混凝土教程第10章剖析

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1、1,第10章 混凝土结构设计的一般原则和方法,第10章 混凝土结构设计的 一般原则和方法 1.了解建筑结构的组成和类型；了解建筑结构设计的步骤、内容和一般原则。 2.理解建筑结构上的作用和荷载的定义，荷载分类及其四种代表值；掌握竖向荷载、雪荷载与风荷载的计算方法。 3、理解建筑结构的功能要求和极限状态。 4、理解建筑结构按近似概率极限状态设计法的思路及其实用设计表达式。,2,第一节 建筑结构设计的一般原则,第二节 建筑结构荷载,第三节 结构的功能要求和极限状态,第四节 按近似概率的极限状态设计法,第五节 实用设计表达式,第一节 建筑结构设计的一般原则 一、建筑结构的定义和类型 定义：将建筑物自

2、身及其在使用中所产生的荷载或作用传递给地基的一种设施。也可延伸定义为，在一个空间中，由各种材料建造的结构构件通过正确的连接，能承受并传递自然界和人为的各种作用，并能形成使用空间的受力承重骨架。 按用途分为：工业建筑结构和民用建筑结构 按体型和高度分为：单层结构、多层结构、高层结构和大跨结构等 按材料分为：混凝土结构、钢结构、砌体结构、木结构、混合结构等 按结构形式分为：排架结构、框架结构、墙体结构、筒体结构、拱结构、网架结构、壳体结构、索结构、膜结构等。,建筑结构是建筑物的受力主体，以室外地面为界，分为上部结构和下部结构。 上部结构：由水平结构体系和竖向结构体系组成。 水平结构体系：指各层的楼

3、盖和顶层的屋盖。 竖向结构体系：承受由楼、屋盖传来的竖向力和水平力并将其传给下部结构。也叫抗侧力结构体系。,下部结构：由地下室和基础等组成，作用是把上部结构传来的力可靠传给天然地基或人工地基。 建筑物的结构类型通常以上部结构中竖向结构体系的结构类型进行命名。如按材料分：砌体结构、混凝土结构、钢结构、组合结构和混合结构等。 按竖向结构体系分：框架结构、排架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构和筒体结构。,混凝土结构 混凝土结构是以混凝土为主要材料制成的结构，包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构及配置各种纤维的混凝土结构等。 1824年，英国阿斯普丁发明水泥，1850年法国人制造钢筋混

4、凝土小船。 素混凝土主要承受压力。如基础、重力式挡土墙等。 钢筋混凝土承受压力、拉力、弯矩、剪力和扭矩等，如梁、板、柱、墙等。 预应力混凝土结构适用于大跨、荷载重、有抗裂要求的结构。,单层混凝土建筑结构用于单层工业厂房、仓库、食堂、影剧院等。 多层建筑混凝土结构指29层或房屋高度不大于28m的住宅和房屋高度不大于24m的其他民用建筑。 高层建筑混凝土结构指10层及10层以上或房屋高度大于28m的住宅和房屋高度大于24m的其他民用建筑。,钢-混凝土组合结构是广义的混凝土结构，由型钢和混凝土或钢筋混凝土相组合而共同工作的一种结构形式，兼有钢结构和钢筋混凝土结构的一些特性。钢管混凝土结构、型钢混凝土

5、组合结构、钢-混凝土组合梁是组合结构的典型形式。 楼盖和屋盖按施工方法分为现浇式、装配式和装配整体式三种。现浇式分为单向板肋梁楼盖、双向板肋梁楼盖、无梁楼盖、密肋楼盖、井式楼盖等。装配整体式混凝土楼盖是在装配式混凝土铺板上再浇筑混凝土现浇层，以加强其整体性。,混凝土结构的基础均采用钢筋混凝土基础，如柱下单独基础、条形基础、十字交叉基础、筏形基础、箱形基础以及桩基础等。 大跨结构用于体育馆、展览馆、会堂等公共建筑，屋盖一般采用网架、网壳、斜拉、悬索等钢结构形式，以便形成较大的空间，而其竖向承重结构和下部基础一般均采用钢筋混凝土构件。,二、建筑结构设计阶段和内容 工程项目建设程序是指工程项目从策划

6、、评估、决策、勘察、设计、施工到竣工验收、投入生产或交付使用的整个建设过程中，各项工作必须遵循的先后工作次序。 工程建设包括：工程勘察、工程设计和工程施工。 建筑结构设计分为：初步设计、技术设计和施工图设计。,结构设计的基本内容 1、结构方案设计：结构选型、结构布置、构件截面尺寸的估算 2、结构分析 3、荷载效应组合 4、结构构件及其连接构造的设计 5、施工图绘制,对结构设计人员的要求 1、熟悉设计规范和标准 2、掌握各种结构体系的受力特点、传力途径、适用范围、计算方法、经济特性等。特别是结构的力学计算分析时结构设计的关键，满足力的平衡条件、几何变形条件和本构关系是确保结构分析计算正确的前提。

7、,3、重视结构概念设计和构造要求，结构概念设计和构造要求有时甚至比设计计算更为重要。 4、设计图纸应能以最简洁的图纸充分表达设计意图，并能易于使施工人员理解和接受。,三、建筑结构设计的一般原则 安全、适用、耐久和经济合理。,3,第二节 建筑结构荷载 一、结构上的作用与荷载 1.作用的概念 作用是指使结构产生内力或变形的原因,一般用Q表示,可分为 直接作用：指施加在结构上的集中力或分布力，如结构自重、楼（屋）面活荷载、风荷载等。 间接作用：指能够引起结构外加变形或约束变形的原因，如混凝土收缩、温度变化、基础的差异沉降、地震等引起结构外加变形或约束的原因。,4,2. 荷载分类 永久荷载又称永久荷载

8、（恒荷载），是指在设计基准期内量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用。例如，结构自重、土压力等。 设计基准期是为确定作用及与时间有关的材料性能取值而选定的时间参数，我国采用的设计基准期为50年。 可变荷载又称可变荷载（活荷载），是指在设计基准期内量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。例如，楼（屋）活荷载、吊车荷载、风荷载等。,5,偶然荷载是指在设计基准期内不一定出现，而一旦出现，则其量值很大，且持续时间很短的作用。例如，地震作用、爆炸力、撞击力等。 二、荷载的代表值 荷载代表值是在结构设计中采用的荷载数值，包括：标准值、组合值、频遇值和准永久值 1.荷载标准值

9、荷载标准值是指设计基准期内最大作用概率分布的其一分位值。它是荷载的基本代表值。 荷载标准值通过统计分析确定，对一般的荷载，其标准值Qk可取,6,Qk=Qm+Q 式中 Qm作用的平均值； 作用的保证率系数，当=0时，保证 率为50%，分位数为0.5；当=1.645 时，保证率为95%，分位数为0.95： Q作用的标准差。 结构自重按结构构件的设计尺寸和材料重力密度计算确定（钢筋混凝土的重力密度可取25kN/m3）。作用在结构上的各种可变荷载标准值按荷载规范的规定采用。,7,2.荷载组合值 荷载组合值是指当两种或两种以上可变荷载同时作用在结构上时，考虑到它们同时达到其标准值的可能性较小，故除产生最

10、大作用效应的主导作用外，其他可变作用标准值均乘以小于1.0的组合值系数c作为代表值，称为组合值。c可查荷载规范。 3.荷载频遇值 对可变荷载，在设计基准期内，其被超越的总时间仅为设计基准期一小部分的作用值；或其超越频率为某一给定频率的作用值。可变荷载频遇值由可变荷载标准值乘以频遇系数 f得到。f可查荷载规范。,8,4.荷载准永久值 对可变荷载，在设计基准期内，其被超越的总时间为设计基准期一半的作用值。它对结构的影响相当于永久作用。可变荷载准永久值由可变荷载标准值乘以准永久值系数q得到。q可查荷载规范。 三、作用效应 作用效应是指由各种作用引起的结构或构件的反应，用表示。例如，内力、变形和裂缝等

11、。,9,作用效应应通过统计分析进行确定。一般情况下，结构上的作用为荷载，荷载效应与荷载Q之间可近似按线性关系考虑，即 CQ C 为荷载效应系数，可通过结构力学分析确定，对承受均布荷载作用的简支梁,楼、屋面荷载分为竖向恒荷载和竖向活荷载。 恒荷载包括：结构自重、附加在结构上的恒荷载。,四、竖向荷载,10,民用建筑楼面均布活荷载：当楼面梁的从属面积超过一定值时，计算楼面梁内力时应乘以折减系数0.9. 工业建筑楼面均布活荷载 屋面活荷载 雪荷载：以一般空旷平坦地面上统计的50年一遇重现期的最大积雪自重给出。 风荷载：基本风压以当地空旷平坦地面上10m高处10min的平均风速观测数据，经概率统计得到的

12、50年一遇的最大风速。,13,第三节 结构的功能要求和极限状态 一、结构的功能要求 安全等级： 根据建筑结构破坏后果的影响程度，分为三个安全等级：破坏后果很严重的为一级（重要的建筑物）、严重的为二级（一般的建筑物）、不严重的为三级（次要的建筑物）。 在近似概率理论的极限状态设计法中，结构安全等级通过结构重要性系数体现。,结构设计使用年限分类,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。,14,结构的功能包括以下三个方面的内容： 1）安全性 建筑结构在正常施工和正常使用时能够承受可能出现的各种作用，以及在设计规定的偶然事件（如强烈地震、爆炸等）发生时及发生后，

13、仍能保持必需的整体稳定性。 2）适用性 建筑结构在正常使用时具有良好的工作性能，不出现影响正常使用的过大变形和过宽裂缝。,15,第二章 结构设计基本原则,3）耐久性 建筑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风化等影响结构使用寿命的现象。 安全性、适用性和耐久性总称为结构的可靠性。即结构在规定的设计使用年限内，在正常设计、正常施工、正常使用和正常维护条件下，完成预定功能的能力。结构的可靠性可用概率来度量，即结构完成预定功能的概率，称为结构的可靠度。,二、结构极限状态 1. 定义 结构能完成预定功能的可靠状态与其不能完成预定功能的失效状态的界限，称为极限状态。或者说，结构或构

14、件超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，则此特定状态称为该功能的极限状态。 2.分类 （1）承载能力极限状态 当结构或其构件达到最大承载力，或达到不适于继续承载的变形时，称该结构或其构件达到承载能力极限状态。,结构或其构件出现下列状态之一时，就认为超过了承载能力极限状态。 1 )结构发生滑移、倾覆或漂浮等不稳定情况。 2 )结构构件因材料强度（包括疲劳强度）不足而发生破坏。 3 )结构或构件因产生过大的塑性变形而不适用于继续承载。 4 )结构形成机动体系而丧失承载能力。 5 )结构或构件丧失稳定。,（2）正常使用极限状态 当结构或其构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值时，称该结

15、构或其构件达到正常使用极限状态。 结构或其构件出现下列状态之一时，就认为超过了正常使用极限状态。 1 )变形过大，影响正常使用和外观。 2 )裂缝较宽，影响耐久性或使人心理上产生不可接受的感觉。 3 )振动过大，影响正常使用。,16,三、极限状态方程 结构完成预定功能的工作状态用结构的功能函数Z来描述，S荷载效应，R结构抗力，即 Z = RS,当Z0时，即结构抗力R大于作用效应S时，则结构能完成预定的功能，处于可靠状态； 当Z0时，即结构抗力R小于作用效应S时，结构不能完成预定的功能，处于失效状态； 当Z=0时，即结构抗力R等于作用效应S时，则结构处于极限状态。,17,因此，结构可靠工作的基本条件为： Z0 或 R,结构的功能函数Z的分布曲线如图所示。图中，纵坐标轴以左（Z0的阴影面积即为结构的失效概率f,纵坐标轴以右（0）的分布曲线与横坐标Z轴所围成的面积即为结构的可靠概率Ps。,18,结构的失效概率Pf与可靠概率S的关系为 PS +f =1 或PS =1f 因此，可采用结构的失效概率f或者是结构的可靠概率PS来度量结构的可靠性。一般采用失效概率f来度量结构的可靠性，只要失效概率f足够小，则结构的可靠性必然高。,四、结构的可靠指标 计算失效概率f较复杂，故引入可靠指标代替失效概率f来度量结构的可靠性。,19,可靠指标为结构的功能函数Z的平均值z与其标准差z之比，即,即z=z