结构计算原则课件

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1、2 建筑结构计算基本原则,本章主要介绍建筑结构荷载及其代表值、建筑结构设计方法、建筑结构材料及其设计指标。要求掌握三类荷载的定义及其代表值的确定方法，建筑结构应满足的功能要求及功能极限状态的概念；理解极限状态设计表达式，建筑结构材料的种类及规格，影响砌体抗压强度的因素，混凝土结构的耐久性规定，混凝土与钢筋共同工作的原因及保证粘结力的措施；能正确查取材料设计指标。,本章提要,本 章 内 容,2.1 荷载分类及荷载代表值 2.2 建筑结构设计方法 2.3 建筑结构材料及其设计指标,2.1 荷载分类及荷载代表值,（1）永久荷载 在设计基准期内，其值不随时间变化，或者其变化与平均值相比可忽略不计的荷载

2、称为永久荷载。永久荷载也称为恒荷载。 （2）可变荷载 在设计基准期内，其值随时间变化，且其变化值与平均值相比不可忽略的荷载称为可变荷载。可变荷载也称为活荷载。,2.1.1 荷载分类,（3）偶然荷载 偶然荷载是指在设计基准期内不一定出现，而一旦出现，其量值很大且持续时间很短的荷载，如爆炸力、撞击力等。,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。,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值,它是荷载的基本代表值。 （1）永

3、久荷载标准值 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,（2）可变荷载标准值 民用建筑楼面均布活荷载标准值见表2.1（详见P32）。 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。 工业与民用建筑的屋面均布活荷载按水平投影面计算，其标准值按表2.2（详见P33）采用。 ,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

4、qk，其中k为可变荷载标准值，q为可变荷载准永久值系数。q的值见表2.1、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。,2.1.2.2 可变荷载永久值,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2.1、表2.2查取。,2.1.2.3 可变荷载组合值,可变荷载频遇

5、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2.1、表2.2查取。,2.1.2.4 可变荷载频遇值,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。 所谓设计使用年限，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。换言之，设计使用年限就是房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用和维护下所应达到的持久年限。结构的设计使用年限应按表2.3采用。,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

6、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。,结构的安全性、适用性和耐久性概括起来称为结构的可靠性，它

7、是结构在规定时间内和规定条件下完成预定功能的能力。但在各种随机因素的影响下，结构完成预定功能的能力不能事先确定，只能用概率来描述。为此，我们引入结构可靠度的概念，即结构在规定时间内和规定条件下完成预定功能的概率。结构的可靠度是结构可靠性的概率度量，即对结构可靠性的定量描述。 结构可靠度与结构使用年限长短有关。,建筑结构可靠度设计统一标准（GB500682001）（以下简称统一标准）以结构的设计使用年限为计算结构可靠度的时间基准。 当结构的使用年限超过设计使用年限后，并不意味着结构就要报废，但其可靠度将逐渐降低。还应说明，结构的设计使用年限不等同于设计基准期。,表2.3 结构的设计使用年限分类,

8、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,（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）；

9、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

10、，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。,结构构件的承载力设计应采用下列极限状态设计表达式： SR（2.2） （1）由可变荷载效应控制的组合 建筑结构的安全等级见表2.

11、4。,2.2.2 概率极限状态设计法的实用表达式,2.2.2.1 按承载能力极限状态设计的实用表达式,（2）由永久荷载效应控制的组合 应当注意，当考虑以竖向的永久荷载效应控制的组合时，参与组合的可变荷载仅限于竖向荷载。 以上各式中，GSk和QSk分别称为恒荷载效应设计值和活荷载效应设计值。相应地，Gk和Qk分别称为恒荷载设计值和活荷载设计值，它们是荷载代表值与荷载分项系数的乘积。,【例2.1】某办公楼钢筋混凝土矩形截面简支梁，安全等级为二级，截面尺寸bh = 200mm400mm，计算跨度l0=5m。承受均布线荷载：活荷载标准值7kN/m，恒荷载标准值10kN/m（不包括自重）。求跨中最大弯矩

12、设计值。 【解】活荷载组合值系数c=0.7，结构重要性系数0=1.0。 钢筋混凝土的重度标准值为25kN/m3，故梁自重标准值为250.20.4=2kN/m。 总恒荷载标准值gk=10+2=12kN/m Mgk=1/8gkl02=37.5kNm Mqk=1/8qkl02=21.875kNm,由恒载弯矩控制的跨中弯矩设计值为： 0(GMgk+cQMqk)= 72.063kNm 由活载弯矩控制的跨中弯矩设计值为： 0(GMgk+QMqk)= 75.625kNm 取较大值得跨中弯矩设计值M=75.625kNm。,表2.4 建筑结构的安全等级,对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，采用荷载效应的

13、标准组合、频遇组合或准永久组合，按下列设计表达式进行设计： SdC (2.5) 混凝土结构的正常使用极限状态主要是验算构件的变形、抗裂度或裂缝宽度，使其不超过相应的规定限值。 砌体结构的正常使用极限状态要求，一般情况下可由相应的构造措施保证。,2.2.2.2 按正常使用极限状态设计的实用表达式,2.3 建筑结构材料及其设计指标,建筑钢材包括混凝土结构用钢筋及钢结构用型钢和钢板。 （1）混凝土结构用钢筋 钢筋混凝土结构所采用的钢筋有劲性钢筋和柔性钢筋两类。通常所称的钢筋，即指柔性钢筋。劲性钢筋由型钢（如角钢、槽钢、工字钢）组成。,2.3.1 建筑钢材,2.3.1.1 建筑钢材的品种和规格,按加工

14、方法不同，我国用于混凝土结构的钢筋主要有热轧钢筋、冷拉钢筋、热处理钢筋、冷轧钢筋（冷轧带肋钢筋、冷轧扭钢筋）、冷拔低碳钢丝、消除应力钢丝、钢绞线等。钢筋混凝土结构主要使用热轧钢筋。 热轧钢筋由低碳钢或低合金钢热轧而成。按屈服强度标准值的大小，用于钢筋混凝土结构的热轧钢筋分为HPB235、HRB335、HRB400和RRB400四个级别。,按照外形不同，钢筋可分为光圆钢筋和变形钢筋（人字纹、螺旋纹、月牙纹）两种，如图2.1所示。HPB235钢筋为光圆钢筋，HRB335钢筋、HRB400钢筋和RRB400钢筋的外形均为月牙纹。 混凝土结构设计规范（GB500102002）（以下简称混凝土规范）规定

15、，普通钢筋（指用于钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土结构中的非预应力钢筋）宜采用HRB400级和HRB335级钢筋，也可采用HPB235级和RRB400级钢筋。,（2）钢结构用钢材 1）钢材的品种 钢结构用的钢材主要是碳素结构钢和低合金高强度结构钢。 碳素结构钢 碳素结构钢的牌号由字母Q、屈服点数值、质量等级代号、脱氧方法代号（F、b、Z、TZ）四个部分组成。,现举例说明钢号表示法及代表的意义：Q235A屈服强度为235N/mm2，A级，镇静钢；Q235BF屈服强度为235N/mm2，B级，沸腾钢。,低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢是在钢的冶炼过程中添加少量合金元素（合金元素的总量低于

16、5%），以提高钢材的强度、耐腐蚀性及低温冲击韧性等。低合金高强度结构钢均为镇静钢或特殊镇静钢，所以它的牌号只有Q、屈服点数值、质量等级三部分，其中质量等级有A到E五个级别。 低合金高强度结构钢的A、B级属于镇静钢，C、D、E级属于特殊镇静钢。,2）钢材的规格 钢结构采用的型材有热轧成型的钢板、型钢以及冷弯（或冷压）成型的薄壁型材。 热轧钢板 热轧钢板分厚板和薄板。厚板的厚度为4.560 mm，宽0.73m，长412m；薄板厚度为0.354 mm，宽0.51.5m，长0.54m。 钢板用符号“”后加“厚宽长”（单位为mm）的方法表示，如128002100。,热轧型钢 热轧型钢有角钢、槽钢、工字钢、H型钢、剖分T型钢和钢管，如图2.2所示。 角钢有等边和不等边两种。 槽钢有热轧普通槽钢与热轧轻型槽钢。 工字钢分普通工字钢和轻型工字钢。 热轧H型钢除热轧H型钢外，还有普通焊接H型钢和轻型焊接H型钢。,剖分T型钢系由对应的H型钢沿腹板中部对等剖分而成。 钢管分为无缝钢管和焊接钢管。以符号“”后加“外径厚度”（单位为mm）表示，如4006。 常用型钢规格见附录2。,冷弯薄壁型材 冷弯薄壁型钢是由