結構設計方法與設計指標(上課用)課件

1、本本 章章 內(nèi)內(nèi) 容容2.1 建筑結構荷載建筑結構荷載2.2 建筑結構的設計方法建筑結構的設計方法2.3 建筑結構材料的設計指標建筑結構材料的設計指標2.4 建筑結構抗震設防簡介建筑結構抗震設防簡介幾個基本概念：幾個基本概念：結構上的作用：結構上的作用：引起結構或構件產(chǎn)生內(nèi)力、變形和裂縫的各種原因。引起結構或構件產(chǎn)生內(nèi)力、變形和裂縫的各種原因。結構上的作用結構上的作用按出現(xiàn)方式分為按出現(xiàn)方式分為直接作用直接作用和和間接作用，間接作用，直接作用：直接作用：是指直接以力的不同集結形式（集中力或均勻分布力）施是指直接以力的不同集結形式（集中力或均勻分布力）施加在結構上的作用，通常也稱為加在結構上的作

2、用，通常也稱為結構的荷載，如結構的自重，風壓力，結構的荷載，如結構的自重，風壓力，雪荷載，物品及人群重量等。雪荷載，物品及人群重量等。間接作用：間接作用：是指能夠引起結構外加變形和約束變形或振動的各種原因是指能夠引起結構外加變形和約束變形或振動的各種原因，如溫度變化，材料的收縮，地基沉降等如溫度變化，材料的收縮，地基沉降等直接作用（即荷載）直接作用（即荷載）是本書主要介紹的內(nèi)容，由它引起的效應稱為是本書主要介紹的內(nèi)容，由它引起的效應稱為荷荷載效應。載效應。第一節(jié)第一節(jié) 建筑結構荷載建筑結構荷載荷荷 載載可變荷載可變荷載永久荷載永久荷載偶然荷載偶然荷載 1.永久荷載（也稱為恒荷載）永久荷載（也稱

3、為恒荷載）v定義定義 在結構使用期間，其值不隨時間變化，或其變化與在結構使用期間，其值不隨時間變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計，或其變化是單調(diào)的并能平均值相比可以忽略不計，或其變化是單調(diào)的并能趨于限值的荷載。趨于限值的荷載。v類型類型 結構自重結構自重 = 恒載恒載 土壓力土壓力 預應力預應力 水浮力等等水浮力等等統(tǒng)計參數(shù)與統(tǒng)計參數(shù)與時間無關時間無關 2.可變荷載可變荷載v定義定義 在結構使用期間，其值隨時間變化，且其變化與平均在結構使用期間，其值隨時間變化，且其變化與平均值相比不可以忽略不計的荷載。值相比不可以忽略不計的荷載。v特點特點n統(tǒng)計規(guī)律與時間參數(shù)有關統(tǒng)計規(guī)律與時間參數(shù)有關n隨

4、機過程模型隨機過程模型v類型類型n樓面、屋面活荷載，積灰荷載樓面、屋面活荷載，積灰荷載n風荷載，雪荷載風荷載，雪荷載n吊車荷載等等吊車荷載等等3.偶然荷載偶然荷載v定義定義 在結構使用期間不一定出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)，其值在結構使用期間不一定出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)，其值很大且持續(xù)時間很短的荷載很大且持續(xù)時間很短的荷載v特點特點n設計基準期內(nèi)可能不出現(xiàn)設計基準期內(nèi)可能不出現(xiàn)n一旦出現(xiàn)量值很大，持續(xù)時間很短一旦出現(xiàn)量值很大，持續(xù)時間很短v類型類型n爆炸力爆炸力n撞擊力撞擊力 罕遇地震是間接作用罕遇地震是間接作用= 偶然作用偶然作用 偶然荷載偶然荷載在進行結構設計時，根據(jù)不同極限狀態(tài)的設計在進行結構設計時，根據(jù)不同

5、極限狀態(tài)的設計要求所采用的荷載量值稱為要求所采用的荷載量值稱為荷載代表值荷載代表值。永久荷載永久荷載采用采用標準值標準值為代表值，為代表值，可變荷載可變荷載采用采用標準值、組合值、頻遇值或準永久值標準值、組合值、頻遇值或準永久值為代表值。設為代表值。設計時應根據(jù)不同極限狀態(tài)的設計要求來確定采用哪計時應根據(jù)不同極限狀態(tài)的設計要求來確定采用哪一種荷載值。一種荷載值。 二、荷載的代表值二、荷載的代表值作用于結構上荷載的大小具有變異性。作用于結構上荷載的大小具有變異性。荷載標荷載標準值準值就是結構在設計基準期內(nèi)可能出現(xiàn)的最大荷載就是結構在設計基準期內(nèi)可能出現(xiàn)的最大荷載值值,它是荷載的基本代表值。它是荷

6、載的基本代表值。（1）永久荷載標準值（永久荷載標準值（ GK ）永久荷載永久荷載主要是結構自重及粉刷、裝修、固定主要是結構自重及粉刷、裝修、固定設備的重量。設備的重量。由于結構或非承重構件的自重的變異性不大，由于結構或非承重構件的自重的變異性不大，一般以其平均值作為一般以其平均值作為荷載標準值荷載標準值，即可按結構構件，即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。的自重標準值確定。 常用材料單位體積的自重（單位常用材料單位體積的自重（單位kN/mkN/m3 3）（見表）（見表2-12-1）：）：混凝土混凝土222422

7、24，鋼筋混凝土鋼筋混凝土24252425，水泥砂漿水泥砂漿2020，石灰砂漿、混合砂漿石灰砂漿、混合砂漿1717，普通磚普通磚1818，普通磚（機器制）普通磚（機器制）1919，漿砌普通磚砌體漿砌普通磚砌體1818，漿砌機磚砌體漿砌機磚砌體1919。 v例題例題2-1 樓面做法為：硬木地板（樓面做法為：硬木地板（0.2kN/M2)，20mm厚水泥砂漿找平層，厚水泥砂漿找平層，80mm厚鋼筋混凝土現(xiàn)澆厚鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板，鋼絲網(wǎng)抹灰吊頂樓板，鋼絲網(wǎng)抹灰吊頂(0.45kN/M2)。試求板。試求板的恒載標準值（面積荷載）。的恒載標準值（面積荷載）。（2）可變荷載標準值（即活荷載標準值）民用建筑樓面

8、均布活荷載標準值見表2.2（詳見P33）。設計樓面梁、墻、柱及基礎時，表中活荷載標準值應按規(guī)定折減，詳見荷載規(guī)范。表表2-22-2荷載分類及荷載代表值荷載分類及荷載代表值（1 1）可變荷載標準值）可變荷載標準值（民用（民用樓面均布活荷載標準值按下表采用）樓面均布活荷載標準值按下表采用）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/m(kN/m2 2) )組合組合值系值系 c c頻偶頻偶值系值系 f f準永久準永久值系數(shù)值系數(shù) q q1 1（1 1）住宅、宿舍、旅館、辦公樓、醫(yī)院病房、托）

9、住宅、宿舍、旅館、辦公樓、醫(yī)院病房、托兒所、幼兒園兒所、幼兒園（2 2）教室、實驗室、閱覽室、會議室、醫(yī)院門診）教室、實驗室、閱覽室、會議室、醫(yī)院門診室室2.02.00.70.70.50.50.60.60.40.40.50.52 2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2.52.50.70.70.60.60.50.53 3（1 1）禮堂、劇場、影院、有固定座位的看臺）禮堂、劇場、影院、有固定座位的看臺（2 2）公共洗衣房）公共洗衣房3.03.03.03.00.70.70.70.70.50.50.60.60.30.30.50.54 4（1 1）商店、展覽廳、車站、港口、機場

10、大廳及其）商店、展覽廳、車站、港口、機場大廳及其旅客等候室旅客等候室（2 2）無固定座位的看臺）無固定座位的看臺3.53.53.53.50.70.70.70.70.60.60.50.50.50.50.30.3表表2-22-2荷載分類及荷載代表值荷載分類及荷載代表值5 5（1 1）健身房、演出舞臺）健身房、演出舞臺（2 2）舞廳）舞廳4.04.04.04.00.70.70.70.70.60.60.60.60.50.50.30.36 6（1 1）書庫、檔案室、儲藏室）書庫、檔案室、儲藏室（2 2）密集柜書庫）密集柜書庫5.05.012.012.00.90.90.90.90.80.87 7通風機房、

11、電梯機房通風機房、電梯機房7.07.00.90.90.90.90.80.88 8汽車通道及停車庫汽車通道及停車庫（1 1）單向板樓蓋（板跨不小于）單向板樓蓋（板跨不小于2m2m）客車客車消防車消防車（2 2）雙向板樓蓋和無梁樓蓋（柱網(wǎng)尺寸不小于）雙向板樓蓋和無梁樓蓋（柱網(wǎng)尺寸不小于6m6m6m6m）客車客車消防車消防車 4.04.035.035.02.52.520.020.00.70.70.70.70.70.70.70.70.70.70.70.70.70.70.70.70.60.60.60.60.60.60.60.6（1 1）可變荷載標準值）可變荷載標準值（民用（民用樓面均布活荷載標準值按下表

12、采用）樓面均布活荷載標準值按下表采用）表表2-22-2荷載分類及荷載代表值荷載分類及荷載代表值9 9廚房（廚房（1 1）一般的）一般的（2 2）餐廳）餐廳2.02.04.04.00.70.70.70.70.60.60.70.70.50.50.70.71010浴室、廁所、盥洗室：浴室、廁所、盥洗室：（1 1）第）第1 1項中的民用建筑項中的民用建筑（2 2）其他民用建筑）其他民用建筑2.02.02.52.50.70.70.70.70.50.50.60.60.40.40.50.51111走廊、門廳、樓梯：走廊、門廳、樓梯：（1 1）宿舍、旅館、醫(yī)院病房、托兒所、幼兒園、?。┧奚?、旅館、醫(yī)院病房、托

13、兒所、幼兒園、住宅宅（2 2）辦公樓、教室、餐廳、醫(yī)院門診部）辦公樓、教室、餐廳、醫(yī)院門診部（3 3）消防疏散樓梯、其他民用建筑）消防疏散樓梯、其他民用建筑2.02.02.52.53.53.50.70.70.70.70.70.70.50.50.60.60.50.50.40.40.50.50.30.31212陽臺：陽臺：（1 1）一般情況）一般情況（2 2）當人群有可能密集時）當人群有可能密集時2.52.53.53.50.70.70.60.60.50.5注：本表所列各項活荷載適用于一般使用條件，當使用荷載大時，應按實際情況采用。注：本表所列各項活荷載適用于一般使用條件，當使用荷載大時，應按實際情

14、況采用。本表各項荷載不包括隔墻自重和二次裝修荷載。本表各項荷載不包括隔墻自重和二次裝修荷載。（1 1）可變荷載標準值）可變荷載標準值（民用（民用樓面均布活荷載標準值按下表采用）樓面均布活荷載標準值按下表采用）兩種或兩種以上可變荷載同時作用于結構上時，兩種或兩種以上可變荷載同時作用于結構上時，所有可變荷載同時達到其單獨出現(xiàn)時可能達到的最所有可變荷載同時達到其單獨出現(xiàn)時可能達到的最大值的概率極小，因此，除大值的概率極小，因此，除，此即，此即可可變荷載組合值變荷載組合值?？勺兒奢d組合值可表示為可變荷載組合值可表示為ck。其中。其中c為可變?yōu)榭勺兒奢d組合值系數(shù)，其值按表荷載組合值系數(shù)，其值按表2.2查

15、取。查取。 2. 可變荷載組合值可變荷載組合值ck可變荷載頻遇值可變荷載頻遇值是指在設計基準期內(nèi)被超越的是指在設計基準期內(nèi)被超越的總時間僅為設計基準期一小部分的荷載值。總時間僅為設計基準期一小部分的荷載值。可變荷載頻遇值可表示為可變荷載頻遇值可表示為fk。其中。其中f為可變?yōu)榭勺兒奢d頻遇值系數(shù)，其值按表荷載頻遇值系數(shù)，其值按表2.2查取。查取。 3. 可變荷載頻遇值可變荷載頻遇值fk可變荷載準永久值可變荷載準永久值是指在設計基準期內(nèi)經(jīng)常達是指在設計基準期內(nèi)經(jīng)常達到或超過的荷載值，它對結構的影響類似于永久荷到或超過的荷載值，它對結構的影響類似于永久荷載。載?？勺兒奢d準永久值可表示為可變荷載準永久

16、值可表示為qk，其中，其中k為可為可變荷載標準值，變荷載標準值，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的的值見表值見表2.2。例如例如，住宅的樓面活荷載標準值為住宅的樓面活荷載標準值為2kN/m2，準，準永久值系數(shù)永久值系數(shù)q=0.4，則活荷載準永久值為，則活荷載準永久值為20.4=0.8kN/m2。4. 可變荷載準永久值可變荷載準永久值qk三、荷載的計算（三、荷載的計算（P.3435）建筑結構在規(guī)定的設計使用年限內(nèi)應滿足安全安全性、適用性和耐久性性、適用性和耐久性三項功能要求。1.安全性指結構在正常施工和正常使用的條件下，能承受可能出現(xiàn)的各種作用；在設計規(guī)定的偶然事件（如強烈地

17、震、爆炸、車輛撞擊等）發(fā)生時和發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性，即結構僅產(chǎn)生局部的損壞而不致發(fā)生連續(xù)倒塌。結構設計的目的結構設計的目的是要使所設計的結構在規(guī)定的設計使用年限內(nèi)能是要使所設計的結構在規(guī)定的設計使用年限內(nèi)能完成預期的全部功能要求。完成預期的全部功能要求。2.適用性適用性指結構在正常使用時具有良好的工作性指結構在正常使用時具有良好的工作性能。例如，不會出現(xiàn)影響正常使用的過大變形或振能。例如，不會出現(xiàn)影響正常使用的過大變形或振動，不會產(chǎn)生使使用者感到不安的裂縫寬度等。動，不會產(chǎn)生使使用者感到不安的裂縫寬度等。3.耐久性耐久性指在正常維護條件下結構能夠正常使用指在正常維護條件下結構能夠正

18、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)到規(guī)定的設計使用年限。例如，結構材料不致出現(xiàn)影響功能的損壞，鋼筋混凝土構件的鋼筋不致因保影響功能的損壞，鋼筋混凝土構件的鋼筋不致因保護層過薄或裂縫過寬而銹蝕等。護層過薄或裂縫過寬而銹蝕等。 結構的可靠性結構的可靠性結構和結構構件在規(guī)定的時間內(nèi)（設計使用年結構和結構構件在規(guī)定的時間內(nèi)（設計使用年限），在規(guī)定的條件下（正常設計、正常施工、正常使用和維限），在規(guī)定的條件下（正常設計、正常施工、正常使用和維護），完成預定功能（安全性、適用性、耐久性）的能力。護），完成預定功能（安全性、適用性、耐久性）的能力?？煽扛怕剩煽慷龋┛煽扛怕剩煽慷龋M足功能

19、要求的概率。更準確地說，結滿足功能要求的概率。更準確地說，結構在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件完成預定功能的概率稱為構在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件完成預定功能的概率稱為結構結構的可靠度。的可靠度。設計基準期設計基準期結構設計時，為確定荷載代表值以及對與時間有結構設計時，為確定荷載代表值以及對與時間有關的材料性能取值時所采用的時間參數(shù)。關的材料性能取值時所采用的時間參數(shù)。我國的設計基準期為我國的設計基準期為5050年。年。設計使用年限設計使用年限設計規(guī)定的一個時期。該規(guī)定時期內(nèi)，房屋建設計規(guī)定的一個時期。該規(guī)定時期內(nèi)，房屋建筑在正常設計、正常施工、正常使用和維護下不需要進行大修就筑在正常設計、正常施

20、工、正常使用和維護下不需要進行大修就能按其預定目的使用。能按其預定目的使用。幾個概念（P.35)：結構能滿足功能要求，稱結構“可靠”或“有效”，否則稱結構“不可靠”或“失效”。區(qū)分結構工作狀態(tài)“可靠”與“失效”的界限是“極限狀態(tài)”。所謂結構的極限狀態(tài)，是指結構或構件滿足結構安全性、適用性、耐久性三項功能中某一功能要求的臨界狀態(tài)。超過這一界限，結構或其構件就不能滿足設計規(guī)定的該功能要求，而進入失效狀態(tài)。 極限狀態(tài)分為兩類：1.承載能力極限狀態(tài)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。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)：結構構件或連接因材

21、料強度不夠而破壞；整個結構或結構的一部分作為剛體失去平衡（如傾覆等）；結構轉變?yōu)闄C動體系；結構或結構構件喪失穩(wěn)定（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)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，超過這一狀態(tài)便不能滿足適用性或耐久性的功能。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；影響正常使用的其他特定狀態(tài)等。結構的極限狀態(tài)可用極限狀態(tài)方程（結構極限狀態(tài)功能函數(shù)）Z來描述。為簡化起見，僅以荷載效荷載效應應S和結構抗力結構抗力R兩個基本變量來表達結構的功

22、能函數(shù)，則有（一）極限狀態(tài)方程（結構極限狀態(tài)功能函數(shù)）（一）極限狀態(tài)方程（結構極限狀態(tài)功能函數(shù)） 作用效應作用效應是指結構上的各種作用，在結構內(nèi)產(chǎn)生的是指結構上的各種作用，在結構內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)力（軸力、彎矩、剪力、扭矩等）和變形（如撓度、內(nèi)力（軸力、彎矩、剪力、扭矩等）和變形（如撓度、轉角、裂縫等）的總稱，用轉角、裂縫等）的總稱，用S表示。由直接作用產(chǎn)生的效表示。由直接作用產(chǎn)生的效應，通常稱為荷載效應。應，通常稱為荷載效應。結構抗力結構抗力是結構或構件承受作用效應的能力，如構是結構或構件承受作用效應的能力，如構件的承載力、剛度、抗裂度等，用件的承載力、剛度、抗裂度等，用R表示。結構抗力是結表示。結

23、構抗力是結構內(nèi)部固有的，其大小主要取決于材料性能、構件幾何構內(nèi)部固有的，其大小主要取決于材料性能、構件幾何參數(shù)及計算模式的精確性等。參數(shù)及計算模式的精確性等。作用效應作用效應作用（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、剪力、軸力、變形、裂縫彎矩、剪力、軸力、變形、裂縫等等 M V N f w結構抗力結構抗力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。如抗彎、抗剪、抗壓、抗拉、抗扭承載力如抗彎、抗剪、抗壓、抗拉、抗扭承載力以及抗變形、抗裂縫的能力。以及抗變形、抗裂縫的能力。關系式Z=（S，R）RS0稱為實際工程中，可能出現(xiàn)以下三種情況：當當0

24、時時，結構處于可靠狀態(tài)；，結構處于可靠狀態(tài)；當當0時時，結構處于失效狀態(tài)；，結構處于失效狀態(tài)；當當0時時，結構處于極限狀態(tài)。，結構處于極限狀態(tài)。有一農(nóng)夫，能肩挑有一農(nóng)夫，能肩挑300斤斤當給他當給他300斤的擔子時，斤的擔子時，效應剛好等于抗力；效應剛好等于抗力；當給他當給他100斤的擔子時，斤的擔子時，效應小于抗力；效應小于抗力；當給他當給他400斤的擔子時，斤的擔子時，效應大于抗力。效應大于抗力。挑擔子與結構功能函數(shù)挑擔子與結構功能函數(shù)結構的功能函數(shù)結構的功能函數(shù) SRRSgZ),(結構構件重要性系數(shù)一級結構構件重要性系數(shù)一級=1.1=1.1、二級、二級=1.0=1.0、三級、三級=0.9

25、=0.901.1.按承載能力極限狀態(tài)設計的實用表達按承載能力極限狀態(tài)設計的實用表達式式 RS 01.1.承載能力極限狀態(tài)下的設計表達式承載能力極限狀態(tài)下的設計表達式k2k11kiQciniiQQQGGSSSS按永久荷載標準值計算的荷載效應值按可變荷載標準值計算的荷載效應值 按第一個可變荷載標準值計算的荷載效應永久荷載分項系數(shù)永久荷載分項系數(shù)第第i i個可變荷載個可變荷載的分項系數(shù)的分項系數(shù) 第第1 1個可變荷載個可變荷載的分項系數(shù)的分項系數(shù) 可變荷載的可變荷載的組合值系數(shù)組合值系數(shù) 1 1）由可變荷載效應控制的組合：）由可變荷載效應控制的組合：對于基本組合，荷載效應組合的設計值對于基本組合，荷

26、載效應組合的設計值S S應按下列組合中取最應按下列組合中取最不利值確定：不利值確定：2）由永久荷載效應控制的組合QikciniQiGkGSSS1活荷載效應設計值荷載分項系數(shù)的取值荷載分項系數(shù)的取值荷載特性荷載特性分項系數(shù)分項系數(shù)永久永久荷載荷載永久荷載效應對永久荷載效應對結構不利結構不利由可變荷載效應控制的組合由可變荷載效應控制的組合1.21.2由永久荷載效應控制的組合由永久荷載效應控制的組合1.351.35永久荷載效應對結構有利永久荷載效應對結構有利1.01.0傾覆、滑移或飄浮驗算傾覆、滑移或飄浮驗算0.90.9可變可變荷載荷載一般情況一般情況1.41.4對標準值大于對標準值大于4kN/m4kN/m2 2的工業(yè)房屋樓面結構的活荷載取的工業(yè)房屋樓面結構的活荷載取1.31.31.承載能力極限狀態(tài)下的設計表達式承載能力極限狀態(tài)下的