[2017年整理]建筑结构原理4

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1、4.2 结构设计基本原则 结构设计的依据：两种极限状态： 承载能力的极限状态； 正常使用的极限状态。1/36建筑结构的设计状况 按极限状态进行建筑结构设计，应 根据结构在施工和使用中的环境条件及 其影响，区分为三种设计状况。 持久状况在结构使用过程 中一定出现、且持续起很长的状况 称持久状况。持续期一般与设计使 用年限为同一数量级。例如房屋结 构承受家具和正常人员荷载的状况 。2/36建筑结构的设计状况 短暂状况结构施工和使用 过程中出现概率较大，而与设计使 用年限相比其持续期很短的状况称 为短暂状况。例如结构施工时承受 的堆料荷载的状况。3/36建筑结构的设计状况 偶然状况结构施工和使用 过

2、程中出现概率很小，且持续期很 短的状况称为偶然状况。如结构遭 受火灾、爆炸、撞击、罕遇地震等 作用的状况。4/36建筑结构的设计状况 针对建筑结构的三种设计状况，进行极限状 态设计的要求是： 对三种设计状况都应进行承载能力极限状态 设计； 对持久状况还应进行正常使用极限状态设计 ； 对短暂状况，可根据需要进行正常使用极限 状态设计。 设计工作中，通常先按承载能力极限状态进 行结构构件设计，再按正常使用极限状态验算。5/364.2.3 结构设计原则 结构设计的工作是根据预计的荷载以及材料性能， 采用经过理想化和简化假定的计算方法，确定结构构 件的形式和截面尺寸，在经济合理的条件下满足结构 的功能

3、要求。 由于施工条件及质量控制等因素的影响，实际 的结构尺寸及材料强度等均可能有不同程度的变异； 所采用的计算简图和计算理论与实际情况会有一定的 偏离；建成后结构承受的荷载及所处的环境都有一定 的随机性，且是设计时无法确切预知的。 目前我国建筑设计所采用的方法，也就是本课 程所介绍的建筑结构设计方法，就是建筑结构可靠 度设计统一标准（GBJ50068-2001）中规定采用的 近似概率理论的极限状态设计方法，也就是要在统计 和概率分析的基础上寻找结构安全、适用可靠性合理 的定量表达。6/364.2.3 结构设计原则 1、荷载效应S和结构抗力R S统一代表结构上的作用效应，指作用引起的 结构或结构

4、构件的内力、变形、裂缝等。由于一 般结构均符合小变形假设，荷载Q与荷载效应S的 关系按线性关系考虑。由于结构上的作用（荷载 ）是不确定的随机变量，其作用效应也是随机变 量。 R统一代表结构抗力是指结构或构件承受作用 效应的能力，如结构构件的承载力、刚度、抗裂 度等。结构抗力与结构构件的材料性能、几何形 状及尺寸以及计算模式的精确性有关。由于材料 性能、几何参数、计算模式精确性的不确定性， 由这些因素综合而成的结构抗力也是随机变量。7/364.2.3 结构设计原则 结构构件完成预定功能的工作状态可以 用作用效应S和结构抗力R的关系式来描述 ，称为结构功能函数，用Z表示： Z = RS= g(R

5、,S) Z可以用来表示结构的三种工作状态： 当Z0时，结构能够完成预定的功能， 处于可靠状态； 当Z0时，结构不能完成预定的功能， 处于失效状态；8/364.2.3 结构设计原则 当Z = 0时，即R=S，结构处于临界的极 限状态。 Z=RS= g(R ,S)=0称为“极限状态方程”。但由于S和R都具有不确定性，都是随 机函数，假定二者都是正态分布的随机变 量。（如下图）9/36正态分布的随机变量4.2.3 结构设计原则 R的平均值大于S的平均值，并不能保 证不出现RS的情况。 10/36500kN若S和R都是正态分布的随机变量，则功能 函数Z也是正态分布的随机变量。4.2.3 结构设计原则

6、2、极限状态设计法 （1）失效概率 一般把出现不满足其功能要求事件的概率称 为结构的失效概率，记为 Pf；把出现满足其功能 要求事件的概率称为可靠概率，记为Ps。结构的 可靠概率亦称为结构的可靠度。结构在规定的时 间内、规定的条件下，完成预定功能的概率称为 结构的可靠度。结构可靠度是结构可靠性的概率 度量。可靠概率和失效概率是互补的，即PfPs=1。 因此，结构可靠性也可用结构的失效概率来度 量。11/364.2.3 结构设计原则 (2)可靠指标 右图中阴影部分面 积即为失效概率 pf。 假定功能函数Z 也是正态分布的随机 变量，结构的失效概 率pf与功能函数的平 均值z到坐标原点的 距离有关

7、，取z=z 。 显然，结构的失 效概率和可靠概率都 是的函数，称为可 靠指标。 12/364.2.3 结构设计原则 解释：失效概率 pf =P(Z0)13/364.2.3 结构设计原则 可靠指标和失效概率 的数值有对应关系14/364.2.3 结构设计原则 （3）设计可靠指标 ：建筑结构设计 统一标准（GBJ50068-2002）采用了可 靠指标来反映结构的失效概率pf。 设计可靠指标以安全与经济的 最佳平衡为目标，所确定的作为设计依据的可靠指标（相当于一定条件下可以 接受的失效概率）。 15/364.2.3 结构设计原则 规范规定的结构构件承载能力极限 状态的可靠指标见教材P58表4.2.3

8、 结构构件正常使用极限状态的可靠指标，根据其可逆程度 宜取0-1.5。理论上，当荷载、材料性能及几何尺寸等变量的概率分 布及统计参数为已知时，可直接按目标可靠指标进行设计。但 对于一般结构，这样设计过于繁琐也没有必要。 16/364.3 实用设计表达式 根据上述规定的目标可靠度指标，即可按结 构可靠度的概率分析方法进行结构设计。但直接 采用目标可靠指标进行设计的方法过于繁琐且不 符合工程技术人员的习惯，为此，建筑结构可 靠度设计统一标准（GBJ50068-2001）采用了 以荷载和材料强度标准值和相应的分项系数来表 示的设计表达式，其中的荷载、材料强度的标准 值、各种分项系数取决于可靠指标，结

9、合工程经 验，经专门研究机构优选确定并以国家标准结 构设计规范的形式颁布实施的。我们作为工程 技术人员，需要真正掌握的就是极限状态设计表 达式。 17/364.3 实用设计表达式 进行结构设计计算时，应考虑荷载组合 和荷载效应组合。 （1）荷载组合不同荷载同时出现的组 合。 如我们这个教学楼按承载能力极限状态 计算应考虑： 1）恒载+楼面和屋面活荷载 2）恒载+风荷载 3）恒载+楼面和屋面活荷载+风荷载18/364.3 实用设计表达式 进行结构设计计算时，应考虑荷载组合 和荷载效应组合。 （2）荷载效应组合包括内力、变形、 裂缝等荷载效应。一般考虑内力组合。 荷载效应组合是与荷载组合相应的。1

10、9/364.3 实用设计表达式 荷载效应组合是就控制截面而言的。20/364.3 实用设计表达式 按承载能力极限状态设计的荷载效应组合是基本组合和偶然组合； 按正常使用极限状态设计的有荷载效应 标准组合、频遇组合及准永久组合等。 必须考虑可变荷载的最不利组合。21/364.3 实用设计表达式 承载能力极限状态设计表达式一般表达 式： 0SR （4.3.1） R=R(fc,fs,ak ) 0结构重要性系数，安全等级为一、二 、三级时，分别为1.1，1.0，0.9。 S 荷载效应设计值 R 结构构件的设计抗力。22/364.3 实用设计表达式 （1）荷载效应基本组合对于荷载效应的基本组合，其内力组

11、合设计值应按式（ 4.3.2）和式（4.3.3）中最不利值确定。23/364.3 实用设计表达式荷载分项系数荷载类别荷载特征荷载分项系数 G、Q永久荷载当效应对结构不利时 对由可变荷载效应控制的组合 对由永久荷载效应控制的组合G =1.2 G =1.35 当效应对结构有利时 一般情况 对结构的倾覆、滑移或漂浮验算G =1.0 按相应规范可变荷载一般情况 对标准值4kN/m2的工业房屋楼面活荷载Q =1.4 Q =1.324/364.3 实用设计表达式 （2）荷载效应的偶然组合对于偶然组合，其内力组合设计值应按 有关规范或规程确定。如，当考虑地震作 用时，应按现行国家标准建筑抗震设计 规范（GB

12、500112010）确定。25/364.3 实用设计表达式正常使用极限状态设计 表达式按正常使用 极限状态设计时 ，应验算结构构件的变形、 抗裂度或裂缝宽度。由于结构构件达到或超过正常使用极限状 态时的危害程度远不如承载力不足引起结构破 坏时大，故对其可靠度的要求可适当降低。因 此，按正常使用极限状态设计时 ，对荷载组 合值，不需要乘以荷载分项系数，也不再考虑 结构的重要性系数0。 26/364.3 实用设计表达式同时，由于荷载短期作用和长 期作用对结 构构件正常使用性能的 影响不同，对于正常使用极限状态 ，应根据不同的设计 目的，分别按 荷载效应的标准组合和准永久组合 ，或标准组合并考虑长

13、期作用的影 响计算。27/364.3 实用设计表达式采用下列极限状态表达式Sd C C 结构构件达到正常使用要求所规定的限值 ，例如变形、裂缝等限值。 S 正常使用极限状态的荷载效应（变形、 裂缝等）组合值。正常使用极限状态的验算内容、实用计算 公式将在讲具体计算内容是分别讲解。一般表 达式基本上无实用意义。 28/364.3 实用设计表达式 实用设计计算式要落实在内力或者荷载组合 值计算上，请看例题4.3.1。29/3630/364.3 实用设计表达式 补充一个简单例题：某结构上的安全等级为二级，永久载标准值为 gk=2.0KN/m2,可变荷载标准值为pk=2.5KN/m2, 组 合系数c=

14、0.7，求该结构上的荷载的基本组合值 。 【解】 1、按可变荷载控制的组合 q=1.0(1.22.0+1.42.5)=5.90 KN/m2 2、按永久荷载控制的组合 q=1.0(1.352.0+1.42.50.7)=5.15 KN/m2 故取该结构荷载的设计基本组合值为5.90 KN/m231/364.4 建筑结构设计过程1、建筑设计的一般程序三阶段设计：初步设计、技术设计、施工图设计。二阶段设计：扩大初步设计、施工图设计。 32/364.4 建筑结构设计过程33/362、建筑结构设计的一般过程方案设计结构分析构件设计 编制 设计 文件结构选型结构布置变形缝设置截面尺寸估算计算单元确定计算简图荷载计算内力及变形计算荷载、内力组合承载能力计算正常使用验算（抗震验算）构造设计4.4 建筑结构设计过程3、结构设计应完成的主要文件 （1）结构选型和承重体系设计说明书 （2）结构设计计算书 （3）结构设计施工图纸34/36小 结 结构的两种极限状态承载能力的极限状态正常使用的极限状态 结构设计原则和方法，理解承载能力极限状态 设计表达式和正常使用极限状态设计表达式；最 后落实在理解与掌握各种情况下荷载效应组合的 计算方法。 建筑结构的设计过程。 35/36作 业 本章重点思考