、结构设计原理 1.作用标准值 结构或构件设计时,采用的各种作用的基本代表值,其值可根据作用在设计基准期内最大 值概率分布的某一分位值确定。 2作用准永久值 结构或构件按正常使用极限状态长期效应组合设计时,采用的另一种可变作用代表值,其 值可根据在足够长观测期内作用任意时点概率分布的0.5(或高于0.5)分位值确定。 3.作用频遇值 结构或构件按正常使用极限状态短期效应组合设计时,采用的一种可变作用代表值,其值 可根据在足够长观测期内作用任意时点概率分布的095分位值确定。 (二)作用效应与作用效应设计值 作用效应是指结构对所受作用的反应,如弯矩、扭矩、位移等。作用效应设计值是指作用 标准值效应与作用分项系数的乘积。 所谓分项系数是指为保证所设计的结构具有规定的可靠度而在设计表达式中采用的系 数,分作用分项系数和抗力分项系数两类。 (三)作用效应组合 上述的永久作用、可变作用及偶然作用不是在同样条件下同时出现在桥涵结构上的,其发 生的机率也不尽相同。这样,在进行结构计算时,应根据结构物的特性,考虑作用同时出现的 可能性,选择下列相对应的作用效应组合,即将结构上几种作用分别产生的效应随机叠加。 1.基本组合 承载能力极限状态设计时,永久作用设计值效应与可变作用设计值效应的组合。 2偶然组合 承载能力极限状态设计时,永久作用标准值效应与可变作用某种代表值效应、一种偶然作 用标准值效应的组合 3.作用短期效应组合 正常使用极限状态设计时,永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应的组合 4.作用长期效应组合 正常使用极限状态设计时,永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应的组合。 第二节极限状态法设计的基本概念 结构的可靠性概念 (一)结构的功能、可靠性、可靠度 1.结构的功能 结构设计的目的,就是要使所设计的结构在规定的时间内能符合安全可靠经济合理适 用耐久的要求。 (1)安全性 结构的安全性是指在规定的期限内,在正常施工和正常使用情况下,结构能承受可能出现
第二靡结构按极限状态法设计的原则C 的各种作用;在偶然事件(地震撞击等)发生时及发生后结构发生局部损坏,但不致出现整体 破坏和连续倒塌,仍能保持必需的整体稳定性。 (2)适用性 结构的适用性是指在正常使用情况下结构具有良好的工作性能不发生过大的变形或振动。 (3)耐久性 结构的耐久性是指结构在正常维护情况下,材料性能虽然随时间变化但结构仍能满足设 计的预定功能要求。结构具有足够的耐久性,构件不出现过大的裂缝;在不利环境因素作用 下,不导致结构可靠度降低,甚至失效。 2结构的可靠性和可靠度 结构的可靠性是结构安全性、适用性和耐久性的统称。其定义是:结构在规定的时间内 在规定的条件下,完成预定功能的能力 结构的可靠度,是指度量结构可靠性的数量指标。其定义是:结构在规定的时间内规定 的条件下,完成预定功能的概率。 (二)设计基准期 在进行结构可靠性分析时,考虑持久状况下各项基本变量与时间关系所取用的基准时间 天数。《公路工程结构可靠度设计统一标准》(GBT50283-199)规定:桥梁结构取100年的 设计基准期。 当然,设计基准期只是结构可靠度(计算结构的失效概率)的参考时间坐标,表示在这个时 间域内结构的失效概率是有效的,它不能简单的等同于结构的实际使用寿命。当结构使用年 限超过设计基准期后,表明结构的失效概率将会比设计时的预期值大,但并不等于结构丧失功 能或报废。一般来说设计基准期长的,其相应的可靠度高;设计基准期短的,其可靠度相对较 低 极限状态的基本概念 (一)极限状态的定义和分类 结构工作状态是处于可靠还是失效的标志用“极限状态”来衡量 当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态而不能满足设计规定的某一功能要求时,则此 特定状态称为该功能的极限状态。对于结构的各种极限状态,均应规定明确的标志和限值。 国际标准化组织(ISO)和我国各专业颁布的统一标准将极限状态分为承载能力极限状态 和正常使用极限状态两类。 这两类极限状态作为设计的要求,应视结构所处状况灵活地对待。 《桥规》(JIGD62-2004)规定公路桥涵应根据不同种类的作用(或荷载)及其对桥涵的影 响、桥涵所处的环境条件,考虑以下三种设计状况及其相应的极限状态设计 (1)持久状况:是指桔构的使用阶段,这个阶段的时间很长,一般取与设计基准期相同的时 间。该状况桥涵应进行承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。 (2)短暂状况:桥涵施工过程中承受临时性作用(或荷载)的状况。该状况桥涵仅作承载能 力极限状态设计,必要时才作正常使用极限状态设计。 (3)偶然状况:桥涵使用过程中偶然出现的如罕遇的地震状况。该状况桥涵仅作承载能力
结构设计原理 极限状态设计。 (二)承载能力极报状态 承载能力极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变 形或变位。当结构或结构构件出现下列状态之一时,即认为超过了承载能力极限状 (1)结构或结构的一部分作为刚体失去平衡(例如倾覆、滑移等); (2)结构构件或其连接,因超过材料强度而破坏(包括疲劳破坏),或因过度的塑性变形而 不能继续承载; (3)结构转变为机动体系 (4)结构或结构件丧失稳定(如压屈等)。 承载能力极限状态涉及结构的安全问题,可能导致人员伤亡和大量财产损失,所以必须具 有较高的可靠度(安全度)或较低的失效率概率。 《桥规》(JIGD62-2004)规定:承载能力极限状态,应根据桥涵破坏可能产生的后果的严 重程度,划分为以下三个安全等级进行设计: (1)特大桥、重要大桥的安全等级为一级,其破坏后果很严重,设计可靠度最高 (2)大桥、屮桥、重要小桥的安全等级为二级,其破坏后果严重,设计可靠度中等; (3)小桥涵洞的安全等级为二级,其破坏后果不严重,设计可靠度较低。 三)正常使用极限状态 正常使用极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定的限值。 当结构或结构构件出现下列状态之一时,即认为超过了正常使用极限状态 (1)影响正常使用或外观的变形; (2)影响正常使用或耐久性能的局部损坏(如现出过大的裂缝); (3)影响正常使用的振动; (4)影响正常使用的其他特定状态。 正常使用极限状态涉及结构适用性和耐久性问题,可以理解为对结构使用功能的损害,导 致结构质量的恶化但对人身生命的危害较小,与承载能力极限状态比较,其可靠度可适当降 低。尽管如此,佃设计时仍需引起足够重视。例如,如果桥梁的主梁竖向挠度过大,将会造成 桥面不平整,引起行车时很大的冲击和振动;如果出现过大的裂缝,不但会引起人们心理上的 不安全感,而且也会导致钢筋锈蚀,有可能带来重大的工程事故。 第三节我国公路桥涵设计规范规定的计算原则 、持久状况承载能力极限状态计算原则 《桥规》(JrGD62-2004)规定:公路桥涵的持久状况设计应按承载能力极限状态的要求 对构件进行承载力及稳定计算。必要时尚应进行结构的倾覆和滑移的验算。设计的原则是作 用效应组合设计值必须小于或等于结构承载力设计值。 1.作用效组合设计值 26
第二章结构按极限 设计的原则 施加于结构上的儿种作用设计值分别引起的效应的组合,就称为作用效应组合设计 值 2.承载力设计值 用材料强度设计值计算的结构或构件极限承载能力就称为承载力设计值 3.承载能力极限状态设计表达式: S≤R R= R(a, ad) (2-2) 式中:r-—桥梁结构重要性系数,按公路桥涵的设计安全等级选用:一级、二级、三级分别取 1.I、1.0,0.9; S—作用效应的组合设计值,S=∑reS+lSom+y,义yS0,式中符号含义见内 R——构件承载力设计值 (·)—构件承载力函数; f-材料强度设计值; ad一为几何参数设计值,ad=a+△a,a为结构或构件几何参数标准值,即设计文件 规定值;△a为结构或构件的几何参数附加值,即指实际结构或构件的儿何参数与 标准值之间存在偏差而釆用的调整值 4作用分项系数 公式(2-1)中、SSca+r0vmw5 式中:re;-第i个永久作用的分项系数,对于恒荷载(结构重力及附加重力),取rc=1.2; Sc;——第i个永久作用标准值效应; ro-汽车荷载分项系数,取ro1=1.4; Sok—汽车荷载效应(含汽车冲击力离心力)的标准值; ro在作用效应组合中除汽车荷载效应(含汽车冲击力离心力)风荷载外的其他第j 个可变作用效应的分项系数取=14,风荷载r=1.1; SQ在作用效应组合中除汽车荷载效应(含汽车冲击力、离心力)外的其他第j个可变 作用效应的标准值; 业在作用效应组合中除汽车荷载效应(含汽车冲击力离心力)外的其他可变作用 效应的组合系数,根据组合情况的不同,取值也不同,此处不再赘述。 正常使用极限状态计算原则 正常使用极限状态的计算,采用作用(或荷载)的短期效应组合长期效应组合或短期效应 组合并考虑长期效应组合的影响,对构件的抗裂、裂缝宽度和挠度进行验算,并使各项计算值 不超过各相应的规定限值。即有 抗裂验算 ≤ (2-3 裂缝宽度验箅 Wt≤W1 (2-4)
结构设计原理 挠度验算 (2-5) 以上σL、W1、f1分别为应力裂缝宽度、挠度的限值。下面对这三个方面作简单说明 1.抗裂验算 预应力混凝土受弯构件应按规定进行正截面和斜截面的抗裂验算。具体计算及规定见后 面的章节。钢筋混凝土构件可不进行这项验算。 2裂缝宽度验算 对于钢筋混凝土构件及容许出现裂缝的B类预应力混凝土构件,均应进行裂缝宽度验 算。关于钢筋混凝土受弯构件的裂縫宽度计算方法及规定详见第六章。 3.挠度验算 在设计钢筋混凝土和预应力混凝土构件时,必须保证其具有足够的刚度,避免因产生过大 的变形(挠度)而影响使用,因此对结构的变形有所限制。计算方法及规定详见第六章和第十 、混凝土结构的耐久性设计 (一)混凝土结构的耐久性 混凝土结构的耐久性是指结构对气候变化化学侵蚀物理作用或任何其他破坏过程的抵 抗能力。 由于混凝土的缺陷(如裂隙孔道、气泡、孔穴等),环境中的水及侵蚀性介质就可能渗入混 凝土内部,产生碳化冻融、锈蚀作用而影响结构的受力性能,并且结构在使用年限内还会受到 各种机械物理损伤(磨损、撞击等)及冲刷、溶蚀、生物侵蚀的作用。混凝土结构的耐久性问题 表现为:混凝土损伤(裂缝、破碎酥裂磨损溶蚀等);钢筋的锈蚀、脆化疲劳应力腐蚀;以及 钢筋与混凝土之间粘结铺固作用的削弱等三个方面。从短期效果而言,这些问题影响结构的 外观和使用功能,从长远看,则为降低结构安全度,成为发生事故的陷患影响结构的使用寿 命 (二)彩响混凝土结构耐久性的因素 .影响混凝土耐久性的因素 (1)混凝土的碳化 混凝土中因水泥石含有氢氧化钙[Ca(OH)2]而呈碱性,在钢筋表面形成碱性薄膜而保护 钢筋免道酸性介质的侵蚀,起到了“钝化”保护作用。但大气中存在的酸性介质及水通过各种 孔道、裂隙面渗人混凝土可以中和这种碱性。从而形成混凝土的“碳化”。 混凝土碳化的速度十分缓慢,并且与混凝土强度等级、水灰比、施工质量、结构所处环境、 表面状态、气候环境等因素有关。 2)化学侵蚀 水可以渗入混凝土内部,当其中溶入害化学物质时,即对混凝土的耐久性造成影响。酸 性物质对水泥水化物的侵蚀作用最大,酸性侵蚀的混凝土呈黄色,水泥剥落,集料外露。工业 污染、酸雨、酸性士壤及地下水均可能构成对混凝土的酸性腐蚀 此外浓碱溶液渗人后结晶使混凝土胀裂和剥落;硫酸盐溶液滲入后与水泥发生化学反 应,体积膨胀也会造成混凝土破坏。 (2)