建筑结构设计基本原理.ppt

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1、第二章 建筑结构荷载与设计方法,2.1设计基准期和设计使用年限,设计基准期结构设计中所采用的荷载统计参数和与时间有关的材料性能取值时所采用的时间参数。我国采用的设计基准期为50年。,设计使用年限 结构设计所规定的一个时期。即在这一规定的时期内，房屋建筑在正常设计、正常施工和正常使用维护下不需要进行大修就能按其预定的目的使用。,设计使用年限对特别重要的建筑物和纪念性建筑为100年，一般的建筑物与构筑物为50年，易于替换的结构构件为25年，临时性的建筑物为5年。设计使用年限不同于设计基准期的概念。但对于一般建筑和构筑物，设计使用年限和设计基准期一般为50年。,2.2 结构设计的基本概念,三个重要概

2、念,结构上的作用施加在结构上的集中力或分布力（直接作用，也称为荷载）和引起结构外加变形或约束变形的原因（间接作用）。作用效应S由于直接作用或间接作用作用于结构构件上，在结构内产生的内力和变形(如轴力、弯矩、剪力、扭矩、挠度、转角和裂缝等)。结构抗力R结构或结构构件承受内力和变形的能力(如构件的承载能力、刚度等)。它与材料性能、构件尺寸和计算模式等有关。结构上的作用、作用效应、结构抗力均是随机变量。,2.2.2作用的分类一、按随时间的变异分类 永久作用 在设计基准期内其量值不随时间 变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用。可变作用 在设计基准期内其量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽

3、略的作用。偶然作用在设计基准期内出现或不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用。,二、按随空间位置的变异分类 固定作用在结构空间位置上具有固定分布的 作用。可动作用在结构空间位置上的一定范围内可 以任意分布的作用。三、按结构的反应分类 静态作用使结构产生的加速度可忽略不计的 作用。动态作用使结构产生的加速度不可忽略的作 用。,荷载的代表值,建筑结构设计时，对不同荷载应采用不同的设计值。对永久荷载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、频遇值或准永久值作为代表值；对偶然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表值。,一、永久荷载的代表值,永久荷载的代表值只有标准

4、值。对于结构自重，可按结构构件的设计尺寸和材料单位体积（或单位面积）的自重计算。常用材料的构件自重可取：素混凝土：24kN/m2，钢筋混凝土：25 kN/m2。对于某些自重变异较大的材料构件，可根据对结构的不利状态，取上限值或下限值。,二、可变荷载代表值,标准值 荷载的基本代表值，是指结构在其使用期间,正常情况下可能出现的最大荷载值。荷载频遇值 是正常使用极限状态按频遇组合设计采用的一种可变荷载代表值。其值在设计基准期内经常达到或超过的值。,荷载准永久值 是正常使用极限状态按准永久组合和频遇组合设计采用的一种可变荷载代表值，考虑荷载的持久性对结构的影响。其值在设计基准期内被超过的总时间为设计基

5、准期的一半。荷载组合值 考虑施加在结构上的各可变荷载不可能同时达到最大值，因此取值不仅与荷载本身有关，而且与荷载效应组合所采用的概率模型有关。,结构构件的材料强度,一、材料强度标准值 是结构设计时采用的材料强度性能的基本代表值，具有不小于95的保证率的材料强度值称为材料强度标准值。1.钢材的强度标准值 规范将热轧钢筋的 强度标准值取为冶金部门颁布的屈服强度废品限值，其保证率为97.73。2.混凝土的强度标准值 取保证率为95%的强度值为混凝土强度标准值。,二、材料强度的设计值 是用于承载力计算时的材料强度代表值，它与材料强度标准值的关系如下：材料强度的设计值=材料强度标准值/材料强度的分项系数

6、,混凝土材料强度分项系数rC,rC=1.4,钢筋材料强度分项系数rS,rS=1.1 1.2,2.3建筑结构的设计方法,结构设计方法的演变一、容许应力法（建国前及建国初期）建立在弹性理论基础上的设计方法，没有考虑材料的非线性性能，忽视了结构实际承载能力与按弹性方法计算结果的差异。二、破损阶段设计法（使用前苏联规范）考虑在使用阶段塑性应力分布后结构构件截面承载力不小于外荷载产生的内力并乘以按安全系数，但安全系数凭经验确定。,三、极限状态设计法（1966、1974年编制的规 范）在安全度的表达上有单一系数和多系数形式，考虑了荷载的变异、材料性能的变异及工作条件的不同。四、概率极限状态法（1984年编

7、制的规范）以概率理论为基础，视作用效应和影响结构抗力的主要因素为随机变量，根据统计分析确定可靠概率来度量结构可靠性的结构设计方法。,结构功能要求1.安全性 建筑结构在其设计使用年限内应能够承受可能出现的各种作用。且在设计规定的偶然事件发生时及发生后，结构应能保持必需的整体稳定性，不致倒塌。2.适用性 建筑结构在其设计使用年限内应能满足预定的使用要求，有良好的工作性能，其变形、裂缝或振动等性能均不超过规定的限度等。3.耐久性 建筑结构在其设计使用年限内应有足够的耐久性。例如保护层厚度不得过薄、裂缝不得过宽而引起钢筋锈蚀等。,结构的极限状态,结构的极限状态指整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就

8、不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。建筑结构可靠度设计统一标准将结构的极限状态分为两类：承载能力极限状态及正常使用极限状态。,承载能力极限状态 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。(1)整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡，如雨篷压重不足而倾覆、烟囱抗风不足而倾倒、挡土墙抗滑不足在土压力作用下而整体滑移等(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)，如轴心受压构件中混凝土达到了轴心抗压强度、构件的钢筋因锚固长度不足而被拔出等；或因变形过大而不适于继续承受荷载。(3)结构转变为机动体系，如构件发生三铰共线而形成机动体系，丧失承载能力。

9、(4)结构或构件丧失稳定，如细长柱到达临界荷载后压屈失稳而破坏。,正常使用极限状态 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。(1)影响正常使用或外观的变形，如吊车梁变形过 大导致吊车不能正常行驶、梁挠度过大影响外观等。(2)影响正常使用或耐久性能的局部损坏，如水池池壁开裂漏水不能正常使用、如裂缝过宽导致钢筋锈蚀等。(3)影响正常使用的振动，如由于机器振动而导致结构的振幅超过按正常使用要求所规定的限位等。(4)影响正常使用的其它特定状态，如相对沉降量过大等。,功能函数与极限状态方程,结构构件完成预定功能的工作状态，可用下列结构功能函数Z来描述,若功能函数Z仅与荷载效应S和结构抗力R有

10、关时，结构极限状态方程可写为：Z=RS=0 当Z0时，结构处于可靠状态，当Z0时，结构处于极限状态，当Z0时，结构处于失效状态。,结构可靠度、失效概率与可靠指标 结构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，即结构可靠度是结构可靠性的概率度量。结构可靠性是指结构在规定的时间内(即设计使用年限)，在规定的条件下(结构正常的设计、施工、使用和维修条件)，完成预定功能(如承载力、刚度、稳定性、抗裂性、耐久性和动力性能等)的能力。,结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定的功能的概率，称为结构可靠度。用Ps表示。结构不能完成预定功能，即Z0或RS的概率即为失效概率。用Pf表

11、示。Ps+Pf=1。一般用Pf 度量结构的可靠度，具有明确的物理意义，但计算Pf比较复杂，一般用可靠指标度量结构的可靠性。,一、目标可靠指标 建筑结构可靠度设计统一标准标准对一般工业与民用建筑结构所规定的、作为设计依据的可靠指标，称为目标可靠指标。,目标可靠指标及安全等级,二、结构的安全等级 在进行建筑结构的设计时，应根据结构破坏可能产生的各种后果(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，见下表。,建筑结构安全等级,2.4实用设计表达式,混凝土结构实用设计方法：采用以概率理论为基础的极限状态设计方法；以可靠指标度量结构的可靠度；采用以分项系数的设计表达式。所有

12、混凝土结构进行承载能力计算，必要时进行结构的倾覆和滑移验算；使用上不允许出现裂缝的构件进行抗裂度验算，使用上允许出现裂缝的构件进行裂度宽度验算，使用上需控制变形的构件进行变形验算。,承载能力极限状态设计表达式,S承载能力极限状态的荷载效应(内力)组 合的设计值。对于承载能力极限状态，结构构件应按荷载效应的基本组合进行计算，必要时尚应按荷载效应的偶然组合进行计算。对于基本组合，其内力组合设计值可按以下两公式中最不利值确定：,由可变荷载效应控制：,由永久荷载效应控制：,对于一般排架和框架结构，可采用下列简化公式：,G 永久荷载分项系数，当永久荷载效应对 结构构件的承载能力不利且可变荷载起 控制作用

13、时,取1.2;当永久荷载效应对 结构构件的承载能力不利且永久荷载起 控制作用时,取1.35;当永久荷载效应对 结构构件的承载能力有利时,不应大于 1.0。SGk按永久荷载标准值Gk计算的荷载效应值Qi第i个可变荷载分项系数，一般情况取 1.4，对标准值大于4kN/m2的工业厂房 楼面活荷载取1.3。,SQik按可变荷载标准值Qik计算的荷载效应值，其 中SQ1k为所有可变荷载中起控制作用的。ci可变荷载的组合值系数，按荷载规范的规定 使用。n参与组合的可变荷载数。O结构构件的重要性系数，与安全等级对应，安 全等级为一级或设计使在100年及以上的结构 构件不应小于1.1；安全等级为二级或设计使用

14、 年限在50年的结构构件不应小于1.0；安全等级 为三级或设计使用年限在5年及以下的结构构 件不应小于0.9。,考虑地震效应作用的基本组合,式中G 重力荷载分项系数，一般取1.2;当重力荷载效应对结构构件的承 载能力有利时,不应大于1.0。Ek、Ev水平、竖向地震作用分项系数，仅计算水平地震作用时，Ek=1.3，Ev=0；仅计算竖向地震作用时，Ek=0，Ev=1.3；同时计算水平和竖向地震作用时，Ek=1.3，Ev=0.5。,SGE重力荷载代表值的效应。SEhk、SEvk水平地震作用和竖向地震作 用标准值的效应。W风荷载分项系数，一般取1.4;。Swk风荷载标准值的效应。w风荷载组合值系数，一般结构取0，风 荷载起控制作用的高层建筑应取0.2.,正常使用极限状态设计表达式,一般表达式 SC C设计对变形、裂缝等规定的相应限值。S变形、裂缝等荷载效应设计值。标准组合：准永久组合：频遇组合：,