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1、第2章 结构设计方法与设计指标,2.1 建筑结构荷载,2.2 建筑结构的设计方法,2.3 建筑结构材料的设计指标,2.4 建筑结构抗震设防简介,21 建筑结构荷载,一、结构上的作用 建筑结构在施工和使用期间，要承受其自身和外加的各种作用，这些作用在结构中产生不同的效应（内力和变形）。这些能使结构产生效应（结构或构件的内力、应力、位移、应变裂缝等）的各种原因通称为结构上的作用。 按出现的方式不用，可将结构上的作用分为直接作用和间接作用。,1.直接作用 直接作用是指直接以力的不同集结形式（集中力或均匀分布力）施加在结构上的作用，通常也称为结构的荷载。例如结构的自重、楼面人群及物品重量、土压力、风压
2、力、雪压力、积灰、积水等。 2.间接作用 间接作用是指能够引起结构外加变形、约束变形或振动的各种原因。间接作用并不是直接以力的形式施加在结构上，例如地基的不均匀沉降、温度变化、材料的收缩和膨胀变形等。,二、荷载的分类 （一）按其随时间的变异性可分为： 1.永久荷载 永久荷载是指结构在设计使用期间，其值不随时间变化，或其变化幅度与平均值相比可以忽略不计的荷载。例如结构自重、土压力、预应力等，永久荷载也称为恒荷载。,2.可变荷载 可变荷载是指结构在设计使用期间，其值随时间变化，且其变化幅度与平均值相比不可忽略的荷载。例如楼面活荷载、积灰荷载、屋面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等，可变荷载也称为活
3、荷载。 3.偶然荷载 偶然荷载是指结构在设计使用期间可能出现，但不一定出现，而一旦出现，其持续时间很短但量值很大的荷载。例如地震力、爆炸力、撞击力等。,（二）按荷载的作用范围分： 1.集中荷载 集中荷载是指荷载的作用面积与结构的尺寸相比很小，可将其简化为作用于一点的荷载，单位是kN或N。例如梁传给柱子的力、次梁传给主梁的力都可看作集中荷载。 2.分布荷载 分布荷载是指荷载连续地分布在整个结构或结构某一部分上。其中分布荷载又包括体荷载、面荷载、线荷载。,体荷载是指分布在物体的体积内的荷载，单位是N/mm3或kN/m3，常用表示。 面荷载是指分布在物体表面的荷载，单位是N/mm2或kN/m2，常用
4、p表示。 线荷载是指将面荷载、体荷载简化成连续分布在一段长度上的荷载，单位是N/mm或kN/m，常用q表示。 三种荷载的转化！,例如，某矩形钢筋混凝土梁，bh = 250mm500mm，计算跨度 = 7m。查表2-1取钢筋混凝土自重 ，试计算梁的自重荷载W及沿计算长度的均布线荷载q。 解：1）梁的自重荷载W： 2）沿计算长度梁自重的均布线荷载q： 或,三、荷载的代表值,建筑结构设计时，根据不同极限状态的设计要求所采用的荷载量值称为荷载代表值。 对永久荷载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,1.荷载标准值 荷载标准值是指结构在正常使用情
5、况下，在其设计基准期（50年）内可能出现的最大荷载值。 永久荷载标准值（Gk），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计算确定。对常用材料和构件可参荷载规范附录A 采用。表2-1列出部分常用材料和构件自重。,三、荷载的代表值,可变荷载标准值（Qk）是根据观测资料和实验数据，并考虑工程实践经验而确定，可由荷载规范各章中的规定确定。表2-2列出部分民用建筑楼面均布活荷载标准值。,2.可变荷载组合值c Qk 当结构上同时作用两种或两种以上可变荷载时，可变荷载同时达到其标准值的可能性较小，因此要考虑其组合值。除其中产生最大效应的荷载（主导荷载）仍取其标准值外，其他伴随的可变荷载均采用小
6、于其标准值的组合值为代表值。这种经调整后的可变荷载代表值，称为可变荷载组合值。 荷载规范规定，可变荷载组合值用可变荷载的组合系数c（c1）与相应的可变荷载标准值Qk的乘积来确定，即c Qk，c取值参见表2-2。,3.可变荷载频遇值f Qk 可变荷载频遇值是指可变荷载在设计基准期内，其超越的总时间为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值。可变荷载频遇值是针对结构上偶尔出现的较大荷载，具有较短的总持续时间或较少的发生次数的特性。 荷载规范规定，可变荷载频遇值应取可变荷载标准值Qk乘以荷载频遇值系数f（f1），即f Qk，f取值参见表2-2。,4.可变荷载准永久值q Qk 可变荷载准永久值是指可
7、变荷载在设计基准期内，其超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值。可变荷载准永久值是针对在结构上经常作用的可变荷载，即在规定的期限内，该部分可变荷载具有较长的总持续时间，对结构的影响类似于永久荷载。 荷载规范规定，可变荷载准永久值应取可变荷载标准值Qk乘以荷载准永久值系数q，即q Qk，q取值参见表2-2。,四、荷载效应 作用效应（S）是指各种作用在结构上的内力（弯矩、剪力、轴力、扭矩等）和变形（绕度、扭转、弯曲、拉伸、压缩、裂缝等）。当作用为荷载时，引起的效应称为荷载效应。 一般情况下，荷载效应（S）与荷载（Q）的关系式如下 S= CQ (3-1) 式中 C荷载效应系数，由力学分析确定； Q某
8、荷载代表值； S与荷载Q相应的荷载效应。,32 建筑结构的设计方法,一、结构的功能要求 建筑结构的功能要求包括：安全性、适用性和耐久性。 1.安全性 安全性是指结构在正常施工和正常使用条件下，能承受可能出现的各种作用，在偶然事件发生时和发生后，结构仍能保持必需的整体稳定性，即结构仅产生局部损坏而不发生倒塌。,2.适用性 适用性是指结构在正常使用条件下，具有良好的工作性能。例如不发生影响使用的过大变形、振幅和裂缝等。 3.耐久性 耐久性是指结构在正常维护条件下，具有足够的耐久性，能够使用到预定的设计使用年限。例如钢筋不发生严重锈蚀、混凝土不发生严重风化和腐蚀等。 安全性、适用性和耐久性统称为结构
9、的可靠性。（可靠度、设计基准期）,二、结构的极限状态 结构能够满足设计规定的某一功能要求且能够良好的工作，我们称之为该功能处于可靠状态；反之，称之为该功能处于失效状态。这种“可靠”与“失效”之间必然存在某一特定的界限状态，此特定状态称为该功能的极限状态。,三、极限状态的设计表达式 （一）极限状态方程 结构和结构构件的工作状态可以用作用效应S和结构抗力R的关系式来描述： (3-2) 式中 Z结构极限状态功能函数； R结构抗力; S荷载效应.,（二）承载力极限状态实用设计表达式 1.设计表达式 承载能力极限状态设计时应采用下列表达式: 式中 结构件的重要性系数； 承载能力极限状态的荷载效应组合设计
10、值； 结构构件的抗力设计值。,2.结构构件的重要性系数 我国建筑结构可靠度设计统一标准将建筑结构划分为三个安全等级，设计时应根据具体情况，按表3-4的规定选用适当的安全等级。,3.荷载效应组合设计值 对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从下列组合中取最不利值确定： （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：,式中 永久荷载的分项系数； 、 第一个和第i个可变荷载分项系数； 按永久荷载标准值计算的荷载效应值 、 起控制作用的第一个可变荷载荷载标准值 和第i个可变荷载标准值 计算的荷载效应； 第i个可变荷载的组合值系数。,（三）正常使用极限状态实用设计表达式 1.设计表达
11、式 正常使用极限状态按下列设计表达式进行设计： (3-6) 式中 正常使用极限状态的荷载效应组合值； 结构或结构构件达到正常使用要求的规定限制（如变形、裂缝、应力等限值），按有关规定采用。,2.荷载效应组合设计值 对正常使用状态的荷载效应组合时，应根据不同设计目的，分别按荷载效应的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计。 （1）荷载的标准组合： （2）荷载的频遇组合：,（3）荷载的准永久组合： (3-9) 式中 在频遇组合中起控制作用的一个可变荷载的频遇 值系数； 第i个可变荷载的准永久值系数。,【例3-1】 某钢筋混凝土办公楼矩形截面简支梁，计算跨度l0=6m，梁上的永久荷载（包含自重）标准
12、值GK=12kN/m，可变荷载标准值QK=5kN/m，安全等级为二级，分别按承载力极限状态和正常使用极限状态设计时的各项组合计算梁跨中弯矩设计值。 【解】（1）均布荷载标准值GK和QK作用下的跨中弯矩标准值： 永久荷载作用下 可变荷载作用下,（2）承载力极限状态设计时的跨中弯矩设计值： 安全等级为二级，取 按可变荷载效应控制的组合计算： 查表，取 ， 按可变荷载效应控制的组合计算： 查表，取,（3）正常使用极限状体设计时的跨中弯矩设计值： 查表3-2，取 ， 按标准组合时： 按频遇组合时： 按准永久组合时：,2.3 建筑结构材料的设计指标,2.3.1 钢筋的设计指标 2.3.2 混凝土的设计指
13、标 2.3.3 砌体材料的设计指标 2.3.4 钢材的设计指标,钢筋的种类, 2.3.1 钢筋,常见钢筋外形,钢筋的计算指标,钢筋的强度标准值,钢筋的强度设计值等于标准值除以分项系数，其值取1.1，对高强度500MPa级钢筋取1.15。（抗拉强度设计值、抗压强度设计值）,强度标准值正常情况下可能出现的最小材料强度值，其值应根据材料强度概率分布某一分位值确定。钢筋强度标准值应具有不小于95%的保证率。（屈服强度标准值、极限强度标准值）,2.3.2 混凝土的设计指标,定义：,强度等级：C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50C80共14级,立方体抗压强度标准值是指按照标准方法
14、制作养护边长为150mm的立方体试件，在28天龄期，用标准试验方法测得的抗压强度。（保证率为95%）,如C20中C混凝土;20立方体抗压强度的标准值为20N/mm2,1.混凝土立方体抗压强度标准值,表2-5 混凝土强度标准值和设计值/Nmm2,2、混凝土强度设计值混凝土强度标准值除以混凝土材料的分项系数（其值为1.4）。,2.3.3 砌体材料的设计指标,砌体结构的定义：是指由块材和砂浆铺砌而成的结构，是砖砌体、砌块砌体和石砌体结构的统称。,一、块材占砌体总体积的78%以上,1、砖（Brick）按抗压强度，分为 MU30、MU25、MU20、MU15、MU10五个等级。 烧结普通砖、 烧结多孔砖
15、、 蒸压灰砂砖、 蒸压粉煤灰砖,2、砌块（Block） 分为小型、中型、大型三类，最常用的是混凝土小型砌块。MU20、MU15、MU10、MU7.5、MU5 五个等级。,高度在180350mm小型砌块，高度在350900mm之间中型砌块，高度大于900mm大型砌块受起重设备限制，中、大型砌块已很少应用。主要有混凝土空心砌块、加气混凝土砌块、水泥炉渣空心砌块、粉煤灰硅酸盐砌块。,加气混凝土砌块 长度：600 高度：200、250、300 宽度：200、125、150、200、250、300,一、块材,3、石材（Stone）花岗岩、砂岩、石灰岩等强度等级共分七级： MU100、MU80、MU60、MU50、MU40、MU30、MU20。,一、块材,石材按加工后的外形规则程度分为料石和毛石两种。料石 细料石、半细料石、粗料石、毛料石毛石 形状不规则，中部厚度不应小于200mm的石材。,二、砂浆,由无机胶结料、细骨料、水组成胶结料有水泥、石灰、石膏等。,（1）、水泥砂浆 （Cement mortar）水泥+砂+水强度高、硬化快、耐久性好，但和易性差、水泥用量大。适合用于受力大或潮湿环境。,砂浆搅拌机,砂浆强度等级采用70.7立方毫米的试块测得。分为M15、M10、M7.5、M5、M2.5五
