建筑结构的基本设计原则课件

第二章 建筑结构的基本设计原则学学习目目标掌握荷掌握荷载的分的分类，会，会对永久荷永久荷载标准准值、活荷、活荷载标准准值、活荷、活荷载组合合值进行行计算算;掌握工程掌握工程结构极限状构极限状态的基本概念，包括的基本概念，包括结构构的作用、的作用、对结构的功能要求、构的功能要求、设计基准期、两基准期、两类极限状极限状态等；等；了解了解结构可靠度的基本原理；构可靠度的基本原理；熟悉近似概率极限状熟悉近似概率极限状态设计法在混凝土法在混凝土结构构设计、砌体、砌体结构构设计和和钢结构构设计中的中的应用。用。建筑结构的基本设计原则学习目标建筑结构的基本设计原则课件 2.2.1 荷荷载的分的分类永久荷载，指在结构设计使用期间，其作用值不随时间变化，或其变化幅度与平均值相比可以忽略不计的荷载。如结构自重、土压力、预应力等，永久荷载也称之为恒荷载。可变荷载，指在结构设计使用期间，其作用值随时间变化且其变化幅度与平均值相比不可忽略的荷载。如楼面活荷载、屋面活荷载、积灰荷载、吊车荷载、风荷载和雪荷载等，可变荷载又称为活荷载。偶然荷载，指在结构设计使用期间可能出现，但不一定出现，而一旦出现，其持续时间很短但量值很大的荷载。如爆炸力、撞击力等。2.1 荷载的分类及代表值 2.2.1 荷载的分类2.2.2 荷荷载代表代表值荷载标准值：指结构在正常使用情况下，在其设计基准期（50年）内可能出现的具有一定保证率的最大荷载值。它是建筑结构各类极限状态设计时采用的基本设计值。荷载标准值是建筑结构荷载规范（GB 500092010）规定的荷载基本代表值，为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值永久荷载标准值，对于结构或非承重构件的自重，可由设计尺寸与材料单位体积的自重计算确定。可变荷载标准值由建筑结构荷载规范给出，设计时可直接查用。表2.2列出了部分民用建筑楼面均布活荷载标准值。2.2.2 荷载代表值活荷载组合值是指对可变荷载，使组合后的荷载效应在设计基准内的超越概率，能与该荷载单独出现时的相应概率趋于一致的荷载值；或使组合后的结构具有统一规定的可靠指标的荷载值。当有两种或两种以上可变荷载同时作用在结构上时，由于各可变荷载同时达到其标准值的可能性极小，最大效应的取标准值，其余均采用小于标准值的组合值。用可变荷载的组合值的系数乘以相应的可变荷载标准值得到。如住宅，楼面均布荷载标准为2.0kN/m2，荷载组合值系数c为0.7，则活荷载组合值为2.00.7=1.4kN/m2。活荷载组合值是指对可变荷载，使组合后的荷载效应在设计基准内的名称名称自重自重名称名称自重自重普通砖18-19KN/m3素混凝土22-24KN/m3陶粒空心砌块5KN/m3钢筋混凝土24-25KN/m3混凝土空心小砌块5.5KN/m3钢框玻璃窗0.4-0.45KN/m2石灰砂浆、混合砂浆17KN/m3木门0.1-0.2KN/m2水泥砂浆20KN/m3油毡防水层0.05KN/m2表2-1 部分常用材料和构件自重表名称自重名称自重普通砖18-19KN/m3素混凝土22-24表2-2 部分民用建筑楼面均布活荷载标准值及组合值、频遇值和准永久值系数表表2-2 部分民用建筑楼面均布活荷载标准值及组合值、频建筑结构的基本设计原则课件活荷载频遇值是指可变荷载在设计基准期内，其超越的总时间约为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值。针对结构上偶尔出现的较大荷载，用可变荷载的频遇系数乘以相应的可变荷载标准值得到。可变荷载频遇值为可变荷载标准值乘以荷载频遇值系数f。荷载准永久值系数f 由建筑结构荷载规范给出。如住宅，楼面均布荷载标准为2.0kN/m2，荷载频遇值系数f为0.5，则活荷载准永久值为2.00.5=1.0kN/m2。活荷载频遇值是指可变荷载在设计基准期内，其超越的总时间约为规活荷载准永久值是指可变荷载在设计基准期内，其超越的总时间约为设计基准一半的荷载值。可变荷载准永久值为可变荷载标准值乘以荷载准永久值系数q。针对结构上经常作用的可变荷载，在规定期限内，该可变荷载总持续时间较长。对结构影响类似于永久荷载。荷载准永久值系数q由建设结构荷载规范给出。如住宅，楼面均布荷载标准为 2.0kN/m2，荷载准永久值系数q为0.4，则活荷载准永久值为2.00.4=0.8kN/m2。活荷载准永久值是指可变荷载在设计基准期内，其超越的总时间约为荷载分项系数及荷载设计值由于荷载是随机变量，考虑其有超过荷载标准值的可能性，以及不同变异性的荷载可能造成结构计算时可靠度不一致的不利影响，因此，在承载能力极限状态设计中将荷载标准值乘以一个大于1的调整系数，此系数称为荷载分项系数。荷载设计值是指荷载标准值与荷载分项系数的乘积。其数值大体相当于结构在非正常使用情况下荷载的最大值，它比荷载的标准值具有更大的可靠度。荷载分项系数及荷载设计值2.2.1 结构的安全等构的安全等级 建筑物的重要程度是根据其用途决定的，不同用途的建筑物，发生破坏后所引起的生命财产损失是不一样的。建筑结构可靠度设计统一标准（GB 500682010）规定，建筑建筑结构构设计时，应根据根据结构破坏可能构破坏可能产生的后果生的后果（危及人的生命、造成（危及人的生命、造成经济损失、失、产生社会影生社会影响等）的响等）的严重性，采用不同的安全等重性，采用不同的安全等级。根据破坏后果严重程度，将建筑物划分3个设计等级，2.2 结构的功能及概率极限状态设计法2.2.1 结构的安建筑结构的基本设计原则课件2.2.2 结构的功能要求构的功能要求从事建筑结构设计的基本目的是在一定的经济条件下，使结构在预定的使用期限内，能满足设计所预期的各项功能。结构的功能要求包括以下三点。安全性适用性耐久性2.2.2 结构的功能要求安全性：建筑结构应能承受在正常设计、施工和使用过程中可能出现的作用以及在偶然事件发生时或发生后，结构仍保持必要的整体稳定性，不致发生倒塌。适用性：建筑结构在正常使用过程中，结构构件应具有良好的工作性能，不会产生影响使用的变形、裂缝或震动等现象。耐久性：建筑结构在正常使用、正常维护的条件下结构具有足够的耐久性能，并能保持建筑的各项功能直至达到设计的使用年限。如不发生腐蚀、风化等现象或构件的保护层过薄、出现裂缝等现象。耐久性取决于结构所处的环境及设计使用年限。安全性：建筑结构应能承受在正常设计、施工和使用过程中可能出建筑结构的设计使用年限：设计规定的结构或构件不需要进行大修，就能完成预定功能的使用时期。结构的设计使用年限按下表：建筑结构的设计使用年限：设计规定的结构或构件不需要进行大修，2.2.3 结构功能的极限状构功能的极限状态1.结构极限状构极限状态的概念的概念 结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构为“可靠”或“有效”。反之，则结构为“不可靠”或“失效”。区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限状态”，即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的某一功能要求，此特定状态即为该功能的极限状态。2.2.3 结构功能的极限状态2.承承载能力极限状能力极限状态 结构或构件达到最大承载力，疲劳破坏或不适于继续承载的变形状态称为承载能力极限状态。超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求，主要包括以下几点。结构或构件达到最大承载力（包括疲劳）。结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移）。结构塑性变形过大而不适于继续使用。结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够多的塑性铰）。结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）。2.承载能力极限状态 3.正常使用极限状正常使用极限状态 结构或构件达到正常使用或耐久性的某项限值规定，称为正常使用极限状态。超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久性的功能要求。主要包括以下几点。过大的变形、侧移，这往往会导致非结构构件受力破坏、会给人不安全感或导致结构不能正常使用（如吊车梁的挠度过大）等。过大的裂缝，这往往会导致钢筋锈蚀、给人不安全感或导致房屋漏水等。过大的振动，这往往会给人不舒适感。其他正常使用要求。结构或构件按承载能力极限状态进行计算后，还应根据设计状况，按正常使用极限状态进行验算。3.正常使用极限状态 2.2.4 极限状极限状态设计法和法和设计表达式表达式1.结构的功能函数及有关概念构的功能函数及有关概念（1）作用效应和结构抗力的概念作用效应是指结构上的各种作用，在结构内产生的内力（如轴力、弯矩、剪力、扭矩等）和变形（如挠度、转角、裂缝等）的总称，用S表示。由直接作用产生的效应，通常称为荷载效应。结构抗力是结构或构件承受作用效应的能力，如构件的承载力、刚度、抗裂度等，用R表示。结构抗力是结构内部固有的，其大小主要取决于材料性能、构件几何参数及计算模式的精确性等。2.2.4 极限状态设计法和设计表达式（2）结构的功能函数 结构的工作性能可用下列结构功能函数Z来描述。为简化起见，仅以荷载效应S和结构抗力R两个基本变量来表达结构的功能函数，则有 Z=RS （2.1）式中 R结构构件抗力，它与材料的力学指标及材料用量有关；S作用（荷载）效应及其组合，它与作用的性质有关。Z0 结构处于可靠状态Z0 结构处于失效状态Z0 结构处于极限状态是结构失效的标准（2）结构的功能函数Z0 结构处于可靠状态2.实用用设计表达式表达式（1）按承载能力极限状态设计表达式实用表达式 （2.2）式中，结构重要性系数，对安全等级为一级或设计使用年限为100 年及以上的结构构件，不应小于1.1；对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件，不应小于1.0；对安全等级为三级或设计使用年限为5 年及以下的结构构件，不应小于0.9；在抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数；S荷载效应组合的设计值；R结构构件抗力的设计值。2.实用设计表达式G：永久荷载分项系数，；：永久荷载分项系数，；SGk：永久荷载标准值：永久荷载标准值Gk 计算的荷载效应值；计算的荷载效应值；Qi：第：第i个可变荷载的分项系数；个可变荷载的分项系数；SQik：按可变荷载标准值：按可变荷载标准值Qi计算的荷载效应值计算的荷载效应值;ci：可变荷载：可变荷载Qi的组合值系数，民用建筑楼面均布活的组合值系数，民用建筑楼面均布活 荷载、屋面均布活荷载的组合值系数；荷载、屋面均布活荷载的组合值系数；荷载效应基本组合设计值建筑结构荷载规范规定，对于基本组合，荷载效应对于基本组合，荷载效应组合的设计值组合的设计值S应从由可变荷载效应控制的组合和由永久应从由可变荷载效应控制的组合和由永久荷载效应控制的组合中取最不利值确定。荷载效应控制的组合中取最不利值确定。a.由可变荷载效应控制的组合(2.3)G：永久荷载分项系数，；荷载效应基本组合设计值(2.应用（2.3）和（2.4）式时应注意以下问题。.当考虑以竖向的永久荷载效应控制的组合时，参与组合的可变荷载仅限于竖向荷载。.混凝土结构和砌体结构设计采用内力表达式。此时，式（2.3）和（2.4）实质上就是永久荷载和可变荷载同时作用时，在结构上产生的内力（轴力、弯矩、剪力、扭矩等）的组合，其目标是求出结构可能的最大内力。.钢结构设计采用应力表达式。此时，式（2.3）和（2.4）实质上就是永久荷载和可变荷载同时作用时，在构件截面上产生的最大应力。2 2）由永久荷载效应控制的组合）由永久荷载效应控制的组合(2.4)应用（2.3）和（2.4）式时应注意以下问题。2）由永久荷载对于一般排架、框架结构，基本组合可采用简化规则，并应按下列组合值中取最不利值确定 对于一般排架、框架结构，基本组合可采用简化规则，并应按下列组（2）正常使用极限状态设计表达式 对于正常使用极限状态，应根据不同的设计目的，分别按荷载效应的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计，使变形、裂缝等荷载效应的设计值符合下列的要求：（2）正常使用极限状态设计表达式 对于正常使用极限状态，应根建筑结构的基本设计原则课件1.某住宅楼面梁，由永久荷载标准引起的弯矩MGK =55KN.m,由楼面活荷载标准值引起的弯矩MQK =25KN.m，可变荷载组合系数为C 为0.7，结构安全等级为二级，试按承载能力极限状态设计时，梁的最大弯矩设计值。2.某钢筋混凝土矩形截面简支梁，截面尺寸为bh=250500(mm),计算跨l0 =4m,梁上作用永久荷载标准为（不含自重）16KN/m,可变荷载标准为10KN/m,可变荷载组合值系数为C =0.7,梁的安全等级为二级，试按承载能力极限状态计算梁跨中最大弯矩设计值和正常使用极限状态计算梁的跨中荷载效应标准组合值。1.某住宅楼面梁，由永久荷载标准引起的弯矩MGK =55K建筑结构的基本设计原则课件