建筑施工__第十五章建筑結構設計原則[1]

第十五章建筑結構設計原則,第一節(jié)概念設計和數(shù)值設計,第二節(jié)結構設計的原則,第三節(jié)實用設計表達式,第一節(jié)概念設計和數(shù)值設計,對于建筑結構設計，長期以來的概念都是：進行盡量精確的計算，再加以一定的構造措施，確保建筑結構設計質量。,概念設計：根據(jù)地震震害和工程經(jīng)驗等形成的基本設計原則和設計思想，進行建筑和結構總體布置并確定細部構造的過程。,概念設計與數(shù)值設設計相互聯(lián)系，概念設計指導數(shù)值設計，數(shù)值設計進一步證實概念設計，二者設計的結果盡可能的反映地震時結構的實際受力情況，確保建筑結構設計質量。,第二節(jié)結構設計的原則,1、結構的功能要求,安全性結構在正常施工和正常使用的條件下，能承受可能出現(xiàn)的各種作用；在設計規(guī)定的偶然事件（如強烈地震、爆炸、車輛撞擊等）發(fā)生時和發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性，即結構僅產(chǎn)生局部的損壞而不致發(fā)生連續(xù)倒塌。適用性結構在正常使用時具有良好的工作性能。例如，不會出現(xiàn)影響正常使用的過大變形或振動；不會產(chǎn)生使使用者感到不安的裂縫寬度等。耐久性結構在正常維護條件下具有足夠的耐久性能，即在正常維護條件下結構能夠正常使用到規(guī)定的設計使用年限。例如，結構材料不致出現(xiàn)影響功能的損壞，鋼筋混凝土構件的鋼筋不致因保護層過薄或裂縫過寬而銹蝕等。,2、結構的極限狀態(tài),2.1、結構的可靠性和可靠度的概念結構可靠性結構的安全性、適用性和耐久性的總稱。結構可靠度結構在規(guī)定時間內(nèi)，在規(guī)定條件下，完成預定功能的概率。規(guī)定時間指設計使用年限；規(guī)定條件指正常設計、正常施工、正常使用和正常維護，不包括錯誤設計、錯誤施工和違反原來規(guī)定的使用情況。,2.2、結構功能的極限狀態(tài)（1）定義整個結構或結構的一部份，超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設計規(guī)定的某一功能（安全性、適用性、耐久性）要求，該特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。,極限狀態(tài),2）正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)對應于結構或結構構件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值。這一狀態(tài)對應于適用性或耐久性的功能。,（2）分類1）承載能力極限狀態(tài)這種極限狀態(tài)對應于結構或結構構件達到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形。承載能力極限狀態(tài)主要考慮關于結構安全性的功能。,當結構或結構構件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，即認為超過了承載能力極限狀態(tài)：,結構構件或連接因材料強度不夠而破壞；整個結構或結構的一部分作為剛體失去平衡（如傾覆等）；結構轉變?yōu)闄C動體系；結構或結構構件喪失穩(wěn)定（如柱子被壓曲等）。,當結構或結構構件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，即認為超過了正常使用極限狀態(tài)：影響正常使用或外觀的變形；影響正常使用或耐久性能的局部損壞（包括裂縫）；影響正常使用的振動；影響正常使用的其他特定狀態(tài)等。,3、建筑結構的設計狀況,根據(jù)結構在施工和使用中的環(huán)境條件及其影響,分為三種設計狀況,持久狀況：再結構使用過程中一定出現(xiàn)、且持續(xù)時間很長的狀況。,短暫狀況：再結構施工和使用中出現(xiàn)的概率較大，而與設計使用年限相比起持續(xù)很短的狀況。,偶然狀況：再結構施工和使用中出現(xiàn)概率很小，且持續(xù)時間很短的狀況。,4、結構設計原則和方法,（1）作用效應和結構抗力的概念,作用效應結構上的各種作用，在結構內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)力（軸力、彎矩、剪力、扭矩等）和變形（如撓度、轉角、裂縫等）的總稱，用S表示。由直接作用產(chǎn)生的效應，通常稱為荷載效應。,結構抗力結構或構件承受作用效應的能力，如構件的承載力、剛度、抗裂度等，用R表示。結構抗力是結構內(nèi)部固有的，其大小主要取決于材料性能、構件幾何參數(shù)及計算模式的精確性等。,荷載效應S,荷載效應是指由荷載在結構上產(chǎn)生的各種內(nèi)力（彎矩、剪力等）和變形（撓度、裂縫等）的統(tǒng)稱。,一般情況:S=CQ,結構抗力R,結構抗力是指結構或構件承受各種荷載效應的能力，即承載能力和抗變形能力。,R=R(fc,fs,k),結構抗力也是一個隨機變量，影響因素主要有材料性能（強度、變形模量等物理力學性能）、構件幾何參數(shù)、配筋情況以及計算模式的精確性等。,第三節(jié)實用設計表達式,荷載代表值,結構或構件設計時，需針對不同設計目的對荷載賦予一個規(guī)定的量值，該量值即為荷載代表值。永久荷載采用標準值為代表值?？勺兒奢d采用標準值、組合值、頻遇值和準永久值為代表值。偶然荷載按使用的特點確定代表值。其中荷載標準值為基本代表值。,荷載標準值,荷載標準值是指在結構使用期間，在正常情況下可能出現(xiàn)的最大荷載值。,永久荷載標準值Gk可按結構構件的設計尺寸和材料重力密度計算確定，荷載規(guī)范中給出了常用材料和構件的自重。可變荷載標準值Qk可直接查荷載規(guī)范得出。,荷載設計值及荷載分項系數(shù),荷載設計值荷載分項系數(shù)荷載標準值,由于荷載是隨機變量，考慮其有超過荷載標準值的可能性，設計時將荷載標準值乘以一個大于1的調整系數(shù)。它比荷載的標準值具有更大的可靠度。,材料強度的取值,材料強度設計值材料強度標準值/材料分項系數(shù),考慮由于材料強度的變異以及幾何參數(shù)和設計模式的不定性可能使結構抗力進一步降低的不利影響。,根據(jù)標準試件用標準試驗方法測得的具有95以上保證率的強度值，,材料分項系數(shù)根據(jù)結構可靠度分析，并考慮材料質量的分布規(guī)律和一定的保證率確定。,由規(guī)范或附錄直接查用,設計基準期和設計使用年限,是為確定荷載代表值及與時間有關的材料性能等取值而選用的時間參數(shù)（我國取用的設計基準期為50年）。必須說明：當結構的使用年限達到或超過設計基準期后，并不意味結構立即報廢，而只意味結構的可靠度將逐步降低。,是設計規(guī)定的一個期限，是指按規(guī)定指標設計的建筑結構或構件，在正常施工、正常使用和維護下，不需進行大修即可達到其預定功能要求的使用年限。,結構功能的極限狀態(tài),能夠滿足功能要求,不能滿足功能要求,特定狀態(tài),結構或結構構件達到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形時的狀態(tài),結構或結構構件達到正常使用或耐久性的某項規(guī)定限值時的狀態(tài),適用性,安全性,Z0,即RS,耐久性,Z0,即RS,承載能力極限狀態(tài),正常使用極限狀態(tài),Z=g(R,S)=R-S,功能函數(shù),結構抗力,荷載效應,Z=0,即R=S,可靠狀態(tài),極限狀態(tài),失效狀態(tài),結構可靠工作的基本條件為:Z0或RS,承載能力極限狀態(tài)實用設計表達式,0SR,結構重要性系數(shù),結構構件抗力設計值RR（fc，fs，k）,荷載效應組合設計值,一般排架、框架結構，可采用簡化公式：,由永久荷載效應控制的組合：,由可變荷載效應控制的組合：,【例15.1】已知由永久荷載產(chǎn)生的彎矩標準值Mgk=11kNm，起控制作用的可變荷載產(chǎn)生的彎矩標準值Mqk=16kNm，安全等級為二級，求彎矩設計值?！窘狻勘纠?，0=1.0，G=1.2,Q1=1.4SGk=Mgk=11kNmSQ1k=Mqk=16kNm則彎矩設計值M=0(GSGk+Q1SQ1k）=1.0(1.211+1.416)kNm=35.6kNm彎矩設計值為35.6kNm。,【例15.2】某教學樓樓面采用預制板，計算跨度l0=5.70m，板寬0.9m，板自重2.2kN/m2。樓面采用水磨石地面（10mm厚面層，20mm厚水泥砂漿打底），板底20mm厚抹灰。樓面活荷載標準值為2.0kN/m2。試求：板的跨中截面彎矩設計值M;標準組合荷載效應組合的設計值M；頻遇組合荷載效應組合的設計值M；準永久組合荷載效應組合的設計值M?！窘狻?1)荷載標準值永久荷載水磨石地面0.65kN/m220mm板底抹灰170.02=0.34kN/m2,板自重2.2kN/m2作用在板上的永久荷載線荷載標準值為gk=(0.65+0.34+2.2)0.9=2.871kN/m可變活荷載qk=2.00.9=1.8kN/m(2)板的跨中截面彎矩設計值永久荷載產(chǎn)生的彎矩標準值Mgk=1/8gkl02=11.66kNm可變荷載產(chǎn)生的彎矩