工程结构设计原理讲稿东南大学函授讲义

结构设计原理结构设计原理第第 一一 讲讲主讲教师：主讲教师：曹双寅曹双寅 舒赣平舒赣平第一讲：绪论（第一讲：绪论（1/12）n一、结构的基本知识n二、混凝土结构n三、钢结构n四、砌体结构n五、本课程特点第一讲：绪论（第一讲：绪论（2/12）一、结构的基本知识（一、结构的基本知识（1/4）1、结构的组成：由若干个单元所组成的结构骨架。2、基本(单元)构件 板：提供活动面，直接承受并传递荷载；梁：板的支撑构件，承受板传来的荷载并传递；柱：承受楼面体系（梁、板）传来的荷载并传递；墙：承受楼面体系（梁、板）传来的荷载并传递；基础：将柱及墙等传来的上部结构荷载传给地基；索：悬挂构件或结构体系的主要传力单元；杆：组成空间构件，如屋架等。第一讲：绪论（第一讲：绪论（3/12）一、结构的基本知识（一、结构的基本知识（2/4）3、结构的分类按材料分类混凝土结构、钢结构、砌体结构、木结构和混合结构 混凝土结构:素混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土纤维筋混凝土和其它形式的加筋混凝土。砌体结构：包括砖石砌体结构、砌块砌体结构 混合结构：砖混结构、钢与混凝土组合结构第一讲：绪论（第一讲：绪论（4/12）一、结构的基本知识（一、结构的基本知识（3/4）按受力体系分类 框架结构：主要(竖向)受力体系由梁和柱组成；剪力墙结构：主要(竖向)受力体系由墙组成；筒体结构：四周封闭的墙形成筒；塔式结构：下端固定、上端自由的高耸构筑物；桅式结构：竖立的细长桅杆和纤绳所组成的构筑物；悬索、悬吊结构：由拉索及边缘构件组成的承重结构；壳体结构:由曲面形板与边缘构件组成的空间结构；网架结构：由多根杆件通过节点连结形成的空间结构；第一讲：绪论（第一讲：绪论（5/12）一、结构的基本知识（一、结构的基本知识（4/4）板柱结构：由楼板和柱组成承重体系的结构；墙板结构：由楼板和墙组成承重体系的结构；折板结构：由多块条形平板组合而成的空间结构；充气结构：用薄膜制成的，冲入气体后而形成的结构；膜结构：用柔性受拉索和薄膜及边缘构件组成的结构；按使用功能分类：建筑结构、特种结构、桥梁结构、地下结构等按照建筑物外形分类：单层、多层、高层、大跨和高耸结构等按照施工方法分类：现浇结构、装配结构和装配整体式结构第一讲：绪论（第一讲：绪论（1）下一讲的重要内容下一讲的重要内容1、混凝土结构组成及工作原理；2、钢结构组成及工作原理；3、砌体结构组成及工作原理；4、本课程的特点。结构设计原理结构设计原理第第 二二 讲讲主讲教师：主讲教师：曹双寅曹双寅 舒赣平舒赣平东南大学远程教育第二讲：绪论（第二讲：绪论（2）上一讲的主要内容上一讲的主要内容1、结构的组成:基本单元（杆件）2、结构基本单元板、柱、梁、墙、基础等3、结构的分类按材料分类：混凝土、钢、砌体、木和混合结构按受力体系：框架、剪力墙等多种按使用功能：建筑结构、特种结构、桥梁结构、地下结构按外形分类：单层、多层、高层、大跨和高耸结构等按施工方法：现浇结构、装配结构和装配整体式结构第二讲：绪论（第二讲：绪论（6/12）二、二、混凝土结构（混凝土结构（1/4）1、结构形成的原理 组成:由钢筋和混凝土结合成一体，共同发挥作用。混凝土：抗压强度很高，但抗拉强度很低。钢筋：抗拉和抗压强度均很高。共同工作的目的充分发挥两种材料的强度优势，取长补短。素混凝土梁的工作特点 开裂前：按照整截面分析，上部受拉下部受压，受拉区的拉力由混凝土承担。开裂后：梁断裂。第二讲：绪论（第二讲：绪论（7/12）二、二、混凝土结构（混凝土结构（2/4）钢筋混凝土梁如何共同工作 开裂前：受拉区的拉力由钢筋和混凝土共同承担。开裂后：受拉钢筋承担大了部分拉力，继续承担荷载，直至屈服强度，受压混凝土压碎，梁破坏。第二讲：绪论（第二讲：绪论（8/12）二、二、混凝土结构（混凝土结构（3/4）素混凝土梁与钢筋混凝土梁的对比 极限状态：素砼梁：无明显变形，开裂即破坏钢筋砼梁：有明显变形，钢筋屈服，砼压碎 承载能力：素砼梁：取决于混凝土的抗拉，低钢筋砼梁：取决于钢筋抗拉和砼抗压强度，高 抗裂能力：配筋后略有增加，但不显著共同工作的基础 两者之间存在较好的传递应力的能力，粘结力；两种材料的温度线膨胀系数相近；混凝土对钢筋的保护，抗火和耐久性提高。第二讲：绪论（第二讲：绪论（9/12）二、二、混凝土结构（混凝土结构（4/4）2、优缺点 优点：耐久性好；耐火性好；可模性好、整体性好。可就地取材。缺点：自重大；抗裂差；施工环节多周期长；拆除、改造难度大。3、现状与发展第二讲：绪论（第二讲：绪论（10/12）三、三、钢结构（钢结构（1/1）1、钢结构的构成是用钢板、角钢、工字钢、槽钢、钢管和圆钢等钢材通过焊接等有效的连接方式，所形成的结构。2、优缺点 优点：强度和强度质量比高；材质均匀、性能好，结构可靠性高。施工简便、工期短。延性好、抗震能力强。易于改造和加固。缺点：耐腐蚀性差；耐火性差；钢材价格相对较高。3、现状与发展第二讲：绪论（第二讲：绪论（11/12）四、砌体结构四、砌体结构（1/1）1、砌体结构的组成砌体结构是用砖、石或砌块，用砂浆等胶结材料砌筑的结构。2、优缺点 优点：耐久性好；耐火性好；就地取材；施工技术要求低；造价低廉。缺点：强度低，砂浆与砖石之间的粘接力较弱；自重大；砌筑工作量大，劳动强度高。粘土用量大，不利于持续发展。3、现状与发展第二讲：绪论（第二讲：绪论（12/12）五、本课程特点（五、本课程特点（1/1）1、是原理课，应突出原理和概念2、基本构件由不同材料组成，在了解共性特点的同时，应注意由于组成材料不同而导致的计算方法的不同3、强调不同材料构件的计算原理和方法4、涉及内容多，系统性差5、公式多、公式的条件多6、简化、近似和经验处理多第二讲：绪论（第二讲：绪论（2）下一讲的主要内容下一讲的主要内容1、作用及作用效应2、作用的分类3、荷载的随机性与概率模式4、荷载的代表值结构设计原理结构设计原理第第 三三 讲讲主讲教师：主讲教师：曹双寅曹双寅 舒赣平舒赣平东南大学远程教育第三讲：计算原则（第三讲：计算原则（1）上一讲的主要内容上一讲的主要内容1、混凝土结构组成及工作原理：由钢筋和混凝土结合成一体，共同发挥作用。发挥材料优势（混凝土的压、钢筋的拉），取长补短。是一种复合材料构件，工作过程相对复杂。2、钢结构组成及工作原理：单一材料构件，材料理想，工作原理简单。3、砌体结构组成及工作原理：用砂浆等胶结材料把砖、石或砌块等砌筑成一体的结构。是一种复合材料构件，工作过程相对复杂。第三讲：第三讲：结构基本计算原则结构基本计算原则（1/28）n一、结构上的作用n二、结构的抗力n三、结构的功能和极限状态n四、设计的基本原则n五、基于近似概率法的设计表达式n六、本章要点第三讲：第三讲：计算原则（计算原则（2/28）一、结构上的作用一、结构上的作用（1/5）1、作用及作用效应(1)作用引起结构内力和变形的一切原因。直接作用：直接以力的不同集结形式作用于结构，也称为荷载；间接作用：不是直接以力出现，但是对结构产生内力。(2)作用效应作用在结构上产生的内力和变形等。由直接作用(荷载)引起的效应称为荷载效应。第三讲：第三讲：计算原则（计算原则（3/28）一、结构上的作用（一、结构上的作用（2/5）2、作用的分类(1)按照随时间的变异性分类 永久作用：不随时间变化，或变化幅度可以忽略；可变作用：随时间变化，且变化幅度不可以忽略；偶然作用：可能，但不一定出现，一旦出现效应很大。(2)按照随位置的变异性分类 固定作用：在结构空间位置上具有固定的分布；可动作用：在结构空间位置一定范围内可以任意分布。(3)按照结构的反应分类：静态作用：对结构不产生动力效应，或小的可以忽略；动态作用：对结构产生动力效应，且不可以忽略。第三讲：第三讲：计算原则（计算原则（4/28）一、结构上的作用（一、结构上的作用（3/5）3、荷载的随机性与概率模式(1)永久荷载 性质：其量值是不确定的，其量值不随时间变化 数学描述：随机变量概率模式，基本服从正态分布(2)可变荷载 性质：其量值是不确定的，其量值也随时间变化 数学描述：把随机过程模式简化成随机变量模式 简化方法：分析荷载最大值分布规律，是一随机变量 分布规律：极值I型概率分布模式第三讲：第三讲：计算原则（计算原则（5/28）一、结构上的作用（一、结构上的作用（4/5）4荷载的代表值(1)实质：以确定值（代表值）表达不确定的随机变量，便于设计时，定量描述和运算。(2)取值原则：根据荷载概率分布特征,控制保证率。第三讲：第三讲：计算原则（计算原则（6/28）一、结构上的作用（一、结构上的作用（5/5）(2)代表值取值 永久荷载的代表值标准值：取分布的平均值，保证率50%；可变荷载的代表值 标准值：基本代表值，保证率尚未统一；准永久值：对可变荷载稳定性的描述，等于标准值乘准永久值系数；组合值：两种或（以上）可变荷载作用时，都以标准值出现的概率小，因此对标准值乘以组合系数进行折减。第三讲：第三讲：计算原则（计算原则（1）下一讲的主要内容下一讲的主要内容1、抗力的不定因素及取值2、结构的功能3、极限状态 结构设计原理结构设计原理第第 四四 讲讲主讲教师：主讲教师：曹双寅曹双寅 舒赣平舒赣平东南大学远程教育第四讲：计算原则（第四讲：计算原则（2）上一讲的主要内容上一讲的主要内容1、作用及作用效应作用：引起结构内力和变形的一切原因。作用效应：作用在结构上产生的内力和变形等。2、作用的分类按时间分：永久作用；可变作用；偶然作用。按位置分：固定作用、可动作用。按反应分：静态作用、动态作用：3、荷载的随机性及代表值目的：以确定值（代表值）表达不确定的随机变量；种类：标准值、准永久值、组合值。第四讲：第四讲：计算原则（计算原则（7/28）二、结构的抗力二、结构的抗力（1/2）1、抗力及其不定因素 抗力：抵抗作用效应的能力 性质：与时间有关的随机过程材料的性能，结构尺寸等都是随机变量；有些材料的力学性能是随时间变化的。简化：忽略随时间的变化，用随机变量模型描述。抗力不定性主要因素：材料性能的不定性几参数的不定性计算模式的不定性第四讲：第四讲：计算原则（计算原则（8/28）二、结构的抗力二、结构的抗力（2/2）2、材料强度的标准值(1)实质：以确定值（标准值）表达不确定值，便于应用。(2)标准值取值：根据材料强度概率分布的0.05分位值，即95%保证率的要求确定。3、抗力的概率分布模式(假设)对数正态分布第四讲：第四讲：计算原则（计算原则（9/28）三、结构功能和极限状态（三、结构功能和极限状态（1/2）1、结构的功能（1）安全性：要求结构承担正常施工和正常使用条件下，可能出现的各种作用，而不产生破坏。并且在偶然事件发生时以及发生后，能保持必需的整体稳定性，不至于因局部损坏而产生连续破坏。（2）适用性：要求结构在正常使用时满足正常的要求，具有良好的工作性能。（3）耐久性要求结构在正常使用和维护下，在规定的使用期内，能够满足安全和使用功能要求。如材料的老化、腐蚀等不能超过规定的限制等。第四讲：第四讲：计算原则（计算原则（10/28）三、结构功能和极限状态（三、结构功能和极限状态（2/2）2、极限状态(1)定义：极限状态是判别结构是否能够满足其功能要求的标准，指结构或结构一部分处于失效边缘的状态。(2)分类：承载能力极限状态是判别结构是否满足安全性要求的标准，指结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续加载的变形。正常使用极限状态：是判别结构是否满足正常使用和耐久性要求的标准，指结构或构件达到正常使用或耐久性的某些规定限值。第四讲：第四讲：计算原则（计算原则（2）下一讲的主要内容下一讲的主要内容1、功能函数与极限状态方程2、结构可靠度的概念结构设计原理结构设计原理第第 五五 讲讲主讲教师：主讲教师：曹双寅曹双寅 舒赣平舒赣平东南大学远程教育第五讲：计算原则（第五讲：计算原则（3）上一讲的主要内容上一讲的主要内容1、抗力及其不定因素及材料强度的标准值标准值的实质：以确定值表达不确定值，便于应用。标准值取值