第二章 建筑结构设计原则和过程课件

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1、第二章 建筑结构的设计标准 和设计方法,第一节 设计基准期和设计使用年限 第二节 结构的功能要求、作用和抗力 第三节 结构的可靠度理论和极限状态 设计方法,第一节 设计基准期和设计使用年限,一、设计基准期 结构设计取用统计数据时所采用的时间参数。 我国采用的设计基准期为50年。 二、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。,第二节 结构的功能要求、作用和抗力,一、结构的

2、功能要求 （一）结构的安全性 （二）结构的适用性：结构在正常使用时具有良好的工作性能。 （三）结构的耐久性,建筑结构的功能要求,设计的结构和结构构件在规定的设计使用年限内，在正常维护条件下，应能保持其使用功能，而不需进行大修加固。应该满足的功能要求可概括为： (1)安全性 建筑结构应能承受正常施工和正常使用时可能出现的各种荷载和变形，在偶然事件（如地震、爆炸等）发生时和发生后保持必需的整体稳定性，不致发生倒塌。,结构的安全等级 我国根据建筑结构破坏时可能产生的后果严重与否，分为三个安全等级： 一级破坏后果很严重、重要的建筑物； 二级破坏后果严重、一般的建筑物； 三级破坏后果不严重、次要建筑物。

3、 对人员比较集中使用频繁的影剧院、体育馆等，安全等级宜按一级设计；建筑物中梁、柱等各类构件的安全等级一般应与整个建筑物的安全等级相同。,(2)适用性 结构在正常使用过程中应具有良好的工作性。例如，不产生影响使用的过大变形或振幅，不发生足以让使用者不安的过宽的裂缝等。 (3)耐久性 结构在正常维护条件下应有足够的耐久性，完好使用到设计规定的年限，即设计使用年限。例如，混凝土不发生严重风化、腐蚀、脱落，钢筋不发生锈蚀等。,第二节 结构的功能要求、作用和抗力,二、作用和作用效应 （一）作用、荷载、直接作用、间接作用 1. 作用：使结构或结构构件产生内力和变形的原因。 2. 荷载：施加在结构上的集中力

4、或分布力。 3. 直接作用：荷载属于直接作用。 4. 间接作用：除荷载以外的引起结构外加变形或约束变形的原因。,（二）作用效应、荷载效应 1、作用效应S：由作用引起的结构或构件的反应，如内力、变形和裂缝等。 2、荷载效应：由于荷载的作用引起的结构或构件的反应。 S = C.Q (荷载和荷载效应成线性关系） （举例说明） （三）作用的分类 1、按作用随时间的变异性分类：永久作用、可变作用和偶然作用。 2、按作用方向分类：竖向作用和水平作用。 3、按作用的空间位置的变异性分类：固定作用和自由作用。 三、抗力R：结构或结构构件承受作用效应的能力。与结构的几何参数和材料性能有关。,第三节 结构的可靠度

5、理论和极限状态设计方法,一、结构的可靠性和可靠度 （一） 结构的可靠性定义：能力 （二） 结构的可靠度定义：概率 二、可靠度理论 （一） 随机变量的分析和处理 1、随机事件定义：一个事件可能有多种结果，事先不能肯定哪一种结果一定发生，但事后有唯一结果。（如各种可变荷载） 2、随机变量的统计参数：平均值、标准差、变异系数 3、正态分布曲线 （二） 结构的可靠概率和失效概率 1、结构的功能函数：Z=R-S 2、可靠概率和失效概率,结 构 的 可 靠 度 结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力称为结构的可靠性（规定时间是指结构的设计使用年限，规定条件，是指正常设计、正常施工、正常使用

6、和维护的条件，不包括非正常的，例如人为的错误等）。 结构的可靠度是结构可靠性的概率度量，即结构在设计工作寿命内，在正常条件下，完成预定功能的概率。因此，结构的可靠度是用可靠概率Ps来描述的。,可靠指标与失效概率,1. 结构的失效概率 结构在规定的时间和条件下不能完成预定功能的概率Pf，Pf为失效概率。 Ps + Pf = 1.0 2. 失效概率Pf的计算方法 (1) S和R的概率密度曲线 设构件的荷载效应S、抗力R，都是服从正态分布的随机变量且二者为线性关系。S、R的平均值分别为S、R，标准差分别为S、R， S和R的概率密度曲线如图所示。,R、S的概率密度分布曲线图,S和R的概率密度曲线,按照

7、结构设计的要求，显然R应该大于S。从图中的概率密度曲线可以看到，在多数情况下构件的抗力R大于荷载效应S。但是，由于离散性，在S、R的概率密度曲线的重叠区（阴影部分），仍有可能出现构件的抗力R小于荷载效应S的情况。重叠区的大小与S、R以及S、R有关。所以，加大平均值之差R-S，减小标准差S和R可以使重叠的范围减小，失效概率降低。,Z的概率密度分布曲线,同前，若令Z=RS，Z也应该是服从正态分布的随机变量。下图表示Z的概率密度分布曲线。 图中的阴影部分表示出现Z0事件的概率，也就是构件失效的概率Pf，计算失效概率Pf比较麻烦，故改用一种可靠指标的计算方法。,可靠指标与失效概率关系示意图,可靠指标,

8、从图中可以看到，阴影部分的面积与Z和Z的大小有关：增大Z，曲线右移，阴影面积将减少；减小Z，曲线变得高而窄，阴影面积也将减少。如果将曲线对称轴至纵轴的距离表示成Z的倍数，取 则,可以看出大，则失效概率小。所以，和失效概率一样可作为衡量结构可靠度的一个指标，称为可靠指标。 （4）与失效概率Pf的对应关系,建筑结构可靠度设计统一标准根据结构的安全等级和破坏类型，规定了按承载能力极限状态设计时的目标可靠指标，见下表。 结构和结构构件的破坏类型分为延性破坏和脆性破坏两类。延性破坏有明显的预兆，可及时采取补救措施，所以目标可靠指标可定得稍低些。脆性破坏常常是突发性破坏，破坏前没有明显的预兆，所以目标可靠

9、指标就应该定得高一些。 用可靠指标进行结构设计和可靠度校核，可以较全面地考虑可靠度影响因素的客观变异性，使结构满足预期的可靠度要求。,（三）荷载代表值和材料强度的取值 1、永久荷载的标准值 2、可变荷载 （1）标准值：具有一定概率的最大荷载值。确定方法：荷载标准值为其平均值加上 1.645倍标准差，此时所对应的出现概率为95%。 （2）组合值：标准值乘以组合值系数c。 （3）频遇值：在设计基准期内荷载达到或超过该值的总时间与设计基准期的比值小于0.1的荷载代表值。 （4）准永久值：在设计基准期内荷载达到或超过该值的总时间与设计基准期的比值为0.5的荷载代表值。,3、荷载的代表值 （1）永久荷载

10、：标准值 （2）可变荷载：标准值，组合值，频遇值，准永久值 4、材料强度的标准值：材料强度标准值等于其均值减去1.645倍标准差；由概率论知，保证率为95%；(钢筋与砼不同） （四）荷载标准值的计算 1、恒载 2、楼面活荷载 3、雪荷载和屋面均布活荷载 （1）雪荷载 （2）屋面均布活荷载,式中 基本风压值（kN/m2），是以当地比较空旷平坦地面上离 高度z处的风振系数； 风压高度变化系数； 风荷载体型系数。,地10m高处统计所得的50年一遇10分钟平均最大风速为标准确定的风压值，不得小于0.3KN/m2。,垂直于建筑物表面上的风荷载标准值 （kN/m2）按下式计算：,4. 风荷载,4. 风荷载

11、,4. 风荷载,例题2.1.2,5、吊车荷载,和 的标准值按下式计算 式中 、 表示吊车的最大轮压和最小轮压标准值； 与吊车轮压相对应的支座反力影响线的竖向坐标值。,当计算吊车梁及其连接的强度时，吊车竖向荷载应乘以动力系数。,注：,计算排架考虑多台吊车竖向荷载时，对一层吊车的单跨厂房的每个排架，参与组合的吊车台数不宜多于2台；对多跨厂房的每个排架，不宜多于4台。,(1) 吊车竖向荷载 ：,5、吊车荷载,5、吊车荷载,吊车总的横向水平荷载可按下式取值： 式中； 吊车横向水平荷载系数。,对于一般四轮桥式吊车，大车每一轮子传递给吊车梁的横向水平制动力为：,考虑多台吊车水平荷载时，对单跨或多跨厂房的每

12、个排架，参与组合的吊车台数不应多于2台。,注：,(2) 吊车横向水平荷载 ：,吊车纵向水平荷载标准值T0，按作用在一边轨道上所有刹车轮的最大轮压之和的10%采用，即 式中，n为施加在一边轨道上所有刹车轮数之和，对于一般的四轮吊车，n=1。,无论单跨或多跨厂房，在计算吊车纵向水平荷载时，一侧的整个纵向排架上最多只能考虑2台吊车。,注：,(3) 吊车纵向水平荷载：,例题2.1.3(P39),三、概率极限状态设计法 （一）极限状态的定义和分类 1、极限状态定义 2、极限状态的分类 （1）承载能力极限状态 （2）正常使用极限状态,结构功能的极限状态,能完成预定的各项功能时，结构处于有效状态；反之，则处

13、于失效状态，有效状态和失效状态的分界，称为极限状态，是结构开始失效的标志。极限状态可分为二类。 1.承载能力极限状态 结构或构件达到最大承载能力或者达到不适于继续承载的变形状态，称为承载能力极限状态。超过承载能力极限状态后，结构或构件就不能满足安全性的要求。,出现下列情形之一，超过了承载能力极限状态： (1)材料强度不够而破坏； (2)因疲劳而破坏； (3)产生过大的塑性变形而不能继续承载； (4)结构或构件丧失稳定； (5)结构转变为机动体系。,正常使用极限状态,结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项规定限度的状态称为正常使用极限状态。超过了正常使用极限状态，结构或构件就不能保证适用性和耐久

14、性的功能要求。 例如：结构或构件出现影响正常使用的过大变形、过宽裂缝、局部损坏和振动。 结构或构件按承载能力极限状态进行计算后，还应该按正常使用极限状态进行验算。,（二）承载能力极限状态设计： oSR 1、基本组合 （1）由可变荷载效应控制的组合 （2）由永久荷载控制的组合,公式中符号的含义：,0 结构构件的重要性系数 , 与安全等级对应 ，对 安全等级为一级或设计使用年限为 100 年及以上的结构构件不应小于1.1；对二级或设计使用年限为50年的结构构件不应小于1.0；对三级或设计使用年限为 5 年及以下的结构构件不应小于0.9；在抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数； G永久荷载的分项系

15、数 ，当永久荷载效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合G = 1.2； 由永久荷载效应控制的组合G = 1.35。当永久荷载效应对结构有利时， 取G 1.0；,Q1、Qi 可变荷载的分项系数；Q1、Qi一般1.4； ci 可变荷载的组合值系数； Gk 永久荷载标准值；_ Q1k 最大的一个可变荷载的标准值； Q1k、Qik 其余可变荷载的标准值； 以上不等式右侧为结构承载力，用承载力函数R（）表示，表明其为混凝土和钢筋强度标准值 （fck、fsk）、分项系数（c、s）、几何尺寸标准值（ak）以及其他参数的函数。,对于一般常遇的排架结构和框架结构，为了计算方便，可变荷载的影响大小可不予区分，并采用相同的组合值系数。对由可变荷载效应控制的组合，其设计表达式可以简化表达为,（二）承载能力极限状态设计： oSR 2、基本组合的简化规则,（三）正常使用极限状态设计： SC 1、荷载组合 （1）标准组合 （2）频遇组合 （3）准永久组合 2、具体设计内容（以受弯构件为例） （1）裂缝控制验算 （2）挠度验算,例题：某简支梁计算跨度是4m，承受的恒载为均布荷载，其标准值为3KN/m，承受的活载为跨中的集中荷载，其标准值为1KN，结构的安全等级为二级，求分别由可变荷载效应和永久荷载效应控制的梁跨中截面的弯矩设计值。,