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1、本章重点： l掌握结构设计的一些基本概念； l理解结构可靠度的基本原理 l熟练掌握实用设计表达式 l了解混凝土的耐久性 3.1 结构设计结构设计的要求 3 3.1.1 .1.1 结构的功能要求 在工程结构中，结构设计的目的是在现有技在工程结构中，结构设计的目的是在现有技 术基础上，用最少的人力和物力消耗，获得能够术基础上，用最少的人力和物力消耗，获得能够 完成全部功能要求和足够可靠的结构。结构的基完成全部功能要求和足够可靠的结构。结构的基 本功能是由其用途所决定的，具体是：本功能是由其用途所决定的，具体是： 1.安全性：结构能承受正常施工、正常使用时可结构能承受正常施工、正常使用时可 能出现的
2、各种荷载、外加变形（如超静定结构支能出现的各种荷载、外加变形（如超静定结构支 座沉降）、约束变形（如温度变化引起受约束构座沉降）、约束变形（如温度变化引起受约束构 件的变形）等的作用。在偶然荷载（如地震力，件的变形）等的作用。在偶然荷载（如地震力， 强风）作用下或偶然事件发生时和发生后，仍能强风）作用下或偶然事件发生时和发生后，仍能 保持整体稳定性。保持整体稳定性。 3 3.1.1 .1.1 结构的功能要求 2.耐久性：结构在正常使用和正常维护条件下， 在规定的使用期限内有足够的耐久性。如不发生 由于混凝土保护层碳化或裂缝宽度开展过大导致 钢筋的锈蚀，不发生混凝土在恶劣的环境中侵蚀 或化学侵蚀
3、，温湿度及冻融破坏而影响结构的使 用年限等。 3.适用性：结构在正常使用荷载作用下具有良好的 工作性能。如不发生影响正常使用的过大变形和 振幅，或引起使用者不安的裂缝宽度等。 上述功能要求概括起来可以称为结构的上述功能要求概括起来可以称为结构的可靠可靠 性性。亦即。亦即结构在规定的设计基准期（即建筑设计结构在规定的设计基准期（即建筑设计 可保证的使用期限），在规定的条件下（正常设可保证的使用期限），在规定的条件下（正常设 计、正常施工、正常使用和维修）完成预定功能计、正常施工、正常使用和维修）完成预定功能 的能力的能力。 结构的设计使用年限结构的设计使用年限 设计使用年限是指设计规定的结构或结
4、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。 建筑结构可靠度设计统一标准规定了各类建筑结构的设计使用年限。 设计使用年限分类 类别类别设计使用年限（年）设计使用年限（年）示例示例 15临时性结构临时性结构 225易于替换的结构构件易于替换的结构构件 350普通房屋和构筑物普通房屋和构筑物 4100纪念性建筑和特别重要的建筑物纪念性建筑和特别重要的建筑物 设计基准期指为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的 时间参数。统一标准规定设计基准期为50年。注意：结构的设计使用年 限虽与其使用寿命有联系，但不等同。超过设计使用年限的结构并不是不能 使
6、。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”。 钢筋混凝土简支梁的可靠、失效和极限状态概念 结构的功能 可靠 极限状态 失效 安全性 受弯承载力 M Mu 适用性 挠度变形 f f 耐久性 裂缝宽度 wmax wmax 根据根据功能要求，结构极限状态可分为两类：承载能功能要求，结构极限状态可分为两类：承载能 力极限状态和正常使用极限状态。力极限状态和正常使用极限状态。 1.1.承载力能力极限状态：承载力能力极限状态： 是指结构或构件达到最大承载力、疲劳破坏或不适于是指结构或构件达到最大承载力、疲劳破坏或不适于 继续承载的变形时的状态。继续
7、承载的变形时的状态。超过该极限状态，结构就不能超过该极限状态，结构就不能 满足预定的满足预定的安全性功能安全性功能要求。要求。 出现下列情形之一，超过了承载能力极限状态出现下列情形之一，超过了承载能力极限状态 1 结构或构件达到最大承载力（包括疲劳）结构或构件达到最大承载力（包括疲劳） 2 结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移）结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移） 3 结构塑性变形过大而不适于继续使用结构塑性变形过大而不适于继续使用 4 结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰）结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰） 5 结构或构件丧失稳定
8、（如细长受压构件的压曲失稳结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳） 2.2.正常使用极限状态正常使用极限状态 是指结构或构件达到正常使用或耐久性的某项是指结构或构件达到正常使用或耐久性的某项 规定限值时的状态。规定限值时的状态。超过该极限状态，结构就不能超过该极限状态，结构就不能 满足预定的满足预定的适用性和耐久性适用性和耐久性的功能要求。的功能要求。 例如： 过大的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、不能正 常使用（吊车）等）； 过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）； 过大的振动（不舒适）； 其他正常使用要求。 结构或构件按承载能力极限状态进行计算后，还 应该按正常使用极限状态进
10、、土压力、预应力等。 (2)可变荷载Q 在结构设计基准期内其值随时间 而变化，其变化与平均值不可忽略的荷载。例如， 楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、吊车荷载、 风荷载、雪荷载等。 (3)偶然荷载Q 在结构设计基准期内不一定出现， 但一旦出现其值很大且作用时间很短的荷载。例如， 地震、爆炸、撞击力等。 2.荷载的代表值荷载的代表值 v（永久或可变）荷载标准值（永久或可变）荷载标准值：结构在其设计基准期为结构在其设计基准期为50年的年的 期间内，在正常情况下可能出现具有一定保证率期间内，在正常情况下可能出现具有一定保证率（一般为（一般为 95%）的最大荷载的最大荷载。 v可变荷载的组合值可变荷载
11、的组合值：是指有几种可变荷载参与组合时，其值是指有几种可变荷载参与组合时，其值 不一定都同时达到最大，因此，需做适当调整不一定都同时达到最大，因此，需做适当调整。 v可变荷载频遇值可变荷载频遇值：是指结构上时而出现的最大荷载是指结构上时而出现的最大荷载。 v可变荷载的准永久值可变荷载的准永久值：是指在结构上经常出现，对结构影响是指在结构上经常出现，对结构影响 有如永久荷载的性能。有如永久荷载的性能。 v可变荷载已有四种代表值可变荷载已有四种代表值，即标准值、组合值、准永久值、即标准值、组合值、准永久值、 频遇值频遇值，其中标准值标准值称为称为基本代表值基本代表值，其他代表值可由基本 代表值乘以
12、相应的系数而得。 内力：内力：轴力、弯矩、剪力、扭矩轴力、弯矩、剪力、扭矩； 变形：变形：挠度、转角、裂缝。挠度、转角、裂缝。 3.作用效应作用效应 （S） 作用在结构上并使结构产生内力作用在结构上并使结构产生内力（如弯矩M、剪力 V、轴向力N、扭矩T等）、变形（挠度、弯曲、拉变形（挠度、弯曲、拉 伸等）伸等）、裂缝裂缝等作用称为作用效应，作用效应，以以S表示。当表示。当 “作用作用”为为“荷载荷载”时，引起的效应称为时，引起的效应称为荷载效应荷载效应。 荷载荷载Q和荷载效应和荷载效应S之间通常按某种关系相联系。之间通常按某种关系相联系。 S=CQ 式中式中 C荷载效应系数；荷载效应系数；Q某
13、种荷载；某种荷载；S荷载效应荷载效应 作用效应取决于作用的方式及结构或构件的几何尺寸及支承条件作用效应取决于作用的方式及结构或构件的几何尺寸及支承条件。 简支梁在跨中一集中荷载作用下跨中弯矩 lPM 4 1 例例：简支梁在均布荷载作用下跨中弯矩 作用效应具有随机性，是一个随机变量。 qlM 2 8 1 2 8 1 l l 4 1 4. 4.结构抗力结构抗力 (R) (R) 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，用R表示。如构件的强度、刚度、抗裂度、受 弯承载力。 影响抗力的主要因素有： 材料性能的不确定性 几何参数的不确定性 计算模式的不确定性 强度、变形模量等
21、 计表达式。 实用设计表达式把荷载、材料、截面尺寸、计算方法等视为随机变量，应用 数理统计的概率方法进行分析，采用了以荷载和材料强度的标准值分别与荷 载分项系数和材料分项系数相联系的荷载设计值、材料强度设计值来表达的 方式。 3. 3.13.1 分项系数 (1)荷载分项系数 由于荷载是随机变量，考虑其有超过荷载标准值的可能性，以及不同变异性的 荷载可能造成结构计算时可靠度不一致的不利影响，因此，在承载能力极限 状态设计中将荷载标准值乘以一个大于1的调整系数，此系数称为荷载分项 系数.用 表示 考虑到实际工程与理论及试验的差异，直接采用标准值(荷 载、材料强度)进行承载能力设计尚不能达到目标可靠
22、指标 要求，故采用增加“分项系数”的办法。分项系数有荷载 分项系数和材料分项系数两种。 s 荷载分项系数是在各种荷载标准值已经给定的前提下，按极限状态设计中得到的各种 结构构件所具有的可靠度分析，并考虑工程经验得到的。考虑到永久荷载标准值与可 变荷载标准值的保证率不同，故他们采用不同的分项系数。以rG和rQ分别表示永久荷 载及可变荷载的分型系数。根据GB50009规定，rG和rQ可按下表采用。 （2） 材料分项系数 由于材料材质的不均匀性，各地区材料的离散性、实验室环境 与实际工程的差别，以及施工中不可避免的偏差等因素，导致 材料强度不稳定，即有变异性。考虑其变异性可能对结构构件 的可靠度产生
24、3 承载能力极限状态设计表达式 1.设计表达式 在极限设计方法中，结构构件的承载力计算，应 采用下列极限状态设计表达式： 结构重要性系数；结构重要性系数； 安全等级为一级或使用年限为安全等级为一级或使用年限为100年时，年时， 安全等级为二级或使用年限为安全等级为二级或使用年限为50年时，年时， 安全等级为三级或使用年限为安全等级为三级或使用年限为5年时，年时， 其中其中 在抗震设计中，不考虑结构的重要系数在抗震设计中，不考虑结构的重要系数 荷载效应组合的设计值，用基本组合或偶荷载效应组合的设计值，用基本组合或偶 然组合；然组合； 结构构件抗力设计值。结构构件抗力设计值。 0 1 .1 0 0
31、于当长期效应是决定性因素主要用于当长期效应是决定性因素 的一些情况。的一些情况。 kQ 1 qGki n i iS SS (1)准永久值系数， 是根据在设计基准期内荷载 达到和超过该值的总持续时间与设计基准期内总持续时间 的比值而确定。 (2)频遇值系数，是根据在设计基准期间可变荷载超越 的总时间或超越的次数来确定的。 按近似概率论的 极限状态设计法 极限状态 按近似概率论的 极限状态设计法 实用设计表达式 按极限状态设计时材 料强度和荷载取值 结构上的作用 结构的功能要求 极限状态 极限状态方程（Z=R-S） 结构的可靠度 失效概率 分项系数 正常使用极限状态设计表达式 承载能力极限状态设计
35、土的开，钢筋有锈蚀的危险，此外会加剧混凝土的收缩，可导致混凝土的开 裂。这些均会给混凝土的耐久性带来不利影响。裂。这些均会给混凝土的耐久性带来不利影响。 第一：空气中第一：空气中 COCO2 2和和H H2 2O O扩散到达混凝土中；扩散到达混凝土中； 第二：第二： 在孔溶液中生成少量碳酸，在孔溶液中生成少量碳酸，COCO2 2 H H2 2O OH H2 2COCO3 3； ； 第三：第三： 与氢氧化钙发生化学反应生成碳酸钙和水，与氢氧化钙发生化学反应生成碳酸钙和水， H2CO3 Ca(OH)2CaCO32 H2O 主要影响因素：主要影响因素： a）材料自身的影响：混凝土）材料自身的影响：混
36、凝土强度越高，强度越高，碳化速度越慢。碳化速度越慢。 b）施工质量的影响：施工中）施工质量的影响：施工中水灰比愈大水灰比愈大，碳化速度越快。，碳化速度越快。 C）外部环境的影响：一般相对湿度）外部环境的影响：一般相对湿度7085时最容易碳化。时最容易碳化。 硫酸盐腐蚀：硫酸盐溶液与水泥石中的氢氧化钙及水化铝 酸钙发生化学反应，生成石膏和硫铝酸钙，产生体积膨胀， 使混凝土破坏。硫酸盐除在一些化工企业存在外，海水及一 些土壤中也存在。当硫酸盐的浓度（以SO2的含量表示）达 到2时，就会产生严重的腐蚀。 酸腐蚀：混凝土是碱性材料，遇到酸性物质会产生化学反 应，使混凝土产生裂缝、脱落，并导致破坏。酸不
37、仅存在于 化工企业，在地下水，特别是沼泽地区或泥炭地区广泛存在 碳酸及溶有CO2的水。此外有些油脂、腐植质也呈酸性，对 混凝土有腐蚀作用。 海水腐蚀：在海港、近海结构中的混凝土构筑物，经常收 到海水的侵蚀。海水中的NaCl、MgCl2、MgSO4、K2SO4等 成分，尤其是Cl- -和硫酸镁对混凝土有较强的腐蚀作用。在 海岸飞溅区，受到干湿的物理作用，也有利于Cl- -和SO4的渗 入，极易造成钢筋锈蚀。 2、侵蚀性介质的腐蚀 混凝土水化结硬后，内部有很多毛细孔。在浇筑混凝土时，混凝土水化结硬后，内部有很多毛细孔。在浇筑混凝土时， 为得到必要的和易性，往往会比水泥水化所需要的水多些。为得到必要
38、的和易性，往往会比水泥水化所需要的水多些。 多余的水份多余的水份滞留在混凝土毛细孔中。低温时水份因结冰产滞留在混凝土毛细孔中。低温时水份因结冰产 生体积膨胀，引起混凝土内部结构破坏。生体积膨胀，引起混凝土内部结构破坏。 反复冻融多次，就会使混凝土的损伤累积达到一定程度而反复冻融多次，就会使混凝土的损伤累积达到一定程度而 引起结构破坏。引起结构破坏。 防止混凝土冻融破坏的主要措施是防止混凝土冻融破坏的主要措施是降低水灰比降低水灰比，减少混凝减少混凝 土中多余的水份土中多余的水份。 冬季施工时，应冬季施工时，应加强养护加强养护，防止早期受冻，并掺入防冻剂，防止早期受冻，并掺入防冻剂 等。等。 3、
40、凝胶，吸水后会产生膨胀，体体 积可增大积可增大34倍倍，从而混凝土的剥落、开裂、强度降低，甚，从而混凝土的剥落、开裂、强度降低，甚 至导致破坏。至导致破坏。 引起碱集料反应有三个条件引起碱集料反应有三个条件： 混凝土的凝胶中有碱性物质混凝土的凝胶中有碱性物质。这种碱性物质主要来自于水。这种碱性物质主要来自于水 泥，若水泥中的含碱量（泥，若水泥中的含碱量（Na2O，K2O）大于）大于0.6%以上时，以上时， 则会很快析出到水溶液中，遇到活性骨料则会产生反应；则会很快析出到水溶液中，遇到活性骨料则会产生反应； 骨料中有活性骨料骨料中有活性骨料，如蛋白石、黑硅石、燧石、玻璃质火，如蛋白石、黑硅石、燧
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