3章钢筋混凝土结构的基本设计原则2Word文件下载.docx

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一、影响结构可靠性的因素

1.作用效应：

包括由荷载产生的各种效应

（1）荷载的分类

a.永久荷载：

b.可变荷载：

c.偶然荷载：

（2）荷载的标准值

（3）荷载效应

2.结构抗力：

结构构件抵抗各种结构上作用效应的能力

（1）材料强度标准值

（2）结构抗力式的形成

二、分项系数

1、荷载分项系数

2、材料分项系数

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教案内容及教学过程

提示与补充

课题导入：

复习提问：

1.钢筋与混凝土的强度

2.钢筋与混凝土的共同工作

3.混凝土的三大强度

4.徐变的概念，影响徐变的因素

5.粘结接作用的组成

设计任何建筑物和构筑物时都需要满足一定的功能要求。

而在建筑物设计中确定极限状态成为建筑结构设计的关键点，如何来进行艰险状态的确定及设计，也是本章要解决的问题

课程新授：

一、结构的功能要求

结构设计的目的是使所设计的结构在规定的设计使用年限内，用最经济的手段来获得预定条件下满足设计所预期的各种功能的要求。

建筑结构应满足的功能要求包括：

1．安全性

结构应能承受在正常施工和正常使用的情况下可能出现的各种作用，在设计规定的偶然事件发生时及发生后，结构仍能保持必需的整体稳定性，不致发生倒塌。

2．适用性

结构在正常使用期间应具有良好的工作性能。

例如，不发生过大的变形、振幅、过宽的裂缝等，以免影响正常使用。

3．耐久性

结构在正常使用和正常维护条件下应具有足够的耐久性能，以保证结构能够正常使

用到预定的设计使用期限。

例如，在设计规定的使用期间内，钢筋不致因保护层过薄或裂缝过宽而发生锈蚀等影响结构的使用年限。

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安全性、适用性、耐久性统称为结构的可靠性，即在规定的时间内（设计使用年限），在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维修），结构完成预定功能（安全性、适用性、耐久性）的能力称为结构的可靠性。

在各种随机因素的影响下，结构完成预定功能的能力不能事先确定，只能用概率来

描述。

结构的可靠性用可靠度来定量描述。

结构的可靠度是指结构在设计使用年限内，在正常设计、施工、使用和维护的条件下完成预定功能的概率。

建筑结构的设计使用年限，是指按规定指标设计的建筑结构或构件，在正常施

工、正常使用和维护下，不需进行大修即可达到其预定功能要求的使用年限。

当结构的实际使用年限超过设计使用年限后，并不意味着结构就要报废，但

其可靠度将逐渐降低。

二、结构功能的极限状态

结构能满足功能要求而良好地工作，称为“可靠”或“有效”，反之则结构

“不可靠”或“失效”。

区分结构工作状态的可靠与失效的标志是“极限状态”。

若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，

此特定状态便称为该功能的极限状态。

结构功能的极限状态可分为下列两类：

1．承载能力极限状态

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时的状态，称为承载能力极限状态。

超过承载能力极限状态的状态见P18

承载能力极限状态主要控制结构的安全性功能，结构一旦超过这种极限状态，会造成人身伤亡及重大经济损失，因此设计中应把出现这种情况的概率控制得非常小。

规范规定：

所有的结构和构件都应按承载能力极限状态进行设计计算，

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2．正常使用极限状态

结构或结构构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值时的状态，称为正常

使用极限状态。

当结构或构件出现下列状态之一时，即认为超过正常使用极限状

态的状态见P18。

正常使用极限状态主要考虑结构的适用性和耐久性功能，当结构或构件超过

这种极限状态时一般不会造成人身伤亡及重大经济损失，因此设计中出现这种情

况的概率控制得略宽一些。

正常使用极限状态的验算则根据具体使用

要求进行。

包括由荷载产生的各种效应，也包括一些非荷载因素产生的效应。

在结构设计中一般仅考虑荷载这种直接作用方式。

（1）结构上的荷载按其随时间的变异性的不同，分为以下三类：

1）永久荷载（恒荷载）

永久荷载是指在结构设计基准期内，其作用量值不随时间变化，或其变化幅度与平均值相比可以忽略不计的荷载，如结构构件自重。

2）可变荷载（活荷载）

可变荷载是指在结构设计基准期内，其作用量值随时间而变化，其变化幅度与平均值相比不可忽略不计的荷载，如楼面活荷载、屋面活荷载、积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等。

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3）偶然荷载

偶然荷载是指在结构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荷载，如爆炸力、撞击力等。

这里的设计基准期是为确定荷载代表值及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数。

《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）（以下简称《统一标准》）取结构的设计

基准期为50年。

（2）荷载标准值

荷载标准值是指在结构使用期间，在正常情况下可能出现的最大荷载值，是建筑结

构设计时采用的基本代表值。

永久荷载标准值Gk可按结构构件的设计尺寸和材料重力密

度计算确定，《荷载规范》中给出了常用材料和构件的自重。

可变荷载标准值Qk可直接

查《荷载规范》得出。

荷载效应是指由荷载产生的结构或构件的内力，变形及裂缝等

2.结构抗力R

结构抗力是指结构或构件承受各种荷载效应的能力，即承载能力和抗变形能力，用“R”表示。

承载能力包括受弯、受剪、受拉、受压、受扭承载力等各种抵抗外力的能力；

抗变形能力包括抗裂性能、刚度等。

结构抗力也是一个随机变量，影响因素主要有材料性能（强度、变形模量等物理力

学性能）、构件几何参数、配筋情况以及计算模式的精确性等。

（1）材料强度标准值fk

材料强度标准值是结构设计时采用的材料强度的基本代表值，也是生产中控制材料

质量的主要依据。

由于材料强度具有不定性，故材料强度也是一个随机变量，为了安全起见，材料强

度值必须具有较高的保证率。

各类材料强度标准值的取值原则是：

根据标准试件用标准

试验方法测得的具有95％以上保证率的强度值。

（2）结构抗力式的形成（了解）

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荷载：

设计值=（标准值）*分项系数。

材料强度：

设计值=（标准值）/分项系数；

课堂巩固：

思考题1-9

课堂小结：

建筑结构的功能要求，极限状态，影响建筑结构可靠性的因素，荷载的分类，分项系数

作业布置：

思考题3、9

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（编号2）年月日

课题3.2极限状态设计方法（三、四、五）

教学目的掌握承载能力极限状态使用设计表达式、荷载的组合值、正常使用极限状态验算

教学重点承载能力极限状态使用设计表达式；

正常使用极限状态演算

教学难点承载能力极限状态使用设计表达式；

教学关键点承载能力极限状态使用设计表达式；

板书设计3.2极限状态设计方法

三、按承载能力极限状态计算

使用设计表达式

1.结构重要性系数

2.内力组合设计值S

3.结构构件的承载力设计值R

四、按正常使用极限状态验算

1.验算特点

2.荷载效应的标准组合和准永久组合

（1）标准组合

（2）准永久组合

3.变形和裂缝的验算方法

（1）变形验算

（2）裂缝验算

五、耐久性规定

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1.建筑结构的功能要求

2.极限状态的概念以及分类

3.影响建筑结构可靠性的因素

4.荷载的分类

5.分项系数的概念

γ0S≤R

1．结构重要性系数γ0

对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件，γ0≥1.1；

对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件，γ0≥1.0；

对安全等级为三级或设计使用年限为5年的结构构件，γ0≥0.9。

2．荷载效应组合设计值S

荷载效应组合分为基本组合与偶然组合两种情况。

按承载能力极限状态设计时，应

考虑荷载效应的基本组合，必要时尚应按荷载效应的偶然组合进行计算。

《荷载规范》规定：

对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从下列两组组

合中取最不利值确定：

⑴由可变荷载效应控制的组合：

⑵由永久荷载效应控制的组合：

+

⑶对于一般排架、框架结构，可采用以下简化公式：

+

3．结构构件抗力设计值R

R＝R（fc，fs，αk…）

荷载分项系数见下表：

荷载类别

荷载特征

荷载分项系数

永久荷载

当其效应对结构不利时

对由可变荷载效应控制的组合

对由永久荷载效应控制的组合

1.2

1.35

当其效应对结构有利时

一般情况下

对结构的倾覆、滑移或漂浮验算

1.0

0.9

可变荷载

对标准值＞4kN／m2的工业房屋楼面活荷载

1.4

1.3

四、按正常使用极限状态计算

（1）.正常使用极限状态和承载能力极限状态在理论分析上对应结构上两个不同的工作阶段，同时两者在设计上的重要性不同，因而须采用不同的荷载效应代表值和荷载效应组合进行验算与计算

（2）.在荷载保持不变的情况下，由于混凝土的徐变等特性，裂缝和变形将随时间的推移而发展，因此在分析裂缝变形的荷载效应组合时，应该区分荷载效应的标准组合和准永久组合。

（1）标准组合

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（2）准永久组合

F---受弯构件按荷载效应的标准组合并考虑和在长期作用影响计算的最大挠度

--受弯构件的允许挠度值

裂缝控制等级分为三级：

一级为正常使用阶段严格要求不出现裂缝；

二级为正常使用阶段一般要求不出现裂缝；

三级为正常使用阶段允许出现裂缝，但要控制裂缝宽度。

具体要求是：

1）对裂缝控制等级为一级的构件，要求按荷载效应的标准组合进行计算时，构件受拉边缘混凝土不宜出现拉应力

2）对裂缝控制等级为二级的构件，要求按荷载效应的准永久组合进行计算时，构件受拉边缘混凝土不宜出现拉应力；

按荷载效应的标准组合进行计算时，构件受拉边缘混凝土允许出现拉应力，但拉应力的大小不应超过混凝土轴心抗拉强度标准值。

3）对裂缝控制等级为三级的构件，要求按荷载效应的标准组合并考虑和在长期作用影响的裂缝宽度最大值不超过规定的限值，即：

--受弯构件按荷载效应的标准组合并考虑和在长期作用影响的裂缝宽度最大值

---规范规定的最大裂缝宽度限值

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混凝土结构的环境类别：

一类：

室内正常环境。

二类a：

室内潮湿环境；

非严寒和非寒冷地区的露天环境、与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境。

二类b：

严寒和寒冷地区的露天环境、与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境。

三类：

使用除冰盐的环境；

严寒和寒冷地区冬季水位变动的环境；

滨海室外环境。

四类：

海水环境。

五类：

受人为或自然的侵蚀性物质影响的环境。

注：

严寒和寒冷地区的划分应符合国家现行标准《民用建筑热工设计规程》JGJ24的规定。

一类环境中，设计使用年限为100年的结构混凝土应满足以下规定：

1.钢筋混凝土结构的最低混凝土强度等级为C30；

预应力混凝土结构的最低混凝土强度等级为C40；

2.混凝土中的最大氯离子含量为0.06%；

3.宜使用非碱活性骨料；

当使用碱活性骨料时，混凝土中的最大碱含量为3.0kg/m3

4.混凝土保护层厚度应按照规范规定增加40%；

当采取有效的表面防护措施时，混凝土保护层厚度可适当减少；

5.在使用过程中应定期维护。

思考题10-12

按承载能力极限状态计算，内力组合设计值；

按正常使用及现状态验算，变形和裂缝验算。

思考题10

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