建筑结构原理第4章结构设计原理

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,*,4.结构设计原理,4.1,结构设计的极限状态与设计要求,4.2 建筑物的重要度与基准期,4.3 荷载作用与结构抗力,4.4 多种荷载作用的最不利组合,4.5 结构的荷载最不利分布与组合,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,4.1,结构设计的极限状态与设计要求,结构设计的极限状态,当结构整体或其中的组成局部到达或超过某一确定的状态时，就不能够继续满足设计所确定的功能，此特定的状态就是该结构或局部的极限状态。,结构的极限状态分为：,承载力极限状态：对于结构所确定的最大承载力的指标，结构到达或超过了该指标。此时结构会发生严重的破坏，将导致严重的损失，因此要将该状态的发生概率控制得很低。,正常使用极限状态：结构在常规荷载作用下，即在正常使用过程中，出现特殊的反响，使得结构不能完全满足特定的使用功能.,4.1,结构设计的极限状态与设计要求,承载力极限状态的表现,出现以下现象，说明结构已经不能够继续承担相应的荷载或作用：,因材料强度缺乏或塑性变形过大而失去承载力；,结构的连接失效而变成机构；,结构或构件丧失稳定；,整个结构或局部失去平衡。,正常使用极限状态的表现,出现以下现象，说明结构已经其正常使用形成障碍，但不处于危险之中：,出现影响外观与使用的过大的变形，但该变形的大局部属于弹性变形而非塑性变形；,局部发生破坏而影响结构的使用；,发生影响使用的振颤；,影响使用的其他状态。,4.1,结构设计的极限状态与设计要求,结构设计的根本要求,对于结构设计，其根本要求在于：,满足特定的与建筑物的功能相适应的承载力极限状态，即平安；,保证结构在日常使用中满足要求，即适用；,保证结构的承载力的持续时间与环境适应度，即耐久。,结构满足这几方面要求的程度被称为结构的可靠度。,相同地区、相同功能、相同设计标准的建筑物的可靠度指标相同，与所使用的材料的强度及性能无关。,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。,4.2,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,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；,设计基准期是测算最大荷载重现期的根本期限；,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；,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；,投资与建设方可以根据需要自行设定其投资建设的设计基准期与建筑物的重要度，在没有资方特殊要求的前提下，设计施工执行相关国家标准。,4.3 荷载效应与结构抗力,结构荷载确实定,结构上的荷载作用可以按照工程设计的标准分为：永久作用、可变作用于偶然作用三类。,荷载效应,荷载在结构上产生的内力与变形，如弯矩、剪力、轴力、扭矩、挠度、转角、裂缝等，以S来表示；,由于荷载位置与方向差异，不同荷载对于结构产生的效果不同；,S=CQ，C：荷载效应系数；,特定结构或构件对于特定荷载的荷载效应系数确定的。,常见的荷载效应系数举例：,简支梁在均布荷载作用下，最大弯矩的荷载效应系数为：C=L2/8；,简支梁在集中荷载作用下，最大弯矩的荷载效应系数为：C=L/4。,4.3 荷载效应与结构抗力,结构抗力,结构或构件抵抗各种力学作用与变形的能力，即强度、刚度、稳定性、抗倾覆能力等，以R来表示；,结构抗力与结构所选择的材料、截面的形式相关。,结构平安的数学表达,对于任意结构，在任意荷载作用下，任意截面的平安状态必须满足以下表达式：,R0S，即R0 CQ,由于材料的强度与荷载均为统计数据，因此以概率分布函数图可以表达为：,强度/荷载值,出现概率,S,S,S,R,R,R,R,0,S,4.4 多种荷载作用的最不利组合,实际结构的荷载确定荷载的最不利组合,对于实际结构，并非仅承担单一的荷载作用，而可能同时承担多种荷载的组合作用；,在实际设计中，要根据建筑物的实际状况考虑多种不同荷载的组合；,荷载组合要考虑结构可能面临的最不利状态；,荷载组合根本原那么是：,结构自重是不能忽略的，是在各种状况中均存在的；,活荷载的出现是随机的，少数活荷载同时出现的是可能的，但同时到达设计荷载的特征指标的概率较小的；,最大的活荷载的组合系数为1，不进行折减；,其他活荷载要根据同时出现的可能性进行相加，并考虑这种可能性的概率分别进行折减；,考虑不同荷载的性质，对于设计荷载采用何在分项系数，调整标准值的量值。,4.4 多种荷载作用的最不利组合,经过荷载的不利组合后，确定地区、确定功能、确定结构、确定构件上的设计荷载效应承载力极限状态为：,S=CGGG+CQ1Q1Q1k+iCQiQiQik,经过荷载的不利组合后，验算结构正常使用极限状态裂缝与变形的荷载效应为：,S=CGG+CQ1Q1k+iCQiQik,式中：,S：荷载效应，C：恒荷载的荷载效应系数，：荷载分项系数，,Gk：恒荷载标准值，Q1k：最大的活荷载的标准值，,：其他活荷载的组合系数,Qik：其他活荷载的标准值,4.4 多种荷载作用的最不利组合,对于荷载分项系数，,永久荷载的分项系数：,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：,一般情况下应取1.4；,对标准值大于4kN/m2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，可按建筑结构有关设计标准的规定确定,4.5 结构的荷载最不利分布与组合,结构的荷载最不利分布与组合原那么,对于具体结构，可变荷载作用的位置与方向的变化会在结构中的不同构件上产生不同的作用；,由于可变荷载的多变性，对于具体结构要考虑多种不同的荷载分布与组合；,对于各种可能荷载组合与分布，均需要求解出相应的结构内力，从而考虑设计截面最大可能的内力的量值与方向。,结构的荷载最不利分布与组合举例,以连续梁为例，说明该结构的荷载分布的不利组合。,连续梁所承担的恒荷载为梁以及相关的自重；,设其承担的活荷载仅为竖向均布作用；,结构的上的活荷载的不利组合形成的不利内力仅考虑剪力与弯矩。,4.5 结构的荷载最不利分布与组合,连续梁如图，由于恒荷载作用确定，因此在不利组合中暂时忽略恒荷载的存在。,当活荷载作用于,1,跨时，梁的变形如,当活荷载作用于,2,跨时，梁的变形如,当活荷载作用于,3,跨时，梁的变形如,当活荷载作用于,4,跨时，梁的变形如,1,2,3,4,5,6,7,8,9,4.5 结构的荷载最不利分布与组合,当求某一跨中的最大,正弯矩,时，应考虑在该跨布置活荷载，相邻跨隔跨布置；,当求某一跨中的最大,负弯矩,时，应考虑在该跨不布置活荷载，而两侧相邻跨布置，并继续在相邻跨的隔跨布置；,当求某一支座的最大,负弯矩,时，应考虑在该支座相邻两跨布置活荷载，并继续在相邻跨的隔跨布置；,当求某一支座的最大,剪力,时，与求该支座最大负弯矩时所分布荷载状况相同。,1,2,3,4,5,6,7,8,9,1,2,3,4,5,6,7,8,9,1,2,3,4,5,6,7,8,9,4.5 结构的荷载最不利分布与组合,包络图的绘制与应用,经过复杂的荷载布置后，求解出各种荷载布置下的内力图，并相应的绘制在同一连续梁上，从而得到各种荷载作用的内力图的外包络线内力包络图；,在包络图中确定某一截面所可能承担的最大正负内力与应力值；,根据该应力值进行截面的强度设计；,对于连续梁，考虑荷载的影响区域，一般取相邻5跨之内的荷载分布。,1,2,3,4,5,6,7,8,9,1,2,3,4,5,6,7,8,9,