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* 第三章 结构设计方法 第三章 结构设计方法 The Design Approach ◆ 工程结构的设计需要保证安全可靠、经济合理 ◆ 由于实际工程结构中存在多种不确定性 ◆ 结构设计方法就是研究工程设计中的各种不确定性问题，取得安全可靠与经济合理之间的均衡 ◆容许应力设计方法 allowable stress ◆ 安全系数 K 是一个大于1.0的数值 ◆ K 越大，结构安全度就越高，同时结构材料用量也越多 ◆ 为取得安全可靠与经济合理的均衡， 在综合考虑各种不确定性因素影响后，可选取一个合适的安全系数。 第三章 结构设计方法 ◆ 材料力学中研究的是：单一材料、线弹性、简单结构 ◆ 实际工程结构远比它复杂 ◆ 如钢筋混凝土梁的受弯，从安全角度考虑，需要确定 其极限受弯承载力； ◆ 而为控制正常使用阶段的裂缝和挠度变形，需要确定带裂缝工作阶段的受力情况。 ◆ 采用容许应力设计方法，无法统一这两方面的要求。 第三章 结构设计方法 ◆ 因此，首先根据工程结构需要，满足实际使用的各种要求（结构的功能），对安全可靠有更具体的科学定义 ◆ 另一方面，需要尽可能详细了解结构在不同情况下（施工、使用、破坏）可能受到的各种外界影响的大小和变化情况 ◆ 外界影响：各种荷载、温度变化、沉降、收缩徐变、地震、侵蚀、冻融等 ◆ 以及结构尺寸、材料强度等的变异情况，以便科学合理的选定结构可靠度。 第三章 结构设计方法 3.1 结构的功能 3.1 结构的功能 Functions of Structure ◎ 如（M≤Mu） ◎ 结构在预定的使用期间内（一般为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（如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）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。 ◆ 安全性 Safety 第三章 结构设计方法 3.1 结构的功能 ◎ 如（f ≤[ f ]） ◎ 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 ◎ 如（wmax≤[ wmax]） ◎ 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。 ◆ 适用性 Serviceability 第三章 结构设计方法 3.1 结构的功能 ■ 可靠性——安全性、适用性和耐久性的总称。 ■ 就是指结构在规定的使用期限内（设计工作寿命=50年），在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护），完成预定结构功能的能力。 ■ 结构可靠性越高，建设造价投资越大。 ■ 如何在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计方法要解决的问题。 ◆ 结构的可靠性 reliability 第三章 结构设计方法 3.1 结构的功能 ■ 显然这种可靠与经济的均衡受到多方面的影响，如国家经济实力、设计工作寿命、维护和修复等。 ■ 规范规定的设计方法，是这种均衡的最低限度，也是国家法律。 ■ 设计人员可以根据具体工程的重要程度、使用环境和情况，以及业主的要求，提高设计水准，增加结构的可靠度。 ■ 经济的概念不仅包括第一次建设费用，还应考虑维修，损失及修复的费用 第三章 结构设计方法 3.2 极限状态 3.2 极限状态 Limit State ◆ 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” 第三章 结构设计方法 承载力能力极限状态 Ultimate Limit State 3.2 极限状态 超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求 ◆ 结构或构件达到最大承载力（包括疲劳） ◆ 结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移） ◆ 结构塑性变形过大而不适于继续使用 ◆ 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） 第三章 结构设计方法 3.2 极限状态 正常使用极限状态 Serviceability Limit State 超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久性的功能要求。 ◆ 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