结构设计基本原理

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,*,CH.2 建筑结构设计基本原理,2.1 建筑物结构的荷载,作用（,S,）（或荷载）,作用效应,施加在结构上的集中力或分布力，称为作用直接作用,引起结构外加变形或约束变形的原因间接作用,由作用引起的结构或构件的反应,结构抗力（,R,）,结构或结构构件承受效应的能力,q,V,M,2.1.1 基本概念,1,剪力方程和弯矩方程,剪力图和弯矩图,A,B,F,A,F,B,x,V,M,2,G,在结构使用期间，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的荷载。也称恒荷载或恒载。比如结构自重或土压力等。,Q,在结构使用期间，其值随时间变化，或其变化与平均值相比不可以忽略不计的荷载。也称活荷载或活载。比如楼面活载、屋面活载、雪荷载、风荷载、吊车荷载等。,在结构使用期间不一定出现，而一旦出现,其量值很大而持续时间较短的荷载。比如爆炸力、撞击力等。,永久荷载,可变荷载,偶然荷载,2.1.2 荷载分类,按时间变异分类,3,按空间变异分类,固定荷载,在结构空间位置上具有固定的分布；,可动荷载,在结构空间位置一定范围内可以任意分布。,静态荷载,对结构不产生动力效应，或小的可以忽略；,动态荷载,对结构产生动力效应，且不可以忽略。,按照结构的反应分类,4,结构计算时，需根据不同的设计要求采用不同的荷载数值。,荷载基本代表值。指在结构使用期间，在正常情况下出现具有一定保证率的最大荷载。,当结构同时承受两种或两种以上可变荷载时，除主导荷载（产生荷载效应最大的荷载）取标准值，其他伴随荷载取小于其标准值的组合值为代表值。,在设计基准期内经常作用在结构上的可变荷载。,作用于结构上时而出现，持续时间较短的较大可变荷载。,荷载标准值,可变荷载组合值,可变荷载准永久值,可变荷载频遇值,2.1.3 荷载的代表值,f.荷载设计值 设计时采用的值。,一般取,G,=1.2 恒,k,1.4 活,k,5,恒荷载,标准值,按构件或材料单位体积（或单位面积）自重平均值确定。,G,k,体积容重,楼面及屋面活荷载,标准值,民用建筑楼面活载见,规范,。对多、高层，荷载满布且达到最大值可能性很小，应适当折减。,屋面均布活载分“上人”和“不上人”两类。,雪荷载,基本雪压。见规范,雪荷载标准值,屋面积雪分布系数，即基本雪压换算为屋面水平投影面上的雪荷载的换算系数。,风荷载,风荷载标准值,基本风压，见规范,风压高度变化系数,风荷载体型系数，+为压力，-为吸力,高度z处风振系数,屋面均布活载不与雪荷载同时考虑，设计时取其中较大值。,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,2.2 极限状态设计法,2.2.1 结构功能要求,在,设计基准期,（,一般,50年,，也有,100,和,25,年,）,内，满足功能要求，即,安全性(,S,0,：,Z=R-S,0,：,Z=R-S,=0,：,处于可靠状态；,处于不可靠状态，即失效；,处于极限状态，此方程称极限状态方程,16,2.2.2 结构可靠度理论,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。,安全性、适用性、耐久性,结构的可靠度,17,建筑物的重要度与基准期,我国将建筑物的重要程度分为三级，不同级别在计算中取不同的重要度系数,0,：,一级，破坏后果极其严重，属于重要的建筑物；,0,=1.1,二级，破坏后果比较严重，属于一般的建筑物；,0,=1.0,三级，破坏后果相对不严重，属于比较次要的建筑物。,0,=0.9,结构的设计基准期,1.,结构保证其设计可靠度指标的时间期限成为设计基准期，即在基准期内，结构的可靠度指标完全满足设计要求；,2.,设计基准期是测算最大荷载重现期的基本期限；,3.,在超过设计基准期后，并非意味着结构的失效，而是其可靠度有所降低，因此基准期不能等同于建筑物的使用寿命；,4.,我国对于多数建筑物的设计基准期均为,50,年，特殊建筑物可以除外；,18,极限状态,结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。如过大变形、开裂、振动等。,结构或构件达到最大承载力或产生不适于继续承载的变形。如倾覆、疲劳破坏、压屈等。,正常使用极限状态,承载能力极限状态,我国结构设计是以概率理论为基础的极限状态设计法。,整个结构或结构的一部分超过某一特定状态，或不能满足设计规定的某一功能要求的特定状态。,2.2.3 极限状态设计法,19,规范设计表达式,g,0,结构重要性系数,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,1.0,20,材料强度设计值,21,承载能力极限状态表达式（,P34-37,）,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,永久荷载和可变荷载分项系数。见规范。,式中：,S,：荷载效应，,G,：恒荷载的荷载效应系数，,Q,：活荷载分项系数，,G,k,： 恒荷载标准值，,Q,1k,：最大的活荷载的标准值，,：其他活荷载的组合系数，查附表5-2，一般为0.7，,Q,ik,：其他活荷载的标准值,22,对于荷载分项系数：,永久荷载的分项系数,G,：,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1.2；,对由永久荷载效应控制的组合，应取1.35；,其效应对结构有利时,一般情况下应取1.0；,对结构的倾覆 ，滑移或漂浮验算，应取0. 9；,可变荷载的分项系数,Q,：,一般情况下应取1.4；,对标准值大于4kN/m,2,的工业房屋楼面结构的活荷载应取1.3；,对于某些特殊情况，按建筑结构有关设计规范的规定确定。,23,结构计算时，需根据不同的设计要求采用不同的荷载数值。,荷载基本代表值。指在结构使用期间，在正常情况下出现具有一定保证率的最大荷载。,当结构同时承受两种或两种以上可变荷载时，除主导荷载（产生荷载效应最大的荷载）取标准值，其他伴随荷载取小于其标准值的组合值为代表值。,在设计基准期内经常作用在结构上的可变荷载。,作用于结构上时而出现，持续时间较短的较大可变荷载。,荷载标准值,可变荷载组合值,可变荷载准永久值,可变荷载频遇值,荷载的代表值,f.荷载设计值 设计时采用的值。,一般取,G,=1.2 恒,k,1.4 活,k,24,正常使用极限状态,标准组合,频遇组合,准永久组合,正常使用极限状态设计包括两个方面：,裂缝控制验算：,受弯构件挠度验算：,例题见P37,25,26,本章其他知识,1. 普通钢筋混凝土的自重为24-25kn/m3,2. 砖砌体的自重为19kn/m3,3. 钢材的自重为78.5kn/m3,4. 木材的自重为4-9kn/m3,5. 粘土砖尺寸为240*115*53；每m3砌体为512块砖,6. 一般上人屋面的活载标准值2.0kn/m,2,；不上人0.5；屋 顶花园3.0（不包括池墙）,7. 住宅中挑出阳台的活载标准值2.5kn/m2（人员密集3.5），一般比室内大,8. 风压的基本期是50年,9. 雪压的基本期是50年,10. 荷载设计值大于标准值,11. 承载能力极限应采用荷载效应的基本组合；,27,12. 荷载准永久值小于标准值（积灰荷载除外）,13. 一般多层住宅设计不考虑撞击力和龙卷风；必须考虑风载和活荷载,14. 土压力和自重属静荷载（亦指恒载、永久荷载）；风压和积灰是活荷载,15. 吊车、地震、撞击力属动荷载,16. 结构上的作用分为直接作用和间接作用；直接作用也称为荷载,17. 荷载分永久荷载、可变荷载和偶然荷载；撞击力或爆炸力属偶然荷载,18. 屋面活荷载不应于雪荷载同时考虑，取其较大者,19. 设计基准期是50年,28,20. 结构设计的使用年限 一类5年临时建筑 二类25年易于替换的结构构件 三类50年普通房屋和构筑物 四类100年纪念性、特别重要的建筑,21. 建筑的安全等级 一级重要房屋（100年）r,o,=1.1 二级一般房屋（50年） r,o,=1.0 三级次要房屋（5年） r,o,=0.9,22. 屋面活荷载标准值与是否上人、屋面的结构形式有关； 与面积大小、排水方式无关,23. 建筑物越高，受到的风荷载越大，但超过450m后趋于稳定,24. 计算荷载效应时，永久荷载分项系数的取值： 其效应不利时取1.2；有利时取1.0；结构抗滑坡时0.9 当永久荷载控制时，效应不利时取1.35；有利时取1.0,25. 计算荷载效应时，活荷载分项系数的取值： 其效应不利时取1.4；有利时取1.0 标准值大于4kN/m2的工业楼面时，取1.3,26. 荷载的三种组合是标准组合、频遇组合、准永久组合,27. 超过正常使用极限状态有： 影响正常使用的外观变形 影响正常使用或耐久性的局部破坏 影响正常使用的震动 影响正常使用的其他特定状态,29,30,0.08,31,32,33,练习,一、 单项选择题,1. 永久荷载也称恒荷载，如 （ ）,A、吊车荷载； B、楼面使用荷载； C、结构自重； D、风荷载。,2. 风荷载的数值与 （ ） 因素有关。,A、房屋体型； B、房屋材料； C、房屋结构； D、施工方法。,3 .当结构或构件达到下列情况之一者，认为其达到了承载能力极限状态（ ）,A、截面的受力性能在荷载作用过程中发生变化，结构转变成机动体系,B、影响正常使用和外观的过大的相对变形,C、某水池裂缝太大，已经漏水 D、屋面板变形过大，严重积水,4. 结构的功能函数(状态方程),R,-,S,=0，表明结构处于( )。,A可靠状态 B失效状态C极限状态D不确定状态；,5. 在进行钢筋混凝土构件抗裂挠度验算时， ( ),A荷载用设计值，材料强度采用标准值 B荷载用标准值，材料强度采用设计值,C荷载和材料强度均采用设计值D荷载和材料强度均采用标准值,6. 结构设计的目的在于( )。,A保证结构的可靠性B保证结构既具有可靠性又具有经济性,C 保证结构的经济性D保证结构的强度,C,C,A,A,A,D,34,二、选择题（多项选择）,1. 当结构或结构构件出现下列（ ）状态时，可认为超过了承裁力极限状态。,A、整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；,B、结构构件或连接部位因材料强度不够而破坏；,C、影响正常使用或外观的变形；,D、结构转变为机动体系。,2. 下列（ ）状态应按正常使用极限状态验算。,A、结构作为刚体失去平衡；,B、影响耐久性能的局部损坏；,C、过度的塑性变形而不适于继续使用；,D、构件失去稳定。,A、B、D,B,35,三、判断题（对的在括号内打“”，错的打“”）,1. 结构构件的挠度值超过规范限值问题，属于承裁能力极限状态。（ ）,2. 砼结构设计，通常是按承裁力极限状态设计构件，必要时再按正常使用极限状态。（ ）,3. 在进行正常使用极限状态计算中荷载和材料强度均采用设计值而不是标准值（ ）,四、填空题,1. 根据建筑结构的破坏后果，结构的安全等级分为 _,3,_ 级。,2. 建筑结构设计统一标准关于建筑结构的功能要求可归纳为,安全性,、_,适用性,_ 、_,耐久性,_ 三方面的要求。,3. 钢筋混凝土结构设计，按极限状态设计方法进行，一类极限状态称为 _,承载力极限状态,_ ；另一类极限状态称为 _,正常使用极限状态,_ 。,五、名词解释,1荷载标准值 2荷载准永久值 3材料强度标准值,36,