承载能力极限状态的荷载效应内力

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,*,项目三,结构荷载与内力分析,任务,1,了解结构设计原则,工作任务：,查阅相关资料，解释下列名词：,（,1,）结构的功能,（,2,）结构极限状态,（,3,）混凝土结构的耐久性,（,4,）结构安全等级,(5),结构重要性系数,3.1.1,建筑结构的功能要求,1.,安全性,建筑结构在其设计使用年限内应能够承受可能出现的各种作用。且在设计规定的偶然事件发生时及发生后，结构应能保持必需的整体稳定性，不致倒塌。,2.,适用性,建筑结构在其设计使用年限内应能满足预定的使用要求，有良好的工作性能，其变形、裂缝或振动等性能均不超过规定的限度等。,3.,耐久性,建筑结构在其设计使用年限内应有足够的耐久性。例如保护层厚度不得过薄、裂缝不得过宽而引起钢筋锈蚀等。,3.1.2,结构的极限状态,结构的极限状态,是指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，此特定状态称为该功能的极限状态。,建筑结构可靠度设计统一标准,将结构的极限状态分为两类：,承载能力极限状态,及,正常使用极限状态,。,承载能力极限状态,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。,(1),整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡,，如雨篷压重不足而倾覆、烟囱抗风不足而倾倒、挡土墙抗滑不足在土压力作用下而整体滑移等。,(2),结构构件或其连接因超过材料强度而破坏,(,包括疲劳破坏,),，如轴心受压构件中混凝土达到了轴心抗压强度、构件的钢筋因锚固长度不足而被拔出等；或因变形过大而不适于继续承受荷载。,(3),结构转变为机动体系,，如构件发生三铰共线而形成机动体系，丧失承载能力。,(4),结构或构件丧失稳定,，如细长柱到达临界荷载后压屈失稳而破坏,。,正常使用极限状态,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。,(1),影响正常使用或外观的变形,，如吊车梁变形过大导致吊车不能正常行驶、梁挠度过大影响外观等。,(2),影响正常使用或耐久性能的局部损坏,，如水池池壁开裂漏水不能正常使用、如裂缝过宽导致钢筋锈蚀等。,(3),影响正常使用的振动,，如由于机器振动而导致结构的振幅超过按正常使用要求所规定的限位等。,(4),影响正常使用的其它特定状态,，如相对沉降量过大等。,3.1.3,结构上的作用,F,、,作用效应,S,、,结构抗力,R,结构上的作用,施加在结构上的集中力或分布力（,直接作用，也称为荷载,）和引起结构外加变形或约束变形的原因（,间接作用,）。,作用效应,由于直接作用或间接作用作用于结构构件上，在结构内产生的,内力和变形,(,如轴力、弯矩、剪力、扭矩、挠度、转角和裂缝等,),。,结构抗力,结构或结构构件承受内力和变形的能力,(,如构件的,承载能力、刚度,等,),。,*,结构上的作用、作用效应、结构抗力均是随机变量,3.1.4,结构的极限状态方程,1,结构极限状态方程可写为：,Z=RS=0,式中：,S-,作用效应；,R-,结构抗力,当,Z,0,时，结构处于可靠状态，,当,Z,0,时，结构处于极限状态，,当,Z,0,时，结构处于失效状态,。,3.1.5,混凝土结构的耐久性规定,由于混凝土表面暴露在大气中，特别是长期受到外界温、湿度等不良气候环境的影响，以及长期受到有害物质的侵蚀，随时间增长而出现混凝土碳化、开裂，钢筋锈蚀等现象使材料的耐久性降低。因此，混凝土结构在进行承载能力和正常使用极限状态设计的同时还应根据结构所处的环境类别、结构的重要性和使用年限进行耐久性设计。,混凝土结构的耐久性按结构,所处环境,和设计,使用年限,进行设计。,结构的设计使用年限,是指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。,表,1-1,混凝土结构的使用环境类别,环境类别,说 明,一,室内正常环境：无侵蚀性介质、无高温高湿影响、不与土层直接接触的环境,二,a,室内潮湿环境：非严寒和非寒冷地区的露天环境、与无侵蚀性得水或土直接接触的环境,b,严寒和寒冷地区得露天环境、与无侵蚀性得水或土壤直接接触的环境,三,使用除冰盐的环境：严寒及寒冷地区冬季水位变动的环境；滨海室外环境,四,海水环境,五,受人或自然的侵蚀性物质影响得环境,混凝土结构的耐久性应符合下列要求：,(1),一类、二类和三类环境中，设计使用年限为,50,年的结构，其混凝土应符合,表,1-2,的规定。,(2),一类环境中，设计使用年限为,100,年的结构混凝土应符合下列规定：,1),混凝土强度等级不应低于,C30,；预应力混凝土结构的最低混凝土强度等级为,C40,；,2),混凝土中氯离子含量不得超过水泥重量的,0.06,；,3),宜使用非碱活性骨料，当使用碱活性骨料时，混凝土中的碱含量不得超过,3.0kg,m3,；,4),混凝土保护层厚度应按相应的规定增加,40,；当采取有效的表面防护措施时，混凝土保护层厚度可适当减少；,5),在使用过程中应有定期维护措施。,(3),对于设计寿命为,100,年且处于二类和三类环境中的混凝土结构应采取专门有效的措施。,(4),严寒及寒冷地区的潮湿环境中，结构混凝土应满足抗冻要求，混凝土抗冻等级应符合有关标准的要求。,(5),有抗渗要求的混凝土结构，混凝土的抗渗等级应符合有关标准的要求。,(6),三类环境中的结构构件，其受力钢筋宜采用环氧涂层带肋钢筋；对预应力锚具及连接器应有专门防护措施。,(7),四类和五类环境中的混凝土结构，其耐久性要求应符合有关标准的规定。,对临时性混凝土结构，可不考虑混凝土的耐久性要求。,表,1-2,结构混凝土耐久性的基本规定,环境类别,最大水灰比,最小水泥,用量（,/m,）,混凝土强度等级不小于,氯离子含量不大于（,%,）,碱含量不,大于（,/m,）,一,0.65,225,C20,1.0,不限制,二,a,b,0.60,0.55,250,275,C25,C30,0.3,0.2,3.0,3.0,三,0.5,300,C30,0.1,3.0,3.1.6,结构的安全等级,*建筑结构的安全等级,在进行建筑结构的设计时，应根据结构破坏可能产生的各种后果,(,危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等,),的严重性，采用不同的安全等级。,任务,2,了解荷载的类型及荷载传递路径,工作任务：,根据项目,2,所做的人本草结构模型，分析该结构有哪些基本构件组成；分析各结构构件所受荷载及其受力特征，完成结构基本构件组成分析表并分析该结构荷载的传递路线。,人本草结构模型的结构荷载的传递路线为：,屋面荷载的传递路线为：,楼梯荷载的传递路线为：,表,2-1,结构基本构件组成分析表,构件名称,所在位置,所受荷载,受力特征,建筑中由梁、板、柱、墙、基础等构件连接而成的能承受“作用”的空间体系称为建筑结构，简称结构。这里所说的“作用”，是使结构产生效应,(,如结构或构件的内力、应力、位移、应变、裂缝等,),的各种原因的统称。作用分为,直接作用和间接作用,。直接作用习惯上称为,荷载,，系指施加在结构上的集中力或分布力系，如结构的自重、楼面荷载、雪荷载、风荷载等。间接作用指引起结构外加变形或约束变形的原因，如地基变形、混凝土收缩、温度变化、地震作用等。,基本概念：,3.2.1,荷载,结构上的荷载可分成三类：,永久荷载,在结构使用期内，其值随时间因素的变化不大，或其变化与其平均值相比可以忽略的荷载。,可变荷载,在结构使用期内，其值随时间变化，且其变化与其平均值相比不可以忽略的荷载。,偶然荷载,在设计使用期内不一定出现，一旦出现其值很大且持续时间很短的荷载。,3.2.2,荷载代表值,*建筑结构设计时，对不同荷载应采用不同的设计值。,对永久荷载应采用,标准值,作为代表值；,对可变荷载应根据设计要求采用,标准值、组合值、频遇值或准永久值,作为代表值；,对偶然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表值。,1.,荷载标准值,荷载的基本代表值，是指结构在其使用期间,正常情况下可能出现的最大荷载值。,2.,荷载频遇值,是正常使用极限状态按频遇组合设计采用的一种可 变荷载代表值,。,3.,荷载准永久值,是正常使用极限状态按准永久组合和频遇组合设计采用的一种可变荷载代表值。,4.,荷载组合值,是当结构承受两种或两种以上可变荷载时，承载能力极限状态按基本组合设计和正常使用极限状态按标准组合设计采用的可变荷载代表值。,3.2.3,材料强度标准值,具有不小于,95,的保证率的材料强度值称为材料强度标准值,1.,钢材的强度标准值,规范,将热轧钢筋的强度标准值取为冶金部门颁布的屈服强度废品限值，其保证率为,97.73,。,2.,混凝土的强度标准值 取保证率为,95%,的强度值为混凝土强度标准值,3.2.4,结构上竖向荷载的传递路经,结构竖向荷载的传递路线，根据结构类型和结构体系的不同而不同。,一般来说，框架结构竖向荷载的传递路线为：,板,梁,柱,基础,地基,剪力墙结构竖向荷载的传递路线为：,板,墙,基础,地基,框架,剪力墙竖向结构荷载的传递路线为：,板,梁或墙,柱,基础,地基。,图,2-1,结构基本组成构件及传力路径,任务,3,统计结构上的荷载并计算内力设计值,工作任务：,某办公楼屋面结构施工图如图,4-1,，屋面为不上人屋面，钢筋混凝土板厚为,100mm,，屋面做法如图,4-2,，砼强度等级为,C20,。试计算梁,L7,上的荷载（线荷载），并确定梁,L7,的跨中弯矩设计值（基本组合，按简支梁计算）。,图,图,4-1,屋面结构施工图,图,4-2,屋面建筑做法,3.3.,1,极限状态设计实用表达式,混凝土结构采用以,概率理论为基础的极限状态设计法,1,承载能力极限状态设计表达式,按承载力极限状态计算,混凝土规范设计表达式,g,0,结构重要性系数。根据建筑结构的重要性将结构分为三个安全等级，采用结构重要性系数来体现。一级,，,g,0,1.1,；,二级，,g,0,1.0,；,三级，,g,0,0.9,S,承载能力极限状态的荷载效应,(,内力,),组合的设计值（可按建筑力学的方法计算，手算或机算）。对于承载能力极限状态，结构构件应按荷载效应的基本组合进行计算，必要时尚应按荷载效应的偶然组合进行计算。,R,结构抗力,结构或结构构件承受内力和变形的能力,(,如构件的承载能力、刚度等,),。,G,永久荷载的分项系数，一般,情况下,取,1.2,；,Qi,第,i,个可变荷载分项系数，其中,Q1,为可变荷载,Q,1,的,分项系数。一般情况下取值,1.4,；,S,Gk,按永久荷载标准值,G,k,计算的荷载效应值；,S,Qik,按可变荷载标准值,Q,ik,计算的荷载效应值，其中,S,Q1k,为诸可变荷载效应中起控制作用者；,ci,可变荷载,Q,i,的组合值系数，其值不应大于,1.0,，按,荷载规范,有关规定取用；,可变荷载控制组合时,永久荷载控制组合时,一般不能确定谁起决定作用，应通过试算确定,对于荷载效应的,基本组合,，其内力组合设计值可按以下两公式中最不利值确定：,2,正常使用极限状态设计表达式,按正常使用极限状态计算,短期荷载作用下，考虑采用荷载的,标准组合,长期荷载作用下，考虑采用荷载的,频遇组合,或,准永久组合,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,混凝土规范设计表达式,3.3.2,设计思路,确定荷载及荷载效应,初步选定构件尺寸,确定结构计算简图,按照构造规定配筋,No,Yes,构件设计完成,No,Yes,例题：,下图是一个跨度为,6m,的简支梁，安全等级为二级，,分别计算基本组合时的弯矩设计值和标准组合时的弯矩,设计值。,任务,4,计算结构构件内力设计值并绘制,结构内力示意图,工作任务：,查阅建筑力学及相关资料，分别绘制人本草别墅,1,轴框架、,A,轴框架、,B,轴框架在竖向荷载作用下的弯矩图。,一、框架结构的计算简图,1.,计算单元的确定,图,8-5,框架结构的计算单元,2.,作用于框架上的荷载计算,作用于框架结构上的荷载有竖向荷载和水平荷载,(,风荷载，地震作用等,本节不做介绍）。竖向荷载一般