混凝土结构设计一般原则和方法课件

2014-20152014-2015学年第二学期学年第二学期混凝土结构与砌体结构设计混凝土结构与砌体结构设计课件制作：赵文娟课件制作：赵文娟课程主讲：林上顺课程主讲：林上顺适用班级：土木工程适用班级：土木工程20132013级级Tel:13950415869Tel:13950415869E-mail:E-mail:福建工程学院土木学院福建工程学院土木学院2014-2015学年第二学期混凝土结构与砌体结构设计1课课 程程 目目 录录u教学进度计划表u考核要求u设计的原则和方法u楼盖u单层厂房u多层框架结构课程目录教学进度计划表2考考 核核 要要 求求平时成绩+考试成绩 考核方式为闭卷考试；平时成绩就是各次作业的平均成绩、课堂上回答问题情况和考勤情况的综合评定。考试内容比例 混凝土结构设计的一般原则和方法：约10%；楼盖：约35%；单层厂房：约20%；多层框架结构：约35%。考试题型比例 填空题约20%；选择题约20%；简答题或构造绘图题约20%；计算题约40%。考核要求平时成绩+考试成绩3课课 程程 说说 明明混凝土结构（含混凝土结构设计原理和混凝土结构设计）和砌体结构是土木工程专业最主要的专业基础课之一；是一门关键的主干课程；是报考结构工程、防灾减灾及防护工程等专业硕士研究生的考试课程；该课程的实践性强（后续含课程设计），实用性强，与毕业设计有着很大的联系；是今后报考“注册结构工程师”的一门难度较大的科目。课程说明混凝土结构（含混凝土结构设计4课课 程程 要要 求求 积极配合教师上好每一节课，认真听讲，积极思考。积极参与交互式教学活动中，认真完成课后作业。多给老师提宝贵意见和建议。课程要求积极配合教师上好每一节课，5第十章第十章混凝土结构设计的一般原则和方法混凝土结构设计的一般原则和方法u10-0 本章教学目的、重点、难点u10-1 建筑结构设计的一般原则和方法u10-2 建筑结构荷载u10-3 结构的功能要求和极限状态u10-4 按近似概率的极限状态设计法u10-5 实用设计表达式第十章混凝土结构设计的一般原则和方法10-0本章教学目610-0 10-0 教学目的、重点、难点教学目的、重点、难点u教学内容 1.结构的定义与分类；2.结构设计的内容；3.结构的选型和布置的原则；4.混凝土结构的分析方法；5.实用设计表达式。u重点、难点 重点：混凝土结构的分析方法；实用设计表达式 难点可靠度理论；概率极限状态设计法10-0教学目的、重点、难点教学内容710-1 10-1 建筑结构设计的一般原则和方法建筑结构设计的一般原则和方法10.1.1 建筑结构的组成和类型1 1、建筑结构概念、建筑结构概念（1）结构：广义上指房屋建筑和土木工程的建筑物、构筑物及其相关组成部分的实体。狭义上指各种工程实体的承重骨架。在土木工程中，由建筑材料按照一定的方式组成并能承受荷载作用的工程实体称为工程结构（简称结构）。（2）工程结构按使用功能的分类：建筑结构：房屋建筑中的梁、板、柱、基础及组成体系桥梁结构：铁路、公路中的桥梁10-1建筑结构设计的一般原则和方法10.1.1建筑结构8水工结构：水电站、水库大坝等特种结构：油库、仓库、水塔、大型水池、地下通道、地铁、隧道等（3）建筑结构：是建筑物的受力主体，在土木工程中，主要供人们生活、学习、工作、居住以及从事各种生产和文化活动的结构成为建筑结构。水工结构：水电站、水库大坝等92 2、建筑结构的、建筑结构的组成组成（1）上部结构：水平结构体系楼盖、屋盖 竖向结构体系抗侧力结构体系（2）下部结构：主要由地下室和基础等组成水平结构体系楼盖和屋盖：承受楼、屋面竖向荷载和各层水平力，然后传递和分配竖向结构体系。竖向结构体系：承受楼、屋面传来的竖向力和水平力传给下部结构，对高层建筑常称为抗侧力结构体系。下部结构地下室+基础（把上部结构传来的力可靠地传给天然地基或人工地基）。2、建筑结构的组成103 3、建筑结构建筑结构的类型的类型（1）按结构材料分：砌体结构、混凝土结构、钢结构、组合结构和混合结构等。（2）按结构材料分：排架结构、框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构和筒体结构等。组合结构：同一构件的不同部位由不同结构材料组成，如钢筋混凝土，钢骨混凝土、钢管混凝土、碳纤维混凝土、钢-混凝土组合楼板等；混合结构：不同部位的结构构件由两种或两种以上结构材料组成的结构，如砌体-钢筋砼、钢-钢筋砼、钢管砼-钢筋砼。（3）按用途分（农、工、民）（4）按体型和高度分（单、多、高、超高、大跨度）3、建筑结构的类型1110.1.2 建筑结构设计的阶段和内容（1）工程建设步骤：工程勘察、工程设计、工程施工。程序：先勘察后设计，先设计后施工（2）结构设计阶段：初步设计、技术设计、施工图设计。10-1 10-1 建筑结构设计的一般原则和方法建筑结构设计的一般原则和方法10.1.2建筑结构设计的阶段和内容10-1建筑结构设计1210-1 10-1 建筑结构设计的一般原则和方法建筑结构设计的一般原则和方法10.1.3 建筑结构设计的一般原则结构设计的一般原则安全、适用、耐久和经济合理。“三性”：安全性、实用性和耐久性，是建筑结构应满足的功能要求。结构设计应考虑功能要求与经济性之间的均衡，在保证结构可靠的前提下，设计出经济的、技术先进的、施工方便的结构。10-1建筑结构设计的一般原则和方法10.1.3建筑结构1310-2 10-2 建筑结构荷载建筑结构荷载10.2.1 结构上的作用与荷载1 1、作用的概念、作用的概念使结构产生内力、变形、应力、应变、裂缝的原因。2 2、作用作用的分类的分类（1）直接作用施加在结构上的集中力或分布力，如荷载。（2）间接作用引起结构外加变形或约束的原因，如地震、基础差异沉降、混凝土收缩、温度变化等。间接作用不仅与外界因素有关，还与结构本身的特性有关。如地震对建筑物的作用于地震加速度、结构自身动力特性有关。地震作用地震荷载10-2建筑结构荷载10.2.1结构上的作用与荷载143 3、作用作用的效应：的效应：作用在结构上产生的反应。如内力（轴力、弯矩、剪力、扭矩）、变形（位移、挠度、转角）、裂缝、应力、应变等。荷载效应：作用为荷载时的作用效应。地震效应：作用为地震时的作用效应。荷载与荷载效应之间的关系：S=CQ式中 C作用效应系数3、作用的效应：作用在结构上产生的反应。如内力（轴力、弯矩、1510.2.2 荷载的分类按作用时间的长短和性质，荷载可分为三类：1）永久荷载：在设计基准期内其量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的荷载。如：重力、土压力、预应力等。2）可变荷载：在设计基准期内其量值随时间变化，切且其变化与平均值相比不可忽略的荷载。如：楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、温度变化等。3）偶然荷载：在设计基准期内不一定出现，一旦出现其值很大且持续时间很短的荷载。如：爆炸力、撞击力、罕遇的地震等。10.2.2荷载的分类162、荷载按随空间位置的变异分为：固定荷载和移动荷载3、荷载按结构的反应特点分类：静力荷载和动荷载设计基准期作为规定荷载最大值的值域。我国采用50年。设计基准期是为确定可变作用及与时间有关的材料性能取值而选用的时间参数，不仅涉及可变作用（荷载），还涉及材料性能。设计使用年限是设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。设计基准期设计使用年限2、荷载按随空间位置的变异分为：固定荷载和移动荷载1710.2.3 荷载代表值 建筑结构荷载规范给出了四种荷载代表值：标准值、组合值、频遇值、准永久值。荷载的标准值 具有一定概率（一般为95%）的最大荷载值称为荷载标准值。荷载标准值是荷载的基本代表值荷载标准值是荷载的基本代表值。对于结构自重可以根据结构的设计尺寸和材料的重力密度确定；可变荷载标准值由设计使用年限内最大荷载概率分布的某个分位值确定。10.2.3荷载代表值18混凝土结构设计一般原则和方法课件19混凝土结构设计一般原则和方法课件2010.2.4 竖向荷载1、楼、屋面荷载（1）恒荷载：包括结构自重和附加在结构上的恒荷载（构件自重、门窗自重、设备重量）等；可按实际分布情况计算结构的荷载效应。（2）民用建筑楼面均布活荷载：按等效均布荷载方法根据房间使用功能查建筑结构荷载规范或本教材P435附录5确定。（3）工业建筑楼面均布活荷载：按等效均布荷载方法查建筑结构荷载规范确定。（4）屋面活荷载：水平投影面上的均布活荷载按教材P6表10-2采用，屋面活荷载不应与雪荷载同时组合。10.2.4竖向荷载2122233、风压高度变化系数：在大气层边界层内，风速随地面高度的增大而增大，风速增大规律主要取决于地面粗糙度。现行荷载规范将地面粗糙程度分为A、B、C、D四类。4、风荷载体型系数：风作用在建筑物表面所引起的实际压力（或吸力）与基本风压的比值，正为压力，负为吸力。风荷载体型系数描述了建筑物表面在稳定风压静态压力分布规律，与建筑物的体型、尺度、周围环境和地面粗糙程度有关。教材表10-5给出部分风荷载体型系数的建议取值。5、风振系数：考虑脉动风对结构产生动力效应的放大系数。与房屋自振周期、结构的阻尼特性以及风的脉动性能等因素有关。3、风压高度变化系数：在大气层边界层内，风速随地面高度的增大246、风荷载的简化将沿框架高度分布的风荷载，简化为作用于框架节点的水平荷载，并将合并于迎风面一侧。6、风荷载的简化2510-3 10-3 结构的功能要求和极限状态结构的功能要求和极限状态10.3.1 结构的功能要求1 1、结构的安全等级、结构的安全等级 结构的安全等级根据结构破坏可能产生的后果，即危及人的生命、造成的经济损失、产生社会影响等的严重程度确定。我国根据建筑结构破坏时可能产生的后果严重与否，分为三个安全等级：一级破坏后果很严重、重要的建筑物；二级破坏后果严重、一般的建筑物；三级破坏后果不严重、次要建筑物。对人员比较集中使用频繁的影剧院、体育馆等，安全等级宜按一级设计；建筑物中梁、柱等各类构件的安全等级一般应与整个建筑物的安全等级相同。10-3结构的功能要求和极限状态10.3.1结构的功能要2610-3 10-3 结构的功能要求和极限状态结构的功能要求和极限状态10.3.1 结构的功能要求2 2、结构的使用年限、结构的使用年限 设计使用年限设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期，即结构在规定的条件下所应达到的使用年限。一般建筑结构的设计使用年限可一般建筑结构的设计使用年限可为为5050年。年。各类工程结构的设计使用年限是不应该统一的。例如，桥梁应比房屋的设计使用年限长，大坝的设计使用年限更长。注：注：结构的设计使用年限虽与其使用寿命有联系，但不等同。超过设计使用年限的结构并不是不能使用，而是指它的可靠度降低了。10-3结构的功能要求和极限状态10.3.1结构的功能要2710-3 10-3 结构的功能要求和极限状态结构的功能要求和极限状态10.3.1 结构的功能要求3 3、建筑结构的功能要求、建筑结构的功能要求 设计的结构和结构构件在规定的设计使用年限内，在正常维护条件下，应能保持其使用功能，而不需进行大修加固。应满足的功能要求可概括为：（1）安全性 建筑结构应能承受正常施工和正常使用时可能出现的各种荷载和变形，在偶然事件（如地震、爆炸等）发生时和发生后保持必需的整体稳定性，不致发生倒塌。（2）适用性 结构在正常使用过程中应具有良好的工作性。例如，不产生影响使用的过大变形或振幅，不发生足以让使用者不安的过宽的裂缝等，（3）耐久性 结构在正常维护条件下应有足够的耐久性，完好使用到设计规定的年限，即设计使用年限。例如，混凝土不发生严重分化、腐蚀、脱落、钢筋不发生锈蚀等。10-3结构的功能要求和极限状态10.3.1结构的功能要2810-3 10-3 结构的功能要求和极限状态结构的功能要求和极限状态10.3.2 结构功能极限状态 能完成预定的各功能时，结构处于有效状态；反之，则处于失效状态，有效状态和失效状态的分界，称为极限状态，是结构开始失效的标志。极限状态可分为两类。1、承载能力极限状态 结构或构件达到最大承载能力或者达到不适于继续承载的变形状态，称为承载能力极限状态。超过承载能力极限状态后，结构或构件就不能满足安全性的要求。2、正常使用极限状态 正常使用极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。10-3结构的功能要求和极限状态10.3.2结构功能极限2910-3 10-3 结构的功能要求和极限状态结构的功能要求和极限状态10.3.3 极限状态方程1、承载能力极限状态函数 承载力极限状态函数可表示为 Z=R-S式中 R结构构件的抗力 S各种荷载效应的组合值2、结构状态 图图3-13-1极限状态方程取值示意图极限状态方程取值示意图根据S、R的取值不同，可能出现三种情况：Z=R-S0时，结构处于可靠状态；Z=R-S=O时，结构处于极限状态；Z=R-Sx。)？10.7 什么是保证率？什么叫结构的可靠度和可靠指标？我国建筑结构设计统一标准对结构可靠度是如何定义的？10.8 什么是结构的功能函数？什么是结构的极限状态？功能函数Z0、ZO和Z=0时各表示结构处于什么样的状态？10.9 什么是结构可靠概率Ps和失效概率pf？什么是目标可靠指标？可靠指标与结构失效概率有何定性关系？怎样确定可靠指标？为什么说我国“规范”采用的极限状态设计法是近似概率设计方法？其主要特点是什么？思考题10.6材料强度是服从正态分布的随机变量67思 考 题 10.10 我国“规范”承载力极限状态设计表达式采用何种形式？说明式中各符号的物理意义及荷载效应基本组合的取值原则。式中可靠指标体现在何处？10.11 什么是荷载标准值？什么是活荷载的频遇值和准永久值？什么是荷载的组合值？对正常使用极限状态验算，为什么要区分荷载的标准组合和荷载的准永久组合？如何考虑荷载的标准组合和荷载的准永久组合？10.12混凝土强度标准值是按什么原则确定的？混凝土材料分项系数和强度设计值是如何确定的？10.13 钢筋的强度设计值和标准值是如何确定的？分别说明钢筋和混凝土的强度标准值、平均值及设计值之间的关系。思考题10.10我国“规范”承载力极限状态设计681 1、一、一跨度为跨度为4m4m的简支梁，承受自重为的简支梁，承受自重为g gk k=3kN/m=3kN/m的均的均布线荷载布线荷载,再在梁的跨中作用有再在梁的跨中作用有Q Qk k=1kN=1kN的集中可变荷的集中可变荷载，安全等级取二级，可变荷载的组合值系数取载，安全等级取二级，可变荷载的组合值系数取0.70.7，求梁的不利，求梁的不利荷载效应荷载效应设计值。设计值。作业题作业题2 2、某钢筋混凝土地沟板，板厚、某钢筋混凝土地沟板，板厚70mm70mm，宽，宽500mm500mm，板上，板上抹灰（水泥砂浆厚抹灰（水泥砂浆厚20mm),20mm),地面标准活荷载地面标准活荷载2.50kN/m22.50kN/m2，可变荷载的组合值系数取，可变荷载的组合值系数取0.70.7，计算，计算跨度跨度L L取取2.00m2.00m，试计算板的不利荷载效应设计值。，试计算板的不利荷载效应设计值。练习题练习题1、一跨度为4m的简支梁，承受自重为gk=3kN/m的均布线69