2建筑結構的基本設計原則課件

第二章建筑結構的基本設計原則建筑結構的基本設計原則學習目標掌握荷載的分類，會對永久荷載標準值、活荷載標準值、活荷載組合值進行計算;掌握工程結構極限狀態(tài)的基本概念，包括結構的作用、對結構的功能要求、設計基準期、兩類極限狀態(tài)等；了解結構可靠度的基本原理；熟悉近似概率極限狀態(tài)設計法在混凝土結構設計、砌體結構設計和鋼結構設計中的應用。2.1荷載的分類及代表值

2.2.1荷載的分類永久荷載，指在結構設計使用期間，其作用值不隨時間變化，或其變化幅度與平均值相比可以忽略不計的荷載。如結構自重、土壓力、預應力等，永久荷載也稱之為恒荷載?？勺兒奢d，指在結構設計使用期間，其作用值隨時間變化且其變化幅度與平均值相比不可忽略的荷載。如樓面活荷載、屋面活荷載、積灰荷載、吊車荷載、風荷載和雪荷載等，可變荷載又稱為活荷載。偶然荷載，指在結構設計使用期間可能出現(xiàn)，但不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)，其持續(xù)時間很短但量值很大的荷載。如爆炸力、撞擊力等。2.2.2荷載代表值①荷載標準值：指結構在正常使用情況下，在其設計基準期（50年）內可能出現(xiàn)的具有一定保證率的最大荷載值。它是建筑結構各類極限狀態(tài)設計時采用的基本設計值。荷載標準值是《建筑結構荷載規(guī)范》（GB50009—2010）規(guī)定的荷載基本代表值，為設計基準期內最大荷載統(tǒng)計分布的特征值永久荷載標準值，對于結構或非承重構件的自重，可由設計尺寸與材料單位體積的自重計算確定?？勺兒奢d標準值由《建筑結構荷載規(guī)范》給出，設計時可直接查用。表2.2列出了部分民用建筑樓面均布活荷載標準值?；詈奢d組合值是指對可變荷載，使組合后的荷載效應在設計基準內的超越概率，能與該荷載單獨出現(xiàn)時的相應概率趨于一致的荷載值；或使組合后的結構具有統(tǒng)一規(guī)定的可靠指標的荷載值。當有兩種或兩種以上可變荷載同時作用在結構上時，由于各可變荷載同時達到其標準值的可能性極小，最大效應的取標準值，其余均采用小于標準值的組合值。用可變荷載的組合值的系數(shù)乘以相應的可變荷載標準值得到。如住宅，樓面均布荷載標準為2.0kN/m2，荷載組合值系數(shù)ψc為0.7，則活荷載組合值為2.0×0.7=1.4kN/m2。名稱自重名稱自重普通磚18-19KN/m3素混凝土22-24KN/m3陶?？招钠鰤K5KN/m3鋼筋混凝土24-25KN/m3混凝土空心小砌塊5.5KN/m3鋼框玻璃窗0.4-0.45KN/m2石灰砂漿、混合砂漿17KN/m3木門0.1-0.2KN/m2水泥砂漿20KN/m3油氈防水層0.05KN/m2表2-1部分常用材料和構件自重表表2-2部分民用建筑樓面均布活荷載標準值及組合值、頻遇值和準永久值系數(shù)表活荷載頻遇值是指可變荷載在設計基準期內，其超越的總時間約為規(guī)定的較小比率或超越頻率為規(guī)定頻率的荷載值。針對結構上偶爾出現(xiàn)的較大荷載，用可變荷載的頻遇系數(shù)乘以相應的可變荷載標準值得到?？勺兒奢d頻遇值為可變荷載標準值乘以荷載頻遇值系數(shù)ψf

。荷載準永久值系數(shù)ψf

由《建筑結構荷載規(guī)范》給出。如住宅，樓面均布荷載標準為2.0kN/m2，荷載頻遇值系數(shù)ψf為0.5，則活荷載準永久值為2.0×0.5=1.0kN/m2。活荷載準永久值是指可變荷載在設計基準期內，其超越的總時間約為設計基準一半的荷載值?？勺兒奢d準永久值為可變荷載標準值乘以荷載準永久值系數(shù)ψq

。針對結構上經(jīng)常作用的可變荷載，在規(guī)定期限內，該可變荷載總持續(xù)時間較長。對結構影響類似于永久荷載。荷載準永久值系數(shù)ψq由《建設結構荷載規(guī)范》給出。如住宅，樓面均布荷載標準為

2.0kN/m2，荷載準永久值系數(shù)ψq為0.4，則活荷載準永久值為2.0×0.4=0.8kN/m2。荷載分項系數(shù)及荷載設計值由于荷載是隨機變量，考慮其有超過荷載標準值的可能性，以及不同變異性的荷載可能造成結構計算時可靠度不一致的不利影響，因此，在承載能力極限狀態(tài)設計中將荷載標準值乘以一個大于1的調整系數(shù)，此系數(shù)稱為荷載分項系數(shù)。荷載設計值是指荷載標準值與荷載分項系數(shù)的乘積。其數(shù)值大體相當于結構在非正常使用情況下荷載的最大值，它比荷載的標準值具有更大的可靠度。2.2結構的功能及概率極限狀態(tài)設計法2.2.1結構的安全等級

建筑物的重要程度是根據(jù)其用途決定的，不同用途的建筑物，發(fā)生破壞后所引起的生命財產(chǎn)損失是不一樣的?！督ㄖY構可靠度設計統(tǒng)一標準》（GB50068—2010）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，采用不同的安全等級。根據(jù)破壞后果嚴重程度，將建筑物劃分3個設計等級，2.2.2結構的功能要求從事建筑結構設計的基本目的是在一定的經(jīng)濟條件下，使結構在預定的使用期限內，能滿足設計所預期的各項功能。結構的功能要求包括以下三點。

①安全性②適用性③耐久性⑴安全性：建筑結構應能承受在正常設計、施工和使用過程中可能出現(xiàn)的作用以及在偶然事件發(fā)生時或發(fā)生后，結構仍保持必要的整體穩(wěn)定性，不致發(fā)生倒塌。⑵適用性：建筑結構在正常使用過程中，結構構件應具有良好的工作性能，不會產(chǎn)生影響使用的變形、裂縫或震動等現(xiàn)象。⑶耐久性：建筑結構在正常使用、正常維護的條件下結構具有足夠的耐久性能，并能保持建筑的各項功能直至達到設計的使用年限。如不發(fā)生腐蝕、風化等現(xiàn)象或構件的保護層過薄、出現(xiàn)裂縫等現(xiàn)象。耐久性取決于結構所處的環(huán)境及設計使用年限。建筑結構的設計使用年限：設計規(guī)定的結構或構件不需要進行大修，就能完成預定功能的使用時期。結構的設計使用年限按下表：2.2.3結構功能的極限狀態(tài)1.結構極限狀態(tài)的概念

結構能夠滿足功能要求而良好地工作，則稱結構為“可靠”或“有效”。反之，則結構為“不可靠”或“失效”。區(qū)分結構“可靠”與“失效”的臨界工作狀態(tài)稱為“極限狀態(tài)”，即整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設計規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)即為該功能的極限狀態(tài)。2.承載能力極限狀態(tài)

結構或構件達到最大承載力，疲勞破壞或不適于繼續(xù)承載的變形狀態(tài)稱為承載能力極限狀態(tài)。超過該極限狀態(tài)，結構就不能滿足預定的安全性功能要求，主要包括以下幾點。①結構或構件達到最大承載力（包括疲勞）。

②結構整體或其中一部分作為剛體失去平衡（如傾覆、滑移）。

③結構塑性變形過大而不適于繼續(xù)使用。

④結構形成幾何可變體系（超靜定結構中出現(xiàn)足夠多的塑性鉸）。

⑤結構或構件喪失穩(wěn)定（如細長受壓構件的壓曲失穩(wěn)）。

3.正常使用極限狀態(tài)

結構或構件達到正常使用或耐久性的某項限值規(guī)定，稱為正常使用極限狀態(tài)。超過該極限狀態(tài)，結構就不能滿足預定的適用性和耐久性的功能要求。主要包括以下幾點。

①過大的變形、側移，這往往會導致非結構構件受力破壞、會給人不安全感或導致結構不能正常使用（如吊車梁的撓度過大）等。

②過大的裂縫，這往往會導致鋼筋銹蝕、給人不安全感或導致房屋漏水等。

③過大的振動，這往往會給人不舒適感。

④其他正常使用要求。

結構或構件按承載能力極限狀態(tài)進行計算后，還應根據(jù)設計狀況，按正常使用極限狀態(tài)進行驗算。2.2.4極限狀態(tài)設計法和設計表達式1.結構的功能函數(shù)及有關概念（1）作用效應和結構抗力的概念作用效應是指結構上的各種作用，在結構內產(chǎn)生的內力（如軸力、彎矩、剪力、扭矩等）和變形（如撓度、轉角、裂縫等）的總稱，用S表示。由直接作用產(chǎn)生的效應，通常稱為荷載效應。結構抗力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R表示。結構抗力是結構內部固有的，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。（2）結構的功能函數(shù)

結構的工作性能可用下列結構功能函數(shù)Z來描述。為簡化起見，僅以荷載效應S和結構抗力R兩個基本變量來表達結構的功能函數(shù)，則有Z=R－S（2.1）式中

R——結構構件抗力，它與材料的力學指標及材料用量有關；

S——作用（荷載）效應及其組合，它與作用的性質有關。

Z＞0結構處于可靠狀態(tài)Z＜0結構處于失效狀態(tài)Z＝0結構處于極限狀態(tài)是結構失效的標準2.實用設計表達式（1）按承載能力極限狀態(tài)設計表達式①實用表達式

（2.2）式中，

——結構重要性系數(shù)，對安全等級為一級或設計使用年限為100年及以上的結構構件，不應小于1.1；對安全等級為二級或設計使用年限為50年的結構構件，不應小于1.0；對安全等級為三級或設計使用年限為5年及以下的結構構件，不應小于0.9；在抗震設計中，不考慮結構構件的重要性系數(shù)；S——荷載效應組合的設計值；R——結構構件抗力的設計值。γG

：永久荷載分項系數(shù)，；

SGk

：永久荷載標準值Gk

計算的荷載效應值；γQi

：第i個可變荷載的分項系數(shù)；

SQik

：按可變荷載標準值Qi計算的荷載效應值;ψci

：可變荷載Qi的組合值系數(shù)，民用建筑樓面均布活荷載、屋面均布活荷載的組合值系數(shù)；②荷載效應基本組合設計值《建筑結構荷載規(guī)范》規(guī)定，對于基本組合，荷載效應組合的設計值S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值確定。a.由可變荷載效應控制的組合(2.3)應用（2.3）和（2.4）式時應注意以下問題。Ⅰ.當考慮以豎向的永久荷載效應控制的組合時，參與組合的可變荷載僅限于豎向荷載。Ⅱ.混凝土結構和砌體結構設計采用內力表達式。此時，式（2.3）和（2.4）實質上就是永久荷載和可變荷載同時作用時，在結構上產(chǎn)生的內力（軸力、彎矩、剪力、扭矩等）的組合，其目標是求出結構可能的最大內力。Ⅲ.鋼結構設計采用應力表達式。此時，式（2.3）和（2.4）實質上就是永久荷載和可變荷載同時作用時，在構件截面上產(chǎn)生的最大應力。2）由永久荷載效應控制的組合(2.4)對于一般排架、框架結構，基本組合可采用簡化規(guī)則，并應按下列組合值中取最不利值確定（2）正常使用極限狀態(tài)設計表達式

對于正常使用極限狀態(tài)，應根據(jù)不同的設計目的，分別按荷載效應的標準組合、頻遇組合和準永久組合進行設計，使變形、裂縫等荷載效應的設計值符合下列的要求：1.某住宅樓面梁，由永久荷載標準引起的彎矩MGK=55KN.m,由樓面活荷載標準值引起的彎矩MQK=25KN.m