《建筑结构基础与识图》-2.结构设计方法与设计指标教案资料

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1、第二章 结构设计方法与设计指标,本 章 内 容,2.1 建筑结构荷载 2.2 建筑结构设计方法 2.3 建筑结构材料及其设计指标 2.4 建筑结构抗震设防简介,作用：引起结构和构件产生内力、变形和裂缝的各种 原因 结构上的作用按出现方式分为直接作用和间接作用，通常直接作用称为建筑结构的荷载，如结构的自重，风压力，雪荷载 间接作用是指能够引起结构外加变形和约束变形或振动的各种原因，如温度变化，材料的收缩，地基沉降等,2.1 建筑结构荷载,设计基准期结构设计时，为确定荷载代表值以及对与时间有关的材料性能取值时所采用的时间参数。我国的设计基准期为50年。 设计使用年限设计规定的一个时期。该规定时期内

2、，房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用和维护下不需要进行大修就能按其预定目的使用。 设计使用年限分类表,概念：设计基准期和设计使用年限,永久荷载（permanent load） 定义 在结构使用期间，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。 类型 结构自重 = 恒载 土压力， 预应力 基础变位影响力 混凝土收缩及徐变影响力 水的浮力,统计参数与时间无关,可变荷载（variable load） 定义 在结构使用期间，其值随时间变化，且其变化与平均值相比不可以忽略不计的荷载。 特点 统计规律与时间参数有关 随机过程模型 类型 楼面、屋面活荷载、积灰

3、荷载 风荷载、雪荷载 吊车荷载,偶然荷载（accidental load） 定义 在结构使用期间不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载 特点 设计基准期内可能不出现 一旦出现量值很大，持续时间很短 类型 爆炸力 撞击力,罕遇地震是间接作用,= 偶然作用, 偶然荷载,进行结构设计时，对荷载应赋予一个规定的量值，该量值即所谓荷载代表值。 永久荷载采用标准值为代表值，可变荷载采用标准值、组合值、频遇值或准永久值为代表值。设计时应根据不同极限状态的设计要求来确定采用哪一种荷载值。 ,2.1.2 荷载代表值,作用于结构上荷载的大小具有变异性。荷载标准值就是结构在正常使用期间可能出现的最大荷载

4、值,它是荷载的基本代表值。 （1）永久荷载标准值（gk） 永久荷载主要是结构自重及粉刷、装修、固定设备的重量。 由于结构或非承重构件的自重的变异性不大，一般以其平均值作为荷载标准值，即可按结构构件的设计尺寸和材料或结构构件单位体积（或面积）的自重标准值确定。,2.1.2.1 荷载标准值,常用材料单位体积的自重（单位kN/m3）混凝土2224，钢筋混凝土2425，水泥砂浆20，石灰砂浆、混合砂浆17，普通砖18，普通砖（机器制）19，浆砌普通砖砌体18，浆砌机砖砌体19。,例题2-1 楼面做法为：硬木地板（0.2kn/M2)|，20mm厚水泥砂浆找平层，80mm厚钢筋混凝土现浇楼板，钢丝网抹灰吊

5、顶(0.45kn/M2)。试求板的恒载标准值（面积荷载）。 解 自重面积荷载标准值 = 0.2 + 200.02 + 250.08 + 0.45 = 3.05 kN/m2,（2）可变荷载标准值 民用建筑楼面均布活荷载标准值见表2.2（详见P33）。 设计楼面梁、墙、柱及基础时，表中活荷载标准值应按规定折减，详见荷载规范。,2.2.1荷载分类及荷载代表值,（1）可变荷载标准值（民用楼面均布活荷载标准值按下表采用）,2.2.1荷载分类及荷载代表值,（1）可变荷载标准值（民用楼面均布活荷载标准值按下表采用）,2.2.1荷载分类及荷载代表值,注：本表所列各项活荷载适用于一般使用条件，当使用荷载大时，应

6、按实际情况采用。 本表各项荷载不包括隔墙自重和二次装修荷载。,（1）可变荷载标准值（民用楼面均布活荷载标准值按下表采用）,两种或两种以上可变荷载同时作用于结构上时，所有可变荷载同时达到其单独出现时可能达到的最大值的概率极小，因此，除主导荷载（产生最大效应的荷载）仍可以其标准值为代表值外，其他伴随荷载均应以小于标准值的荷载值为代表值，此即可变荷载组合值。 可变荷载组合值可表示为ck。其中c为可变荷载组合值系数，其值按表2.2查取。,2.1.2.2 可变荷载组合值ck,可变荷载准永久值是指在设计基准期内经常达到或超过的荷载值，它对结构的影响类似于永久荷载。 可变荷载准永久值可表示为qk，其中k为可

7、变荷载标准值，q为可变荷载准永久值系数。q的值见表2.2。 例如，住宅的楼面活荷载标准值为2kN/m2，准永久值系数q=0.4，则活荷载准永久值为20.4=0.8kN/m2。,2.1.2.3 可变荷载准永久值qk,可变荷载频遇值是指在设计基准期内被超越的总时间仅为设计基准期一小部分的荷载值。 可变荷载频遇值可表示为fk。其中f为可变荷载频遇值系数，其值按表2.2查取。,2.1.2.4 可变荷载频遇值fk,荷载的代表值是结构或构件设计时采用的荷载取值，它包括标准值、准永久值和组合值等。设计时应根据不同极限状态的设计要求来确定采用哪一种荷载值。1荷载标准值（GK、QK）。荷载的基本代表值，是结构设

8、计按各类极限状态设计时所采用的荷载代表值。2荷载组合值（qQx）。是当结构承受两个或两个以上可变荷载时，承载能力极限状态按基本组合设计及正常使用极限状态按短期效应组合设计所采用的荷载代表值。3荷载准永久值（cQK）。,是正常使用极限状态长期效应组合设计时所采用的荷载代表值。因此，永久荷载只有标准值作为它的唯一代表值，而可变荷载的代表值则除了标准值外，还有组合值和准永久值。结构自重的标准值，可按设计尺寸与材料的标准容重计算。可变荷载的标准值QK，应根据荷载的观测和试验数据，并考虑工程经验，按设计基准期最大荷载概率分布的某一分位值确定，设计时可按荷载规范采用。荷载组合值系数c应根据两个或两个以上可

9、变荷载在设计基准期内的相遇情况及其组合的最大荷载效应概率分布，并考虑结构构件可靠指标具有一致性的原则确定。,2.2 建筑结构设计方法,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。,2.2.1 结构的功能及其极限状态,2.2.1.1 结构的功能要求,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

10、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，钢筋混凝土构件的钢筋不致因保护层过薄或裂缝过宽而锈蚀等。,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”。所谓结构的极限状态，是指结构或构件满足结构安全性、适用性、耐久性三项功能中某一功能要求的临界状态。 超过这一界限，结构或其构件就不能满足设计规定的该功能要求，而进入失效状态。,2.2.1.2 结构功能的极限状态,（

11、1）承载能力极限状态 这种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。 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（柱子被压曲等）。,（2）正常使用极限状态 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

12、常使用的振动；影响正常使用的其他特定状态等。,作用效应是指结构上的各种作用，在结构内产生的内力（轴力、弯矩、剪力、扭矩等）和变形（如挠度、转角、裂缝等）的总称，用S表示。由直接作用产生的效应，通常称为荷载效应。 结构抗力是结构或构件承受作用效应的能力，如构件的承载力、刚度、抗裂度等，用R表示。结构抗力是结构内部固有的，其大小主要取决于材料性能、构件几何参数及计算模式的精确性等。,2.2.1.3 结构的功能函数,结构的功能函数,（1）作用效应 S,作用（荷载）对结构产生的各种效应，如弯矩、剪力、轴力、变形、裂缝等 M V N f w,结构构件抵抗各种作用效应的能力。如抗弯、抗剪、抗压、抗拉、抗扭

13、承载力以及抗变形、抗裂缝的能力。,（2）结构抗力 R,结构的工作性能可用结构功能函数Z来描述。为简化起见，仅以荷载效应S和结构抗力R两个基本变量来表达结构的功能函数，则有 Z = g(S,R) = R - S（2.1）,实际工程中，可能出现以下三种情况： 当0时，结构处于可靠状态； 当0时，结构处于失效状态； 当0时，结构处于极限状态。 关系式（S，R）RS0称为极限状态方程。,有一农夫，能肩挑300斤当给他300斤的担子时，效应刚好等于抗力；当给他100斤的担子时，效应小于抗力；当给他400斤的担子时，效应大于抗力。,挑担子与结构功能函数,实际工程中，可能出现以下三种情况,2.3 建筑结构概

14、率极限状态设计法,结构的功能函数,结构构件重要性系数一级=1.1、二级=1.0、三级=0.9,按承载能力极限状态设计的实用表达式,上节复习,2. 1 建筑结构荷载,永久荷载,可变荷载,偶然荷载,永久荷载代表值,对结构不利取上限,平均值,最大值（上限）,最小值（下限）,单位重量变异,尺寸变异,标准值Gk或gk为代表值,一般取平均值为标准值,变异较大时,对结构有利取下限,可变荷载代表值,可变荷载与时间参数有关，随时在变化，属于随机过程,可变荷载标准值,可变荷载组合值,可变荷载频遇值,可变荷载准永久值,2.2.1荷载分类及荷载代表值,（1）可变荷载标准值（民用楼面均布活荷载标准值按下表采用）,整个结

15、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状态。,极限状态,建筑结构极限状态,承载能力极限状态,整个结构或结构的一部分作为刚体失去平 衡(如倾覆等),2009年6月上海倒楼事件,结构构件或连接因超过材料强度而破坏 (包括疲劳破坏)，或因过度变形而不适于 继续承载,承载能力极限状态,结构转变为机动体系,承载能力极限状态,结构或结构构件丧失稳定(如压屈等),承载能力极限状态,日本阪神地震某钢结构柱间支撑压屈失稳,承载能力极限状态,地基丧失承载能力而破坏(如失稳等),1964年日本新泻地震引起地基液化使建筑严重倾斜,正常使

16、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。,2.2.3 极限状态设计表达式-极限状态方程,结构的功能函数,结构构件重要性系数一级=1.1、二级=1.0、三级=0.9,按承载能力极限状态设计的实用表达式,极限状态设计表达式,建筑结构极限状态设计表达式,承载能力极限状态下的设计表达式,1）由可变荷载效应控制的组合,2）由永久荷载效应控制的组合,承载能力极限状态下的设计表达式,按永久荷载标准值 计算的荷载效应值,按可变荷载标准值计算的荷载效应值,可变荷载效应中的最大值,永久荷载分项系数,第i个可变荷载的分项系数,第1个可变荷载的分项系数,可变荷载的组合值系数,1）由可变荷载效应控制的组合,2）由永久荷载效应控制的组合,恒荷载效应设计值,活荷载效应设计值,承载能力极限状态下的设计表达式,当只有一个可变荷载时S1与S2的界限,【例2.1】某办公楼钢筋混凝土矩形截面简