荷载与结构设计方法课件

荷载与结构设计方法第一讲：结构设计的基本理论一、课程性质一、课程性质 1 1、课程性质、课程性质 专业基础课专业基础课 平台课程平台课程 （必修课程）（必修课程）2 2、背景、背景 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（GB50068-2010GB50068-2010）统一了各类材料的建筑）统一了各类材料的建筑结构的设计基本原则结构的设计基本原则，而在，而在混凝土结构混凝土结构、砌体结构砌体结构、钢结构钢结构等等主干课程中均涉及这方面的内容，重复较多。主干课程中均涉及这方面的内容，重复较多。讲授与工程结构的设计原则密切相关但也同样分散在有关课程中的一般讲授与工程结构的设计原则密切相关但也同样分散在有关课程中的一般荷载荷载计算计算，这些内容，这些内容适用于整个土木工程专业的各类构筑物、结构物的设计适用于整个土木工程专业的各类构筑物、结构物的设计中。中。将土木工程结构可能承受的各种主要荷载及结构的设计方法这两部分内容重将土木工程结构可能承受的各种主要荷载及结构的设计方法这两部分内容重组成组成荷载与结构设计方法荷载与结构设计方法课程，作为土木工程专业的平台课程。课程，作为土木工程专业的平台课程。二、课程教学目的二、课程教学目的 结构设计步骤结构设计步骤 结构布置、尺寸估选结构布置、尺寸估选 结构（构件）计算简图结构（构件）计算简图 内力分析内力分析 截面设计、构造要求截面设计、构造要求 结构施工图结构施工图 掌握工程结构可能承受的各种荷载产生背景及其计算方法掌握工程结构可能承受的各种荷载产生背景及其计算方法掌握结构可靠度原理和满足可靠度要求的结构设计方法掌握结构可靠度原理和满足可靠度要求的结构设计方法1 1、掌掌握握工工程程结结构构设设计计时时需需考考虑虑的的各各种种主主要要荷荷载载产产生生的的背背景景以以及及其其计计算算方方法法2 2、掌掌握握结结构构设设计计的的主主要要概概念念、结结构构可可靠靠度度原原理理和和满满足足可可靠靠度度要要求求的的结结构构设计方法设计方法三、课程基本要求三、课程基本要求 四、考核方式四、考核方式 平时成绩平时成绩（作业、课堂提问、考勤等）（作业、课堂提问、考勤等）课堂测验课堂测验 期末考核期末考核 平时成绩平时成绩 +课堂测验课堂测验 +期末考核期末考核 =总评成绩总评成绩(百分制百分制)五、参考资料五、参考资料 1 1、工工程程结结构构荷荷载载与与可可靠靠度度设设计计原原理理，李李国国强强等等编编著著，中中国国建建筑筑工工业业出出版版社社2 2、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（GB50068-2010GB50068-2010）3 3、建筑结构荷载规范、建筑结构荷载规范（GB50009-2010GB50009-2010）4 4、公路桥涵设计通用规范、公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004)(JTG D60-2004)5 5、混凝土结构设计规范、混凝土结构设计规范（GB50010-2002GB50010-2002）6 6、公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范、公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004JTG D62-2004）7 7、其他有关教材、其他有关教材主要内容1，结构上的作用及作用效应2，工程结构设计理论演变3，结构可靠性的基本概念及相关问题4，荷载代表值与设计值作用与效应作用=荷载？施加在结构的集中或分布荷载，以及引起结构外加变形和约束变形的原因作用的分类按作用施加的方式：直接作用、间接作用按作用施加的方式：直接作用、间接作用直接作用：以力的形式作用于结构直接作用：以力的形式作用于结构结构自重，人群、家具、设备、车辆等重力结构自重，人群、家具、设备、车辆等重力间接作用：以变形的形式作用于结构间接作用：以变形的形式作用于结构基础沉降引起结构的外加变形；材料收缩和徐变引起结构约束变形；由于地震造成地面运动，致使结构产生惯性力作用的分类按作用时间的变异性按作用时间的变异性（1 1）永久作用：在结构使用年限内，其值不随时间变化，或其变化的量值相对于平均值而言可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限制的作用（结构自重、土压力、预加力）（2 2）可变作用：在结构使用年限内，其值随时间变化，且其变化）可变作用：在结构使用年限内，其值随时间变化，且其变化的量值与平均值相比不可忽略不计的作用（屋面与楼面活荷载、的量值与平均值相比不可忽略不计的作用（屋面与楼面活荷载、风荷载、雪荷载）风荷载、雪荷载）（3 3）偶然作用：在结构使用年限内不一定出现，但一旦出现，其）偶然作用：在结构使用年限内不一定出现，但一旦出现，其值很大且持续时间很短的作用（地震作用，爆炸力）值很大且持续时间很短的作用（地震作用，爆炸力）作用的分类按空间位置的变异：固定作用、自由作用按空间位置的变异：固定作用、自由作用（1 1）固定作用：固定设备荷载，屋顶水箱重量）固定作用：固定设备荷载，屋顶水箱重量（2 2）自由作用：车辆荷载，吊车荷载）自由作用：车辆荷载，吊车荷载作用的分类按结构的响应：静态作用、动态作用按结构的响应：静态作用、动态作用（1 1）静态作用：结构自重，楼面上人员荷载，雪荷载，）静态作用：结构自重，楼面上人员荷载，雪荷载，土压力土压力（2 2）动态作用：地震作用，吊车荷载，设备振动，风荷）动态作用：地震作用，吊车荷载，设备振动，风荷载，打桩冲击载，打桩冲击例题1.基础沉降引起的结构外加变形属于(A)永久作用(B)可变作用(C)间接作用(D)直接作用简答题2.什么是工程结构上的作用？荷载与作用的概念有什么不同？如何对结构作用进行分类？答案：答案：（1 1）作用：是指施加在结构上的集中或分布荷载，以及引起结构外）作用：是指施加在结构上的集中或分布荷载，以及引起结构外加变形或约束变形的原因。加变形或约束变形的原因。（2 2）不同：当以力的形式作用于结构上时，称为直接作用，习惯上）不同：当以力的形式作用于结构上时，称为直接作用，习惯上称为荷载；而作用则包括：直接作用和以变形的存在的间接作用。称为荷载；而作用则包括：直接作用和以变形的存在的间接作用。（3 3）分类：）分类：按形式分：直接作用和间接作用按形式分：直接作用和间接作用按作用时间分：永久作用、可变作用和偶然作用按作用时间分：永久作用、可变作用和偶然作用按空间位置不同分：固定作用和自由作用按空间位置不同分：固定作用和自由作用按结构反应分：静态作用和动态作用按结构反应分：静态作用和动态作用什么是效应?二者的关系：作用是效应产生的原因，效应是作用的表现二者的关系：作用是效应产生的原因，效应是作用的表现形式形式（近似认为二者呈线性关系）（近似认为二者呈线性关系）施加在结构上的作用而产生的施加在结构上的作用而产生的内力内力和和变形变形例题2.以下属于结构作用效应的是。(A)裂缝(B)挠度(C)剪力(D)结构自重设计理论的演变（1）容许应力法）容许应力法（2）破损阶段设计方法（安全系数法）破损阶段设计方法（安全系数法）（4 4）概率极限状态法）概率极限状态法（3 3）多系数极限状态）多系数极限状态容许应力法容许应力法以弹性理论为基础以弹性理论为基础公式公式 【】构件在使用阶段（使用构件在使用阶段（使用荷载作用下）截面上的荷载作用下）截面上的最大应力最大应力 材料的容许应力材料的容许应力存在问题存在问题：（1）没有考虑材料塑形性质；（2）使用期间荷载的取值原则规定的不明确；（3）把影响结构可靠的各种因素（荷载的变异，施工的缺陷，计算公式的误差等）统统归结在反应材料性质的容许应力上，不够合理；（4）【】纯属经验，取值无科学依据（5）按容许应力设计法设计的构件是否安全可靠，无法用实验来验证假定材料均已达到塑形状态，依据截面所能抵抗的破损能力建立计算公式破损阶段设计法（安全系数法）破损阶段设计法（安全系数法）优点优点：（1 1）可以反应材料的塑形性质；）可以反应材料的塑形性质；（2 2）采用了一个安全系数，使构件有了总的安全度的概念；）采用了一个安全系数，使构件有了总的安全度的概念；（3 3）以承载能力为依据，使计算值是否正确可由实验检验）以承载能力为依据，使计算值是否正确可由实验检验破损阶段设计法（安全系数法）破损阶段设计法（安全系数法）存在缺点存在缺点：（1 1）构件的承载力得到满足，但却无法了解构件在正常使用时是否满足正）构件的承载力得到满足，但却无法了解构件在正常使用时是否满足正常使用要求；常使用要求；（2 2）安全系数的取值仍须经验确定，并无严格的科学依据；）安全系数的取值仍须经验确定，并无严格的科学依据；（3 3）采用笼统的单一安全系数，不能正确的度量结构的安全度；）采用笼统的单一安全系数，不能正确的度量结构的安全度；（4 4）荷载的取值仍然是经验值；）荷载的取值仍然是经验值；（5 5）材料强度取的平均值，不能正确反映材料强度的变异程度，不够合理；）材料强度取的平均值，不能正确反映材料强度的变异程度，不够合理；设计理论的演变（3）多系数极限状态方法）多系数极限状态方法主要概念：明确结构或构件进入某种状态后就丧失原有功能主要概念：明确结构或构件进入某种状态后就丧失原有功能3 3种极限状态：种极限状态：承载力极限状态承载力极限状态挠度极限状态挠度极限状态裂缝开展宽度极限状态裂缝开展宽度极限状态克服了破损阶段理论无法了解构件在正常使用时能否满足正常使用要求的缺陷设计理论的演变（4）概率极限状态方法（分为）概率极限状态方法（分为3个水准）个水准）理论基础：可靠度理论属于半概率方法水准水准 半概率半概率水准水准 近似概率近似概率水准水准 全概率全概率可靠性的基本概念前提条件：三正常前提条件：三正常可靠（安全、适用、耐久）可靠（安全、适用、耐久）VS失效失效安全性：安全性：避免材料破坏、失避免材料破坏、失稳，倾覆；覆；偶然作用下允偶然作用下允许局部破坏，剩余部分在一段局部破坏，剩余部分在一段时间内内不不发生生连续倒塌倒塌安全性要求：安全性要求：结构设计必须保证结构在正常施工和正常使用时，结构设计必须保证结构在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种直接作用和间接作用，即包能承受可能出现的各种直接作用和间接作用，即包括直接施加在结构上的力和引起结构外加变形的原括直接施加在结构上的力和引起结构外加变形的原因，同时还要求保证在偶然事件发生时及发生后，因，同时还要求保证在偶然事件发生时及发生后，结构仍然保持必须的整体稳定性结构仍然保持必须的整体稳定性适用性：适用性：功能性要求功能性要求验算算项目：目：挠度、裂度、裂缝、疲、疲劳指的是结构在正常使用时应具有良好的工作性能，如不指的是结构在正常使用时应具有良好的工作性能，如不发生过大的变形或过宽的裂缝等，以及不产生影响结构发生过大的变形或过宽的裂缝等，以及不产生影响结构正常使用的振动等。正常使用的振动等。耐久性：耐久性：主要考主要考虑环境作用（自然境作用（自然环境、使用境、使用环境、材料内境、材料内 部因素）部因素）耐久性要求：耐久性要求：结构在正常维护下，具有足够的耐久性能，结构在正常维护下，具有足够的耐久性能，不发生钢筋锈蚀和混凝土严重风化等现象。不发生钢筋锈蚀和混凝土严重风化等现象。耐久性设计：耐久性设计：根据结构的环境类别和设计使用年限进行设计，主要根据结构的环境类别和设计使用年限进行设计，主要解决环境作用与材料抵抗环境作用的问题。要求在规解决环境作用与材料抵抗环境作用的问题。要求在规定的定的设计使用年限，设计使用年限，结构能够在自然和人为环境的化结构能够在自然和人为环境的化学和物理作用下，不出现无法接受的承载力减少、使学和物理作用下，不出现无法接受的承载力减少、使用功能降低和不能接受的外观损伤等耐久性问题。用功能降低和不能接受的外观损伤等耐久性问题。例题1.结构的可靠性包括。（A）安全性（B）适用性（C）耐久性（D）可靠度设计基准期：基准期：结构构设计时，为确定可确定可变作用及与作用及与时间有关的材料性能有关的材料性能等取等取值而而选用的用的时间参数参数建筑结构荷载统计参数50年桥梁结构100年水泥混凝土路面不大于30年沥青混凝土路面结构不大于15年设计使用年限：使用年限：指指结构在正常使用，正常施工，正常使用和构在正常使用，正常施工，正常使用和维护下所下所用达到的使用年限，在用达到的使用年限，在这个年限内，个年限内，结构只需要构只需要进行行正常的正常的维护和而不需要和而不需要进行大修就能行大修就能够按按预期目的使期目的使用用可靠与失效的界限：极限状可靠与失效的界限：极限状态（采用功能函数（采用功能函数表示）表示）承承载能力极限状能力极限状态正常使用极限状正常使用极限状态承载能力极限状态承载能力极限状态承载能力极限状态是已经破坏不能使用的状态。正常使用极限状态是还可以勉强使用结构或构件达到最大承载能力，或达到不适于继续承载的变形的极限状态。当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态：1，整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；2，结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），或因过度变形而不适于继续承载；4，结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）；5，地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）。3，结构转变为机动体系；(1)影响正常使用或外观的变形;(2)影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；(4)影响正常使用的其他特定状态；(3)影响正常使用的振动；正常使用极限状态正常使用极限状态3种设计状况（1 1）持久状况：在结构使用过程中一定出现、其）持久状况：在结构使用过程中一定出现、其持续期很长持续期很长的的状况。状况。（2 2）短暂情况：在结构施工和使用过程中出现概率较大，而与）短暂情况：在结构施工和使用过程中出现概率较大，而与设计使用年限相比持续时间很短的状况。设计使用年限相比持续时间很短的状况。（3 3）偶然状况：在结构使用过程中出现的概率很小，且持）偶然状况：在结构使用过程中出现的概率很小，且持续期很短的状况。续期很短的状况。问题：4.简要说明结构的可靠性和极限状态的概念，并阐述极限状态的分类与对应内容（1）结构的安全性、适用性和耐久性的功能要求概括起来称为结构的可靠性（2）整个结构或结构的一个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，此特定状态称为该功能的极限状态。（3）两种极限状态为：承载力极限状态和正常使用极限状态承载力极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形正常使用极限状态对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能某项规定限值目标可靠指标可靠指标可靠指标P P p p 失效概率失效概率 的确定应遵循的几个原则的确定应遵循的几个原则（1 1）建立在原规范类比法或校准的基础上，（运用近似概率法，）建立在原规范类比法或校准的基础上，（运用近似概率法，统计分析）统计分析）（2 2）与结构安全等级有关与结构安全等级有关（3 3）与结构破坏性质有关与结构破坏性质有关（4 4）与不同的极限状态有关与不同的极限状态有关可靠度：可靠度：规定的定的时间内和内和规定的条件下定的条件下结构完成构完成预定功能定功能的概率的概率规定时间：规定时间：设计基准期设计基准期or设计使用年限设计使用年限规定条件：规定条件：活载和养护均在设计预期活载和养护均在设计预期明确设计使用年限和设计基准期的概念设计使用年限(designworkinglife)：设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按预定目的使用的年限。设计基准期(designreferenceperiod)：为确定可变作用等的取值而选用的时间参数。一般的建筑结构设计使用年限和设计基准期均为50年。但是特殊的建筑设计使用年限可能不一样。单个破坏模式的可靠性（1）功能函数：Z=g(X1,X2,Xn)=R-S R为抗力，S为荷载效应，均为随机变量单个破坏模式的可靠性（2）n可靠指标：用于度量 失效概率，假定R与S均服从正态分布，则可靠性分析的深层次问题1，功能函数为非线性函数：利用泰勒展式，将功能函数某处展开，且仅保留至一次项2，基本随机变量不服从正态分布：通过数学变换使其服从正态，用随机变量的前一阶矩和二阶矩代表变量的随机特性3，多个失效模式：破坏模式的相关性4，体系的可靠度：串联系统和并联系统5，可靠度的数值算法（发展方向）：蒙特卡洛法，随机有限元荷载的代表值与设计值永久荷载采用标准值作为代表值永久荷载采用标准值作为代表值可变荷载的代表值可变荷载的代表值标准值：基本代表值标准值：基本代表值组合值：不同组合时结构构件可靠指标应具有一致性组合值：不同组合时结构构件可靠指标应具有一致性频遇值：设计基准期内，超越的总时间为频遇值：设计基准期内，超越的总时间为10%10%准永久值：设计基准期内，超越的总时间为准永久值：设计基准期内，超越的总时间为50%50%偶然作用代表值：缺少相关资料，按实际情况具体考虑偶然作用代表值：缺少相关资料，按实际情况具体考虑设计值：代表值与分项系数的乘积设计值：代表值与分项系数的乘积问题3.荷载的代表值有哪些？简述其各自含义。（2）荷载标准值是荷载的基本代表值，为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值(如均值、众值、中值或某个分位值)。由于最大荷载值是随机变量，因此，原则上应由设计基准期(50年)荷载最大值概率分布的某一分位数来确定。（1）荷载代表值是指设计中用以验算极限状态所采用的荷载量值，有标准值、组合值、频遇值和准永久值。建筑结构设计中，对不同荷载应采用不同的代表值。荷载组合值是对可变荷载而言的，当结构承受两个或两个以上可变荷载时，由于所有荷载同时达到其单独出现时可能达到的最大值的概率极小，由此考虑取用的荷载代表值。荷载频遇值也是对可变荷载而言的，它是指在设计基准期T内，其超越的总时间为规定的较小比率或超越频数为规定频率的荷载值。荷载准永久值是对可变荷载而言的，是指可变荷载中比较呆滞的部分，在规定的时间内具有较长的总持续期。它对结构的影响犹如永久荷载。结构的重要性系数由其安全等级确定结构的重要性系数由其安全等级确定结构重要性系数混凝土结构设计规范钢结构设计规范砌体结构设计规范砌体结构设计规范木结构设计规范木结构设计规范承载力极限状态荷载组合承载力极限状态荷载组合-基本组合基本组合分项系数的确定-基本原则分项系数的确定-调整例题1例题2可变荷载控制的组合可变荷载控制的组合例题3作业1作业2偶然组合偶然组合正常使用极限状态正常使用极限状态特征：局部损伤、结构动态作用导致人体不适、结构丧失应有功能；短时间内不存在对生命财产的危害结构设计中属于第二位要考虑的问题，但在个别结构中可能上升到主导地位规范中主要涉及的问题规范中主要涉及的问题裂缝控制裂缝控制位移和挠度控制位移和挠度控制 (1)影响正常使用或外观的变形;(2)影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；(4)影响正常使用的其他特定状态；(3)影响正常使用的振动；正常使用极限状态正常使用极限状态正常使用极限状态下的荷载组合标准组合频遇组合荷载的代表值与设计值永久荷载采用标准值作为代表值永久荷载采用标准值作为代表值可变荷载的代表值可变荷载的代表值标准值：基本代表值标准值：基本代表值组合值：不同组合时结构构件可靠指标应具有一致性组合值：不同组合时结构构件可靠指标应具有一致性频遇值：设计基准期内，超越的总时间为频遇值：设计基准期内，超越的总时间为10%10%准永久值：设计基准期内，超越的总时间为准永久值：设计基准期内，超越的总时间为50%50%准永久组合已知某屋面板在各种荷载作用下引起的弯矩标准值分别为：永久荷载2000N.m，使用活荷载1200N.m，风荷载300N.m，雪荷载200N.m.若安全等级为二级，试求按承载能力极限状态设计时的荷载效应M？又若各种可变荷载的组合值系数、频遇值系数、准永久系数分别为：c1=0.7,f1=0.5,q1=0.47,风荷载c2=0.6,q2=0,雪荷载c3=0.7,q3=0.7,再试求在正常使用极限状态下的荷载效应标准组合的 弯矩设计值Mk、荷载设计频遇组合的弯矩设计值Mf和荷载效应准永久组合的弯矩设计值Mq？例题作业某厂房屋面板，永久荷载标准值为3kN/m2，不上人的屋面活荷载为0.6kN/m2，屋面积灰荷载为0.5kN/m2，雪荷载为0.4kN/m2。求该厂房屋面板荷载设计组合值。解：解：因屋面活荷载和雪荷载不能同时考虑，故取较大者屋面活荷载由永久荷载控制的组合1.353+1.40.70.6+1.40.70.5=5.128（KN/m2）由可变荷载控制的组合屋面活荷载控制的组合：1.23+1.40.6+1.40.70.5=4.93(KN/m2)积灰荷载控制的组合：.23+1.40.5+1.40.70.6=4.888(KN/m2)所以该厂房屋面板荷载设计组合值为5.128KN/m2END