建筑结构设计基本原则.ppt

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1、项目项目4 4 建筑结构的基本设计原则建筑结构的基本设计原则掌握掌握1 荷载和材料各代表值；荷载和材料各代表值；2 结构的功能及极限状态的含义结构的功能及极限状态的含义3 极限状态设计表达式及各符号含义极限状态设计表达式及各符号含义学会学会1 荷载和材料各代表值的取用荷载和材料各代表值的取用 2 荷载效应设计值计算荷载效应设计值计算结构上的“作用”使结构或构件产生效应(内力、变形等)的各种原因的总称直接作用间接作用是指直接以力的不同集结形式（集中力或均布力）施加在结构上的作用，通常也称为荷载。是指能够引起结构外加变形和约束变形，从而产生内力效应的各种原因。可变荷载(活荷载)永久荷载(恒荷载)在

2、结构设计基准期内，其作用量值随时间而变化，其变化幅度与平均值相比不可忽略不计的荷载 在结构设计基准期内，其作用量值不随时间变化，或其变化幅度与平均值相比可以忽略不计的荷载.(随时间的变异性分类)荷载的分类偶然荷载在结构设计基准期内不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短的荷载，荷载代表值荷载代表值 结构或构件设计时，需针对不同设计目的对荷载赋予一个规定的量值，该量值即为荷载代表值。永久荷载采用标准值为代表值。可变荷载采用标准值、组合值、频遇值和准永久值为代表值。偶然荷载按使用的特点确定代表值。其中荷载标准值为基本代表值。荷载标准值荷载标准值 荷载标准值是指在结构使用期间，在荷载标准值是指

3、在结构使用期间，在正常情况下可能出现的最大荷载值。正常情况下可能出现的最大荷载值。永久荷载标准值永久荷载标准值G Gk k可按结构构可按结构构件的设计尺寸和材料重力密度计件的设计尺寸和材料重力密度计算确定，荷载规范中给出了算确定，荷载规范中给出了常用材料和构件的自重。常用材料和构件的自重。可变荷载标准值可变荷载标准值Q Qk k可直接查可直接查荷载规范得出。荷载规范得出。可变荷载组合值可变荷载组合值当结构承受两种或两种以上可变荷载时，当结构承受两种或两种以上可变荷载时，考虑它们同时达到各自最大值的可能性很小，考虑它们同时达到各自最大值的可能性很小，故除主导的可变荷载外，其他可变荷载均乘以故除主

4、导的可变荷载外，其他可变荷载均乘以小于小于1.01.0的组合系数作为可变荷载组合值。的组合系数作为可变荷载组合值。可变荷载组合值可变荷载标准可变荷载组合值可变荷载标准值值荷载组合值系数荷载组合值系数C C 荷载组合值系数可由荷载规范荷载组合值系数可由荷载规范查得查得 可变荷载频遇值可变荷载频遇值 可变荷载在设计基准期内在结构上偶而出可变荷载在设计基准期内在结构上偶而出现的较大荷载，称为可变荷载频遇值。其具现的较大荷载，称为可变荷载频遇值。其具有持续时间较短或发生次数较少的特点。有持续时间较短或发生次数较少的特点。可变荷载频遇值可变荷载标准值可变荷载频遇值可变荷载标准值荷载频遇值系数荷载频遇值系

5、数f f 荷载频遇值系数可由荷载规范荷载频遇值系数可由荷载规范查得查得 可变荷载准永久值可变荷载准永久值在设计基准期内经常作用的可变荷载，在设计基准期内经常作用的可变荷载，称可变荷载准永久值。其具有总持续时间较称可变荷载准永久值。其具有总持续时间较长的的特点，对结构的影响类似于永久荷载。长的的特点，对结构的影响类似于永久荷载。可变荷载准永久值可变荷载标可变荷载准永久值可变荷载标准值准值荷载荷载准永久准永久值系数值系数 荷载荷载准永久准永久值系数可由荷载规值系数可由荷载规范查得范查得 荷载效应荷载效应S S荷载效应是指由荷载在结构上产生的各种内力（弯矩、剪力等）和变形（挠度、裂缝等）的统称。一般

6、情况:S=CQ 例例 简支梁承受均布荷载简支梁承受均布荷载q q作用，计算作用，计算跨度为跨度为l l，由力学计算可知其跨中弯矩，由力学计算可知其跨中弯矩 M M ，支座剪力，支座剪力V V 。M M 与与 V V S S q q Q Q 与与 C 荷载设计值及荷载分项系数荷载设计值及荷载分项系数荷载设计值荷载分项系数荷载设计值荷载分项系数荷载标准值荷载标准值 由于荷载是随由于荷载是随机变量，考虑其有机变量，考虑其有超过荷载标准值的超过荷载标准值的可能性，设计时将可能性，设计时将荷载标准值乘以一荷载标准值乘以一个大于个大于1 1的调整系的调整系数数 。它比荷载的。它比荷载的标准值具有更大的标准

7、值具有更大的可靠度。可靠度。荷载类别荷载类别荷载特征荷载特征荷载分项荷载分项 系数系数永久荷载永久荷载当其效应对结构不利时当其效应对结构不利时对由可变荷载效应控制的组合对由可变荷载效应控制的组合对由永久荷载效应控制的组合对由永久荷载效应控制的组合1.21.21.351.35当其效应对结构有利时当其效应对结构有利时一般情况下一般情况下对结构的倾覆、滑移或漂浮验算对结构的倾覆、滑移或漂浮验算1.01.00.90.9可变荷载可变荷载一般情况下一般情况下对标准值对标准值4kN4kNm m2 2的工业房屋楼的工业房屋楼面活荷载面活荷载1.41.41.31.3结构抗力结构抗力R R结构抗力是指结结构抗力是

8、指结构或构件承受各构或构件承受各种荷载效应的能种荷载效应的能力，即承载能力力，即承载能力和抗变形能力。和抗变形能力。R=R=R R(f fc c,f,fs s,k k)结构抗力也是一个随机变量，结构抗力也是一个随机变量，影响因素主要有材料性能（强影响因素主要有材料性能（强度、变形模量等物理力学性能）度、变形模量等物理力学性能）、构件几何参数、配筋情况以、构件几何参数、配筋情况以及计算模式的精确性等。及计算模式的精确性等。材料强度的取值材料强度的取值材料强度设计值材料强度标准值材料强度设计值材料强度标准值/材料分项系数材料分项系数 考虑由于材料考虑由于材料强度的变异以强度的变异以及几何参数和及几

9、何参数和设计模式的不设计模式的不定性可能使结定性可能使结构抗力进一步构抗力进一步降低的不利影降低的不利影响。响。根据标准试根据标准试件用标准试件用标准试验方法测得验方法测得的具有的具有9595以上保证率以上保证率的强度值，的强度值，材料分项系材料分项系数根据结构数根据结构可靠度分析，可靠度分析，并考虑材料并考虑材料质量的分布质量的分布规律和一定规律和一定的保证率确的保证率确定定。由规范或附录直接查用由规范或附录直接查用适用性安全性结构在正常使用期间应具有良好的工作性能。例如，不发生过大的变形、振幅、过宽的裂缝等，以免影响正常使用。结构应能承受在正常施工和正常使用的情况下可能出现的各种作用，在设

10、计规定的偶然事件发生时及发生后，结构仍能保持必需的整体稳定性，不致发生倒塌。结构的功能要求耐久性结构在正常使用和正常维护条件下应具有足够的耐久性能，以保证结构能够正常使用到预定的设计使用期限。结结构构设设计计的的目目的的就就是是使使所所设设计计的的结结构构在在规规定定的的设设计计使使用用年年限限内，内，用用最最经经济济的的手手段段获获得得预预定定条条件件下下满满足足设设计计所所预预期期的的各各种种功功能能的的要要求。求。结构的可靠性结构的可靠性在规定的时间内（设计使用年限），在规定的条件下在规定的时间内（设计使用年限），在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维修），结构完（正常设计、正

11、常施工、正常使用和维修），结构完成预定功能（安全性、适用性、耐久性）的能力成预定功能（安全性、适用性、耐久性）的能力 是指结构在设计使用年限内，在正常设计、施工、使用和维护的条件下完成预定功能的概率。安安全全性、性、适适用用性、性、耐耐久久性性的的统统称称结构的可靠度结构的可靠度 结结构构完完成成预预定定功功能能的的能能力力不不能能事事先先确确定，定，只只能能用用概概率率来来描描述。述。设计基准期和设计使用年限设计基准期和设计使用年限 是为确定荷载代表是为确定荷载代表值及与时间有关的值及与时间有关的材料性能等取值而材料性能等取值而选用的时间参数选用的时间参数（我国取用的设计（我国取用的设计基准

12、期为基准期为5050年）。年）。必须说明：当结构必须说明：当结构的使用年限达到或的使用年限达到或超过设计基准期后，超过设计基准期后，并不意味结构立即并不意味结构立即报废，而只意味结报废，而只意味结构的可靠度将逐步构的可靠度将逐步降低。降低。类别类别设计使用年限（年）设计使用年限（年）示示 例例1 11 15 5临时性建筑临时性建筑2 22525易于替换的结构构件易于替换的结构构件 3 35050普通房屋和构筑物普通房屋和构筑物 4 4100100及以上及以上纪念性建筑和特别重纪念性建筑和特别重要的建筑结构要的建筑结构 是设计规定的一个期限，是指按规定指标是设计规定的一个期限，是指按规定指标设计

13、的建筑结构或构件，在正常施工、正设计的建筑结构或构件，在正常施工、正常使用和维护下，不需进行大修即可达到常使用和维护下，不需进行大修即可达到其预定功能要求的使用年限。其预定功能要求的使用年限。结构功能的极限状态结构功能的极限状态 能够满足功能要求能够满足功能要求不能满足功能要求不能满足功能要求特定状态特定状态可靠度可靠度可靠失效极限状态极限状态承承载载能能力力极极限限状状态态正正常常使使用用极极限限状状态态结构或结构结构或结构构件达到最构件达到最大承载能力大承载能力或不适于继或不适于继续承载的变续承载的变形时的状态形时的状态 结构或结构结构或结构构件达到正构件达到正常使用或耐常使用或耐久性的某

14、项久性的某项规定限值时规定限值时的状态的状态 适用性适用性安全性安全性 Z0,即即R S耐久性耐久性Z0,即即R S承载能力极限状态承载能力极限状态正常使用极限状态正常使用极限状态 Z=g(R,S)=R-S功能函数功能函数结构抗力结构抗力荷载效应荷载效应Z=0,即即R=S可靠状态可靠状态极限状态极限状态 失效状态失效状态结构可靠工作的基本条件为结构可靠工作的基本条件为:Z0:Z0或或RSRS承载能力极限状态实用设计表达式承载能力极限状态实用设计表达式 0S R 结构重要性系数结构重要性系数 结构构件抗力结构构件抗力设计值设计值RR（fc，fs，k）荷载效应荷载效应组合组合设计值设计值 一般排架

15、、框架结构，可采用简化公式：一般排架、框架结构，可采用简化公式：安全等级为三级（或安全等级为三级（或年年）0.安全等级为一级（或安全等级为一级（或100年及以上年及以上）01.1 安全等级为二级（或安全等级为二级（或年年）01.由永久荷载效应控制的组合：由永久荷载效应控制的组合：由可变荷载效应控制的组合：由可变荷载效应控制的组合：由永久荷载效应控制的组合：由永久荷载效应控制的组合：由可变荷载效应控制的组合：由可变荷载效应控制的组合：S【例1】已知由永久荷载产生的弯矩标准值Mgk=11kNm，起控制作用的可变荷载产生的弯矩标准值Mqk=16kNm，安全等级为二级，求弯矩设计值。【解】本例中，0=

16、1.0，G=1.2,Q1=1.4SGk=Mgk=11kNmSQ1k=Mqk=16kNm则弯矩设计值M=0(GSGk+Q1SQ1k）=1.0(1.211+1.416)kNm=35.6kNm弯矩设计值为35.6kNm。【例2】某教学楼楼面采用预制板，计算跨度l0=5.70m，板宽0.9m，板自重2.2kN/m2。楼面采用水磨石地面（10mm厚面层，20mm厚水泥砂浆打底），板底20mm厚抹灰。楼面活荷载标准值为2.0kN/m2。试求：板的跨中截面弯矩设计值M。【解】(1)荷载标准值 永久荷载 水磨石地面0.65kN/m2 20mm板底抹灰170.02=0.34kN/m2板自重2.2kN/m2作用在

17、板上的永久荷载线荷载标准值为 gk=(0.65+0.34+2.2)0.9=2.871kN/m 可变活荷载 qk=2.00.9=1.8kN/m(2)板的跨中截面弯矩设计值永久荷载产生的弯矩标准值 Mgk=1/8gkl02=11.66kNm可变荷载产生的弯矩标准值 Mqk=1/8qkl02=7.31kNm由可变荷载效应控制的组合 G=1.2，Q=1.4 M=GMgk+QMqk=24.22kNm由永久荷载效应控制的组合 G=1.35，Q=1.4,ci=0.7 M=GMgk+QciMqk=22.90kNm 由计算知，楼板荷载效应组合值由可变荷载效应控制。故板跨中截面的弯矩设计值为24.22kNm。正常

18、使用极限状态实用设计表达式正常使用极限状态实用设计表达式 统一标准规定：计算时荷载及材料强度统一标准规定：计算时荷载及材料强度均取标准值，不再考虑荷载和材料分项系数，均取标准值，不再考虑荷载和材料分项系数，也不考虑结构的重要性系数也不考虑结构的重要性系数0 0。设计表达式设计表达式S S C C 荷载效应组合值荷载效应组合值S S，应根据不同的设计目的，应根据不同的设计目的，分别按荷载效应的标准组合、频遇组合和准分别按荷载效应的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计。永久组合进行设计。结构构件达到正常使用要求的规定限值结构构件达到正常使用要求的规定限值C C，例如变形限值、裂缝宽度限值等。例如

19、变形限值、裂缝宽度限值等。地震的基本概念地震的基本概念 常用术语常用术语震源震源深度 震中距 震中 地面 地面某处 浅源地震(震源深度60 km60 km)中源地震(震源深度60 300km)深源地震(震源深度300 km)地震波地震波 地震时振动以波的形式从震源向各个方向传播并释放地震时振动以波的形式从震源向各个方向传播并释放能量，这就是地震波。能量，这就是地震波。地震波地震波体波 面波 纵波 横波 由震源向外传递的压缩波,这种波质点振动的方向与波的前进方向一致,其特点是周期短、振幅小、传播速度快,能引起地面上下颠簸（竖向振动）。由震源向外传递的剪切波,其质点振动的方向与波的前进方向垂直,其

20、特点是周期长、振幅大、传播速度较慢,能引起地面水平摇晃。体波经地层界面多次反射传播到地面后,又沿地面传播的次生波,其特点是周期长、振幅大、衰减较体波慢，能引起地面建筑的水平振动。地震波的传播以纵波最快，横波次之，面波最慢。地震波的传播以纵波最快，横波次之，面波最慢。地震震级地震震级 地震震级是衡量一次地震本身强弱程度的指标。地震震级是衡量一次地震本身强弱程度的指标。震级每增加一级，地震所释放出的能量约增加震级每增加一级，地震所释放出的能量约增加3030倍。倍。一般地说，一般地说，2 2级以下的地震，人们是感觉不到级以下的地震，人们是感觉不到的，因此称为微震；的，因此称为微震；2 24 4级的地

21、震，在震中附级的地震，在震中附近地区的人就有感觉，称为有感地震；近地区的人就有感觉，称为有感地震；5 5级以级以上的地震，会对地面上的建筑物造成不同程度上的地震，会对地面上的建筑物造成不同程度的破坏，称为破坏性地震；的破坏，称为破坏性地震；7 7级以上的地震，级以上的地震，则称为强烈地震；则称为强烈地震；8 8级以上的地震，称为特大级以上的地震，称为特大地震。地震。地震烈度地震烈度 地震烈度是指某一地区的地表和建筑物地震烈度是指某一地区的地表和建筑物在一次地震时受到影响的强弱程度。在一次地震时受到影响的强弱程度。一次地震只有一个震级，然而同一次地一次地震只有一个震级，然而同一次地震对不同地区的

22、影响却不同，随着距离震对不同地区的影响却不同，随着距离震中的远近不同会出现多种不同的烈度。震中的远近不同会出现多种不同的烈度。一般来说，距震中距离越近，地震烈度一般来说，距震中距离越近，地震烈度越高。我国采用越高。我国采用1212度地震烈度区划，度地震烈度区划，6 69 9度需设防。度需设防。抗震设防烈度是按国家批准权限审批或抗震设防烈度是按国家批准权限审批或颁布的作为一个地区抗震设防依据的地颁布的作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。震烈度。房屋结构的抗震设防房屋结构的抗震设防 房屋结构的抗震设防，是指通过对地震区的房房屋结构的抗震设防，是指通过对地震区的房屋进行抗震设计和采取构造措施，达到在

23、地震屋进行抗震设计和采取构造措施，达到在地震发生时减轻地震灾害的目的。抗震设防的依据发生时减轻地震灾害的目的。抗震设防的依据是抗震设防烈度。是抗震设防烈度。我国抗震规范将建筑物按其用途的重要性我国抗震规范将建筑物按其用途的重要性分为四类：分为四类：甲类建筑：指重大建筑工程和地震时可能发生严甲类建筑：指重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑。重次生灾害的建筑。乙类建筑：指地震时使用功能不能中断或需尽快乙类建筑：指地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑。恢复的建筑。丙类建筑：除甲、乙、丁类建筑以外的一般工业丙类建筑：除甲、乙、丁类建筑以外的一般工业与民用建筑。与民用建筑。丁类建筑：指次要

24、建筑。丁类建筑：指次要建筑。抗震设防标准抗震设防标准 甲类建筑在甲类建筑在6 68 8度设防区应本地区按设防烈度度设防区应本地区按设防烈度提高一度计算地震作用和采取抗震构造措施，提高一度计算地震作用和采取抗震构造措施，当为当为9 9度区时，应作专门研究。度区时，应作专门研究。乙类建筑按本地区设防烈度进行抗震计算，抗乙类建筑按本地区设防烈度进行抗震计算，抗震构造措施提高一度考虑。震构造措施提高一度考虑。丙类建筑的抗震计算与构造措施均按本地区设丙类建筑的抗震计算与构造措施均按本地区设防烈度考虑。防烈度考虑。丁类建筑按本地区设防烈度进行抗震计算，抗丁类建筑按本地区设防烈度进行抗震计算，抗震构造措施可

25、适当降低要求（设防烈度为震构造措施可适当降低要求（设防烈度为6 6度度时不再降低）。时不再降低）。抗震设防烈度为抗震设防烈度为6 6度时，除另有规定外，对乙、度时，除另有规定外，对乙、丙、丁类建筑可不进行地震作用计算。丙、丁类建筑可不进行地震作用计算。抗震设防目标抗震设防目标 我国抗震规范明确提出了三个水准的抗震我国抗震规范明确提出了三个水准的抗震设防要求：设防要求：第一水准：当遭受低于本地区抗震设防烈度的第一水准：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，建筑物一般不受损坏或不需多遇地震影响时，建筑物一般不受损坏或不需修理可继续使用。修理可继续使用。第二水准：当遭受相当于本地区抗震设防烈度第二水准：当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，建筑物可能损坏，但经一般修的地震影响时，建筑物可能损坏，但经一般修理或不修理仍可继续使用。理或不修理仍可继续使用。第三水准：当遭受高于本地区抗震设防烈度的第三水准：当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，建筑物不致倒塌或发生危及罕遇地震影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏。生命安全的严重破坏。概括为“小震不坏，中震可修，大震不倒”