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1《全国二级注册结构工程师专业2003考试大纲》要求每位参加考试的土木工程师,应复习钢筋混凝土结构,砌体结构与木结构,地基与基础,高层筑结构、高耸结构与横向作用以及钢结构等五]专业课程。除此之外,尚应了解:①结构极限状态设计原理;②筑结构的经济比选!识:③钢、木、混凝土及砌体等结构所用材料的基本性能、重要材料的质量要求和基本检查、实验方法:④筑结构的基本施工技术:⑤筑防火、防腐蚀和防虫的基本知识;⑥防水工程的材料质量要求、范工要求及施工质量标准。还应掌握:①筑结构及-一般高耸结构的荷载分类和组合及常用结构的静力计算方法:②材料的选用和设计指标取值。下面分别介绍结构极限状态设计的基本原理、筑结构的荷载分类和组合、常用筑材料的选用和设计指标取值、筑防火、防水、防腐蚀和防虫等概念和基本知识。1.1结构极限状态设计的基本原理在《工程结构可靠度设计统一标准》(GB50153一92)中增加了有关设计工作状况的规定,并明确了设计状况与极限状态的关系蓓鉴最新版国际标准S02394:1998的《结构可靠度总原则》,给出了不同类型筑结构的设计使用年限;在承载能力极限状态的设计表达式中,对于荷载效应的基本组合,增加了水久荷载效应为主时起控制作用的组合式;对结构构件正常使用的可靠度做出了规定,这将促进房屋使用性能的改善和可靠度设计方法的发展。结构极限状态设计基本原理的主要内容反映在《筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068一2001)内。该标准是制定或修订有关筑结构各类设计规范或规程的共同准则,是实现采用以概率理论为基础的极限状态设计方法,统一各类材料的筑结构设计的基本原则。1.1.1结构的设计使用年限和安全等级《筑结构靠度设计统一标准》(CB50068一2001)对结构的设计使用年限按表1-1规定。《规范》规定筑结构的安全等级划分为三级。表1一1结构的设计使用年限类别设计使州年限(年)术例螽时性结构325畅于替换的结构构件350普通房景和构筑物100纪念性筑和特别亚要的筑结构筑结构设计时,应根据结构破坏可能产生的后果(危及人的生命、造成经济损失、产生社筑素前网Z.Z0
会影响等)的严重性,采用不同的安全等级。筑结构安全等级的划分应符合表1-2的要求。表1-2筑结构安全等级安个舒拟破坏后果筑物类型一级很严重电装的房国二级严重般的房屋号线不严重次要的房屋注:,对特殊的筑物,其安会等级应根据具体情况另1确定:2,地基基础设计安全等级及按抗覆要求设计时筑结构的安全等级,尚应符合国家现产有关规范的规定。1.1.2概率论和数理统计简介1.1.2.1随机事件、随机变量和概率随机本件、随机变量和概率这三者的关系,可刑下而这个简单的例子加以说明。例如我们虽然知道某批钢筋的抗拉强度在400~6O0N/m?之间变化,但在测定前是无法预计它的确切数值的。现在从这批钢筋中任意抽取若千根,比如20根钢筋来做抗拉强度试验,于是可以获得确定的20个试验值(也就是样本),这20个样本值的全体就构成了样本空问2,其中每个样本值就是2中的样本点ω。现在把这20个样本值按照它们数值的大小,由小到大排列成w,<仙,<…仙,现在要问这批钢筋的抗拉强度(随机变盘)小于及等于之值的这个随机事件{X≤x发生的概率是多少,即P{w;X(w)≤x}=PX≤x=?。根据上面所说,样本空间2中的20个样本点(值)是任意,独立和等可能抽取的,所以PiX≤x{16/20=0,8。由于样本点的数目不多,PX≤x的精确度就要差些,显然,P{X≤x的精确度是随着样木点个数的增多而提高的。不过,在工程实际中,抽样数目总是有限的。随机变量一般分为离散型和连续型两类,前者的取值为在实数轴R上可数的(或叫可列的)不同值的序列,后者则在实数轴R上的一个或几个区间上.可取得任何数值。对于设计中常用的连续型随机变量,可以用概率密度曲线来完整地描述,详见1.1.2.3节。1.1.2.2算术平均值4、标准差g、变异系数8此三者为随机变量最基本的特征值。算术平均值是随机变量的代表值,代表随机变量的平均水平。其定义如下:令X是具有样本偵x,,x2,…,xn的离散型随机变量。设n是试验或抽样的总次数,n,为X=x发生的次数,则X的平均值为x台n(1-1)》算术平均值虽然能代表随机变量的平均水平,但反映不出随机变量的分布情况。下面,定义…个随机变量X的标准差x,用以衡量随机变量X取值的离散程度。(-x)2n-1(1-2)标准差虽然能反映随机变量的离散程度,但还不能判断平均值不同的两个或多个随机变蜀素村网Z.ZS心.WET
1总3量之间离散程度的差别。此时需要求出各个随机变量的变异系数6加以比较才行:8=9(1-3)》8也称离散率,8愈小,离散程度也愈小。图1一1绘制了4、。均不相同的三个随机变(x)量的概率密度曲线(定义见1.1.2.3)。图中显示:标准差σ越小,曲线越陡峭耸起,随机变量取0.值越聚集于平均值的左右附近:反之,σ越大,曲线越趋扁平,随机变量越离散,若随机变量代表4s1,0s1材料强度,则表明材料质量越不均匀。=2,=2.51.1,2.3概率密度曲线,正态分布曲线|.概奉密度曲线一个连续型实随机变量X的概率结构可用图1-!三个其有不同,?值的随机变量的概率密度函数∫(x)来描述:概率密度曲线P(x<X5x+dx)=f(x)dx (1-4)因为实随机变量X在整个实数轴上任意取值是一个必然事件,也就是它的取值概率为1:J.人(xdx=1(1-5)2.正态分布典线上串白主k大网1717O 随机变量的概率结构同以根据情祝用不同的概率密度曲线米反映,其中最基本的一种即「态分布曲线。例如结构所承受的各种永久荷载、钢筋:混凝上的強度都基本上遵循正态分布的规律,有一些非正态分布的也可转换为当量的正态分布、设X为实随机变量,则其正态分布的概率密度函数表达式为人(x)=一(x-x)2(1-6)其中4,为X的平均值,ox为X的标准差。正态分布概率密度函数厂(x)的曲线如图1-2所示。整个曲线为-·条对称于峰值点的单波曲线,在距峰值点各一倍标准差处,曲线上出现拐点。曲线以横坐标为渐近线,趋向E、负无穷大。曲线蜂值处的横坐标即平均值。图1一2正态分布概率密度函数曲线当已知随机变酞的概率分布函数或概率密度函数后,则随机变量又在任何区间(说,如图1-3,它出现在波峰两边各一个σ区间的概率为68.26%:出现在各两个g区间的概率为95.44%;出现在各三个。区间的概率为99.74%,此时,出现在平均值两边各三倍标准差区间之外的可能性非常小,其概率只有0.26%。蜀素村网Z..WET
1.1.2.4特征值,保证率fx)4如果要求出现的试验结果不小于(或不大68.269%于)某一特定的数值,则此特定的数值就称为特征值。而随机变量在大于和等于(或小于和等95.449%99,749%于)此特征值情况时出现的可能性(即概率),称为对此特征值的保证率。例如在正态分布曲线中,试验结果在小于(4-1.645a)出现的概率为图1一3正态分布概率密度函数5%,即试验结果在大于(-1.645g)出现的保证率为95%。表1-3列举了正态分布曲线的一些特征值和保证率。表1-3正态分布曲线的一些特征值和保证率区段概率(%)特征值保证率(%)-0,4-3a0.134-3a9.87-0,4-202.28μ-2a97.72-0,,4-1.645a4-1.645g95-0,4w015.87J-d84.13=的,050=0,的100000在统计中,常用概率5表午些事件出现的可能性很小。在下节讨论荷载和材料强度的取值中,荷载的标准值和材料的标准强度也是二种特定的特征值。1.1.3结构的功能与可靠度《筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068一2001)指出:结构在规定的设计使用年限内应满足下列功能要求:(1)在正常施工和正常使用时,能承受可能出现的各种作用:(2)在正常使用时具有良好的工作性能:(3)在正常维护下具有足够的耐久性能;(4)在设计规定的偶然事件发生时及发生后,仍能保持必需的整体稳定性。结构在规定的设计使用年限内应具有足够的可靠度。结构可靠度可采用以概率论为基础的极限状态设计方法分析确定。而结构的可靠度是指结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的概率。“规定的时间”是指计算可靠度采用的设计基准期,《规范》规定设计基准期为50年;“规定的条件”是指正常设计,正带施工和正常使用;“预定功能”是指上述四项功能要求,即筑结构的安全性、通用性、耐久性和整体稳定性等要求,并且用概率度量进行定量描述。从可靠度理论的角度考忠,结构的安全程度取决于荷载(作用)在结构中引起的效应S以及结构自身所具有抗力R的关系。而荷载效应S和结构抗力R均非固定数值而为服从一定分布规律的随机变量,如图1-4所示。结构的安全程度取决于效应S和抗力R的相对大小,即二者在图1~4中的相对位置:当R>S时,抗力大于效应,结构安全;当R蜀素村网Z.ZS心.ET
1总5当R=S时,抗力等于效应,结构处于极限状态。应注意的是,结构失效并不一定意味着倒塌、新裂等恶性后果。凡结构未能达到应有使用功能(过大的变形、较宽的裂缝,局部破损、使用年限不足等)的状态,均可视为结构失效。在图1-4中,S和R曲图1-4荷载效应S和结构抗力R和失效概率P,线的交点“处R和S具有相同的概率:图中阴影部分的面积,代表失效的概率。此面积越小,结构就越安全:从可靠度理论的角度看,结构的安全取决于失效概率P,亦即抗力小于效应的概率值P(R率加大时,结构的安全度降低。可靠度理论认为:安全的概念是相对的,所谓“安全”只是失效概率P相对较小而已。失效概率不可能为零,故不存在绝对安全的结构。只要通过设计把失效概率控制在某一个能够接受的限值以下就可以了。1程设计的目标是使安全等级不同的筑物,将失效概率控制在某个可以接受的很小数值内,并使结构的各个部分在各种状态下失效概率大致均衡,即达到“等强度状态”:这种设计原则是比较科学和合理的。例如,通过设开规花整制设使混溪土构件在达到抗弯蛋度的同时,抗剪强度、做固强度、裂缝、变形等也几乎同时达到限值。这样的设计充分利用了材料的抗力,比较经济合理。当然,根据破坏形态(延性、脆性)的差别,失效概率P的限值也应不同。失效概率P,的数值极小表达不便,一般利用统计运算表达为可靠指标B。可靠指标?是由B=-D'(P,)定义的代替失效概率P的指标,其中中'(·)为标准正态分布函数的反函数。《规范》用可靠指标3来度量结构的可靠度。每一可靠指标B对应一固定的失效概率值P,如表1-4所示。表1一4可靠指标与失效橛率可靠清标32.73.23.74.2失效概率p(3.5×10-J6.9×10-41.1×10-41,3×10各种安全等级和破坏状态的可靠指标要求如表1一5所示,对应于延性破坏及脆性破坏,其数值不同。表1-5结构安全等级和可靠指标安全等级破坏后果筑物类型延性破坏脆性破坏-很严熏重要筑物3.74.2二级严重一般筑物3.23.7三级不严亚次要筑物2.73.2蜀素村网Z.ZC.ET
6我国绝大多数安金等级为二级的筑物,可靠指标B=3.23,7,亦即失效概率为0.11%~0.69%。这意味着按《规范》设计的筑结构,在正常情况下可能有0.1%~0.7%达不到规定的功能。如要减小失效概率,则提高抗力(加大R),提高材料的匀质性(减小R的离差):域小简载效应(降低S),都可以达到提高结构安全性的目的。用失效概率P,直接进行结构设计过于复杂,只适刑于特别重要的结构,在极少的情况下才进行。其原理是分别做出荷载(作用)的效应S及结构的抗力R概率分布的数学模式,求得其平均值“和及相应的标准差a.和σ5,则其可靠指标可按下式计算:B=Mn-us(1-7)√ai+a如可靠指标3满足目标可靠度的要求则验算通过:如不满足,可以增加抗力4,减小效应4或控制质量,提高匀质性而减小标准差。a,调整加大3值使其满足要求。1.1.4荷载和材料强度的取值1.1.4.1荷载的取值1.荷载的统计特性近年来,我国对筑结构的各种恒载、几种主要类型的活载进行了大量的调查和实测工作,将所取得的资料和数据进行统计处理,获得了这些简载的概率分布函数及统计参数,并以此作为确定各种简载的代表值、荷载组合,以及进行结构可靠度计算的基础)水久荷载筑麦.NE可检验表明,绝大部分水久荷载的概率分布服从正态分布。2)可变简载可变荷载包括筑结构所承受的楼面活荷载、风荷载、雪荷载以及吊车荷载等。可变荷载随时间因素的变化较大,其随时间的变异可统一用随机过程来描述。对可变荷载随机过程的样本函数经处理之后,即可得到各种可变荷载在任意时点的概率分布和在基准使用期最大值的概率分布。上面提到的几种可变荷载的最大值的概率分布均取为极值型。2.荷载的代表值在结构设计的表达式中,根据不同极限状态的设计要求,需要确定不同的统计值,即对各种荷载规定出其代表值,以作为设计取值的依据。1)荷载标准值各种荷载标准值是筑结构承载能力极限状态设计时采用的荷载基本代表值,即结构于其设计基准期内,在正常情况下可能出现的最大荷载值。永久荷载的标准值一般取实际概率分布的平均值作为其荷载标准值。但是,对于有些自重变异较大的材料或结构构件,其单位重量的确定则应按是否对结构不利来考虑,以决定取单位重量的上限值还是下限值。可变荷载的标准值宜统一·由设计基准期最大荷载概率分布的某一分位数确定,例如若取为设计平均值加1.645倍标准差,即具有95%保证率的上分位值。但实际上月前对很多种可变荷载的调查研究还远远不够,难以估计出其概率分布,而以概率论为基础的极限状态设计法在我国还只是初次应用,为了在设计上和经济指标方面不引起过大的波动,所以其取值不少还沿用或参照了传统习用的数值,例如:我国办公楼和住宅的楼面活荷载标准值在原《筑结构理蜀素村网Z.ZC.WEI
1总则7荷裁规范》(GBJ9一87)中均取为1.5kN/m2,这一数值对于办公楼相当于设计基准期内最大活荷截概率分布的平均值加1.5倍标准差:而对于住宅则只相当于平均值加0.71倍标准差。可见,可变荷载标准值的取值尚未能达到理想的、统一的境地,这两种荷载的取值都够不上95%的保证率,而一般住宅楼面结构的安全性则低于办公楼楼面的安全性。在新《规范》中对此做了调整,取2.0kN/m2。又例如:我国确定标准风荷载的基本风(v)压是按当地比较空旷、平坦的地面,在离地10m高处.以统计得到的50年一遇10min平均最大风速v(m/)为标准,按2/1600确定的fv(o)de-1风压值。图~5为一按极值型分布的风速图像,图中平为保证系数、4v为平均值、o为7722m基本风速(即所规定的最大风速设计值)、曲线下方阴影线以左的面积为保正率.而雪荷载标准值的基本雪压,是按一般空旷、平坦地图1-5风速人,()的图像而上统计得到的30年一遇最大积雪自重为标准而确定的。其他有关可变荷载的标准值,也是参照可能的统计资料或者工程设计的历史经验予以确2)荷我:毯可变荷载的常遇值是指在基准使用期内比较频繁出现的值。荷载常遇值是用子正常使用极限状态中计算构件变形与裂缝时取用的何载设计值。3)荷载准永久值荷载的准永久值是指在基准使用期内几乎随时都可能出现的值,它也是正常使用极限状态中所取用的荷载设计值,是按长期效应组合设计时所采用的荷载代表值。准水久值按在设计基准期内,荷载达到或超过该值的总持续时间与设计基准期的比值而定。荷载的准水久值心为准水久值系数中,与荷载标准值的乘积,即4-餐备e1(1-8)可见,荷载准永久值实质上是考虑到尚载的长期作用效应,而对标准值做了折减。1.1.4,2材料强度标准值f(x)1.645a4材料强度的标准值是一种特征值,可取其概率分布的0.05分位数(具有不小于95%保证率)确定,见图1-6。其表达式为人=4(1-1.6458,(1-9)图1-6材料强度95%保证率示意图式中∫一一材料强度的标准值:材料强度的平均值:8,一一材料强度的变异系数。蜀素村网Z.ZS0.WET
.钢材的强度标准值钢箭虽经科学冶炼和工业生产,但是由于材料的变异性,产品的质量仍然是不够均匀的。为了保证质量,冶金部门规定产品要做抽样检查:在既保证钢材的可靠性又顾及钢厂的经济核算的前提下制定有标准值,称为废品限值,每个抽样试件的屈服强度低于此限值的就是废品,不得按合格品出厂。我国各级热轧钢筋的屈服强度平均值减去两倍标准差所得的数值,约等于冶金部门颁布的各相应纲种州服强度的废品限值,其保证率为97.73%。为使钢筋屈服强度的标准值与其检验标准协调·致,遂将热轧钢筋的强度标准值取为冶金部」颁布的屈服强度废品限值。2.混凝土的强度标准值在结构功能函数的基本变量中,混凝土强度也是正态分布的。混凝土的强度等级是由混凝土立方体抗压强度标准值确定的,即∫=4.一1.645a:,保证率为95%。3.砌体的强度标准值取值同式(1-9)。1.1.5概率极限状态设计方法为了使结构满足预定的功能要求,在设计中应使外界作用下的结构反应不超过某一限度,如内力不超过构件的抗力,变形不超过影响使用的容许值。如果超过了限度,结构就失效:如果控制在限度之内,结构就处于可靠状态。结构可靠与失效的分界标志是“极限状态”。所谓极限状态是指整个结构或构件超过某一特定状态时就不能满足设计规定的某一功能要求,此特定状态称为该劲能的极限费态育国际标准化组织(S0)及我国《筑结构设计统一标准》根据功能的特定要求,将结构的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。前者主要考虑有关结构安全性的功能,后者主要考虑有关结构话用性和耐久性的功能。1..5.1承载能力极限状态当结构或构件达到最大承载力、疲劳破坏或达到不适于继续承线的变形状态时,称该结构或构件达到承截能力极限状态。当结构或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:(1)整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡(如滑移或倾覆等):(2)结构构件或连接因其应力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适于继续承载;(3)结构转变为机动体系而丧失承载能力:(4)结构或构件因达到临界荷载而丧失稳定。1..5.2正常使用极限状态当结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值的状态时,称该结构或构件达到正常使用极限状态。当结构或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局部损坏;(3)影响正常使用的振动:(4)影响正常使用的其他特定状态。设计时通常按承载能力极限状态设计结构或构件以保证安全,再按正常使用极限状态进行校核以保证适用性和耐久性。筑素村网Z.ZC
1总9《筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068一2001)对概率极限状态设计规定,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,区分下列三种设计状况。(1)持久状况:在结构使用过程中一定出现,且持续期很长的状况。持续期一般与设计使用年限为同一数量级(2)短暂状况:在结构施工利和使用过程中出现概率较大,而与设计使用年限相比,持续期很短的状况,如施工和维修等。(3)偶然状况:在结构使州过程中出现概率很小,且持续期很短的状况,如火灾,爆炸,撞击筑结构的三种设计状况应分别进行下列极限状态设计:(1)对三种设计状况,均应进行承载能力极限状态设计:(2)对持久状况,尚应进行正常使用极限状态设计:(3)对短暂状况,可根据需要进行正常使用极限状态设计。下面在“1.2荷载分类和简载效应组合”中将具体介绍关于概率极限状态设计方法。1.2荷载分类和荷载效应组合1.2.1荷载分类和荷载代表值结构上的荷载可分为下列三类:(1)水久荷载,例如结构自重、土压力、预应力等。(2)可少荷载,剑如楼面活荷载屋面活荷载和积灰荷载,吊车荷载、风荷载,雪荷载等。(3)偶然荷载,例如矮炸力撞击力等。注:白電处指材料日身亚食产生的荷我(重力)。筑结构设计时,对不同荷截应采用不同的代表值。对永久荷截应采用标准值作为代表值。对可变荷载应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准水久值作为代表值:对偶然街载应按筑结构使用的特点确定其代表值。水久荷载标准值,对结构自重,可按结构构件的设计尺寸与材料单位体积的自重算确定。对于自重变异较大的材料和构件(如观场制作的保温材料、混凝土薄壁构件等),自重的标准值应根据对结构的不利状态,取上限值或下限值。可变荷载的标准值,按《荷载规范》的规定采用。承截能力极限状态设计或「常使用极限状态按标准组合设计时,对可变荷载应按组合规定采用标准值或组合值作为代表值。可变荷载组合值,应为可变荷载标准值乘以荷载组合值系数。正常使用极限状态按频遇组合设计时,应采用频遇值、准永久值作为可变荷载的代表值:按准水久组合设计时,应采用准水久值作为可变荷载的代表值。可变荷载频遇值应取可变荷载标准值乘以荷载频過值系数」可变荷载准永久值应取可变荷载标准值乘以荷载准永久值系数1.2.2荷载组合筑结构设计应根据使用过程在结构上:可能同时出现的荷载,按承截能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载(效应)组合并应取各自的最不利的效应组合进行设计。蜀素村网Z.Z心.WEI
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