程结构必须满足下列各项功能要求能安全承受在使用和施工期间可能出现的各种作用。在正常使用和维护下具有合适的工作性能。在正常使用和维护下具有足够的耐久性。在发生偶然事件情况下结构仍能保持必需的整体稳定性。港口工程结构可分为以下三种设计状况港口工程结构可分为以下三种设计状况持久状况：具有与结构寿命同一数量级的持续时间的设计状况。例如：码头面承受堆货荷载和流动机械荷载的状况、防波堤承受波浪力的状况。短暂状况：持续时间较短，出现的概率较高的设计状况。例如：施工期承受荷载的状况。偶然状况：持续时间很短，出现的概率很低的设计状况。例如：结构遭受罕遇地震作用等的偶然状况

5、。设计基准期：设计基准期：港口工程结构设计所依据的时间参数为设计持续期，持久状况的设计持续期称为设计基准期。短暂持续期：短暂持续期：短暂状况的设计持续期。根据结构特点和环境条件港口工程钢筋混凝根据结构特点和环境条件港口工程钢筋混凝土结构的土结构的设计基准期设计基准期可定为可定为50年年。结构的破坏可分为两种类型结构的破坏可分为两种类型有预兆破坏：在破坏前有明显的变形或其它预兆，如构件延性破坏。无预兆破坏：在破坏前无明显预兆，如构件脆性破坏。对无预兆破坏的结构，其目标可靠指标应对无预兆破坏的结构，其目标可靠指标应高高于于有预兆破坏的结构。有预兆破坏的结构。安全等级：安全等级：港口工程混凝土结构设

6、计，根据破坏后可能产生的后果（危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等）的严重性，按表3.2.1划分安全等级。三、结构的极限状态三、结构的极限状态结构的极限状态：结构的极限状态：结构或结构的一部分超过某一状态就不能满足设计规定的某一功能要求时，此特定状态称为该功能的极限状态。结构的极限状态可分为：承载能力极限状态承载能力极限状态和正常使用极限状态正常使用极限状态两类。承载能力极限状态：承载能力极限状态：对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形的状态。当结构出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力的极限状态。结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移等）。结构构件或连接部位

7、因材料的强度极限被超过而破坏或因过度的塑性变形而不适于继续承载。结构转变为机动体系结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）。正常使用极限状态：正常使用极限状态：对应于结构或构件正常使用或耐久性能的某项规定限值的状态。当结构出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态。影响正常使用或影响外观的过大变形。影响正常使用或影响耐久性能的局部损坏（包括裂缝）。影响正常使用的振动。影响正常使用或影响耐久性能的其它特定状态。结构构件根据承载能力极限状态及正常使用结构构件根据承载能力极限状态及正常使用极限状态的要求，应分别按下列规定进行计极限状态的要求，应分别按下列规定进行计算或验算：算或验算：对所有结构构件进

8、行承载能力计算。对使用上需控制变形的结构构件进行变形验算。对使用上要求不出现裂缝的构件进行混凝土拉应力验算，对使用上允许出现裂缝的构件进行裂缝宽度验算。持久状况持久状况：按承载能力及正常使用两种极限状态对结构或构件进行设计。短暂状况：短暂状况：一般仅按承载能力极限状态对结构或构件进行设计，必要时需同时按正常使用极限状态进行设计。偶然状况：偶然状况：仅按承载能力极限状态设计。在结构极限状态设计中应考虑下列基本变量：基本变量：作用材料和岩土等的物理力学性能几何参数基本变量通常是作为随机变量考虑的。基本变量通常是作为随机变量考虑的。在进行结构可靠度分析时，可将若干个基本变量组合成为一个综合变量综合变

9、量，如综合作用效应和抗力等。极限状态方程极限状态方程 结构的极限状态采用下列极限状态方程表达：当仅有作用效应和结构抗力两个综合变量时结构按极限状态设计应符合下列要求 当当 时，时，结构处于结构处于可靠可靠状态状态 当当 时，时，当当 时，时，结构处于结构处于失效失效状态状态结构处于结构处于极限极限状态状态四、以概率理论为基础的极限状态四、以概率理论为基础的极限状态设计方法设计方法20世纪世纪70年代以来，以概率理论为基础的极年代以来，以概率理论为基础的极限状态设计方法可分成三个水准：限状态设计方法可分成三个水准：水准水准半经验半概率法半经验半概率法水准水准近似概率法近似概率法水准水准全概率法全

10、概率法现行现行港口工程港口工程混凝土结构设计混凝土结构设计规范规范采用采用结构可靠度：结构可靠度：结构在规定的时间内，在规定的条件下，具有预定功能的概率。规定的时间：规定的时间：设计基准期。规定的条件：规定的条件：正常设计、正常施工和正常使用的条件。预定功能预定功能：结构功能要求。可靠概率：可靠概率：ps失效概率：失效概率：pf 由于作用效应由于作用效应S和结构抗力和结构抗力R都是随机变量或随机过都是随机变量或随机过程，因此要绝对地保证程，因此要绝对地保证R总是大于总是大于S是不可能的。是不可能的。由图可见，在多数情况下，由图可见，在多数情况下，R大于大于S。但是，由于。但是，由于R 和和S的

11、离的离散性，在它们概率密度曲线的重叠区（阴影段内）仍有可能出现散性，在它们概率密度曲线的重叠区（阴影段内）仍有可能出现R小于小于S的情况，这种概率就是失效概率的情况，这种概率就是失效概率pf。R和和S的概率密度曲线的概率密度曲线 当结构功能函数中仅有两个独立的随机变量当结构功能函数中仅有两个独立的随机变量R和和S，且都服从，且都服从正态分布时，功能函数正态分布时，功能函数Z的概率密度曲线如下图所示：的概率密度曲线如下图所示：功能函数的概率密度曲线功能函数的概率密度曲线结构的失效概率可直接通过结构的失效概率可直接通过Z 0的概率（图中阴影面积）来表达，的概率（图中阴影面积）来表达，即即令令则则

12、由上式可见，由上式可见，与与 pf 具有数值上的对应关系，也具有与具有数值上的对应关系，也具有与pf 相对相对应的物理意义。应的物理意义。越大，越大，pf 就越小，即结构越可靠，故就越小，即结构越可靠，故称为称为可可靠指标靠指标。对于持久状况承载能力极限状态港口工程结构的目标可靠对于持久状况承载能力极限状态港口工程结构的目标可靠0指指标应根据结构的破坏类型和安全等级按下表确定。标应根据结构的破坏类型和安全等级按下表确定。对于正常使用极限状态结构的目标可靠指标应根据结构的特点对于正常使用极限状态结构的目标可靠指标应根据结构的特点和工程经验确定。和工程经验确定。五、极限状态设计表达式五、极限状态设

13、计表达式港口工程结构可靠度设计统一标准港口工程结构可靠度设计统一标准提出了提出了便于实际使用的设计表达式，称为便于实际使用的设计表达式，称为实用设计表实用设计表达式达式。采用以荷载和材料强度的。采用以荷载和材料强度的标准值标准值以及相以及相应的应的“分项系数分项系数”来表示的方式。来表示的方式。分项系数是按照目标可靠指标分项系数是按照目标可靠指标0，并考虑工程，并考虑工程经验优选确定的。经验优选确定的。这样，即考虑了结构设计的传统方式，又避免这样，即考虑了结构设计的传统方式，又避免设计时直接进行概率方面的计算。设计时直接进行概率方面的计算。材料的分项系数和设计值材料的分项系数和设计值承载力极限状态设计表达式承载力极限状态设计表达式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