文档介绍：第10章 概率极限状态设计法
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结构设计的目标
直接概率设计法
概率极限状态的实用设计表达式
思考题
习题
本章内容
一、设计要求
《建筑结构可靠度设计统一标准》用结构的安全等级来表示房屋的重要性,将建筑结构安全等级划分为三级,如表10-1所示。而《高耸结构设计规范》(GBJ139—1990)则将高耸结构安全等级划分为两级,如表10-2所示。
结构设计的目标
安全等级
破坏后果
建筑物类型
一级
很严重
重要建筑
二级
严重
一般工业与民用建筑
三级
不严重
次要建筑物
表10-1 建筑结构安全等级
安全等级
高耸结构类型
结构破坏后果
一级
重要的高耸结构类型
很严重
二级
一般的高耸结构类型
严重
表10-2 高耸结构的安全等级
设计的适用性要求指的是结构在正常使用时应具有良好的工作性能,如不发生过大的变形或过宽的裂缝等,以及不产生影响正常使用的振动等。
3. 耐久性要求
所谓耐久性要求指的是结构在正常维护下,具有足够的耐久性能,不发生钢筋锈蚀和混凝土严重风化等现象。而耐久性设计就是根据结构的环境类别和设计使用年限进行设计,主要解决环境作用与材料抵抗环境作用能力的问题。要求在规定的设计使用年限内,结构能够在自然和人为环境的化学和物理作用下,不出现无法接受的承载力减小、使用功能降低和不能接受的外观破损等耐久性问题,所以还要掌握设计基准期和设计使用年限的概念。
设计基准期就是指结构设计时,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。例如:现行的建筑结构设计规范中的荷载统计参数是按设计基准期为50年确定的,桥梁结构为100年,水泥混凝土路面结构不大于30年,沥青混凝土路面结构不大于15年。
结构设计的目标
设计使用年限指结构在正常设计、正常施工、正常使用和维护下所应达到的使用年限,在这个年限内,结构只需要进行正常的维护而不需要进行大修就能够按预期目的使用。如果达不到这个年限,则意味着在设计、施工、使用和维护的某一环节上出现了不正常情况,应查找原因。
结构的可靠度或失效概率与结构的使用年限长短有关。当结构的实际使用年限超过设计使用年限后,结构失效概率将会比设计时的预期值增大,但并不意味着该结构立即丧失功能或报废。《建筑结构可靠度设计统一标准》规定的各类建筑结构设计使用年限见表10-3。
表10-3 建筑结构设计使用年限分类
结构设计的目标
类别
设计使用年限/年
示例
1
5
临时性结构
2
25
易于替换的结构构件
3
50
普通房屋和构造物
4
100
纪念性建筑和特别重要的建筑结构
4. 设计方法和设计状况
结构目前普遍采用的设计方法是概率论的极限状态设计法。我国的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种。对于结构的各种极限状态,均应规定明确的标志及限值。
由于结构物在建造和使用过程中所承受的作用和所处环境不同,设计时所采用的结构体系、可靠度水准、设计方法等也应有所区别。因此,建筑结构设计时,应根据结构在施工和使用中的环境条件和影响,区分下列3种设计状况。
(1) 持久状况:在结构使用过程中一定出现、其持续期很长的状况。持续期一般与设计使用年限为同一数量级,如房屋结构承受家具和正常人员荷载的状况。
(2) 短暂情况:在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持续时间很短的状况,如结构施工和维修时承受堆料和施工荷载的状况。
(3) 偶然状况:在结构使用过程中出现的概率很小,且持续期很短的状况,如结构遭受火灾、爆炸、撞击、罕遇地震等作用的状况。
结构设计的目标
二、目标可靠指标
为了使结构设计既安全又经济合理,因此必须确定一个公众所能接受的建筑结构的失效概率或可靠指标,这个失效概率或可靠指标就称为目标失效概率(允许失效概率)或目标可靠指标(允许可靠指标),它代表了设计所要预期达到的结构可靠度,是预先给定作为结构设计依据的可靠指标。
建筑结构或构件在设计基准期内,在规定的条件下,不能完成预定功能的概率P低于目标失效概率(允许失效概率)[P],则有:
P≤[P ] (10-1)
式中,P——失效概率;
[P]——目标失效概率(允许失效概率)。
由于可靠指标与失效概率是一一对应的关系,则有:
β≥[β] (10-2)
式中,β——可靠指标;
[β]——目标可靠指标(允许可靠指标)。
目前可靠指标与工程造价、使用维护费用以及投资风险、工程破坏后果等有关。如目标可靠指标定得较高,则相应的工程造价增大,而维修费用降低,风险损失减小;反之,目标可靠指标定得较低,工程造价降低,但维修费用及风险损失就会提高。因