建设结构原理4.pptVIP

4.2 结构设计基本原则 结构设计的依据：两种极限状态： 承载能力的极限状态； 正常使用的极限状态。 建筑结构的设计状况 按极限状态进行建筑结构设计，应根据结构在施工和使用中的环境条件及其影响，区分为三种设计状况。 持久状况——在结构使用过程中一定出现、且持续起很长的状况称持久状况。持续期一般与设计使用年限为同一数量级。例如房屋结构承受家具和正常人员荷载的状况。 建筑结构的设计状况 短暂状况——结构施工和使用过程中出现概率较大，而与设计使用年限相比其持续期很短的状况称为短暂状况。例如结构施工时承受的堆料荷载的状况。 建筑结构的设计状况 偶然状况——结构施工和使用过程中出现概率很小，且持续期很短的状况称为偶然状况。如结构遭受火灾、爆炸、撞击、罕遇地震等作用的状况。 建筑结构的设计状况 针对建筑结构的三种设计状况，进行极限状态设计的要求是： 对三种设计状况都应进行承载能力极限状态设计； 对持久状况还应进行正常使用极限状态设计； 对短暂状况，可根据需要进行正常使用极限状态设计。 设计工作中，通常先按承载能力极限状态进行结构构件设计，再按正常使用极限状态验算。 4.2.3 结构设计原则 结构设计的工作是根据预计的荷载以及材料性能，采用经过理想化和简化假定的计算方法，确定结构构件的形式和截面尺寸，在经济合理的条件下满足结构的功能要求。 由于施工条件及质量控制等因素的影响，实际的结构尺寸及材料强度等均可能有不同程度的变异；所采用的计算简图和计算理论与实际情况会有一定的偏离；建成后结构承受的荷载及所处的环境都有一定的随机性，且是设计时无法确切预知的。 目前我国建筑设计所采用的方法，也就是本课程所介绍的建筑结构设计方法，就是《建筑结构可靠度设计统一标准》（GBJ50068-2001）中规定采用的近似概率理论的极限状态设计方法，也就是要在统计和概率分析的基础上寻找结构安全、适用可靠性合理的定量表达。 4.2.3 结构设计原则 1、荷载效应S和结构抗力R S统一代表结构上的作用效应，指作用引起的结构或结构构件的内力、变形、裂缝等。由于一般结构均符合小变形假设，荷载Q与荷载效应S的关系按线性关系考虑。由于结构上的作用（荷载）是不确定的随机变量，其作用效应也是随机变量。 R统一代表结构抗力是指结构或构件承受作用效应的能力，如结构构件的承载力、刚度、抗裂度等。结构抗力与结构构件的材料性能、几何形状及尺寸以及计算模式的精确性有关。由于材料性能、几何参数、计算模式精确性的不确定性，由这些因素综合而成的结构抗力也是随机变量。 4.2.3 结构设计原则 结构构件完成预定功能的工作状态可以用作用效应S和结构抗力R的关系式来描述，称为结构功能函数，用Z表示： Z = R－S= g(R ,S) Z可以用来表示结构的三种工作状态： 当Z＞0时，结构能够完成预定的功能，处于可靠状态； 当Z＜0时，结构不能完成预定的功能，处于失效状态； 4.2.3 结构设计原则 当Z = 0时，即R=S，结构处于临界的极限状态。 Z=R－S= g(R ,S)=0 称为“极限状态方程”。 但由于S和R都具有不确定性，都是随机函数，假定二者都是正态分布的随机变量。（如下图） 正态分布的随机变量 4.2.3 结构设计原则 R的平均值大于S的平均值，并不能保证不出现RS的情况。 4.2.3 结构设计原则 2、极限状态设计法 （1）失效概率 一般把出现不满足其功能要求事件的概率称为结构的失效概率，记为 Pf；把出现满足其功能要求事件的概率称为可靠概率，记为Ps。结构的可靠概率亦称为结构的可靠度。结构在规定的时间内、规定的条件下，完成预定功能的概率称为结构的可靠度。结构可靠度是结构可靠性的概率度量。可靠概率和失效概率是互补的，即 Pf＋Ps=1。 因此，结构可靠性也可用结构的失效概率来度量。 4.2.3 结构设计原则 (2)可靠指标 右图中阴影部分面积即为失效概率 pf。 假定功能函数Z也是正态分布的随机变量，结构的失效概率pf与功能函数的平均值μz到坐标原点的距离有关，取μz=βσz。 4.2.3 结构设计原则 解释： 失效概率 pf =P(