建筑结构-荷载和设计方法-3-4

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1、第二章第二章 结构设计的总体问题结构设计的总体问题 2.1 概述2.4 设计方法2.2 建筑结构上的作用（荷载）2.3 建筑结构上的作用力估值2.1 概述1. 我国工程结构设计规范的层次示意第一层次规范第二层次规范第三层次规范最高层次的 规范宪法行业设计的 基本规范各行业的 具体标准能源建筑结构荷载规范混凝土结构设计规范钢结构设计规范2.建筑结构专业新课程体系的6大模块结构内力分析结构的抗力荷载结构的设计方法施工技术结构试验3. 概率的作用载人用的长征2号火箭安全概率为97%； 神州六号 航天员系统的安全概率首次达 到0.9以上；对不确定事件、特别是危险事件的认识更 为科学。降水概率41%北京

2、2008年8月8日 晚（1） 世界各国建筑业年死亡人数美国建筑业1992-2002年 英国建筑业1992-2004年 日本建筑业1992-2002年 中国建筑业1991-2004 美国建筑业1992-2002年事故死亡人数 英国建筑业1992-2004年事故死亡人数 日本建筑业1992-2002年事故死亡人数 中国建筑业1991-2004年事故死亡人数 各国建筑业1991-2004年事故死亡人数 （2） 世界各国10万人死亡率美国建筑业1992-2003年十万人死亡率 1998年各国建筑业十万人死亡率 美国建筑业1992-2003年十万人死亡率 1998年各国建筑业十万人死亡率 1. 作用与荷

3、载直接荷载: 直接作用于结构上的力(集中力或分布力), 如自重、风压力、车辆制动力等间接荷载：引起结构外加变形或约束变形的其它因素，如地震、基础沉降、温度变化、混凝土收缩、焊接变形等直接荷载、间接荷载统称作用2.2 建筑结构上的作用（荷载）2. 荷载来源自 重结构(Structure)是建筑物的基本受力骨架外部荷载作用 变形作用环境作用结构自 身的重量， 如梁、板、 柱及构造层 重等活荷 载、风荷 载、雪荷 载、地震 作用等 温度变化 引起的变形、 地基沉降、结 构材料的收缩 和徐变变形等阳光、 雷雨、海水 、大气污染 作用等 结构失效将带来生命和财产的巨大损失,因此在设计中对结构有最基本的功

4、能要求。3. 分类可变作用荷载大小可变对建筑物的作用偶然作用作用时间极短荷载值极大塑性变形来不及发展永久作用作用位置可变荷载大小的变化较小作用位置不变*23楼面活荷载沉降作用温差作用永久作用定义：在设计基准期内，量值不随时间变化，或变化的幅值与平均值相比可以忽略的 作用.tQ6.水位不变的水压力7.由于支座沉降和地基沉降形成的间接作用8.预加应力9. 其它1.结构的自重； 2.非承重结构的全部自重3.由于自重产生的最终土压力；4.由结构施工方式引起的最终变形5.由混凝土收缩、钢材焊接产生的间接作用包括：可变作用定义：在设计基准期内，量值随时间变化，且变化的幅值与平均值相比不可忽略的作用.tQ6

5、.小于本地区基本烈度的多遇地震；7.水位变化的水压力；8.冰压力或冻胀力；9 波浪力； 10 其它1. 机车车辆荷载及其它移动荷载； 2.某些施工阶段结构的某些部分的自重；3. 安装荷载；4.风、雪荷载；5.温度变化及温差产生的约束作用；包括：偶然作用定义：在设计基准期内不一定出现，而一旦出现其量值很大，且持续时间很短的作用t Q1.船舶撞击； 2.机车车辆脱轨3. 等于或大于本地区基本烈度的罕见地震；4.火灾； 5.爆炸；6.罕遇洪水、滑坡、泥石流7.龙卷风防范措施包括：4. 荷载标准值恒载样本T tG1T tG2楼面活荷载样本tTQ(t)10y 10y 10y 10y 10y风荷载样本tT

6、Q(t)标准值取值方法恒载 GK：根据设计尺寸和材料的标准容重确定 。活荷载QK：a:设计基准期最大值随机变量的均值若干倍的标准差如：办公楼面活荷载新规范：LK=200Kg/m2又如：住宅楼面活荷载新规范：LK=200Kg/m2常见荷载的标准值可以从我国现行建筑 结构荷载规范(GB5009 2012)中查到。在房屋设计的方案阶段，总体估算时通常需要考虑竖向作用的荷载水平作用的荷载2.3 建筑结构上作用力估算只是估算 不必精确楼面与屋面*39框架体系*40荷载传递路线2.3 建筑结构上作用力估算 1.竖向作用荷载估算砌体结构*41荷载传递路线2.3 建筑结构上作用力估算 1.竖向作用荷载估算剪力

7、墙*42荷载传递路线2.3 建筑结构上作用力估算 1.竖向作用荷载估算*43竖向荷载(楼(屋)面自重及活载)梁或屋架 柱或墙 基础 地基2.3 建筑结构上作用力估算 1.竖向作用荷载估算在一般工业与民用建筑中，竖向作用力主要是重力荷 载，而且主要是房屋的自重。在方案阶段的近似估算中通常 可根据房屋类型、结构形式统计出某类房屋单位面积的折算 荷载qi(包括楼面自重、墙柱及设备重以及楼面活荷等)，进 行近似估算。W = qi Ai mi 式中：Ai 相同荷载qi的楼层面积; mi 相同荷载qi的楼层层数; qi 由统计资料提供的某类房屋的楼面折算荷载值2.3 建筑结构上作用力估算 1.竖向作用荷载

8、估算（1） 房屋总重W国内高层建筑 qi 值约为1216 kN/m2(其中活荷约占1.52.5 kN/m2)剪力墙和 筒体结构房屋 约为 1416 kN/m2框架及框 架结构墙 体系房屋约为 1214 kN/m2混合结 构房屋约为 16 kN/m2 ， 东北地区外 墙很厚，有 时可能更大 一些(2) 总重W 与地基承载力当房屋总 重不大而地基 承载力较高时独立基础或 条形基础若地基承载力 较低或荷载较大时 扩大基础底面积筏片基础若地基 上层土质较 差桩基础2.3 建筑结构上的作用力估算 1.竖向作用荷载估算墙、柱及基础荷载估算时，通常可近似地不考虑 上部结构的连续性，即把上部结构都认为是简支梁

9、板 ，墙、柱只承受每侧跨度一半传来的荷载。估算时可 按跨度的一半划分墙柱的承荷面积，再根据上述楼面 荷载估算墙、柱及基础的荷载N 。(3)墙、柱及基础荷载估算设计中需要根 据墙、柱荷载和轴 压比来确定墙柱的 截面尺寸。N = qimA 式中：N 墙、柱荷载设计值;qi 相应房屋的楼层折算荷载;m 墙、柱的承荷楼层数;A 不考虑结构连续性的墙、柱的承荷面积。边柱中柱角柱承荷面积2.3 建筑结构上的作用力估算 1.竖向作用荷载估算例如一幢平面尺寸为16mX24m 的10层建筑物，楼层平面的板， 梁、柱布置如图所示假设施加 在每一楼层上的平均恒、活载标 准值分别为10.0kNm2和2.0kN m2，

10、则整个建筑物总重力荷载 G为: (10.0+ 2.0)162410=46080kN，每 个单位面积上的竖向力：46080 32=1440kN。一个底层中柱(4个单位面积)承受的竖向力=1440X 4=5760kN一个底层边柱(2个单位面积)承受的竖向力=1440X 2=2880kN一个底层角柱(1个单位面积)承受的竖向力=1440kN轴压比N 是指荷载 标准组合下柱的轴力设计值 N与柱截面面积和混凝土强 度设计值乘积之比。 轴压比N规范要求：N = N / (Ac fc )N 式中：N 框架柱的轴压比 ； Ac 柱截面面积；fc 混凝土的轴心抗压强度设计值。2.3 建筑结构上的作用力估算 1.

11、竖向作用荷载估算轴压比直接影响墙、柱破坏时的延 性性质。以现浇钢筋混凝土框架结构为 例，按有关规范，柱轴压比限值N 与地震烈度、结构形式、房屋高度有关 。地 震 烈 度7 度 8 度 9 度 框架房屋高度 m35 35 35 35 25抗震等级 三级 二级 二级 一级 一级 轴压比限值 N 0.9 0.8 0.8 0.7 0.7轴压比限值 N 2.3 建筑结构上的作用力估算 1.竖向作用荷载估算砌体结构*50荷载传递路线2.3 建筑结构上作用力估算 2.水平作用荷载估算剪力墙*51荷载传递路线2.3 建筑结构上作用力估算 2.水平作用荷载估算*52荷载传递路线连梁圈梁兼过梁基础梁抗风柱 牛腿实

12、腹式屋架屋面板排架柱2.3 建筑结构上的作用力估算 2、水平作用荷载估算托架柱间支撑格构式屋架吊车梁屋盖支撑水平荷载传力路线吊车横 向荷载吊车纵 向荷载柱间支撑纵墙山墙风 荷载排架柱抗风柱基础纵墙风 荷载吊车梁山墙屋架柱间支撑2.3 建筑结构上的作用力估算 2、水平作用荷载估算在非地震区，风荷载是房屋主要的水平力， 在方案阶段的总体分析中，一般只需考虑作用在 房屋上风荷载的合力H，它是作用在房屋迎风面 及背风面A上风荷载标准值k的合力： H=k A 根据建筑结构荷载规范(GB50009-2012)风荷载(Wind Load )k=Z (S1 -S2) Z W0 Z Z 高度处的 风振系数 ，它

13、考虑 了高耸结 构风压脉 动的影响 。W0基本风压，它是气象部 门以当地空旷平坦地面上,离地 10 m高处所得的10分钟平均最大 风速VO为标准，根据不同年限按 具体公式确定的风压值。北京 (10年、50年、100年）=（0.30、 0.45、0.50）kN/m2Z 风压沿高度 的变化系数，与周 围环境有关S风荷载体型系数。房屋体型不同将直接影响 风的方向和流速，改变风压大小。一般迎风面的风 荷载为压力，背风面的风荷载为吸力(S 为负值)， 房屋受到的总的风荷载应为迎风面风荷载和背风面 风荷载的叠加，即式中(S1 -S2 )。2.3 建筑结构上的作用力估算 2、水平作用荷载估算+(a)(b )

14、+0.8-0.5-0.7-0.7-0.50 +0.8-0.6SS风荷载体型系数S常见坡屋面一 般坡度 30, 可见屋面在风荷载 作用下通常承受吸 力 。 在平屋顶上后 加的轻型坡屋面自 重很轻，若没有和 墙体拉结好，在风 荷吸力作用下会被 掀起。 风荷载除 了引起房屋的倾 覆以外，局部吸 力也是引起房屋 破坏的重要原因 ，尤其是对坡屋 顶的破坏。-0.5+0.8被掀翻的轻屋盖要重视风 荷载吸力 的破坏作 用！2.3 建筑结构上的作用力估算 2、水平作用荷载估算地震力是地震时地面运动加速度引起的，它是房屋质量的 惯性力。设计中可近似认为建筑物的质量都集中在各层楼面标 高处，地震力的大小与地震烈度

15、、建筑物的质量、结构的自振 周期以及场地土的情况等许多因素有关。地震时既有水平震动又有竖向震动，但房屋结构对竖向地 震力有较大的承受能力，通常水平地震力是引起结构破坏的主 要原因。3.地震力Heq ( Earthquake Load )m(a)(b)(c)2.3 建筑结构上的作用力估算 3. 地震荷载估算（1） 地震的危害地球与地震并存抗震防灾是有效的backback地震的成因地球内部结构backback 六大板块地下薄弱岩层破裂或地球板块相互挤压 和冲撞引起振动，并以波的形式传递地 表，引起地面运动地震可以发生在 板块边缘，也可 发生在板块内部其它原因火山爆发人类的活动：修建水库、地下资源的开挖世界上最早发生水库地震的是在美国，1935 年美国在科罗拉多河上建成胡佛坝，米德湖开始 蓄水，次年9月即发生5级地震。迄今为止，全世界发生的水库诱发地震约有 120例，分布于29个国家，其中中国22例，美国 18例，印度12例。大于6.0级的水库诱发地震有4 起：分别是中国新丰江、赞比亚-津巴布韦边界 kariba、希腊Kremasta和印度Koyna。水库地震我国举世瞩目的水利枢纽工程长江三峡水 库蓄水后,在水位上升过程中,2003年6月7日突然发生2000多次的小地震。丹江口水库作为南水北调工程中线的源头 ，初