混凝土结构设计原理

补充章：钢筋混凝土结构设计原理。从结构设计的基本概念、作用效应组合等方面进行了分析和概述，需要可收藏。

补充章：钢筋混凝土结构设计原理

• l,结构设计的基本概念
  • 一、结构的功能要求
    • 安全性safety
      • M≤Mu
      • 结构在预定的使用期间内（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，约束变形等的作用
      • 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。
    • 适用性 Serviceability
      • 如（f ≤[ f ]）和（wmax≤[ wmax]）
      • 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。
    • 耐久性 Durability
      • 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。
  • 二、结构设计总原则
    • （一）结构上的作用(action)和作用效应(effect of an action)
      • 1、定义：使结构产生内力和变形的原因
        • 直接作用：即荷载。
        • 间接作用：引起结构外加变形和约束变形的其他作用。如地震作用、基础沉降、温度变化、混凝土的收缩、徐变和焊接变形等。
      • 2、结构上的作用的分类
        • （1）按随时间的变异可分为三类：
          • 永久作用 （恒荷载）
            • 在设计基准期内其量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用。
              • 如结构自重、土压力、预应力、地基沉降、焊接等。
          • 可变作用 （活荷载）
            • 在设计基准期内其量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。
              • 如楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、温度变化等。
          • 偶然作用
            • 在设计基准期内不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用。
              • 如爆炸力、撞击力、罕遇的地震等。
          • 设计基准期：为确定可变作用等取值而选用的时间参数。 建筑结构的设计基准期为50年。
        • （2）按随空间位置的变异可分为二类：
          • 固定作用
            • 在结构上具有固定分布的作用。其特点是在结构上出现的空间位置固定不变，但其量值可能具有随机性。
              • 如房屋建筑楼面上位置固定的设备荷载、屋盖上的水箱等。
          • 自由作用
            • 在结构上一定范围内可以任意分布的作用。
              • 如楼面的人员荷载、吊车荷载等。
        • （3）按结构的反应特点可分为二类：
          • 静态作用
            • 使结构产生的加速度可以忽略不计的作用。
              • 如结构自重、住宅或办公楼的楼面活荷载
          • 动态作用
            • 使结构产生的加速度不可忽略不计的作用。在结构分析时一般均应考虑其动力效应。
              • 如吊车荷载、地震作用、大型动力设备的作用、高耸结构上的风荷载等。
      • ◆ 作用效应 S（Action Effect）
        • 1、定义： 指各种作用在结构上产生的内力（如弯矩M、轴力N、 剪力V、扭矩T）和变形（如挠度 f、裂缝宽度 w 等）。 如作用为直接作用，则作用效应称为荷载效应。
        • 2、作用（荷载）效应的不确定性（即S为随机变量）
          • 荷载本身的变异性
          • 内力计算假定和实际受力情况间的差异。
      • ◆ 结构抗力R （Resistant）
        • 1、定义： 结构或结构构件承受内力和变形的能力，称为结构抗力R。
          • 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]等。
          • 结构抗力是结构内部固有的，其大小主要由构件的截面尺寸、 材料强度及材料用量、计算模式等决定，即
            • 截面有效高度h。------系指梁截面受压区的外边缘至受拉钢筋合力作用 点的距离。
        • 2、结构抗力R的不确定性（即R为随机变量）
          • 材料性能的不确定性
            • 强度、变形模量等
          • 几何参数的不确定性
            • 构件尺寸等
          • 计算模式的不确定性
            • 抗力计算所采用的基本假设和计算公式不够精确等
        • 由以上概念表明，当结构构件任意截面均处于S ≤R时，结构是 安全可靠的。但由于S、R都是随机变量，因而结构是否安全可靠 的事件也是随机事件，所以需要用概率论来分析结构是否安全可 靠的问题。 也就是说，绝对处于S ≤R状态下的建筑，即绝对安全的建筑是 不存在的，关于建筑安全可靠性更为科学的说法应是，该建筑处于 S ≤R状态下的概率是多大，或该建筑安全可靠的概率有多大。
    • S—作用效应 R—结构抗力 当S ≤R时，说明结构是安全可靠的，而R与S之间的大小关系反映了结构可靠度水平的高低：R大过S越多，则结构的可靠度水平越高，而造价会上升；而R大过S不太多时，虽然降低了造价，但可靠性或安全储备却降低。因此成功的结构设计应合理确定R、S之间的大小关系，即可靠性与经济性二者兼顾考虑。
    • 结构设计的总原则： S ≤R（可靠），且经济。
  • 三、 结构的极限状态 Limit State of structure
    • 1. 极限状态的概念
      • ◆ 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”
      • ◆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（安全性、适用性、耐久性），这个特定状态称为该功能的极限状态。（教材P5）
    • 2、极限状态的分类
      • 承载能力极限状态Ultimate Limit State
        • 对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形的状态。
        • 超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求 当结构或构件出现上述状态之一时，就认为超过了承载能力极限状态。
          • ◆ 结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏）
            • 达到最大承载能力
          • ◆ 结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移）
          • ◆ 结构因过度变形而不适于继续承载（如受弯构件少筋梁）
          • ◆ 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失稳）
          • ◆结构因局部破坏而发生连续倒塌
          • ◆地基丧失承载力而破坏
        • 定量计算
      • 正常使用极限状态Serviceability Limit State
        • 对应于结构或结构构件达到正常使用的某项规定限值的状态。
        • 超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性功能要求。 当结构或构件出现上述状态之一时，就认为超过了正常使用极限状态。
          • ◆ 影响正常使用的变形（如侧移或挠度，会引起不安全感、以及影响非结构构件，以及结构构件（如吊车）的正常使用功能等）；
          • ◆ 影响正常使用的局部损坏（裂缝）
          • ◆ 影响正常使用的的振动（楼板振幅过大影响正常使用）
          • ◆ 影响正常使用的其他特定状态（如基础不均匀沉降）。
        • 定量计算或验算
      • 耐久性极限状态
        • 对应于结构或结构构件在环境影响下出现的劣化达到耐久性的某项规定限值或标志的状态。
        • 对应于结构或结构构件达到耐久性极限状态的标志或限值，从而丧失了耐久性功能的一种特定状态。
        • 当结构或构件出现上述状态之一时，就认为超过了耐久性极限状态。
          • ◆ 影响承载能力和正常使用的材料性能劣化；
          • ◆影响耐久性的裂缝、变形、缺口、外观、材料削弱等；
          • ◆影响耐久性的其他特定状态。
        • 经验法、半定量、定量控制耐久性失效概率
    • 3. 四种设计状况
      • 1持久设计状况，适用于结构使用时的正常情况;
      • 2短暂设计状况，适用于结构出现的临时情况，包括结构施工和维修时的情况等;
      • 3偶然设计状况，适用于结构出现的异常情况，包括结构遭受火灾、爆炸、撞击时的情况等;
      • 4地震设计状况，适用于结构遭受地震时的情况，在抗震设防地区必须考虑地震设计状况。
  • 四、 结构设计方法(钢筋砼结构设计理论发展分三阶段)
    • 容许应力设计法
      • ◎ 容许应力法研究的是：单一材料、线弹性、简单结构。而钢 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（安全性、适用性和耐久性） 要求
      • ◎安全系数(k>1)是凭经验确定的，缺乏科学依据。
    • 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,只验证了构件截面的最终破坏，而无法得知构件在正常使用期间的变形和裂缝开展等情况。
    • 极限状态设计法
      • 除要求对承载能力极限状态进行设计外，还包括了挠度和裂缝宽度（适用性）的极限状态的设计。 对于承载能力极限状态，针对荷载、材料的不同变异性，不再采用单一的安全系数，而采用的多系数表达。
      • ◎ 材料强度 fck 和 fsk 是根据统计后按一定保证率取其下限分 位值，反映的材料强度的变异性。
      • ◎ 荷载值 qik 也尽可能根据各种荷载的统计资料，按一定保证 率取其上限分位值。
      • ◎ 荷载系数 kqi ，材料强度系数 kc 和 ks 仍按经验定，但对不同 荷载的变异大小，取不同荷载系数。
      • 材料强度标准值
        • 材料强度具有变异性。根据统计分析可以确定一个具有一定保证率（如95%）的下限材料强度分位值，该特征值称为材料强度标准值。
      • 荷载标准值
        • 不同的荷载，其变异情况不同。根据统计分析可以确定一个具有一定保证率（如95%）的上限荷载分位值，该特征值称为荷载标准值。
    • 以概率理论为基础的极限状态设计法
      • 由于实际结构中的不确定性，因此无论如何设计结构，都会有失效的可能性存在，只是可能性大小不同而已。 为了科学定量的表示结构可靠性的大小，采用概率方法是比较合理的。
      • 结构的极限状态方程
        • 设z=g(R,S)=R-S =结构抗力－作用效应
          • Z>0，结构处于可靠或有效状态
          • Z=0，结构处于极限状态
          • Z<0，结构处于不可靠或失效状态
      • 失效概率Pf probability of failure
        • Pf = P (S > R)
        • 失效概率越小，表示结构可靠性越大。因此，可以用失效概率来定量表示结构可靠性的大小。结构可靠性的概率度量称为结构可靠度reliability degree。
        • 当失效概率Pf小于某个值时，人们因结构失效的可能性很小而不再担心，即可认为结构设计是可靠的。该失效概率限值称为容许失效概率[Pf]
        • 我国对于一般工程结构，当为延性破坏时，其可靠指标取=3.2，对脆性破坏取β=3.7。
• 2,作用效应组合
  • 承载能力极限状态
    • 基本组合
      • 持久设计状况或短暂设计状况
    • 偶然组合
      • 偶然设计状况
    • 地震组合
      • 地震设计状况
  • 正常使用极限状态
    • 标准组合
      • 不可逆正常使用极限状态设计
    • 频遇组合
      • 可逆正常使用极限状态设计
    • 准永久组合
      • 长期效应是决定因素的正常使用极限状态设计
  • 耐久性极限状态
    • 参考《建筑结构可靠性设计统一标准》附录C
    • 应用经验法、半定量法、定量控制耐久性失效概率法
• 3实用设计表达式
  • 将[β]直接应用于设计比较繁琐，实用方法是把[β]反算出各种系数，分别与S、R相乘，即人为地扩大S，缩小R，从而使S≤R具有一定可靠度，称为多系数法。
  • 承载能力极限状态设计表达式
    • 持久设计状况和短暂设计状况，采用基本组合：
  • 正常使用极限状态设计表达式
    • S≤C，其中C为结构或结构构件达到正常使用要求的规定限值，例如变形、裂缝和应力等的限值，应按各有关建筑结构设计规范的规定采用。
    • 按正常使用极限状态设计，主要是验算构件的变形和抗裂度或裂缝宽度，其可靠度要求可适当降低，所有分项系数取1.0，即荷载和材料强度均取标准值。
    • 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有明显的影响。可变荷载的最大值并非长期作用于结构上，所以应按其在设计基准期内作用时间的长短和可变荷载超越总时间或超越次数，对其标准值进行折减。
    • 采用一个小于1的准永久值系数和频遇值系数来考虑这种折减。
• 包括保证构件质量的预防性处理措施、减小侵蚀作用的局部环境改善措施；延缓构件出现损伤的表面防护措施、延缓材料性能劣化速度的保护措施等。经验法的保障措施如杀虫、灭菌、抹灰和涂层、通风和防潮、定期检查等。