第一章荷載和設計方法

1、12第一章第一章 （共一講）（共一講） 本章的主要內容：本章的主要內容：l 荷載分類；l 荷載代表值；l 結構的功能；l 結構功能的極限狀態(tài)；l 結構上的作用、作用效應和結構的抗力；l 概率極限狀態(tài)設計法實用設計表達式。（1 1）作用效應）作用效應 S作用（荷載）對結構產(chǎn)生的各種效應，作用（荷載）對結構產(chǎn)生的各種效應，如如彎矩彎矩、剪力剪力、軸力軸力、變形變形、裂縫裂縫等等 M V N f w結構構件抵抗各種作用效應的能力。結構構件抵抗各種作用效應的能力。如如抗彎抗彎、抗剪抗剪、抗壓抗壓、抗拉抗拉、抗扭抗扭承載力承載力以及以及抗變形抗變形、抗裂縫抗裂縫的能力。的能力。（2 2）結構抗力）結構抗

2、力 R結構上的作用可分為結構上的作用可分為直接作用直接作用和和間接作用間接作用 第一節(jié)第一節(jié) 結構上的作用結構上的作用1.1.永久永久荷載荷載永久荷載亦稱恒荷載，是指在結構使用期間，其值不隨時間永久荷載亦稱恒荷載，是指在結構使用期間，其值不隨時間變化，或者其變化與平均值相比可忽略不計的荷載，如變化，或者其變化與平均值相比可忽略不計的荷載，如結構自重結構自重、土土壓力壓力、預應力預應力等。等。2.2.可變可變荷載荷載可變荷載也稱為活荷載，是指在結構使用期間，其值隨時間變可變荷載也稱為活荷載，是指在結構使用期間，其值隨時間變化，且其變化值與平均值相比不可忽略的荷載，如化，且其變化值與平均值相比不可

3、忽略的荷載，如樓面活荷載樓面活荷載、屋面屋面活荷載活荷載、風荷載風荷載、雪荷載雪荷載、吊車荷載吊車荷載等。等。3.3.偶然偶然荷載荷載 在結構使用期間不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)，其量值很大且持續(xù)在結構使用期間不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)，其量值很大且持續(xù)時間很短的荷載稱為偶然荷載，如時間很短的荷載稱為偶然荷載，如爆炸力爆炸力、撞擊力撞擊力等。等。1.1 1.1 荷載分類荷載分類1.2 1.2 荷載代表值荷載代表值1.1.荷載代表值荷載代表值定義：結構設計時，對于不同的荷載和不同的設計情況，定義：結構設計時，對于不同的荷載和不同的設計情況，應賦予荷載不同的量值，該量值即荷載代表值。應賦予荷載不同的量值，該

4、量值即荷載代表值。2.2.荷載標準值荷載標準值定義：荷載標準值就是結構在設計基準期內具有一定概定義：荷載標準值就是結構在設計基準期內具有一定概率的最大荷載值率的最大荷載值, ,它是荷載的基本代表值。它是荷載的基本代表值。設計基準期設計基準期為確定可變荷載代表值而選定的時間參為確定可變荷載代表值而選定的時間參數(shù)，一般取為數(shù)，一般取為5050年。年。永久荷載主要是結構自重及粉刷、裝修，固定設備的重永久荷載主要是結構自重及粉刷、裝修，固定設備的重量。一般可按結構構件的設計尺寸和材料或結構構件單位體量。一般可按結構構件的設計尺寸和材料或結構構件單位體積（或面積）的自重標準值確定。積（或面積）的自重標準

5、值確定。對于自重變異性較大的材料，在設計中應根據(jù)其對結構對于自重變異性較大的材料，在設計中應根據(jù)其對結構有利或不利的情況，分別取其自重的下限值或上限值。有利或不利的情況，分別取其自重的下限值或上限值。 例例 取鋼筋混凝土單位體積自重標準值為取鋼筋混凝土單位體積自重標準值為25 25 kNkN/m/m3 3，則，則截面尺寸為截面尺寸為200200500mm500mm的鋼筋混凝土矩形截面梁的自重標準的鋼筋混凝土矩形截面梁的自重標準值為值為0.20.20.50.525=2.5kN/m25=2.5kN/m。民用建筑樓面均布活荷載標準值及其組合值、頻偶值和民用建筑樓面均布活荷載標準值及其組合值、頻偶值和

6、永久值系數(shù)按附表永久值系數(shù)按附表5-25-2采用。采用。定義：在設計基準期內經(jīng)常達到或超過的那部份荷載值定義：在設計基準期內經(jīng)常達到或超過的那部份荷載值（總的持續(xù)時間不低于（總的持續(xù)時間不低于2525年），稱為可變荷載準永久值。年），稱為可變荷載準永久值?？勺兒奢d準永久值可表示為可變荷載準永久值可表示為q qk k ，其中，其中k k為可變荷為可變荷載標準值，載標準值，q q為可變荷載準永久值系數(shù)。為可變荷載準永久值系數(shù)。q q值見附表值見附表5-2 5-2 。定義：定義：兩種或兩種以上兩種或兩種以上可變荷載同時作用于結構上時，可變荷載同時作用于結構上時，除主導荷載（產(chǎn)生最大效應的荷載）仍可以

7、其標準值為代表除主導荷載（產(chǎn)生最大效應的荷載）仍可以其標準值為代表值外，其他伴隨荷載均應以小于標準值的荷載值為代表值，值外，其他伴隨荷載均應以小于標準值的荷載值為代表值，此即可變荷載組合值。此即可變荷載組合值?？勺兒奢d組合值可表示為可變荷載組合值可表示為c ck k 。其中。其中c c 為可變荷載為可變荷載組合值系數(shù)，其值按附表組合值系數(shù)，其值按附表5-25-2查取。查取。定義：對可變荷載，在設計基準期內，其超越的總時間定義：對可變荷載，在設計基準期內，其超越的總時間為規(guī)定的較小比率或超越頻率為規(guī)定頻率的荷載值（為規(guī)定的較小比率或超越頻率為規(guī)定頻率的荷載值（總的持總的持續(xù)時間不低于續(xù)時間不低于

8、5050年年），稱為可變荷載頻遇值。），稱為可變荷載頻遇值?？勺兒奢d頻遇值可表示為可變荷載頻遇值可表示為f fk k。其中。其中f f為可變荷載頻為可變荷載頻遇值系數(shù)，其值按表遇值系數(shù)，其值按表1.1.11.1.1查取。查取。民用建筑樓面均布活荷載標準值及其組合值、頻偶值和永久值系數(shù)民用建筑樓面均布活荷載標準值及其組合值、頻偶值和永久值系數(shù)項項次次類類 別別標準值標準值(kN/m2)組合組合值系值系c頻偶頻偶值系值系f準永久準永久值系數(shù)值系數(shù)q1（1）住宅、宿舍、旅館、辦公樓、醫(yī)院病）住宅、宿舍、旅館、辦公樓、醫(yī)院病房、托兒所、幼兒園房、托兒所、幼兒園（2）教室、實驗室、閱覽室、會議室、醫(yī)）教

9、室、實驗室、閱覽室、會議室、醫(yī)院門診室院門診室2.00.70.50.60.40.52食堂、辦公樓中的一般資料檔案室食堂、辦公樓中的一般資料檔案室2.50.70.60.53（1）禮堂、劇場、影院、有固定座位的看）禮堂、劇場、影院、有固定座位的看臺臺（2）公共洗衣房）公共洗衣房3.03.00.70.70.50.60.30.54（1）商店、展覽廳、車站、港口、機場大）商店、展覽廳、車站、港口、機場大廳及其旅客等候室廳及其旅客等候室（2）無固定座位的看臺）無固定座位的看臺3.53.50.70.70.60.50.50.3第二節(jié)第二節(jié) 建筑結構概率極限狀態(tài)設計法建筑結構概率極限狀態(tài)設計法建筑結構的安全等級

10、建筑結構的安全等級安全等級安全等級破壞后果破壞后果建筑物類型建筑物類型一級一級很嚴重很嚴重重要的房屋重要的房屋二級二級嚴重嚴重一般的房屋一般的房屋三級三級不嚴重不嚴重次要的房屋次要的房屋建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準GB50068-2001（以下簡稱（以下簡稱統(tǒng)一標準統(tǒng)一標準）規(guī)定，建筑結構設計時，應根據(jù)結構破壞可能產(chǎn)生的后果（危及人的）規(guī)定，建筑結構設計時，應根據(jù)結構破壞可能產(chǎn)生的后果（危及人的生命、造成經(jīng)濟損失、產(chǎn)生社會影響等）的嚴重性，采用不同的生命、造成經(jīng)濟損失、產(chǎn)生社會影響等）的嚴重性，采用不同的安全等級安全等級。 2.1 設計使用年限設計使用年限: 是指設計規(guī)

11、定的結構或結構構件不需進行大修即可是指設計規(guī)定的結構或結構構件不需進行大修即可按其預定目的使用的時期。按其預定目的使用的時期。 結構的設計使用年限分類結構的設計使用年限分類設計設計使使 用用 年年 限限 示示 例例5臨時性結構臨時性結構25易于替換的結構構件易于替換的結構構件50普通房屋和構筑物普通房屋和構筑物100紀念性建筑和紀念性建筑和特別重要的建筑結構特別重要的建筑結構2.2 1) 功能要求功能要求適用性適用性耐久性耐久性安全性安全性 結構在正常施工和正常使用的條件下，能承受可結構在正常施工和正常使用的條件下，能承受可能出現(xiàn)的能出現(xiàn)的各種作用各種作用；在設計規(guī)定的偶然事件（如強烈；在設計

12、規(guī)定的偶然事件（如強烈地震、爆炸、車輛撞擊等）發(fā)生時和發(fā)生后，仍能保地震、爆炸、車輛撞擊等）發(fā)生時和發(fā)生后，仍能保持必需的持必需的整體穩(wěn)定性整體穩(wěn)定性，即結構僅產(chǎn)生局部的損壞而，即結構僅產(chǎn)生局部的損壞而不不致發(fā)生連續(xù)倒塌致發(fā)生連續(xù)倒塌。結構在正常使用時具有良好的工作性能。例結構在正常使用時具有良好的工作性能。例如，不會出現(xiàn)影響正常使用的過如，不會出現(xiàn)影響正常使用的過大變形或振動大變形或振動；不會產(chǎn)生使使用者感到不安的不會產(chǎn)生使使用者感到不安的裂縫寬度裂縫寬度等。等。結構在正常維護條件下具有足夠的結構在正常維護條件下具有足夠的耐久性能耐久性能，即在正常維護條件下結構能夠正常使用到規(guī)定的，即在正常

13、維護條件下結構能夠正常使用到規(guī)定的設計使用年限。例如，結構材料不致出現(xiàn)影響功能設計使用年限。例如，結構材料不致出現(xiàn)影響功能的損壞，鋼筋混凝土構件的鋼筋不致因保護層過薄的損壞，鋼筋混凝土構件的鋼筋不致因保護層過薄或裂縫過寬而銹蝕等或裂縫過寬而銹蝕等. .2.3 結構功能的極限狀態(tài)（1 1）定義）定義整個結構或結構的一部份，超過某一特定狀態(tài)就不能滿整個結構或結構的一部份，超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設計規(guī)定的某一功能（安全性、適用性、耐久性）要求，足設計規(guī)定的某一功能（安全性、適用性、耐久性）要求，該特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。該特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)極限狀態(tài)承載力極限狀態(tài)承載力極

14、限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)（2 2）分類）分類 1）承載能力極限狀態(tài)承載能力極限狀態(tài) 這種極限狀態(tài)對應于結構或這種極限狀態(tài)對應于結構或結構構件達到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形。承結構構件達到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形。承載能力極限狀態(tài)主要考慮關于載能力極限狀態(tài)主要考慮關于結構安全性結構安全性的功能。的功能。當結構或結構構件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，即認為超過了當結構或結構構件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，即認為超過了承載能力極限狀態(tài)：承載能力極限狀態(tài)：結構構件或連接因材料結構構件或連接因材料強度不夠而破壞；強度不夠而破壞；整個結構或結構的一部整個結構或結構的一部分作為剛體失去平衡（如

15、分作為剛體失去平衡（如傾覆等）；傾覆等）；結構轉變?yōu)闄C動體系；結構轉變?yōu)闄C動體系；結構或結構構件喪失穩(wěn)結構或結構構件喪失穩(wěn)定（如柱子被壓曲等）。定（如柱子被壓曲等）。2）正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài) 正常使用極限狀態(tài)對應于結正常使用極限狀態(tài)對應于結構或結構構件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值。這一構或結構構件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值。這一狀態(tài)對應于狀態(tài)對應于適用性或耐久性適用性或耐久性的功能。的功能。 當結構或結構構件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，即認為超過當結構或結構構件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，即認為超過了正常使用極限狀態(tài)：了正常使用極限狀態(tài)： 影響正常使用或外觀的變形；影響正常使用或

16、外觀的變形； 影響正常使用或耐久性能的局部損壞（包括裂縫）；影響正常使用或耐久性能的局部損壞（包括裂縫）； 影響正常使用的振動；影響正常使用的振動； 影響正常使用的其他特定狀態(tài)等。影響正常使用的其他特定狀態(tài)等。結構功能的表達結構功能的表達 S 作用效應作用效應 Action Effect 結構上的作用是結構上的作用是使結構產(chǎn)生內力、變形和裂縫的原因的總稱，分使結構產(chǎn)生內力、變形和裂縫的原因的總稱，分為直接作用和間接作用，作用效應即為作用為直接作用和間接作用，作用效應即為作用引起的構件內力。引起的構件內力。R 結構抗力結構抗力 Resistant 結構抵抗作用效應的能力，如受彎承載力結構抵抗作用

17、效應的能力，如受彎承載力Mu、受剪承載力、受剪承載力Vu、容、容許撓度許撓度f、容許裂縫寬度、容許裂縫寬度w。0S R 失效失效 ：結構構件的重要性系數(shù)，對安全等級為一級的結構構件，不應小于：結構構件的重要性系數(shù)，對安全等級為一級的結構構件，不應小于1.1；對安全等級為二級的結構構件，不應小于；對安全等級為二級的結構構件，不應小于1.0；對安全等級為三級的結；對安全等級為三級的結構構件，不應小于構構件，不應小于0.9；在抗震設計中，應?。辉诳拐鹪O計中，應取1.0。0RdkscffRR,R ：結構構件的抗力函數(shù)，取決于材料的強度設計值及幾何參數(shù)：結構構件的抗力函數(shù)，取決于材料的強度設計值及幾何參

18、數(shù)的標準值。的標準值。2.4 2.4 實用設計表達式實用設計表達式（1 1）承載能力極限狀態(tài)設計表達式）承載能力極限狀態(tài)設計表達式（基本組合，偶然組合）（基本組合，偶然組合）對于基本組合，荷載效應組合的設計值對于基本組合，荷載效應組合的設計值S應從由可變荷應從由可變荷載效應控制的組合和由永久荷載效應控制的組合中取最不利載效應控制的組合和由永久荷載效應控制的組合中取最不利值確定。值確定。 1）由永久荷載效應控制的組合）由永久荷載效應控制的組合kQcniLQmjkGGdiiiijjSSS11(1.5) ：第第 j 個永久荷載的分項系數(shù)；個永久荷載的分項系數(shù)； ：第第 i 個可變荷載的分項系數(shù)個可變

19、荷載的分項系數(shù)； ：第第 i 個可變荷載考慮設計使用年限的調整系數(shù)，表個可變荷載考慮設計使用年限的調整系數(shù)，表1.11； ：第第 j 個永久荷載標準值個永久荷載標準值Gjk計算的荷載效應值；計算的荷載效應值； ：第第 i 個永久荷載標準值個永久荷載標準值Qik計算的荷載效應值計算的荷載效應值； : 第第 i 個可變荷載的組合值系數(shù)；個可變荷載的組合值系數(shù)；kQcniLQikQLQmjkGGdiiijjSSSS21111 2）由可變荷載效應控制的組合）由可變荷載效應控制的組合(1.6)jGiQiLkGjSkQiSic荷載特性荷載特性荷載分項系數(shù)荷載分項系數(shù)永久荷載永久荷載永久荷載效應永久荷載效應

20、對結構不利對結構不利由可變荷載效由可變荷載效應控制的組合應控制的組合1.2由永久荷載效由永久荷載效應控制的組合應控制的組合1.35永久荷載效應對結構有利永久荷載效應對結構有利1.0傾覆、滑移或飄浮驗算傾覆、滑移或飄浮驗算0.9可變荷載可變荷載一般情況一般情況1.4對標準值大于對標準值大于4kN/m2的工的工業(yè)房屋樓面結構的活荷載取業(yè)房屋樓面結構的活荷載取1.3 荷載分項系數(shù)的取值荷載分項系數(shù)的取值偶然組合：其效應設計值偶然組合：其效應設計值nikQqkQfAmjkGdiidjSSSSS2111 ：按偶然荷載標準值：按偶然荷載標準值 Ad 計算的荷載效應值；計算的荷載效應值；dAs1f ：第：第

21、1個可變荷載的頻偶值系數(shù)；個可變荷載的頻偶值系數(shù)； 對于正常使用極限狀態(tài)，應對于正常使用極限狀態(tài)，應，采用，采用荷載效應的荷載效應的標準組合標準組合、頻遇組合頻遇組合或或準永久組合準永久組合，按下列設計，按下列設計表達式進行設計：表達式進行設計： SC (1.7)式中式中S變形、裂縫等荷載效應的設計值；變形、裂縫等荷載效應的設計值； C結構構件達到正常使用要求所規(guī)定的限值，如變形、結構構件達到正常使用要求所規(guī)定的限值，如變形、裂縫、振幅、加速度、應力等的限值。裂縫、振幅、加速度、應力等的限值。1 1）對于標準組合，其荷載效應組合的表達式為）對于標準組合，其荷載效應組合的表達式為 (1.8) 2

22、) 2) 對于頻遇組合，其荷載效應組合的表達式為對于頻遇組合，其荷載效應組合的表達式為(1.9)nikQckQmjkGdiijSSSS211nikQqkQfmjkGdiijSSSS2111 3) 3) 對于準永久組合，其荷載效應組合的表達式為對于準永久組合，其荷載效應組合的表達式為nikQqmjkGdiijSSS11(1.10) 標準組合標準組合在某種意義上與過去的短期效應組合相同，主要用在某種意義上與過去的短期效應組合相同，主要用來驗算一般情況下構件的撓度、裂縫等使用極限狀態(tài)問題。來驗算一般情況下構件的撓度、裂縫等使用極限狀態(tài)問題。 頻遇組合頻遇組合目前的應用范圍較為窄小，如吊車梁的設計等。

23、由目前的應用范圍較為窄小，如吊車梁的設計等。由于其中的頻遇值系數(shù)許多還沒有合理地統(tǒng)計出來，所以在其它于其中的頻遇值系數(shù)許多還沒有合理地統(tǒng)計出來，所以在其它方面的應用還有一段的時間。方面的應用還有一段的時間。 準永久組合準永久組合在某種意義上與過去的長期效應組合相同，在某種意義上與過去的長期效應組合相同，它它考慮了可變荷載對結構作用的長期性考慮了可變荷載對結構作用的長期性。常用于考慮荷載長期效常用于考慮荷載長期效應對結構構件正常使用狀態(tài)影響的分析中。應對結構構件正常使用狀態(tài)影響的分析中。 小小 結：結： 1. 荷載分類、荷載代表值的概念及種類；荷載分類、荷載代表值的概念及種類； 2. 永久荷載、

24、可變荷載的代表值；永久荷載、可變荷載的代表值； 3. 作用效應、結構抗力的概念；作用效應、結構抗力的概念； 4. 結構的功能及其極限狀態(tài)的含義。結構的功能及其極限狀態(tài)的含義。作業(yè)布置：作業(yè)布置： 技能訓練技能訓練 【例例2.1】 某辦公樓鋼筋混凝土矩形截面簡支梁，安全某辦公樓鋼筋混凝土矩形截面簡支梁，安全等級為二級，截面尺寸等級為二級，截面尺寸bh = 200mm400mm，計算跨，計算跨度度 = 5m，凈跨度，凈跨度 =4.86m。承受均布線荷載：活荷載。承受均布線荷載：活荷載標準值標準值7kN/m，恒荷載標準值，恒荷載標準值10kN/m（不包括自重）。試（不包括自重）。試計算按承載能力極限

25、狀態(tài)設計時的跨中彎矩設計值和支座計算按承載能力極限狀態(tài)設計時的跨中彎矩設計值和支座邊緣截面剪力設計值。邊緣截面剪力設計值。0lnlBnlAFAFBmKNqk/7mKNgk/100l200400 【例例2.1】 某辦公樓鋼筋混凝土矩形截面簡支梁，安全某辦公樓鋼筋混凝土矩形截面簡支梁，安全等級為二級，截面尺寸等級為二級，截面尺寸bh = 200mm400mm，計算跨，計算跨度度 = 5m，凈跨度，凈跨度 =4.86m。承受均布線荷載：活荷載。承受均布線荷載：活荷載標準值標準值7kN/m，恒荷載標準值，恒荷載標準值10kN/m（不包括自重）。試（不包括自重）。試計算按承載能力極限狀態(tài)設計時的跨中彎矩設計值和支座計算按承載能力極限狀態(tài)設計時的跨中彎矩設計值和支座邊緣截面剪力設計值。邊緣截面剪力設計值。0lnllABFAFBmKNqk/7mKNgk/10mKNqk/7lFAFBABxqxqlFS2222qxxqlM2ql2ql82qlmKNgk/10【解解】查得活荷載組合值系數(shù)查得活荷載組合值系數(shù)=0.7。安全等級為二級，。安全等級為二級，則結構重要性系數(shù)則結構重要性系數(shù)=1.0。 鋼筋混凝土的重度標準值為鋼筋混凝土的重度標準值為25kN/m3，故梁自重標準值，故梁自重標準值為為250.20.4=2 kN/m。 總恒荷載標準值總恒荷載標準值gk=10+2=12kN/m