第二章建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理課件

第二章建筑結(jié)構(gòu)荷載與設(shè)計方法1ppt精選版2.1設(shè)計基準(zhǔn)期和設(shè)計使用年限2.1.1設(shè)計基準(zhǔn)期結(jié)構(gòu)設(shè)計中所采用的荷載統(tǒng)計參數(shù)和與時間有關(guān)的材料性能取值時所采用的時間參數(shù)。我國采用的設(shè)計基準(zhǔn)期為50年。2.1.2設(shè)計使用年限結(jié)構(gòu)設(shè)計所規(guī)定的一個時期。即在這一規(guī)定的時期內(nèi)，房屋建筑在正常設(shè)計、正常施工和正常使用維護(hù)下不需要進(jìn)行大修就能按其預(yù)定的目的使用。2ppt精選版

設(shè)計使用年限對特別重要的建筑物和紀(jì)念性建筑為100年，一般的建筑物與構(gòu)筑物為50年，易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件為25年，臨時性的建筑物為5年。設(shè)計使用年限不同于設(shè)計基準(zhǔn)期的概念。但對于一般建筑和構(gòu)筑物，設(shè)計使用年限和設(shè)計基準(zhǔn)期一般為50年。

3ppt精選版2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本概念2.2.1三個重要概念結(jié)構(gòu)上的作用——施加在結(jié)構(gòu)上的集中力或分布力（直接作用，也稱為荷載）和引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因（間接作用）。作用效應(yīng)S——由于直接作用或間接作用作用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件上，在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)力和變形(如軸力、彎矩、剪力、扭矩、撓度、轉(zhuǎn)角和裂縫等)。結(jié)構(gòu)抗力R——結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受內(nèi)力和變形的能力(如構(gòu)件的承載能力、剛度等)。它與材料性能、構(gòu)件尺寸和計算模式等有關(guān)。

結(jié)構(gòu)上的作用、作用效應(yīng)、結(jié)構(gòu)抗力均是隨機(jī)變量。4ppt精選版2.2.2作用的分類一、按隨時間的變異分類

永久作用—在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)其量值不隨時間變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計的作用?？勺冏饔谩谠O(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)其量值隨時間變化，且其變化與平均值相比不可忽略的作用。偶然作用—在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)出現(xiàn)或不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)其量值很大且持續(xù)時間很短的作用。5ppt精選版二、按隨空間位置的變異分類

固定作用—在結(jié)構(gòu)空間位置上具有固定分布的作用?？蓜幼饔谩诮Y(jié)構(gòu)空間位置上的一定范圍內(nèi)可以任意分布的作用。

三、按結(jié)構(gòu)的反應(yīng)分類靜態(tài)作用—使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的加速度可忽略不計的作用。

動態(tài)作用—使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的加速度不可忽略的作用。

6ppt精選版2.2.3荷載的代表值

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對不同荷載應(yīng)采用不同的設(shè)計值。對永久荷載應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)值作為代表值；對可變荷載應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求采用標(biāo)準(zhǔn)值、組合值、頻遇值或準(zhǔn)永久值作為代表值；對偶然荷載應(yīng)按建筑結(jié)構(gòu)使用的特點(diǎn)確定其代表值。7ppt精選版一、永久荷載的代表值

永久荷載的代表值只有標(biāo)準(zhǔn)值。對于結(jié)構(gòu)自重，可按結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計尺寸和材料單位體積（或單位面積）的自重計算。常用材料的構(gòu)件自重可?。核鼗炷粒?4kN/m2，鋼筋混凝土：25kN/m2。

對于某些自重變異較大的材料構(gòu)件，可根據(jù)對結(jié)構(gòu)的不利狀態(tài)，取上限值或下限值。

8ppt精選版二、可變荷載代表值①標(biāo)準(zhǔn)值

荷載的基本代表值，是指結(jié)構(gòu)在其使用期間,正常情況下可能出現(xiàn)的最大荷載值。②荷載頻遇值

是正常使用極限狀態(tài)按頻遇組合設(shè)計采用的一種可變荷載代表值。其值在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)經(jīng)常達(dá)到或超過的值。9ppt精選版③荷載準(zhǔn)永久值

是正常使用極限狀態(tài)按準(zhǔn)永久組合和頻遇組合設(shè)計采用的一種可變荷載代表值，考慮荷載的持久性對結(jié)構(gòu)的影響。其值在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)被超過的總時間為設(shè)計基準(zhǔn)期的一半。④荷載組合值

考慮施加在結(jié)構(gòu)上的各可變荷載不可能同時達(dá)到最大值，因此取值不僅與荷載本身有關(guān)，而且與荷載效應(yīng)組合所采用的概率模型有關(guān)。10ppt精選版2.2.4結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料強(qiáng)度一、材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值

是結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用的材料強(qiáng)度性能的基本代表值，具有不小于95％的保證率的材料強(qiáng)度值稱為材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。1.鋼材的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值《規(guī)范》將熱軋鋼筋的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取為冶金部門頒布的屈服強(qiáng)度廢品限值，其保證率為97.73％。2.混凝土的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取保證率為95%的強(qiáng)度值為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

11ppt精選版二、材料強(qiáng)度的設(shè)計值

是用于承載力計算時的材料強(qiáng)度代表值，它與材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的關(guān)系如下：

材料強(qiáng)度的設(shè)計值=材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值/材料強(qiáng)度的分項系數(shù)混凝土材料強(qiáng)度分項系數(shù)rCrC=1.4鋼筋材料強(qiáng)度分項系數(shù)rSrS=1.1~1.212ppt精選版2.3建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法2.3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的演變一、容許應(yīng)力法（建國前及建國初期）

建立在彈性理論基礎(chǔ)上的設(shè)計方法，沒有考慮材料的非線性性能，忽視了結(jié)構(gòu)實(shí)際承載能力與按彈性方法計算結(jié)果的差異。二、破損階段設(shè)計法（使用前蘇聯(lián)規(guī)范）考慮在使用階段塑性應(yīng)力分布后結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面承載力不小于外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力并乘以按安全系數(shù)，但安全系數(shù)憑經(jīng)驗確定。13ppt精選版三、極限狀態(tài)設(shè)計法（1966、1974年編制的規(guī)范）在安全度的表達(dá)上有單一系數(shù)和多系數(shù)形式，考慮了荷載的變異、材料性能的變異及工作條件的不同。四、概率極限狀態(tài)法（1984年編制的規(guī)范）以概率理論為基礎(chǔ)，視作用效應(yīng)和影響結(jié)構(gòu)抗力的主要因素為隨機(jī)變量，根據(jù)統(tǒng)計分析確定可靠概率來度量結(jié)構(gòu)可靠性的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。14ppt精選版2.3.2結(jié)構(gòu)功能要求1.安全性建筑結(jié)構(gòu)在其設(shè)計使用年限內(nèi)應(yīng)能夠承受可能出現(xiàn)的各種作用。且在設(shè)計規(guī)定的偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后，結(jié)構(gòu)應(yīng)能保持必需的整體穩(wěn)定性，不致倒塌。2.適用性

建筑結(jié)構(gòu)在其設(shè)計使用年限內(nèi)應(yīng)能滿足預(yù)定的使用要求，有良好的工作性能，其變形、裂縫或振動等性能均不超過規(guī)定的限度等。3.耐久性

建筑結(jié)構(gòu)在其設(shè)計使用年限內(nèi)應(yīng)有足夠的耐久性。例如保護(hù)層厚度不得過薄、裂縫不得過寬而引起鋼筋銹蝕等。15ppt精選版2.3.3結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)

結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)指整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)?！督ㄖY(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》將結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)分為兩類：承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)。16ppt精選版

承載能力極限狀態(tài)——結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形。(1)整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡，如雨篷壓重不足而傾覆、煙囪抗風(fēng)不足而傾倒、擋土墻抗滑不足在土壓力作用下而整體滑移等(2)結(jié)構(gòu)構(gòu)件或其連接因超過材料強(qiáng)度而破壞(包括疲勞破壞)，如軸心受壓構(gòu)件中混凝土達(dá)到了軸心抗壓強(qiáng)度、構(gòu)件的鋼筋因錨固長度不足而被拔出等；或因變形過大而不適于繼續(xù)承受荷載。(3)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動體系，如構(gòu)件發(fā)生三鉸共線而形成機(jī)動體系，喪失承載能力。(4)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定，如細(xì)長柱到達(dá)臨界荷載后壓屈失穩(wěn)而破壞。17ppt精選版

正常使用極限狀態(tài)——結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值。(1)影響正常使用或外觀的變形，如吊車梁變形過大導(dǎo)致吊車不能正常行駛、梁撓度過大影響外觀等。(2)影響正常使用或耐久性能的局部損壞，如水池池壁開裂漏水不能正常使用、如裂縫過寬導(dǎo)致鋼筋銹蝕等。(3)影響正常使用的振動，如由于機(jī)器振動而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的振幅超過按正常使用要求所規(guī)定的限位等。(4)影響正常使用的其它特定狀態(tài)，如相對沉降量過大等。18ppt精選版2.3.4功能函數(shù)與極限狀態(tài)方程結(jié)構(gòu)構(gòu)件完成預(yù)定功能的工作狀態(tài)，可用下列結(jié)構(gòu)功能函數(shù)Z來描述19ppt精選版

若功能函數(shù)Z僅與荷載效應(yīng)S和結(jié)構(gòu)抗力R有關(guān)時，結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程可寫為：

Z=R—S=0當(dāng)Z＞0時，結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)，當(dāng)Z＝0時，結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)，當(dāng)Z＜0時，結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)。

20ppt精選版2.3.5結(jié)構(gòu)可靠度、失效概率與可靠指標(biāo)

結(jié)構(gòu)可靠度是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率，即結(jié)構(gòu)可靠度是結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量。結(jié)構(gòu)可靠性是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)(即設(shè)計使用年限)，在規(guī)定的條件下(結(jié)構(gòu)正常的設(shè)計、施工、使用和維修條件)，完成預(yù)定功能(如承載力、剛度、穩(wěn)定性、抗裂性、耐久性和動力性能等)的能力。21ppt精選版

結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定的功能的概率，稱為結(jié)構(gòu)可靠度。用Ps表示。

結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定功能，即Z＜0或R＜S的概率即為失效概率。用Pf表示。Ps+Pf=1。一般用Pf度量結(jié)構(gòu)的可靠度，具有明確的物理意義，但計算Pf比較復(fù)雜，一般用可靠指標(biāo)β度量結(jié)構(gòu)的可靠性。22ppt精選版23ppt精選版一、目標(biāo)可靠指標(biāo)[β]《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)》對一般工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)所規(guī)定的、作為設(shè)計依據(jù)的可靠指標(biāo)，稱為目標(biāo)可靠指標(biāo)[β]。2.3.6目標(biāo)可靠指標(biāo)及安全等級24ppt精選版二、結(jié)構(gòu)的安全等級

在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生的各種后果(危及人的生命、造成經(jīng)濟(jì)損失、產(chǎn)生社會影響等)的嚴(yán)重性，采用不同的安全等級，見下表。建筑結(jié)構(gòu)安全等級25ppt精選版2.4實(shí)用設(shè)計表達(dá)式混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)用設(shè)計方法：

采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法；以可靠指標(biāo)度量結(jié)構(gòu)的可靠度；采用以分項系數(shù)的設(shè)計表達(dá)式。

所有混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載能力計算，必要時進(jìn)行結(jié)構(gòu)的傾覆和滑移驗算；使用上不允許出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件進(jìn)行抗裂度驗算，使用上允許出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件進(jìn)行裂度寬度驗算，使用上需控制變形的構(gòu)件進(jìn)行變形驗算。

26ppt精選版2.4.1承載能力極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式S——承載能力極限狀態(tài)的荷載效應(yīng)(內(nèi)力)組合的設(shè)計值。對于承載能力極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)按荷載效應(yīng)的基本組合進(jìn)行計算，必要時尚應(yīng)按荷載效應(yīng)的偶然組合進(jìn)行計算。對于基本組合，其內(nèi)力組合設(shè)計值可按以下兩公式中最不利值確定：27ppt精選版⑴由可變荷載效應(yīng)控制：⑵由永久荷載效應(yīng)控制：對于一般排架和框架結(jié)構(gòu)，可采用下列簡化公式：28ppt精選版γG

——永久荷載分項系數(shù)，當(dāng)永久荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力不利且可變荷載起控制作用時,取1.2;當(dāng)永久荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力不利且永久荷載起控制作用時,取1.35;當(dāng)永久荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力有利時,不應(yīng)大于1.0。SGk——按永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值Gk計算的荷載效應(yīng)值γQi——第i個可變荷載分項系數(shù)，一般情況取1.4，對標(biāo)準(zhǔn)值大于4kN/m2的工業(yè)廠房樓面活荷載取1.3。29ppt精選版SQik——按可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值Qik計算的荷載效應(yīng)值，其中SQ1k為所有可變荷載中起控制作用的。Φci——可變荷載的組合值系數(shù)，按荷載規(guī)范的規(guī)定使用。n——參與組合的可變荷載數(shù)。γO——結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性系數(shù)，與安全等級對應(yīng)，安全等級為一級或設(shè)計使在100年及以上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不應(yīng)小于1.1；安全等級為二級或設(shè)計使用年限在50年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不應(yīng)小于1.0；安全等級為三級或設(shè)計使用年限在5年及以下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不應(yīng)小于0.9。30ppt精