结构设计方法与设计指标讲座

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1、结构设计方法与设计指标,3.1 建筑结构荷载与荷载效应 3.2 建筑结构的设计方法 3.3 建筑结构抗震设防简介,结构上的 “作用”,使结构或构件产生效应(内力、变形等)的各种原因的总称,直接作用,间接作用,是指直接以力的不同集结形式（集中力或均布力）施加在结构上的作用，通常也称为荷载。,是指能够引起结构外加变形和约束变形，从而产生内力效应的各种原因。,第一节 建筑结构荷载与荷载效应,可变荷载 (活荷载),永久荷载 (恒荷载),在结构设计基准期内，其作用量值随时间而变化，其变化幅度与平均值相比不可忽略不计的荷载,在结构设计基准期内，其作用量值不随时间变化，或其变化幅度与平均值相比可以忽略不计的

2、荷载.,(随时间的变异性分类) 荷载的分类,偶然荷载,在结构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，,一、 荷载分类,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。,(按荷载的作用范围分类) 荷载的分类,分布荷载,线荷载,体荷载,面荷载,二、荷载的代表值,由于各种荷载都具有一定的变异性，在结构设计时，对荷载应赋予一个规定的量值，称为荷载代表值。,1.荷载标准值,荷载标准值是指结构在正常使用情况下，在其设计基准期（50年）内可能出现的具有一定保证率的最大荷载值。,永久荷载标准值Gk，可按结构构件的设计尺寸和材料重力密度计算确定，

3、荷载规范中给出了常用材料和构件的自重。P57表3-1.可变荷载标准值Qk，可直接查荷载规范得出。P57表3-2.,例如，某矩形钢筋混凝土梁，bh = 300mm600mm，计算跨度L0= 4.5mm。查表3-1取钢筋混凝土自重25kN/m3，则该梁沿跨度方向均匀分布的自重标准值为：g k = 0.30.625 = 4.5 kN/m。,2.可变荷载组合值C QK,当结构承受两种或两种以上可变荷载时，考虑它们同时达到各自最大值的可能性很小，故除主导的可变荷载外，其他可变荷载均乘以小于1.0的组合系数作为可变荷载组合值。,可变荷载组合值可变荷载标准值QK 荷载组合值系数C 荷载组合值系数可由荷载规范

4、查得 。见表3-2.,3.可变荷载频遇值f QK,可变荷载在设计基准期内在结构上偶而出现的较大荷载，称为可变荷载频遇值。其具有持续时间较短或发生次数较少的特点。,可变荷载频遇值可变荷载标准值QK 荷载频遇值系数f 荷载频遇值系数可由荷载规范查得 .见表3-2.,4.可变荷载准永久值QK,在设计基准期内经常作用的可变荷载，称可变荷载准永久值。其具有总持续时间较长的的特点，对结构的影响类似于永久荷载。,可变荷载准永久值可变荷载标准值QK 荷载准永久值系数 荷载准永久值系数可由荷载规范查得。见表3-2.,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、

5、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某荷载代表值； S与荷载Q相应的荷载效应。,三、荷载效应,例如某简支梁上作用有均布线荷载q，其计算跨度L，由结构力学方法计算可知，其跨中最大弯矩值为M=1qL2/8,支座处剪力为V(FQ)=1qL/2. q相当于荷载Q，弯矩M和剪力V(FQ)都相当于荷载效应S，1L2/8和1L/2则相当于荷载效应系数C.,第二节 建筑结构的设计方法,一、结构的功能要求,表3-3 结构的设计使用年限分类,适用性,安全性,结构在正常使用期

6、间应具有良好的工作性能。例如，不发生过大的变形、振幅、过宽的裂缝等，以免影响正常使用。,结构应能承受在正常施工和正常使用的情况下可能出现的各种作用，在设计规定的偶然事件发生时及发生后，结构仍能保持必需的整体稳定性，不致发生倒塌。,结构的功能要求,耐久性,结构在正常使用和正常维护条件下应具有足够的耐久性能，以保证结构能够正常使用到预定的设计使用期限。,结构设计的目的就是使所设计的结构在规定的设计使用年限内，用最经济的手段获得预定条件下满足设计所预期的各种功能的要求。,结构的可靠性,在规定的时间内（设计使用年限），在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维修），结构完成预定功能（安全性、适用

7、性、耐久性）的能力,是指结构在设计使用年限内，在正常设计、施工、使用和维护的条件下完成预定功能的概率。,安全性、适用性、耐久性的统称,结构的可靠度,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。,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。,二、结构的极限状态,结构功能的极限状态,能够满足功能要求,不能满足功能要求,特定状态,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时的状态,结构或结构构件达到正常使用或耐久性的某项规定限

8、值时的状态,荷载设计值及荷载分项系数,荷载设计值荷载分项系数荷载标准值,由于荷载是随机变量，考虑其有超过荷载标准值的可能性，设计时将荷载标准值乘以一个大于1的调整系数 。它比荷载的标准值具有更大的可靠度。,荷载效应S,荷载效应是指由荷载在结构上产生的各种内力（弯矩、剪力等）和变形 （挠度、裂缝等）的统称。,三、 极限状态的设计表达式,结构抗力R,结构抗力是指结构或构件承受各种荷载效应的能力，即承载能力和抗变形能力。,结构抗力的影响因素主要有材料性能（强度、变形模量等物理力学性能）、构件几何参数、配筋情况以及计算模式的精确性等。,（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

9、力R的关系式来描述：式中 Z结构极限状态功能函数；R结构抗力;S作用效应.,（二）承载能力极限状态实用设计表达式,0S R,结构重要性系数,结构构件抗力设计值RR（fc，fs，k）,荷载效应组合设计值,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:,2.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： (3-4)（2）由永久荷载效应控制的组合： (3-5a),式中 永久荷载的分项系数，如表3-5所示；、 第一个和第i个可变荷载分项系数，见表3-5；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

10、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，按表3-2取用。,（3）对于一般排架、框架结构，式(3-5a)可采用下列简化设计表达式：(3-5b) 式中 简化的可变荷载组合系数，一般可取， 当只有一个可变荷载时取 。,（三）正常使用极限状态实用设计表达式1.设计表达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

11、设计。 （1）荷载的标准组合： (3-7) （2）荷载的频遇组合： (3-8),（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，按表3-2取用；第i个可变荷载的准永久值系数，按表3-2取用。,【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

12、时的跨中弯矩设计值：安全等级为二级，查表3-4，取 。 按可变荷载效应控制的组合计算：查表3-5，取 ， 故该梁按承载力极限状态设计时，跨中弯矩设计值应取上述较大值，即 。,（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：,【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25

13、kN/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/mMgk=1/8gkl02=37.5kNmMqk=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。,第三节 建筑结构抗震设防简介,1 地震基本知识,地震是指由于人工爆破、矿山开采、工程活动以及火山爆发、地壳的运动所引起的地面震动。地震可分为诱发地震和天然地震两大类。诱发地震主要是由于人工爆破、矿山

14、开采及工程活动（如兴建水库）所引发的地震。,地震波,地震灾害图片,地震灾害图片,微震：一般认为，M5的地震，建筑物有不同程度的破坏 强烈地震或大地震：M=78的地震。 特大地震：M8的地震。,地震震级分为九级，5级以上的地震会造成破坏。,地震震级每增加一级，地震所释放的能量约增加30倍。世界上已记录到的最大地震的震级为9.1级。,震级,地震的震级是衡量一次地震大小的等级，用符号M表示。,地震烈度指某一区域的地表和各类建筑物遭受某一次地震影响的平均强弱程度。,一次地震，表示地震大小的震级只有一个。然而，由于同一次地震对不同地点的影响不一样，随着距离震中的远近会出现多种不同的烈度。距离震中近，烈度

15、就高；距离震中越远，烈度也越低。为评定地震烈度而建立起来的标准叫地震烈度表。见下表 我国采用12度地震烈度区划，69度需设防。,地震烈度,中国地震烈度表,一个地区在一定时期（我国取50年）内在一般场地条件下按一定的概率（我国取10%）可能遭遇到的最大地震烈度称为基本烈度。 抗震设防烈度为一个地区抗震设防依据的地震烈度，取基本烈度。抗震规范中一共考虑了6、7、8、9度抗震设防和不设防 .,抗震设防的依据,表3.6 现浇钢筋混凝土房屋的抗震等级表 P65,三水准要求,抗震设防目的,(1)钢筋混凝土高层建筑房屋的适用高度和高宽比 (2)抗震等级 表3-6 （详见P65） (3)防震缝,抗震设计的一般规定,框架结构采用现浇施工方法最大间距为55米。 剪力墙结构采用现浇施工方法最大间距为45米。,框架结构房屋的防震缝最小宽度，当高度不超过15m时，可采用70mm；超过15m时，6度、7度、8度和9度相应每增加高度5m、4m、3m和2m，宜加宽20mm。,抗震构造措施详见G101图集,模板支撑视频,楼板模板,本章结束,