混凝土设计原理

混凝土设计原理及计算公式、基本概念

结构设计基本原理

• 混凝土结构构件设计计算方法的发展
  • 1. 容许应力法法：最早的计算理论，沿用弹性理论假设。
  • 2. 破坏阶段法：与容许应力法的主要区别是在考虑材料塑性性能的基础上，按破坏阶段计算构件截面的承载能力。
  • 3. 极限状态计法：明确规定结构按两种极限状态进行设计，是工程结构设计理论的重大发展。
  • 4. 概率极限状态设计法：在极限状态设计法的基础上考虑结构的可靠概率
• 结构可靠性及可靠度
  • 结构可靠性是指结构在规定的时间内，在规定的条件下， 完成预定功能的能力。
  • 结构可靠度就是结构在规定的时间内，在规定的条件下， 完成预定功能的概率。即结构可靠度是结构可靠性的概率度量。
• 设计使用年限和设计基准期
  • 设计使用年限是指设计规定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，即结构在规定的条件下所应达到的使用年限。
  • 设计使用年限是指设计规定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，即结构在规定的条件下所应达到的使用年限。
• 结构抗力
  • 结构抗力是指整个结构或结构构件承受作用效应（即内力和变形）的能力。
    • 影响因素
      • 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
• 荷载
  • 荷载指的是使结构或构件产生内力和变形的外力及其它因素。
    • 分类
      • 永久荷载（恒荷载）
        • 大小、方向或作用点不随时间而改变，如自重、 土压力、预应力等。
      • 可变荷载（活荷载）
        • 大小、方向或作用点随时间而改变，如楼面和屋面活荷载、风荷载、吊车荷载、车辆荷载等。（可变荷载分为变化较大部分和变化较小部分）
      • 偶然荷载
        • 结构使用期间可能不出现，一旦出现，其作用时间短、效应 大，如爆炸力、撞击等。
    • 荷载标准值
      • 荷载标准值是建筑结构按极限状态设计时采用的荷载基本代表值。
        • 永久荷载标准值
        • 可变荷载标准值
          • 楼面活荷载标准值
          • 风荷载标准值
          • 雪荷载标准值
    • 组合值
      • 当有两个或两个以上可变荷载同时作用 时的代表值
        • 组合值 = ψc ×标准值
    • 频遇值
      • —可变荷载可能出现的较大值, 但小于标 准值。计算裂缝、变形时用。
        • 频遇值 = ψf ×标准值
    • 准永久值
      • 可变荷载中较稳定的那一部分值。计 算裂缝、变形时用。
        • 准永久值 = ψq ×标准值
• 材料强度的变异性及统计特性
  • 材料强度的变异性主要是指材质以及工艺、加载、尺寸等因素引起的材 料强度的不确定性。
    • 钢筋强度 —— 正态分布
    • 混凝土强度 —— 正态分布
  • 钢筋和混凝土的强度标准值是钢筋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。材料强度标准值应根据符合规定质量的材料强度的概 率分布的某一分位值确定。
• 设计可靠指标
  • 设计规范所规定的、作为设计结构或结构构件时所应达到的可靠指标， 称为设计可靠指标，它是根据设计所要求达到的结构可靠度而取定的，所以 又称为目标可靠指标。
    • 表达式
      • 直接采用可靠指标设计：计算复杂，过程繁琐
      • 实用设计表达式：计算简便，符合习惯 通过分项系数体现可靠指标
• 结构的功能函数和极限状态方程
  • 功能函数
  • 极限状态方程
• 结构的极限状态
  • 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规定的某一 功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。
    • 承载能力极限状态
      • 超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性要求
        • 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆 等）
        • 结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破 坏），或因过度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）
        • 地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）
    • 正常使用极限状态
      • 超过该极限状态，结构就不满足预定的适用性和耐久性要求
        • 影响正常使用或外观的变形
        • 影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）
        • 影响正常使用的振动
        • 影响正常使用的其他特定状态
• 结构上的作用和作用效应
  • 结构上的作用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形或约束变形的原因（地震、基础差异沉降、温度变化、混凝土收缩等）。凡能使结构产生内力、应力、位移、应变、裂变的因素，都称为结构上的作用。
    • 分类
      • 随时间的变异
        • 永久作用
          • 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
          • 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。
            • 如爆炸力、撞击力、罕 遇的地震等。
      • 随空间位置的变异
        • 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。
      • 结构的反应特点
        • 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。
  • 各种作用作用在结构或结构构件上，由此在结构内产生的内力和 变形（如轴力、剪力、弯矩以及挠度、转角和裂缝等）称为作用效应。
• 结构的预定功能
  • ① 在正常施工和正常使用时能承受各种作用。
  • ② 在正常使用时不发生过大的变形和过宽的裂缝。
  • ③ 在正常维护情况下具有足够的耐久性。
  • ④ 在发生火灾时在规定的时间内有足够的承载力。
  • ⑤ 在遭遇偶发事件时具有必须的整体稳定性。
• 结构的预定功能要求结构在其设计使用年限内具有 足够的可靠性，即：安全性、适用性和耐久性。