第二章-建筑结构设计基本原理.ppt

第二章第二章 建筑结构荷载与设计建筑结构荷载与设计方法方法 1 2.1设计基准期和设计使用年限设计基准期和设计使用年限 2.1.1设计基准期设计基准期 结构设计中所采用的荷载统计参数和与时间结构设计中所采用的荷载统计参数和与时间有关的材料性能取值时所采用的时间参数。有关的材料性能取值时所采用的时间参数。我国采用的设计基准期为我国采用的设计基准期为50年。年。2.1.2设计使用年限设计使用年限 结构设计所规定的一个时期。即在这一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。按其预定的目的使用。2 设计使用年限对特别重要的建筑物和纪念设计使用年限对特别重要的建筑物和纪念 性建筑为性建筑为100年，一般的建筑物与构筑物为年，一般的建筑物与构筑物为50 年，易于替换的结构构件为年，易于替换的结构构件为25年，临时性的建年，临时性的建 筑物为筑物为5年。年。设计使用年限不同于设计基准期的概念。设计使用年限不同于设计基准期的概念。但对于一般建筑和构筑物，设计使用年限和设但对于一般建筑和构筑物，设计使用年限和设 计基准期一般为计基准期一般为50年。年。3 2.2 结构设计的基本概念结构设计的基本概念 2.2.1三个重要概念三个重要概念 结构上的作用结构上的作用施加在结构上的集中力或分布力（施加在结构上的集中力或分布力（直接直接作用，也称为荷载作用，也称为荷载）和引起结构外加变形或约束变形的）和引起结构外加变形或约束变形的原因（原因（间接作用间接作用）。）。作用效应作用效应S由于直接作用或间接作用作用于结构构件由于直接作用或间接作用作用于结构构件上，在结构内产生的上，在结构内产生的内力和变形内力和变形(如轴力、弯矩、剪力、如轴力、弯矩、剪力、扭矩、挠度、转角和裂缝等扭矩、挠度、转角和裂缝等)。结构抗力结构抗力R结构或结构构件承受内力和变形的能力结构或结构构件承受内力和变形的能力(如如构件的构件的承载能力、刚度承载能力、刚度等等)。它与材料性能、构件尺寸。它与材料性能、构件尺寸和计算模式等有关。和计算模式等有关。结构上的作用、作用效应、结构抗力均是随机变量。结构上的作用、作用效应、结构抗力均是随机变量。4 2.2.2作用作用的分类的分类 一、按随时间的变异分类一、按随时间的变异分类 永久作用永久作用 在设计基准期内其量值不随时间在设计基准期内其量值不随时间 变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的 作用。作用。可变作用可变作用 在设计基准期内其量值随时间变在设计基准期内其量值随时间变 化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。偶然作用偶然作用在设计基准期内出现或不一定出在设计基准期内出现或不一定出 现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短的现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短的 作用。作用。5 二、按随空间位置的变异分类二、按随空间位置的变异分类 固定作用固定作用在结构空间位置上具有固定分布的在结构空间位置上具有固定分布的 作用。作用。可动作用可动作用在结构空间位置上的一定范围内可在结构空间位置上的一定范围内可 以任意分布的作用。以任意分布的作用。三、按结构的反应分类三、按结构的反应分类 静态作用静态作用使结构产生的加速度可忽略不计的使结构产生的加速度可忽略不计的 作用。作用。动态作用动态作用使结构产生的加速度不可忽略的作使结构产生的加速度不可忽略的作 用。用。6 2.2.3荷载的代表值荷载的代表值 建筑结构设计时，对不同荷载应采用不建筑结构设计时，对不同荷载应采用不 同的设计值同的设计值。对永久荷载应采用对永久荷载应采用标准值标准值作为代表值；作为代表值；对可变荷载应根据设计要求采用对可变荷载应根据设计要求采用标准值、组标准值、组 合值、频遇值或准永久值合值、频遇值或准永久值作为代表值；对偶作为代表值；对偶 然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表 值。值。7 一、永久荷载的代表值一、永久荷载的代表值 永久荷载的代表值只有标准值。对于结构永久荷载的代表值只有标准值。对于结构 自重，可按结构构件的设计尺寸和材料单位体自重，可按结构构件的设计尺寸和材料单位体 积（或单位面积）的自重计算。积（或单位面积）的自重计算。常用材料的构件自重可取：素混凝土：常用材料的构件自重可取：素混凝土：24kN/m2，钢筋混凝土，钢筋混凝土：25 kN/m2。对于某些自重变异较大的材料构件，可对于某些自重变异较大的材料构件，可 根据对结构的不利状态，取上限值或下限值。根据对结构的不利状态，取上限值或下限值。8 二、可变荷载代表值二、可变荷载代表值 标准值标准值 荷载的基本代表值，是指结构在其使用期荷载的基本代表值，是指结构在其使用期 间间,正常情况下可能出现的最大荷载值。正常情况下可能出现的最大荷载值。荷载频遇值荷载频遇值 是正常使用极限状态按频遇组合设计采用是正常使用极限状态按频遇组合设计采用 的一种可变荷载代表值。的一种可变荷载代表值。其值在设计基准期其值在设计基准期 内经常达到或超过的值。内经常达到或超过的值。9 荷载准永久值荷载准永久值 是正常使用极限状态按准永久组合和频遇是正常使用极限状态按准永久组合和频遇 组合设计采用的一种可变荷载代表值，考虑荷组合设计采用的一种可变荷载代表值，考虑荷 载的持久性对结构的影响载的持久性对结构的影响 。其值在设计基准期。其值在设计基准期 内被超过的总时间为设计基准期的一半。内被超过的总时间为设计基准期的一半。荷载组合值荷载组合值 考虑施加在结构上的各可变荷载不可能同考虑施加在结构上的各可变荷载不可能同 时达到最大值，因此取值不仅与荷载本身有时达到最大值，因此取值不仅与荷载本身有 关，而且与荷载效应组合所采用的概率模型有关，而且与荷载效应组合所采用的概率模型有 关。关。10 2.2.4结构构件的材料强度结构构件的材料强度 一、材料强度标准值一、材料强度标准值 是结构设计时采用的材料强度性能的基本是结构设计时采用的材料强度性能的基本 代表值，具有不小于代表值，具有不小于95的保证率的材料强的保证率的材料强 度值称为材料强度标准值。度值称为材料强度标准值。1.钢材的强度标准值钢材的强度标准值 规范规范将热轧钢筋的将热轧钢筋的 强度标准值取为冶金部门颁布的屈服强度废强度标准值取为冶金部门颁布的屈服强度废品限值品限值，其保证率为，其保证率为97.73。2.混凝土的强度标准值混凝土的强度标准值 取保证率为取保证率为95%的强的强度值为混凝土强度标准值。度值为混凝土强度标准值。11 二、材料强度的设计值二、材料强度的设计值 是用于承载力计算时的材料强度代表值，它是用于承载力计算时的材料强度代表值，它 与材料强度标准值的关系如下：与材料强度标准值的关系如下：材料强度的设计值材料强度的设计值=材料强度标准值材料强度标准值/材料强度的分项系数材料强度的分项系数 混凝土材料强度分项系数混凝土材料强度分项系数rC rC=1.4 钢筋材料强度分项系数钢筋材料强度分项系数rS rS=1.1 1.2 12 2.3建筑结构的设计方法建筑结构的设计方法 2.3.1结构设计方法的演变结构设计方法的演变 一、容许应力法一、容许应力法（建国前及建国初期）（建国前及建国初期）建立在弹性理论基础上的设计方法，没有建立在弹性理论基础上的设计方法，没有 考虑材料的非线性性能，忽视了结构实际承载考虑材料的非线性性能，忽视了结构实际承载 能力与按弹性方法计算结果的差异。能力与按弹性方法计算结果的差异。二、破损阶段设计法二、破损阶段设计法（使用前苏联规范）（使用前苏联规范）考虑在使用阶段塑性应力分布后结构构件截考虑在使用阶段塑性应力分布后结构构件截 面承载力不小于外荷载产生的内力并乘以按安面承载力不小于外荷载产生的内力并乘以按安 全系数，但安全系数凭经验确定。全系数，但安全系数凭经验确定。13 三、极限状态设计法三、极限状态设计法（1966、1974年编制的规年编制的规 范）范）在安全度的表达上有单一系数和多系数形在安全度的表达上有单一系数和多系数形 式，考虑了荷载的变异、材料性能的变异及工式，考虑了荷载的变异、材料性能的变异及工 作条件的不同。作条件的不同。四、概率极限状态法四、概率极限状态法（1984年编制的规范）年编制的规范）以概率理论为基础，视作用效应和影响结以概率理论为基础，视作用效应和影响结 构抗力的主要因素为随机变量，根据统计分析构抗力的主要因素为随机变量，根据统计分析 确定可靠概率来度量结构可靠性的确定可靠概率来度量结构可靠性的结构设计方结构设计方 法。法。14 2.3.2结构功能要求结构功能要求 1.安全性安全性 建筑结构在其设计使用年限内应能够承受可能出建筑结构在其设计使用年限内应能够承受可能出 现的各种作用。且在设计规定的偶然事件发生时及发现的各种作用。且在设计规定的偶然事件发生时及发 生后，结构应能保持必需的整体稳定性，不致倒塌。生后，结构应能保持必需的整体稳定性，不致倒塌。2.适用性适用性 建筑结构在其设计使用年限内应能满足预定的使建筑结构在其设计使用年限内应能满足预定的使 用要求，有良好的工作性能，其变形、裂缝或振动等用要求，有良好的工作性能，其变形、裂缝或振动等 性能均不超过规定的限度等。性能均不超过规定的限度等。3.耐久性耐久性 建筑结构在其设计使用年限内应有足够的耐久性。建筑结构在其设计使用年限内应有足够的耐久性。例如保护层厚度不得过薄、裂缝不得过宽而引起钢筋例如保护层厚度不得过薄、裂缝不得过宽而引起钢筋 锈蚀等。锈蚀等。15 2.3.3结构的极限状态结构的极限状态 结构的极限状态结构的极限状态指整个结构或结构的一指整个结构或结构的一 部分超过某一特定状态就不能满足设计规定部分超过某一特定状态就不能满足设计规定 的某一功能要求，此特定状态称为该功能的的某一功能要求，此特定状态称为该功能的 极限状态。极限状态。建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准将结将结 构的极限状态分为两类：构的极限状态分为两类：承载能力极限状态承载能力极限状态 及正常使用极限状态及正常使用极限状态。16 承载能力极限状态承载能力极限状态 结构或结构构件达到最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。大承载能力或不适于继续承载的变形。(1)整个结构或结构的一部分作为刚体失去平整个结构或结构的一部分作为刚体失去平 衡衡，如雨篷压重不足而倾覆、烟囱抗风不足而倾倒、，如雨篷压重不足而倾覆、烟囱抗风不足而倾倒、挡土墙抗滑不足在土压力作用下而整体滑移等挡土墙抗滑不足在土压力作用下而整体滑移等 (2)结构构件或其连接因超过材料强度而破坏结构构件或其连接因超过材料强度而破坏(包包 括疲劳破坏括疲劳破坏)，如轴心受压构件中混凝土达到了轴心，如轴心受压构件中混凝土达到了轴心 抗压强度、构件的钢筋因锚固长度不足而被拔出抗压强度、构件的钢筋因锚固长度不足而被拔出 等；或因变形过大而不适于继续承受荷载。等；或因变形过大而不适于继续承受荷载。(3)结构转变为机动体系结构转变为机动体系，如构件发生三铰共线，如构件发生三铰共线 而形成机动体系，丧失承载能力。而形成机动体系，丧失承载能力。(4)结构或构件丧失稳定结构或构件丧失稳定，如细长柱到达临界荷，如细长柱到达临界荷 载后压屈失稳而破坏载后压屈失稳而破坏。17 正常使用极限状态正常使用极限状态 结构或结构构件达结构或结构构件达 到正常使用或耐久性能的某项规定限值。到正常使用或耐久性能的某项规定限值。(1)影响正常使用或外观的变形影响正常使用或外观的变形，如吊车梁，如吊车梁 变形过变形过 大导致吊车不能正常行驶、梁挠度过大导致吊车不能正常行驶、梁挠度过 大影响外观等。大影响外观等。(2)影响正常使用或耐久性能的局部损坏影响正常使用或耐久性能的