土木工程概论(姜晨光)第13章土木工程设计

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1、第13章土木工程设计13.1土木工程设计的特点土木工程设计主要包括外形设计和结构设计2部分。土木工程外形设计应满足使用要求、应便利结构设计与施工、应满足美观要求和经济要求、同时还应注意与周边环境的交融与和谐。结构设计主要应满足荷载要求。目前结构设计一般采用概率极限状态设计法。13.1.1结构设计的基本要求结构的设计要求一般考虑3个因素，即结构的安全等级、结构的设计使用年限、结构的功能要求。1）结构的安全等级。建筑物的重要程度是根据其用途决定的。不同用途的建筑物，发生破坏后所引起的生命财产损失是不一样的。《建筑结构可靠度设计统一标准》规定，建筑结构设计时，应根据结构破

2、坏可能产生的后果（危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等）的严重性，采用不同的安全等级。根据破坏后果的严重程度，建筑结构划分为三个安全等级（见表13-1-1）。2）结构的设计使用年限。结构设计的目的是要使所设计的结构在规定的设计使用年限内能完成预期的全部功能要求。所谓设计使用年限，是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。换言之，设计使用年限就是房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用和维护下所应达到的持久年限。我国结构的设计使用年限应符合表13-1-2的规定。表13-1-1建筑结构的安全等级表13-1-2结构的设计使用年限分类3）结构的

3、功能要求。建筑结构在规定的设计使用年限内应满足安全性、适用性和耐久性三项功能要求。安全性指结构在正常施工和正常使用的条件下，能承受可能出现的各种作用；在设计规定的偶然事件（如强烈地震、爆炸、车辆撞击等）发生时和发生后，仍能保持必需的整体稳定性，即结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。适用性指结构在正常使用时具有良好的工作性能（例如，不会出现影响正常使用的过大变形或振动；不会产生使使用者感到不安的裂缝宽度等）。耐久性指结构在正常维护条件下具有足够的耐久性能，即在正常维护条件下结构能够正常使用到规定的设计使用年限（例如，结构材料不致出现影响功能的损坏，钢筋混凝土构件的

4、钢筋不致因保护层过薄或裂缝过宽而锈蚀等）。结构的安全性、适用性和耐久性是结构可靠的标志，总称为结构的可靠性。结构可靠性的定义是指结构在规定时间内、在规定条件下完成预定功能的能力。但在各种随机因素的影响下，结构完成的能力不能事先确定，只能用概率来描述。为此，我们引入结构可靠度的概念，即结构在规定时间内，在规定条件下，完成预定功能的概率。在这里规定时间指设计使用年限；规定条件指正常设计、正常施工、正常使用和正常维护，不包括错误设计、错误施工和违反原来规定的使用情况；预定功能指结构的安全性、适用性和耐久性。结构的可靠度是结构可靠性的概率度量，即对结构可靠性的定量描述。结构

5、可靠度与结构使用年限长短有关。《建筑结构可靠度设计统一标准》以结构的设计使用年限为计算结构可靠度的时间基准。应当注意，结构的设计使用年限虽与结构使用寿命有联系，但不等同。当结构的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。13.1.2结构功能的极限状态结构能满足功能要求，称结构“可靠”或“有效”，否则称结构“不可靠”或“失效”。区分结构工作状态“可靠”与“失效”的界限是“极限状态”。因此，结构的极限状态可定义为：整个结构或结构的一部份，超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能（安全性、适用性、耐久性）要求，该特定状态称为该功能的极限

6、状态。结构极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态。工程设计时，一般先按承载力极限状态设计结构构件，再按正常使用极限状态验算。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不适于继续承载的变形。承载能力极限状态主要考虑关于结构安全性的功能。超过这一状态，便不能满足安全性的功能。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态：结构构件或连接因材料强度不够而破坏；整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；结构转变为机动体系；结构或结构构件丧失稳定（如柱子被压曲等）。结构或结构构件一旦超过承载能力极限状态，将造成结构全部或部分破坏

7、或倒塌，导致人员伤亡或重大经济损失，因此，在设计中对所有结构和构件都必须按承载力极限状态进行计算，并保证具有足够的可靠度。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限值。超过这一状态，便不能满足适用性或耐久性的功能。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：影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；影响正常使用的振动；影响正常使用的其他特定状态等。虽然超过正常使用极限状态的后果一般不如超过承载能力极限状态那样严重，但也不可忽视。比如过大的变形会造成房屋内粉刷层剥落、门窗变形、屋面积水