第一章结构设计方法1-课件

结构设计方法：结构设计方法：研究工程结构设计中的各种不确定性问题，研究工程结构设计中的各种不确定性问题，取得取得安全可靠与经济合理之间的均衡。安全可靠与经济合理之间的均衡。多种不确定性因素多种不确定性因素;(荷载作用、结构尺寸、材料强度；计算简图、计算理论与实际情荷载作用、结构尺寸、材料强度；计算简图、计算理论与实际情况；人为错误）况；人为错误）第一章第一章结构设计方法结构设计方法1.1结构荷载结构荷载一一.结构上的作用结构上的作用使结构产生内力或变形的因素使结构产生内力或变形的因素.分类分类按原因分：按原因分：直接作用直接作用荷载荷载间接作用间接作用收缩、温差、沉降、地震收缩、温差、沉降、地震其他作用其他作用青海化工厂桥柱青海化工厂桥柱青海化工厂桥面护栏青海化工厂桥面护栏沈阳山海关高速公路路椽石沈阳山海关高速公路路椽石沈阳山海关高速公路冬季撤盐沈阳山海关高速公路冬季撤盐沈阳山海关掺入硅灰、减水剂、超细粉煤灰的路缘石沈阳山海关掺入硅灰、减水剂、超细粉煤灰的路缘石二二.荷载分类荷载分类按作用时间变异性可分为：按作用时间变异性可分为：永久荷载永久荷载在设计基准期内，其作用值不随时间变化，或其在设计基准期内，其作用值不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计，如自重、预压应力。变化与平均值相比可忽略不计，如自重、预压应力。可变荷载可变荷载在设计基准期内，其作用值随时间变化，或其变在设计基准期内，其作用值随时间变化，或其变化与平均值相比不可忽略不计，如楼面活载、车辆、化与平均值相比不可忽略不计，如楼面活载、车辆、风载。风载。偶然荷载偶然荷载在设计基准期内不一定出现，但一旦出现其作用在设计基准期内不一定出现，但一旦出现其作用值很大，且持续时间较短，如、爆炸、撞击。值很大，且持续时间较短，如、爆炸、撞击。设计基准期设计基准期进行结构可靠度分析时，考虑各项基本变量与时进行结构可靠度分析时，考虑各项基本变量与时间关系所取用的基准时间。间关系所取用的基准时间。设计使用年限设计使用年限设计规定的结构或构件不需要进行大修即可按设计规定的结构或构件不需要进行大修即可按其预定目的使用的时间。其预定目的使用的时间。按作用方向分类按作用方向分类竖向荷载，水平荷载竖向荷载，水平荷载水平荷载水平荷载风荷载标准值计算公式风荷载标准值计算公式风压高度系数；风压高度系数；风载体形系数；风载体形系数；风振系数；风振系数；1.基本风压基本风压.根据当地空旷平坦地面离地高根据当地空旷平坦地面离地高10米米10分钟平均风分钟平均风速速，50年一遇最大值年一遇最大值v0（基本风速）换算而来；（基本风速）换算而来；基本风压基本风压.2.2.风压高度系数风压高度系数在梯度风高度范围内，任意高度在梯度风高度范围内，任意高度z z的风速与的风速与H H高度风高度风速的关系为速的关系为为地面粗糙指数，对于为地面粗糙指数，对于A A、B B、C C、D D类，分别为类，分别为0.120.12、0.160.16、0.220.22、0.30.3。查表查表建筑物表面的实际压力与其形状有关，与建筑物表面的实际压力与其形状有关，与来流风压的比值用来流风压的比值用 表示。表示。3.风载体型系数风载体型系数由风速换算得到的风压是所谓来流风压。由风速换算得到的风压是所谓来流风压。房屋将对气流形成某种干挠。房屋将对气流形成某种干挠。为正时代表风压，即靠近表面；为正时代表风压，即靠近表面；为负时代表风吸，即离开表面。为负时代表风吸，即离开表面。4.4.风振系数风振系数时间时间风压风压长周期长周期风振系数定义为考虑脉动效应的总风压与静风压（平均风压）风振系数定义为考虑脉动效应的总风压与静风压（平均风压）之比。之比。风的长周期较长；风的长周期较长；风脉动周期只有几秒。风脉动周期只有几秒。规范规定：对于高度大于规范规定：对于高度大于30m且高宽比且高宽比H/B大于大于1.5的房屋结构，的房屋结构，以及自振周期以及自振周期T1大于大于0.25s高耸结构必须考虑脉动效应。高耸结构必须考虑脉动效应。脉动增大系数；脉动增大系数；脉动影响系数；脉动影响系数；结构振型系数结构振型系数,对于规则结构可取对于规则结构可取z/Hz/H。zH对于多高层房屋，通常将分布风荷对于多高层房屋，通常将分布风荷载转换成作用在每层楼面处的集中载转换成作用在每层楼面处的集中风荷载。风荷载。niu 地震作用地震作用（一）基本概念n n1.是表征地震强弱的指标，是地震释放能量多少的尺度。是表征地震强弱的指标，是地震释放能量多少的尺度。震级计算震级计算用标准地震仪用标准地震仪(周期周期0.8s，阻尼系数，阻尼系数0.8，放大倍率，放大倍率2800倍倍)，在，在震中距震中距100km处，记录以微米处，记录以微米(lm)为单位的最为单位的最大振幅的地动位移大振幅的地动位移A的常用对数值。的常用对数值。M=logA(里氏震级里氏震级)1）地震震级）地震震级2.地震震级与地震烈度地震震级与地震烈度2）q基本烈度（设防烈度）：基本烈度（设防烈度）：重现周期为重现周期为475年。年。q众值烈度（小震）：众值烈度（小震）：重现周期为重现周期为50年；众值烈度比基本烈度低年；众值烈度比基本烈度低1.55度；度；q罕遇烈度（大震）：罕遇烈度（大震）：重现周期为重现周期为1641年年2475年；罕遇烈度比基本烈度高年；罕遇烈度比基本烈度高1度。度。又称为三水准的设防要求又称为三水准的设防要求“小震不坏，中震可修，大震不倒小震不坏，中震可修，大震不倒”。4中国抗震设计规范（中国抗震设计规范（2019)设防目标：设防目标：5、抗震设计的要求（1）足够的强度）足够的强度（2）合理的刚度）合理的刚度（3）强的变形能力（延性）强的变形能力（延性）（4）良好的整体性）良好的整体性（5）精良的施工质量）精良的施工质量（6）合理的造价。）合理的造价。(二二)三三.荷载代表值荷载代表值1.2结构设计的基本要求结构设计的基本要求结构设计的要求：结构设计的要求：使设计的结构使设计的结构,在规定的设计使用年限内能在规定的设计使用年限内能够完成由其用途所决定的全部功能，投资和维修够完成由其用途所决定的全部功能，投资和维修费用合理，经济效益高。费用合理，经济效益高。一一.建筑结构的功能要求建筑结构的功能要求工程设计最高境界工程设计最高境界公元前公元前256年年公元前公元前251年，李冰父子完成了都江堰的年，李冰父子完成了都江堰的排、灌水利工程排、灌水利工程如（如（MMu）结结构构在在预预定定的的使使用用期期间间内内，应应能能承承受受在在正正常常施施工工、正正常常使使用用情情况况下下可可能能出出现现的的各各种种荷荷载载、外外加加变变形形、约约束束变变形形等的作用。等的作用。在在偶偶然然事事件件发发生生，结结构构应应能能保保持持整整体体稳稳定定性性，不不应应发发生生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。1 1、安全性安全性结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。不不发发生生影影响响正正常常使使用用的的过过大大的的变变形形（挠挠度度、侧侧移移）、振振动动（频频率率、振振幅幅），或或产产生生让让使使用用者者感感到到不不安安的的过过大大的的裂缝宽度。裂缝宽度。2、适用性适用性 如如fflim即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀），结构的承载力和刚度不应随时间有过筋锈蚀），结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低，而导致结构在其预定使用期间内丧失大的降低，而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。安全性和适用性，降低使用寿命。3、耐久性 可靠性：可靠性：(三性总称三性总称)结结构构在在规规定定的的使使用用期期限限内内，在在规规定定的的条条件件下下，完完成预定结构功能的能力。成预定结构功能的能力。结构可靠性越高，建设造价投资越大。结构可靠性越高，建设造价投资越大。如如何何在在结结构构可可靠靠与与经经济济之之间间取取得得均均衡衡，就就是是设设计计方方法要解决的问题。法要解决的问题。二二.作用效应作用效应S是指结构上的作用在结构上产生的内力、支座反是指结构上的作用在结构上产生的内力、支座反力、变形、裂缝等效应的总称。力、变形、裂缝等效应的总称。如弯矩如弯矩M、轴力、轴力N、剪力、剪力V、扭矩、扭矩T、挠度、挠度f、裂缝、裂缝宽度宽度w 等等荷载效应的计算由结构力学方法解决；荷载效应的计算由结构力学方法解决；荷载效应一般同荷载值呈线性关系，即荷载效应荷载效应一般同荷载值呈线性关系，即荷载效应可用荷载值乘以荷载效应系数方式表示。可用荷载值乘以荷载效应系数方式表示。三三.结构抗力结构抗力R结构或构件承受作用效应的能力。结构或构件承受作用效应的能力。如抗弯、抗剪、抗压、抗裂度等。如抗弯、抗剪、抗压、抗裂度等。结构抗力结构抗力R：与结构材料截面尺寸、配筋：与结构材料截面尺寸、配筋情况等有关，可用下式表示：情况等有关，可用下式表示：确定结构抗力是本课程的主要内容。确定结构抗力是本课程的主要内容。R=R(fc,fs,ak,A，h)概率统计理论。概率统计理论。四四.结构设计原则结构设计原则SR失效失效结构功能的表达结构功能的表达设计要求（原则）：设计要求（原则）：SR 判别结构是否能够满足其功能要求的判别结构是否能够满足其功能要求的标准。标准。（一）极限状态的定义：（一）极限状态的定义：规范规范整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就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，此特定状态称为不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态该功能的极限状态。1.3规范极限状态及设计表达式规范极限状态及设计表达式（二）极限状态的（二）极限状态的分类分类承载能力极限状态承载能力极限状态正常使用极限状态正常使用极限状态 钢筋混凝土简支梁的可靠、失效和极限状态概念钢筋混凝土简支梁的可靠、失效和极限状态概念结构的功能结构的功能可靠可靠极限状态极限状态失效失效安全性安全性 受弯承载力受弯承载力M Mu适用性适用性挠度变形挠度变形f flim耐久性耐久性裂缝宽度裂缝宽度wmax wlimlim 超超过过该该极极限限状状态态，结结构构就就不不能能满满足足预预定定的的安安全全性性功功能要求。能要求。结构或构件达到最大承载力（包括疲劳）；结构或构件达到最大承载力（包括疲劳）；结结构构整整体体或或其其中中一一部部分分作作为为刚刚体体失失去去平平衡衡（如如倾倾覆、滑移）；覆、滑移）；结构塑性变形过大而不适于继续使用；结构塑性变形过大而不适于继续使用；结结构构形形成成几几何何可可变变体体系系（超超静静定定结结构构中中出出现现足足够够多塑性铰）；多塑性铰）；结构或构件丧失稳定（受压构件的压曲失稳）。结构或构件丧失稳定（受压构件的压曲失稳）。1 1、承载力能力极限状态、承载力能力极限状态结构或构件达到最大承载力、出现疲劳破坏或不结构或构件达到最大承载力、出现疲劳破坏或不适于继续承载的变形。适于继续承载的变形。2 2、正常使用极限状态、正常使用极限状态 超超过过该该极极限限状状态态，结结构构就就不不能能满满足足预预定定的的适适用用性和耐久性的功能要求。性和耐久性的功能要求。过大的变形、侧移过大的变形、侧移影影响响非非结结构构构构件件、不不安安全全感感、不不能能正正常常使使用用(吊吊车车）等；等；过大的裂缝过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）；（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）；过大的振动（不舒适）；过大的振动（不舒适）；其他正常使用要求。其他正常使用要求。下列破坏分别属于超出了什么极限状态？下列破坏分别属于超出了什么极限状态？A、雨棚出现倾覆、雨棚出现倾覆B、出现了很大的裂缝、出现了很大的裂缝C、结构变成了机动体系、结构变成了机动体系D、发生了失稳破坏、发生了失稳破坏E、出现了很大的振动、出现了很大的振动F、超过了构件强度而破坏、超过了构件强度而破坏（三）（三）规范极限状态设计表达式规范极限状态设计表达式1.承载力能力极限状态设计表达式承载力能力极限状态设计表达式(1)g(1)g0结构重要性系数结构重要性系数psi psai 结构的安全等级或设计使用年限结构的安全等级或设计使用年限安全等级安全等级I级或使用年限级或使用年限100y，1.1安全等级安全等级II级或使用年限级或使用年限50y，1.0安全等级安全等级III级或使用年限级或使用年限5y，0.9建筑结构的安全的等级建筑结构的安全的等级建筑结构可靠度设计统一标准（建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068-2019）将建筑结构分为三级。将建筑结构分为三级。一级建筑一级建筑一级建筑一级建筑 破坏后果很严重的重要建筑物破坏后果很严重的重要建筑物破坏后果很严重的重要建筑物破坏后果很严重的重要建筑物二级建筑二级建筑二级建筑二级建筑 破坏后果严重的一般建筑物破坏后果严重的一般建筑物破坏后果严重的一般建筑物破坏后果严重的一般建筑物三级建筑三级建筑三级建筑三级建筑 破坏后果不严重的次要建筑物破坏后果不严重的次要建筑物破坏后果不严重的次要建筑物破坏后果不严重的次要建筑物类别类别设计使用年限设计使用年限使用范围使用范围115年年临时性建筑临时性建筑225年年易于替换的结构构件易于替换的结构构件350年年普通房屋和构筑物普通房屋和构筑物4100年及以上年及以上纪念性建筑和特别重要的建筑结构纪念性建筑和特别重要的建筑结构(2)S(2)S荷载效应组合设计值；荷载效应组合设计值；基本组合基本组合由可变荷载效应控制的组合由可变荷载效应控制的组合由永久荷载效应控制的组合由永久荷载效应控制的组合G_永久荷载分项系数，当其效应对结构不利时：对由可变永久荷载分项系数，当其效应对结构不利时：对由可变荷载效应控制的组合，应取荷载效应控制的组合，应取1.2；对由永久荷载效应控制的组合，；对由永久荷载效应控制的组合，应取应取1.35。当其效应对结构有利时：一般情况下取当其效应对结构有利时：一般情况下取1.0，对结构的倾覆、滑，对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取移或漂浮验算，应取0.9；Q_可变荷载分项系数，一般情况下应取可变荷载分项系数，一般情况下应取1.4；对标准值大于；对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载应取的工业房屋楼面结构的活荷载应取1.3；SGK按永久荷载标准值计算的荷载效应值；按永久荷载标准值计算的荷载效应值；SQiK按可变荷载标准值按可变荷载标准值QiK计算的荷载效应值，其中计算的荷载效应值，其中SQ1K为为诸可变荷载效应中起控制作用者诸可变荷载效应中起控制作用者。Ci_可变荷载的组合值系数，应分别按规定采用；可变荷载的组合值系数，应分别按规定采用；对于一般排架、框架结构，基本组合可采用简化规则对于一般排架、框架结构，基本组合可采用简化规则:由可变荷载效应控制的组合由可变荷载效应控制的组合仅一个可变荷载由永久荷载效应控制的组合由永久荷载效应控制的组合按组合值中取最不利值确定按组合值中取最不利值确定 例例（一）计算标准荷载效应（一）计算标准荷载效应1.均布恒载均布恒载gk产生的跨中弯矩产生的跨中弯矩MGKMGK=1/8852=25(KN.M)2.均布活载均布活载qk产生的跨中弯矩产生的跨中弯矩MqKMqK=1/8652=18.75(KN.M)3.集中可变荷载集中可变荷载QK产生的跨中弯矩产生的跨中弯矩MQK=1/4105=12.5(KN.M)（二）荷载效应组合（基本荷载组合）（二）荷载效应组合（基本荷载组合）1.可变荷载控制可变荷载控制G=1.2q=Q=1.4M=S=GMGK+qMqK+Qc2MqKM=1.225+1.418.75+1.40.712.5=68.5(KN.M)2.用简化公式计算用简化公式计算M=1.225+0.9（1.418.75+1.412.5）=69.38(KN.M)3.由永久荷载控制由永久荷载控制G=1.35q=Q=1.4c1=c2=0.7M=S=GMGK+qc1MqK+Qc2MqKM=1.3525+1.40.718.75+1.40.712.5=64.37(KN.M)裂缝控制等级裂缝控制等级一级：严格要求不出现裂缝一级：严格要求不出现裂缝控制：荷载效应标准组合时，构件受拉边缘混凝土不控制：荷载效应标准组合时，构件受拉边缘混凝土不产生拉应力。产生拉应力。二级：一般不要求出现裂缝二级：一般不要求出现裂缝控制：按标准组合时，构件受拉边缘混凝土拉应力不控制：按标准组合时，构件受拉边缘混凝土拉应力不大于砼轴心抗拉强度标准值。大于砼轴心抗拉强度标准值。三级：允许出现裂缝三级：允许出现裂缝控制：裂缝宽度不大于允许值。控制：裂缝宽度不大于允许值。（六）（六）2、正常使用极限状态设计表达式、正常使用极限状态设计表达式变形验算表达式变形验算表达式裂缝宽度验算表达式裂缝宽度验算表达式谢谢！