建筑结构设计基本原理课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,扬 州 大 学 建 筑 科 学 与 工 程 学 院,College of Civil Science and Engineering,.,第4章 建筑结构设计基本原理,第4章,建筑结构设计基本原理,2014.8,第4章建筑结构设计基本原理2014.8,本章提要,我国现行规范所采用的,以概率理论为基础的极限状态设计方法,的基本概念；,极限状态设计表达式,其内涵和应用；,地震作用,计算的基本方法及,抗震验算,的主要内容；,混凝土结构,耐久性,的规定,。,本章提要我国现行规范所采用的以概率理论为基础的极限状态设计方,第4章,混凝土结构基本计算原则,4.1,建筑结构的功能要求和极限状态,4.2 结构上的作用、作用效应及结构抗力,4.3 荷载和材料强度,4.4 概率极限状态设计法,4.5 地震作用与结构抗震验算,4.6 混凝土结构耐久性设计,第4章 混凝土结构基本计算原则4.1 建筑结构的功能要求和极,4.1 建筑结构的功能要求和极限状态,4.1.1 建筑结构的功能要求及结构可靠度,在,设计使用年限（,一般,50年，也有100和25、5年,）内，满足功能要求，即,安全性(S0：,Z=R-S0：,Z=R-S=0：,处于,可靠状态,；,处于不可靠状态，即,失效状态,；,处于,极限状态,，此方程称极限状态方程,4.4 概率极限状态设计法,4.4 概率极限状态设计法4.4.1.结构功能函数功能函数：,4.4 概率极限状态设计法,4.4.1.结构功能函数,4.4.2.结构可靠度与失效概率,在规定的时间内（,一般为50年,），在规定的条件下（,正常设计、正常施工和正常使用,），完成预定功能的概率，称为结构的可靠度，即,可靠概率,。以,P,s,表示,结构的可靠度,失效概率,结构不能完成预定功能的概率，以,P,f,表示。,4.4 概率极限状态设计法,4.4 概率极限状态设计法4.4.1.结构功能函数在规定,4.4 概率极限状态设计法,4.4.1.结构功能函数,4.4.2.结构可靠概率与失效概率,4.4.3.可靠指标,b,可靠指标,reliability index,我国对于一般工程结构，当为,延性破坏,时，其可靠指标取,=3.2，对,脆性破坏,取,=3.7。,4.4 概率极限状态设计法,4.4 概率极限状态设计法4.4.1.结构功能函数b 可靠,4.4 概率极限状态设计法,4.4.4.,建筑结构的安全等级,和目标可靠指标,1.结构的安全等级,建筑结构可靠度设计统一标准,根据建筑结构破坏后的严重程度，将建筑结构划为三个安全等级：,结构安全等级,破坏后果,建筑物类型,设计使用年限,一级,很严重,重要建筑物,100,年及以上,二级,严重,一般建筑物,50,年,三级,不严重,次要建筑物,5,年及以下,4.4 概率极限状态设计法,4.4 概率极限状态设计法4.4.4.建筑结构的安全等级和目,2.目标可靠指标 ,建筑结构可靠度设计统一标准,根据不同的安全等级和破坏类型确定承载能力极限状态设计时的目标可靠指标,（,设计可靠指标,）：,破坏类型,安 全 等 级,一级,二级,三级,延性破坏,3.7,3.2,2.7,脆性破坏,4.2,3.7,3.2,4.4 概率极限状态设计法,结构设计要求：,2.目标可靠指标 建筑结构可靠度设计统一标,4.4.5.概率极限状态设计法,地点,功能,结构简图与材料选用,荷载的确定与组合,内力图与截面应力分析,截面应力材料的设计强度,小于，截面选择过大可以进一步减少截面,大于，截面选择过小必须进一步加大截面,等于，截面选择适当截面处于临界状态,设计图纸,弯矩产生的截面,正应力分布图,剪力产生的截面,剪应力分布图,4.4 概率极限状态设计法,4.4.5.概率极限状态设计法地点功能结构简图与材料选用荷载,4.4.5.概率极限状态设计法,结构设计的内容,对于承载力极限状态,：截面强度验算、稳定验算、抗倾覆与滑移验算；,对于正常使用极限状态,：变形验算、抗裂与裂缝宽度的验算。,4.4 概率极限状态设计法,规范采用了以基本变量（如荷载、材料强度等）的,标准值,和相应的,分项系数,（如荷载分项系数、材料分项系数等）来表达的极限状态设计表达式。,4.4.5.概率极限状态设计法结构设计的内容4.4 概率极限,4.4.5.概率极限状态设计法,1.承载能力极限状态设计表达式,一般表达式,结构构件重要性系数,荷载效应组合的,设计值,结构构件抗力的,设计值,一级，破坏后果极其严重，属于安全等级一级建筑物；,0,1.1,二级，破坏后果比较严重，属于安全等级二级的建筑物；,0,1.0,三级，破坏后果相对不严重，属于安全等级三级的建筑物。,0,0.9,4.4 概率极限状态设计法,结构构件的抗力模型不定性系数,4.4.5.概率极限状态设计法1.承载能力极限状态设计表达式,4.4.5.概率极限状态设计法,1.承载能力极限状态设计表达式,由永久荷载控制的效应组合,由可变荷载控制的效应组合,荷载效应基本组合：,4.4 概率极限状态设计法,4.4.5.概率极限状态设计法1.承载能力极限状态设计表达式,4.4.5.概率极限状态设计法,1.承载能力极限状态设计表达式,2.正常使用极限状态设计表达式,正常使用极限状态，,可靠度要求可适当降低，所有分项系数取1.0,一般表达式,结构或构件达到正常使用要求的规定限值，体,现为裂宽、挠度、振幅等。,4.4 概率极限状态设计法,4.4.5.概率极限状态设计法1.承载能力极限状态设计表达式,4.4.5.概率极限状态设计法,1.承载能力极限状态设计表达式,2.正常使用极限状态设计表达式,荷载效应的组合设计表达式：,标准组合,准永久组合,频遇组合,4.4 概率极限状态设计法,4.4.5.概率极限状态设计法1.承载能力极限状态设计表达式,4.4.5.概率极限状态设计法,1.承载能力极限状态设计表达式,2.正常使用极限状态设计表达式,设计内容,：,裂缝控制验算,裂缝控制等级,一级,二级,三级,变形（挠度）验算,BACK,4.4 概率极限状态设计法,4.4.5.概率极限状态设计法1.承载能力极限状态设计表达式,4.5 地震作用与结构抗震验算,4.5.1,地震作用,地震作用的特点:,间接作用,具有水平方向(两个)、竖向、转动分量,其发生和强度具有不确定性,对一般的建筑结构，在验算其抗震承载力时只考虑水平地震作用；,一般应在两个主轴方向分别计算其水平地震作用 ；,对大多数布置合理的结构，可以不考虑双向地震作用下结构的扭转效应。,4.5 地震作用与结构抗震验算,4.5 地震作用与结构抗震验算4.5.1 地震作用地震作用的,4.5.2,地震作用的计算简图,计算地震作用时，经常采用“,集中质量法,”的结构简图，把结构简化为一个有限数目质点的悬臂杆。,重力荷载代表值,G,i,包括：结构的自重 ；,地震发生时可能作用于结构上的竖向可变荷载,4.5 地震作用与结构抗震验算,4.5.2 地震作用的计算简图 计算地震作用时，,4.5.3,设计反应谱,单自由度体系在给定的地震作用下某个最大反应与体系自振周期的关系曲线称为该反应的,地震反应谱,。,对于单自由度体系，把,惯性力,看作反映地震对结构体系影响的等效力，用它对结构进行抗震验算。,结构在地震持续过程中经受的最大地震作用为,-集中于质点处的重力荷载代表值；,-重力加速度,-动力系数,-地震系数,-,水平地震影响系数,4.5.3 设计反应谱 单自由度体系在给定的地震作用下,4.5.3,设计反应谱,-地震影响系数；,-地震影响系数最,大值；,地震影响系数最大值（阻尼比为0.05）,1.40,0.90(1.20),0.50(0.72),-,罕遇地震,0.32,0.16(0.24),0.08(0.12),0.04,多遇地震,9,8,7,6,地震影响,烈,度,括号数字分别对应于设计基本加速度0.15g和0.30g地区的地震影响系数,-结构周期；,4.5 地震作用与结构抗震验算,4.5.3 设计反应谱-地震影响系数；-地震影响系数,-特征周期；,地震特征周期分组的特征周期值（s）,0.90,0.65,0.45,0.35,第三组,0.75,0.55,0.40,0.30,第二组,0.65,0.45,0.35,0.25,第一组,场地类别,-曲线下降段的衰减指数；,-直线下降段的斜率调整系数；,-阻尼调整系数，小于,0.55时，应取0.55。,4.5 地震作用与结构抗震验算,-特征周期；地震特征周期分组的特征周期值（s）0.90,4.5.3,设计反应谱,小结,地震作用的大小取决于:,1.地震烈度的大小,2.建筑结构本身的动力特性（自振周期、阻尼）,3.结构本身的质量,4.场地土类别,5.设计地震分组,4.5 地震作用与结构抗震验算,4.5.3 设计反应谱小结4.5 地震作用与结构抗震验算,4.5.4,水平地震作用的计算,1.与各类型结构相应的地震作用计算方法：,不超过40m的规则结构：,底部剪力法,一般的规则结构：两个主轴的,振型分解反应谱法,质量和刚度分布明显不对称结构：,考虑扭转或双向地震作用的,振型分解反应谱法,8、9度时的大跨、长悬臂结构和9度的高层建筑：,考虑竖向地震作用,特别不规则、甲类和超过规定范围的高层建筑：,一维或二维,时程分析法,的补充计算,4.5 地震作用与结构抗震验算,4.5.4 水平地震作用的计算1.与各类型结构相应的地震作用,A.底部剪力的计算,（总水平地震作用）,多质点体系在水平地震作用下任一时刻的底部剪力为,G,eq,结构等效总重力荷载代表值,（近似方法）,2.底部剪力法计算地震作用,设计时取,峰值,1,相应于结构基本周期T,1,的水平地震影响系数,简化,原则,将多质点体系用一个与其基本周期相同的单质点体系来代替,m,1,m,2,m,i,m,N,x,i,x,g,(t),4.5 地震作用与结构抗震验算,A.底部剪力的计算（总水平地震作用）多质点体系在水平地震作用,B.各质点的水平地震作用标准值的计算,H,1,G,1,G,k,H,k,地震作用下各楼层水平地震层间剪力为,4.5 地震作用与结构抗震验算,B.各质点的水平地震作用标准值的计算H1G1GkHk地震作用,C.顶部附加地震作用的计算,当结构层数较多时，按上式计算出的顶部水平地震作用比振型分解反应谱法小。,为了修正，在顶部附加一个集中力 。,H,1,G,1,G,k,H,k,-结构总水平地震作用标准值；,-,相应于结构基本周期的水平地震影响系数,- 结构等效总重力荷载,；,- i质点水平地震作用,；,-i质点重力荷载代表值,；,- i质点的计算高度；,- 顶部附加地震作用系数,顶部附加地震作用系数,4.5 地震作用与结构抗震验算,C.顶部附加地震作用的计算 当结构层数较多时，按上式计,D.底部剪力法适用范围,底部剪力法,适用于,一般的多层砖房等砌体结构、内框架和底部框架抗震墙砖房、单层空旷房屋、单层工业厂房及多层框架结构等,低于40m、以剪切变形为主、,且质量和刚度沿高度分布比较均匀,的规则房屋,。,以“剪切变形”为主：,在结构侧移曲线中，楼盖出平面转动产生的侧移所占的比例较小。,对于不满足规则要求的建筑结构，则不宜将底部剪力法作为设计依据。否则，要采取相应的调整，使计算结果合理化。,振型分解法,时程分析法,4.5 地震作用与结构抗震验算,D.底部剪力法适用范围 底部剪力法适用于一般的多层砖房,4.5.5结构抗震验算,一.截面抗震验算,二阶段设计方法的,第一阶段,，是以低于本地区设防烈度的,多遇地震,水平地震作用标准值，用,弹性理论,的方法求出结构构件的地震作用效应(内力)，再和结构上其他荷载效应组合，得出结构构件截面内力的基本组合后进行截面承载力设计。,截面抗震验算，应采用下列设计表达式：,工程实践中：,4.5 地震作用与结构抗震验算,4.5.5结构抗震验算一.截面抗震验算 二阶段设计,4.5.5结构抗震验算,二.结构抗震变形验算,多遇地震作用下变形验算,为了避免建筑物的非结构构件在多遇地震下出现破坏。,罕遇地震作用下变形验算,估计在强烈地震作用下结构薄弱楼层或部位的弹塑性最大位移，分析结构本身的变形能力，通过改善结构的均匀性和采取改善薄弱楼层变形能力的抗震措施等，把结构的层间弹塑性最大位移值控制在允许范围之内。,BACK,4.5 地震作用与结构抗震验算,4.5.5结构抗震验算二.结构抗震变形验算 多遇地震作用下,4.6 混凝土结构的耐久性,一.混凝土结构的耐久性,混凝土的损伤：裂缝、酥裂、磨损、溶蚀等,钢筋的损伤：锈蚀、疲劳,定义,：在正常维护的条件下，,预计使用时期,内和,指定的工作环境,能保证结构满足既定功能要求的性能,混凝土结构耐久性问题：,4.6 混凝土结构的耐久性,影响耐久性因素主要两个方面：,混凝土：碳化、化学侵蚀、冻融破坏、碱骨料反应,钢筋的损伤：锈蚀、疲劳,4.6 混凝土结构的耐久性一.混凝土结构的耐久性 混,4.6 混凝土结构的耐久性,1.混凝土结构的使用环境的分类,二.混凝土结构耐久性设计规定,规范环境分为,五,大类，作为耐久性设计的主要依据,2.结构耐久性对混凝土的要求,BACK,4.6 混凝土结构的耐久性,环境类别,说 明,一,室内干燥环境；无侵蚀性静水浸没环境,二a,室内潮湿环境；非严寒和非寒冷地区的露天环境；非严寒和非寒冷地区与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境；严寒和寒冷地区的冰冻线以下与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境,二b,干湿交替环境；水位频繁变动环境；严寒和寒冷地区的露天环境；严寒和寒冷地区的冰冻线以上与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境,三a,严寒和寒冷地区冬季水位变动区环境；受除冰盐影响环境；海风环境,三b,盐渍土环境；受除冰盐作用环境；海岸环境,四,海水环境,五,受人为或自然的侵蚀性物质影响的环境,4.6 混凝土结构的耐久性1.混凝土结构的使用环境的分类 二,The End,The End,