荷载与结构设计(1)课件.ppt

第第1章章 绪论绪论1.1结构上的作用及作用效应结构上的作用及作用效应工程结构设计理论演变简况工程结构设计理论演变简况术语和概率极限状态的实用设计表达式术语和概率极限状态的实用设计表达式思考题思考题本章内容本章内容第第1章章 绪论绪论1.2一、结构上的作用 结构上的作用是指施加在结构上的集中或分布力，以及引起结构外加结构上的作用是指施加在结构上的集中或分布力，以及引起结构外加变形或约束变形的原因。变形或约束变形的原因。1、作用就其、作用就其形式形式而言，可分为以下两类。而言，可分为以下两类。(1)直接作用。直接作用。当以力的形式作用于结构上时，称为直接作用，习惯上当以力的形式作用于结构上时，称为直接作用，习惯上称为荷载。称为荷载。(2)间接作用。间接作用。当以变形的形式作用于结构上时，称为间接作用当以变形的形式作用于结构上时，称为间接作用。2、作用、作用按时间按时间不同可分为以下不同可分为以下3类。类。(1)永久作用。永久作用。在结构使用年限内，其值不随时间变化，或其变化的量在结构使用年限内，其值不随时间变化，或其变化的量值相对于平均值而言可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的作值相对于平均值而言可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的作用。用。(2)可变作用。可变作用。在结构使用年限内，其值随时间变化，且其变化的量在结构使用年限内，其值随时间变化，且其变化的量值与平均值不可忽略不计的作用。值与平均值不可忽略不计的作用。结构上的作用及作用效应结构上的作用及作用效应第第1章章 绪论绪论1.3 (3)偶然作用。偶然作用。在结构使用年限内不一定出现，但一旦出现，其值很大且在结构使用年限内不一定出现，但一旦出现，其值很大且持续时间很短的作用。持续时间很短的作用。3、作用、作用按空间位置按空间位置不同可分为以下两类。不同可分为以下两类。(1)固定作用。固定作用。在结构空间位置上具有固定不变的分布，但其量值可能在结构空间位置上具有固定不变的分布，但其量值可能具有随机性。具有随机性。(2)自由作用。自由作用。在结构空间位置上一定范围内可以任意分布，出现的位在结构空间位置上一定范围内可以任意分布，出现的位置和量值都可能是随机的置和量值都可能是随机的。4、作用、作用按结构反应按结构反应不同可分为以下两类。不同可分为以下两类。(1)静态作用。静态作用。不使结构或结构构件产生加速或产生的加速度很小可以忽不使结构或结构构件产生加速或产生的加速度很小可以忽略不计的作用。略不计的作用。(2)动态作用。动态作用。使结构或结构构件产生不可忽略的加速度的作用。使结构或结构构件产生不可忽略的加速度的作用。结构上的作用及作用效应结构上的作用及作用效应第第1章章 绪论绪论1.4二、作用效应S 由于直接作用或间接作用于结构构件上，在结构内产生的由于直接作用或间接作用于结构构件上，在结构内产生的内力内力(如轴力、弯矩、剪力、扭矩等如轴力、弯矩、剪力、扭矩等)和和变形变形(如挠度、转角、裂缝等如挠度、转角、裂缝等)，被，被称为称为“作用效应作用效应”，用，用S表示。当作用为直接作用表示。当作用为直接作用(荷载荷载)时，其效应时，其效应也被称为也被称为“荷载效应荷载效应”。荷载荷载Q与荷载效应之间，一般近似按线性关与荷载效应之间，一般近似按线性关系系考虑：考虑：（1-1）常数常数 C 为荷载效应系数为荷载效应系数 如简支梁受均布荷载，其跨中弯矩如简支梁受均布荷载，其跨中弯矩 2 M=ql /8 其中其中 即为荷载效应系数即为荷载效应系数 结构上的作用及作用效应结构上的作用及作用效应第第1章章 绪论绪论1.5一、容许应力设计法容许应力设计法是建立在弹性理论基础上的设计方法。其表达式为：容许应力设计法是建立在弹性理论基础上的设计方法。其表达式为：（1-2）式中，式中，构件在使用阶段构件在使用阶段(使用荷载作用下使用荷载作用下)截面上的最大应力；截面上的最大应力；材料的容许应力。材料的容许应力。容许应力设计法计算简单，但其有许多问题：容许应力设计法计算简单，但其有许多问题：没有考虑材料塑性性质。没有考虑材料塑性性质。没有对作用阶段给出明确的定义，也就是使用期间荷载的取值原则规定得不明确。没有对作用阶段给出明确的定义，也就是使用期间荷载的取值原则规定得不明确。把影响结构可靠的各种因素把影响结构可靠的各种因素(荷载的变异、施工的缺陷、计算公式的误差等荷载的变异、施工的缺陷、计算公式的误差等)统统归结统统归结在反映材料性质的容许应力在反映材料性质的容许应力 上，显然不够合理。上，显然不够合理。的取值无科学根据，纯属经验的，历史上曾多次提高过材料的容许应力值。的取值无科学根据，纯属经验的，历史上曾多次提高过材料的容许应力值。按容许应力法设计的构件是否安全可靠，无法用实验来验证。按容许应力法设计的构件是否安全可靠，无法用实验来验证。工程结构设计理论演变简况工程结构设计理论演变简况 我国的工程结构设计方法经历了容许应力设计法、破损阶段设计法、多系数极限我国的工程结构设计方法经历了容许应力设计法、破损阶段设计法、多系数极限状态设计法和概率极限状态设计法状态设计法和概率极限状态设计法4 个阶段。个阶段。第第1章章 绪论绪论1.6工程结构设计理论演变简况工程结构设计理论演变简况二、破损阶段设计法 1、针对容许应力设计法存在的缺陷，之后出现了假定材料均已达到塑性状态，依据截、针对容许应力设计法存在的缺陷，之后出现了假定材料均已达到塑性状态，依据截 面所能抵抗的破损内力建立的计算公式。其设计表达式为：面所能抵抗的破损内力建立的计算公式。其设计表达式为：（1-3）式中，式中，构件最终破坏时的承载能力；构件最终破坏时的承载能力；安全系数，用来考虑影响结构安全的所有因素。安全系数，用来考虑影响结构安全的所有因素。优点为：优点为：它可以反映材料的塑性性质，结束了长期以来假定混凝土为弹性体的局面。它可以反映材料的塑性性质，结束了长期以来假定混凝土为弹性体的局面。采用一个安全系数，使构件有了总的安全度的概念。采用一个安全系数，使构件有了总的安全度的概念。它以承载能力值它以承载能力值(如如)为依据，其计算值是否正确可由实验检验。为依据，其计算值是否正确可由实验检验。第第1章章 绪论绪论1.7工程结构设计理论演变简况工程结构设计理论演变简况破损阶段理论仍存在一些重大缺点：破损阶段理论仍存在一些重大缺点：破损阶段计算，构件的承载力是得以保证，但却无法了解构件在正常使用时能否破损阶段计算，构件的承载力是得以保证，但却无法了解构件在正常使用时能否满足正常使用要求。满足正常使用要求。安全系数安全系数K的取值仍须经验确定，并无严格的科学依据。的取值仍须经验确定，并无严格的科学依据。采用笼统的单一安全系数，无法就不同荷载、不同材料结构件安全的影响加以区采用笼统的单一安全系数，无法就不同荷载、不同材料结构件安全的影响加以区别对待，不能正确地度量结构的安全度。别对待，不能正确地度量结构的安全度。荷载荷载 的取值仍然也是经验值；的取值仍然也是经验值；表达式中采用的材料强度是平均值，它不能正确反映材料强度的变异程度，显然表达式中采用的材料强度是平均值，它不能正确反映材料强度的变异程度，显然也是不够合理的。也是不够合理的。第第1章章 绪论绪论1.8 工程结构设计理论演变简况工程结构设计理论演变简况三、多系数极限状态设计法 由于破损阶段理论仍有许多缺点，进一步发展的极限状态理论便应运而生。由于破损阶段理论仍有许多缺点，进一步发展的极限状态理论便应运而生。极限状态的主要概念是明确结构或构件进入某种状态后就丧失其原有功能，这极限状态的主要概念是明确结构或构件进入某种状态后就丧失其原有功能，这种状态被称为极限状态。种状态被称为极限状态。当时曾提出了当时曾提出了3 种极限状态：承载力极限状态、挠度极限状态、裂缝开展种极限状态：承载力极限状态、挠度极限状态、裂缝开展宽度极限状态。其表达式分别为：宽度极限状态。其表达式分别为：M M u (1-4)max lim f f (1-5)max lim W W (1-6)这样，它就克服了破损阶段理论无法了解构件在正常使用时能否满足正这样，它就克服了破损阶段理论无法了解构件在正常使用时能否满足正常使用要求的缺陷。常使用要求的缺陷。第第1章章 绪论绪论1.9四、概率极限状态设计法 概率极限状态设计法是以概率极限状态设计法是以概率理论概率理论为基础，将作用为基础，将作用效应和影响结构抗效应和影响结构抗力力 的主要因素作为随机变量，根据统计分析确定可靠概率来度量结构可靠性的主要因素作为随机变量，根据统计分析确定可靠概率来度量结构可靠性的结构设计方法。国际上把处理可靠度的精确程度分为的结构设计方法。国际上把处理可靠度的精确程度分为3个水准。个水准。(1)水准水准I半概率方法。对荷载效应和结构抗力的基本变量半概率方法。对荷载效应和结构抗力的基本变量部分地进部分地进行数理统计分析行数理统计分析，并与工程经验结合引入某些，并与工程经验结合引入某些经验系数经验系数，所以尚不能定量地，所以尚不能定量地估计结构的可靠性。估计结构的可靠性。(2)水准水准II近似概率法。该法对结构可靠性赋予概率定义，以结构的近似概率法。该法对结构可靠性赋予概率定义，以结构的失效概率或可靠指标来度量结构可靠性，并建立了结构可靠度与结构极限状失效概率或可靠指标来度量结构可靠性，并建立了结构可靠度与结构极限状态方程之间的数学关系，在计算可靠指标时考虑了态方程之间的数学关系，在计算可靠指标时考虑了基本变量的概率分布型，基本变量的概率分布型，工程结构设计理论演变简况工程结构设计理论演变简况第第1章章 绪论绪论1.10 工程结构设计理论演变简况工程结构设计理论演变简况 并采用了线性化的近似手段并采用了线性化的近似手段，在设计截面时一般采用分项系数的实用设计，在设计截面时一般采用分项系数的实用设计表达式。目前我国的表达式。目前我国的工程结构可靠度设计统一标准工程结构可靠度设计统一标准(GB 501531992)、建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准(GB 500682001)都采用了这种近似概率都采用了这种近似概率法，在此基础上颁布了各种结构设计的规范。法，在此基础上颁布了各种结构设计的规范。(3)水准水准III全概率法。这是全概率法。这是完全基于概率论的结构整体优化设计方法，要完全基于概率论的结构整体优化设计方法，要求对整个结构采用精确的概率分析求对整个结构采用精确的概率分析，求得结构最优失效概率作为可靠度的，求得结构最优失效概率作为可靠度的直接度量，由于这种方法无论在基础数据的统计方面还是在可靠度计算方直接度量，由于这种方法无论在基础数据的统计方面还是在可靠度计算方面都不成熟，目前尚处于面都不成熟，目前尚处于研究探索研究探索阶段。阶段。第第1章章 绪论绪论1.11 术语和概率极限状态的实用设计表达式术语和概率极限状态的实用设计表达式一、术语（据一、术语（据GB50009-2001)第第1章章 绪论绪论1.12 术语和概率极限状态的实用设计表达式术语和概率极限状态的实用设计表达式 第第1章章 绪论绪论1.13 二、概率极限状态的实用设计表达式概率极限状态的实用设计表达式（按（按GB50009-2001)、承载能力极限状态设计表达式：、承载能力极限状态设计表达式：结构构件的承载力计算，应采用如下承载力极限状态设计表达式：结构构件的承载力计算，应采用如下承载力极限状态设计表达式：r0 SR 式中：式中：r0 结构重要系数；结构重要系数；S 承载能力极限状态的荷载（基本组合或偶然组合）效应组承载能力极限状态的荷载（基本组合或偶然组合）效应组 合设计值；合设计值；R 结构构件抗力的设计值，应按各有关建筑结构设计规范的结构构件抗力的设计值，应按各有关建筑结构设计规范的规定确定。规定确定。术语和概率极限状态的实用设计表达式术语和概率极限状态的实用设计表达式第第1章章 绪论绪论1.14 承载能力极限状态的荷载效应组合的设计值承载能力极限状态的荷载效应组合的设计值S的确定：的确定：1.基本组合基本组合 对于基本组合，荷载效应组合的设计值对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从下列组合值中取最不利值确应从下列组合值中取最不利值确定。定。(1)由可变荷载效应控制的组合：由可变荷载效应控制的组合：(3)式中：式中：术语和术语和 概率极限状态的实用设计表达式概率极限状态的实用设计表达式第第1章章 绪论绪论1.15 (2)由永久荷载效应控制的组合：由永久荷载效应控制的组合：(4)注：注：基本组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况。基本组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况。当对当对SQ1KSQ1K无法明显判断时，轮次以各可变荷载效应为无法明显判断时，轮次以各可变荷载效应为SQ1KSQ1K，选其中最不利，选其中最不利 的荷载效应组合。的荷载效应组合。2、对于一般排架、框架结构，基本组合可采用简化规则，并应按下列组合值中、对于一般排架、框架结构，基本组合可采用简化规则，并应按下列组合值中取最不利的值确定。取最不利的值确定。(1)由可变荷载效应控制的组合：由可变荷载效应控制的组合：(5)(2)由永久荷载效应控制的组合仍按式由永久荷载效应控制的组合仍按式(4)采用。采用。术语和术语和 概率极限状态的实用设计表达式概率极限状态的实用设计表达式第第1章章 绪论绪论1.16 术语和概率极限状态的实用设计表达式术语和概率极限状态的实用设计表达式3、基本组合的荷载分项系数，应按下列规定采用：、基本组合的荷载分项系数，应按下列规定采用：（1）永久荷载的分项系数：）永久荷载的分项系数：1)当其效应对结构不利时当其效应对结构不利时 对由可变荷载效应控制的组合，应取对由可变荷载效应控制的组合，应取1.2；对由永久荷载效应控制的组合，应取对由永久荷载效应控制的组合，应取1.35；2)当其效应对结构有利时的组合，应取当其效应对结构有利时的组合，应取1.0。（2）可变荷载的分项系数：可变荷载的分项系数：一般情况下取一般情况下取1.4；对标准值大于对标准值大于4kNm2 的工业房屋楼面结构的活荷载取的工业房屋楼面结构的活荷载取1.3。（3）对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，荷载的分项系数应按有关的结构设计对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，荷载的分项系数应按有关的结构设计 规范的规定采用。规范的规定采用。4、对于偶然组合，荷载效应组合的设计值宜按下列规定确定：偶然荷载的代、对于偶然组合，荷载效应组合的设计值宜按下列规定确定：偶然荷载的代表值不乘分项系数；与偶然荷载同时出现的其他荷载可根据观测资料和工程经表值不乘分项系数；与偶然荷载同时出现的其他荷载可根据观测资料和工程经验采用适当的代表值。各种情况下荷载效应的设计值公式，可由有关规范另行验采用适当的代表值。各种情况下荷载效应的设计值公式，可由有关规范另行规定。规定。第第1章章 绪论绪论1.17、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 1、对于正常使用极限状态，结构构件应根据不同的设计要求，分别采用荷、对于正常使用极限状态，结构构件应根据不同的设计要求，分别采用荷载效应的标准组合、频遇组合和准永久组合，并用按下列设计表达式进行载效应的标准组合、频遇组合和准永久组合，并用按下列设计表达式进行设计设计：(6)式中，式中，S正常使用极限状态的荷载效应组合值；正常使用极限状态的荷载效应组合值；C结构或结构构件达到正常使用要求的规定限值，例如变形、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、振幅、加速度、应力等的限值，应按各有关建筑结构设计规范的规裂缝、振幅、加速度、应力等的限值，应按各有关建筑结构设计规范的规定采用。定采用。2、对于荷载效应标准组合的设计值对于荷载效应标准组合的设计值S应按下式采用应按下式采用 (7)注：组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况。注：组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况。术语和概率极限状态的实用设计表达式术语和概率极限状态的实用设计表达式第第1章章 绪论绪论1.183、对于频遇组合，荷载效应组合的设计值、对于频遇组合，荷载效应组合的设计值S应按下式采用：应按下式采用：(8）式中：式中：f1可变荷载可变荷载Q1的频遇值系数，应按各章的规定采用；的频遇值系数，应按各章的规定采用；qi可变荷载可变荷载Qi的准永久值系数，应按各章的规定采用。的准永久值系数，应按各章的规定采用。注：组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况。注：组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况。4、对于准永久组合，荷载效应的设计值、对于准永久组合，荷载效应的设计值S应按下式采用：应按下式采用：(9)注：组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况。注：组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况。术语和概率极限状态的实用设计表达式术语和概率极限状态的实用设计表达式第第1章章 绪论绪论1.191.工程结构设计的目的是什么？工程结构设计的目的是什么？2.什么是施加于工程结构上的作用？荷载与作用的概念有什么不同什么是施加于工程结构上的作用？荷载与作用的概念有什么不同？3.工程结构设计中，如何对结构上的作用进行分类工程结构设计中，如何对结构上的作用进行分类？4.作用作用(荷载荷载)有哪些类型有哪些类型？5.什么是概率极限状态设计法？为什么目前采用的方法称为近似概率设计法什么是概率极限状态设计法？为什么目前采用的方法称为近似概率设计法？思考题思考题