建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理二

第3章建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理本章內(nèi)容3.1荷載分類及荷載代表值3.2概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法

作用于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的各種荷載使結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生的內(nèi)力（N、M、V、T）和變形、應(yīng)力等，稱為荷載效應(yīng)。荷載效應(yīng)可由力學(xué)方法求得。例如，一簡支梁梁長為l0，承受的垂直均布線荷載為q（已包括梁自重），梁的抗彎剛度為B。則梁跨中由荷載q產(chǎn)生的彎矩為M=1/8ql02，跨中撓度f=5ql04/(384B)，支座處剪力V=1/2ql0。荷載效應(yīng)與結(jié)構(gòu)上的荷載密切相關(guān)，并且是一種因果關(guān)系，即沒有荷載作用就沒有荷載效應(yīng)。荷載效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗力1荷載效應(yīng)S結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件抵抗作用效應(yīng)（本書僅指荷載效應(yīng)）的能力，也即結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受內(nèi)力、變形和抗裂等的能力，稱為結(jié)構(gòu)的抗力。影響結(jié)構(gòu)抗力的主要因素是結(jié)構(gòu)所用材料的性能和結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)。2結(jié)構(gòu)抗力R3.2荷載分類及荷載代表值1）永久荷載永久荷載亦稱恒荷載，是指在結(jié)構(gòu)使用期間，其值不隨時(shí)間變化，或者其變化與平均值相比可忽略不計(jì)的荷載，如結(jié)構(gòu)自重、土壓力、預(yù)應(yīng)力等。2）可變荷載可變荷載也稱為活荷載，是指在結(jié)構(gòu)使用期間，其值隨時(shí)間變化，且其變化值與平均值相比不可忽略的荷載，如樓面活荷載、屋面活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、吊車荷載等。3）偶然荷載在結(jié)構(gòu)使用期間不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)，其量值很大且持續(xù)時(shí)間很短的荷載稱為偶然荷載，如爆炸力、撞擊力等。1荷載分類荷載代表值

2荷載代表值定義：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對于不同的荷載和不同的設(shè)計(jì)情況，應(yīng)賦予荷載不同的量值，該量值即荷載代表值。定義：荷載標(biāo)準(zhǔn)值就是結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)具有一定概率的最大荷載值,它是荷載的基本代表值。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期——為確定可變荷載代表值而選定的時(shí)間參數(shù)，一般取為50年。1）荷載標(biāo)準(zhǔn)值

常用材料單位體積的自重（單位kN/m3）

混凝土22-24，

鋼筋混凝土24-25，

水泥砂漿20，

石灰砂漿、混合砂漿17，

普通磚18，

普通磚（機(jī)器制）19，

漿砌普通磚砌體18，

漿砌機(jī)磚砌體19。1)荷載標(biāo)準(zhǔn)值

（1）永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值

按構(gòu)件尺寸和構(gòu)件單位體積自重的標(biāo)準(zhǔn)值來確定。（2）可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值（民用樓面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下表采用）民用建筑樓面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值及其組合值、頻偶值和永久值系數(shù)項(xiàng)次類別標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)組合值系Ψc頻偶值系Ψf準(zhǔn)永久值系數(shù)Ψq1（1）住宅、宿舍、旅館、辦公樓、醫(yī)院病房、托兒所、幼兒園（2）教室、實(shí)驗(yàn)室、閱覽室、會(huì)議室、醫(yī)院門診室2.00.70.50.60.40.52食堂、辦公樓中的一般資料檔案室2.50.70.60.53（1）禮堂、劇場、影院、有固定座位的看臺（2）公共洗衣房3.03.00.70.70.50.60.30.54（1）商店、展覽廳、車站、港口、機(jī)場大廳及其旅客等候室（2）無固定座位的看臺3.53.50.70.70.60.50.50.35（1）健身房、演出舞臺（2）舞廳4.04.00.70.70.60.60.50.36（1）書庫、檔案室、儲藏室（2）密集柜書庫5.012.00.90.90.87通風(fēng)機(jī)房、電梯機(jī)房7.00.90.90.88汽車通道及停車庫（1）單向板樓蓋（板跨不小于2m）客車消防車（2）雙向板樓蓋和無梁樓蓋（柱網(wǎng)尺寸不小于6m×6m）客車消防車4.035.02.520.00.70.70.70.70.70.70.70.70.60.60.60.6（2）可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值（民用樓面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下表采用）9廚房（1）一般的（2）餐廳2.04.00.70.70.60.70.50.710浴室、廁所、盥洗室：（1）第1項(xiàng)中的民用建筑（2）其他民用建筑2.02.50.70.70.50.60.40.511走廊、門廳、樓梯：（1）宿舍、旅館、醫(yī)院病房、托兒所、幼兒園、住宅（2）辦公樓、教室、餐廳、醫(yī)院門診部（3）消防疏散樓梯、其他民用建筑2.02.53.50.70.70.70.50.60.50.40.50.312陽臺：（1）一般情況（2）當(dāng)人群有可能密集時(shí)2.53.50.70.60.5注：①本表所列各項(xiàng)活荷載適用于一般使用條件，當(dāng)使用荷載大時(shí)，應(yīng)按實(shí)際情況采用。②本表各項(xiàng)荷載不包括隔墻自重和二次裝修荷載。（2）可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值（民用樓面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下表采用）注：①不上人的屋面，當(dāng)使用荷載大時(shí)，應(yīng)按實(shí)際情況采用。

②上人的屋面，當(dāng)兼作其他用途時(shí)，應(yīng)按相應(yīng)樓面活荷載采用；③對于因屋面排水不暢、堵塞等引起積水荷載，應(yīng)采取構(gòu)造措施加以防止，必要時(shí)應(yīng)按積水的可能深度確定屋面活荷載。②屋頂花園活荷載不包括花圃土石等材料自重。（2）可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值（民用屋面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下表采用）民用建筑屋面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值及其組合值、頻偶值和永久值系數(shù)項(xiàng)次類別標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)組合值系Ψc頻偶值系Ψf準(zhǔn)永久值系數(shù)Ψq1不上人的屋面0.50.70.502上人的屋面2.00.70.50.43屋頂花園3.00.70.60.52）可變荷載準(zhǔn)永久值

在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)經(jīng)常達(dá)到或超過的那部份荷載值（總的持續(xù)時(shí)間不低于25年），稱為可變荷載準(zhǔn)永久值。可變荷載準(zhǔn)永久值可表示為ψqＱk，其中Ｑk為可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值，ψq為可變荷載準(zhǔn)永久值系數(shù)。ψq值見前表。3）可變荷載組合值兩種或兩種以上可變荷載同時(shí)作用于結(jié)構(gòu)上時(shí)，除主導(dǎo)荷載（產(chǎn)生最大效應(yīng)的荷載）仍可以其標(biāo)準(zhǔn)值為代表值外，其他伴隨荷載均應(yīng)以小于標(biāo)準(zhǔn)值的荷載值為代表值，此即可變荷載組合值?？勺兒奢d組合值可表示為ψcＱk。其中ψc為可變荷載組合值系數(shù)，其值按前表查取。4）可變荷載頻遇值對可變荷載，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，其超越的總時(shí)間為規(guī)定的較小比率或超越頻率為規(guī)定頻率的荷載值（總的持續(xù)時(shí)間不低于50年），稱為可變荷載頻遇值。可變荷載頻遇值可表示為ψfＱk。其中ψf為可變荷載頻遇值系數(shù)，其值按前表查取。3.2概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法（1）結(jié)構(gòu)的安全等級《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50068-2001（以下簡稱《統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》）規(guī)定，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生的后果（危及人的生命、造成經(jīng)濟(jì)損失、產(chǎn)生社會(huì)影響等）的嚴(yán)重性，采用不同的安全等級。1極限狀態(tài)建筑結(jié)構(gòu)的安全等級安全等級破壞后果建筑物類型一級很嚴(yán)重重要的房屋二級嚴(yán)重一般的房屋三級不嚴(yán)重次要的房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限分類設(shè)計(jì)使用年限示例5臨時(shí)性結(jié)構(gòu)25易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件50普通房屋和構(gòu)筑物100紀(jì)念性建筑和特別重要的建筑結(jié)構(gòu)（2）設(shè)計(jì)使用年限，是指設(shè)計(jì)規(guī)定的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件不需進(jìn)行大修即可按其預(yù)定目的使用的時(shí)期。（3）結(jié)構(gòu)的功能要求

能承受正常施工和使用時(shí)的各種作用，以及偶然事件發(fā)生時(shí)，仍能保持整體穩(wěn)定性。在正常使用時(shí)，能保證具有良好的工作性能，不出現(xiàn)過大的變形和裂縫。在正常使用及維護(hù)下，具有足夠的耐久性能，不發(fā)生銹蝕和風(fēng)化現(xiàn)象。＊安全性＊適用性＊耐久性例如，不會(huì)出現(xiàn)影響正常使用的過大變形或振動(dòng)；不會(huì)產(chǎn)生使使用者感到不安的裂縫寬度等。例如，結(jié)構(gòu)材料不致出現(xiàn)影響功能的損壞，鋼筋混凝土構(gòu)件的鋼筋不致因保護(hù)層過薄或裂縫過寬而銹蝕等。即結(jié)構(gòu)僅產(chǎn)生局部的損壞而不致發(fā)生連續(xù)倒塌。

結(jié)構(gòu)三的安三全性三、適三用性三和耐三久性三是結(jié)三結(jié)構(gòu)三的可三靠度三是結(jié)三構(gòu)可三靠性三的概三率度三量，三即對三結(jié)構(gòu)三可靠三性的三定量三描述三。結(jié)構(gòu)三可靠三性的三定義三是，三結(jié)構(gòu)三在規(guī)三定時(shí)三間內(nèi)三，規(guī)三定條三件下三，完三成預(yù)三定功三能的三能力三。注意三：1三、結(jié)三構(gòu)可三靠度三與結(jié)三構(gòu)使三用年三限長三短有三關(guān)。三《統(tǒng)三一標(biāo)三準(zhǔn)》三以結(jié)三構(gòu)的三設(shè)計(jì)使用三年限三為計(jì)三算結(jié)三構(gòu)可三靠度三的時(shí)三間基三準(zhǔn)。2、三當(dāng)結(jié)三構(gòu)的三使用三年限三超過三設(shè)計(jì)三使用三年限三后，三并不三意味三著結(jié)三構(gòu)就三要報(bào)廢，三但其三可靠三度將三逐漸三降低三。（3三）結(jié)三構(gòu)的三功能三要求2.三結(jié)三構(gòu)功三能的極限三狀態(tài)（1三）承載三能力極限三狀態(tài)針對三安全三性去穩(wěn)定；結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因材料強(qiáng)度不夠而壞；結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系；結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定等。定義三：整三個(gè)結(jié)三構(gòu)或三結(jié)構(gòu)三的一三部份三，超三過某三一特三定狀三態(tài)就三不能三滿足三設(shè)計(jì)三規(guī)定三的某三一功三能（三安全三性、三適用三性、三耐久三性）三要求三，該三特定三狀態(tài)三稱為三該功三能的三極限三狀態(tài)三。結(jié)三構(gòu)極三限狀三態(tài)分三為以三下兩三類：結(jié)構(gòu)三超過三承載三能力三極限三狀態(tài)三的示三例2.三結(jié)三構(gòu)功三能的極限三狀態(tài)（2三）正常三使用極限三狀態(tài)針對三適用三性和三耐久三性如：三出現(xiàn)三影響三正常三使用三或外三觀的三變形三；影響三正常三使用三或耐三久性三的局三部損三壞；影響三正常工程三設(shè)計(jì)三時(shí)，三一般三先按三承載三力極三限狀三態(tài)設(shè)三計(jì)結(jié)三構(gòu)構(gòu)三件，再按三正常三使用三極限三狀態(tài)三驗(yàn)算三。3.三結(jié)構(gòu)三的功三能函三數(shù)（1三）作三用效三應(yīng)S作用三（荷三載）三對結(jié)三構(gòu)產(chǎn)三生的三各種三效應(yīng)三，三如彎三矩、三剪力三、軸三力、三變形三、裂三縫等M三V三N三f三w結(jié)構(gòu)三構(gòu)件三抵抗三各種三作用三效應(yīng)三的能三力。三如三抗彎三、抗三剪、三抗壓三、抗三拉、三抗扭三承載三力三以及三抗變?nèi)?、三抗裂三縫的三能力三。（2三）結(jié)三構(gòu)抗三力R3.三結(jié)構(gòu)三的功三能函三數(shù)當(dāng)Ｚ＞0三即R＞S時(shí)，三結(jié)構(gòu)三處于三可靠三狀態(tài)三；三當(dāng)Ｚ＜0三即R＜S時(shí)，三結(jié)構(gòu)三處于三失效三狀態(tài)三；三當(dāng)Ｚ=0三即R=S時(shí)，三結(jié)構(gòu)三處于三極限三狀態(tài)三。關(guān)系三式ｇ(三S，三R)三＝R三－S三＝0稱為三極限三狀態(tài)三方程三。4三實(shí)用三設(shè)計(jì)三表達(dá)三式（1三）實(shí)三用表三達(dá)式三：S三≤RR—三結(jié)構(gòu)三構(gòu)件三的承三載力三設(shè)計(jì)三值，三即抗三力設(shè)三計(jì)值S—三荷載三效應(yīng)三基本三組合三或偶三然組三合的三設(shè)計(jì)三值（2三）荷三載效三應(yīng)基三本組三合設(shè)三計(jì)值三S對于三基本三組合三，荷三載效三應(yīng)組三合的三設(shè)計(jì)三值S三應(yīng)從三由可三變荷三載效三應(yīng)控三制的三組合三和由三永久三荷載三效應(yīng)三控制三的組三合中三取最三不利三值確三定。：結(jié)三構(gòu)構(gòu)三件的三重要三性系三數(shù)，三對安三全等三級為三一級三或設(shè)三計(jì)使三用年三限為三10三0年三及以三上的三結(jié)構(gòu)三構(gòu)件三，不三應(yīng)小三于1三.1三；對三安全三等級三為二三級或三設(shè)計(jì)三使用三年限三為5三0年三的結(jié)三構(gòu)構(gòu)三件，三不應(yīng)三小于三1.三0；三對安三全等三級為三三級三或設(shè)三計(jì)使三用年三限為三5年三及以三下的三結(jié)構(gòu)三構(gòu)件三，不三應(yīng)小三于0三.9三；在三抗震三設(shè)計(jì)三中，三不考三慮結(jié)三構(gòu)構(gòu)三件的三重要三性系三數(shù)。1）三由可三變荷三載效三應(yīng)控三制的三組合γG：永三久荷三載分三項(xiàng)系三數(shù)；SGk：永三久荷三載標(biāo)三準(zhǔn)值Gk計(jì)算三的荷三載效三應(yīng)值三；γQi：第i個(gè)可三變荷三載的三分項(xiàng)三系數(shù)三；SQik：按三可變?nèi)奢d三標(biāo)準(zhǔn)三值Qi計(jì)算三的荷三載效三應(yīng)值三;ψci：可三變荷三載Qi的組三合值三系數(shù)三，民三用建三筑樓三面均三布活荷載三、屋三面均三布活三荷載三的組三合值三系數(shù)三；荷載分項(xiàng)系數(shù)的取值荷載特性荷載分項(xiàng)系數(shù)永久荷載永久荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利由可變荷載效應(yīng)控制的組合1.2由永久荷載效應(yīng)控制的組合1.35永久荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利1.0傾覆、滑移或飄浮驗(yàn)算0.9可變荷載一般情況1.4對標(biāo)準(zhǔn)值大于4kN/m2的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的活荷載取1.3應(yīng)用三以上三兩個(gè)三公式三時(shí)應(yīng)三注意三以下三問題三：當(dāng)考三慮以三豎向三的永三久荷三載效三應(yīng)控三制的三組合三時(shí)，三參與三組合三的可三變荷三載僅三限于三豎向三荷載三。2）三由永三久荷三載效三應(yīng)控三制的三組合荷載分項(xiàng)系數(shù)的取值荷載特性分項(xiàng)系數(shù)永久

荷載永久荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利由可變荷載效應(yīng)控制的組合1.2由永久荷載效應(yīng)控制的組合1.35永久荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利1.0傾覆、滑移或飄浮驗(yàn)算0.9可變

荷載一般情況1.4對標(biāo)準(zhǔn)值大于4kN/m2的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的活荷載取1.3【例三】三某辦三公樓三鋼筋三混凝三土矩三形截三面簡三支梁三，安三全等三級為三二級三，截三面尺三寸b×三h=三20三0m三m×三40三0m三m，三計(jì)算三跨度ln=5m三，凈三跨度l0=4三.8三6m三。承三受均三布線三荷載三：活三荷載三標(biāo)準(zhǔn)三值7三kN三/m三，恒三荷載三標(biāo)準(zhǔn)三值1三0k三N/三m（三不包三括自三重）三。試三計(jì)算三按承三載能三力極三限狀三態(tài)設(shè)三計(jì)時(shí)三的跨三中彎三矩設(shè)三計(jì)值三和支三座邊三緣截三面剪三力設(shè)三計(jì)值三?！窘馊坑扇聿槿没钊奢d三組合三值系三數(shù)=三0.三7。三安全三等級三為二三級，三則結(jié)三構(gòu)重三要性三系數(shù)三=1三.0三。鋼筋三混凝三土的三重度三標(biāo)準(zhǔn)三值為三25三kN三/m3，故三梁自三重標(biāo)三準(zhǔn)值三為2三5×三0.三2×三0.三4=三2三kN三/m三?？偤闳奢d三標(biāo)準(zhǔn)三值gk=1三0+三2=三12三kN三/m恒載三產(chǎn)生三的跨三中彎三矩標(biāo)三準(zhǔn)值三和支三座邊三緣截三面剪三力標(biāo)三準(zhǔn)值三分別三為：Mgk=三gkl02/8=三12三×52/8三=3三7.三5k三N·三mVgk=gkln/2三=12三×4三.8三6/三2=三29三.1三6三kN活荷三載產(chǎn)三生的三跨中三彎矩三標(biāo)準(zhǔn)三值和三支座三邊緣三截面三剪力三標(biāo)準(zhǔn)三值分三別為三：Mqk=qkl02/8=7三×52/8三=2三1.三87三5k三N·三mVgk=qkln/2三=三7三×三4.三86三/2三=三17三.0三1三kN本例三只有三一個(gè)三活荷三載，三即為三第一三可變?nèi)奢d三。故三計(jì)算三由活三載彎三矩控三制的三跨中三彎矩三設(shè)計(jì)三值時(shí)三，γG=1三.2三，γQ=γQ1=1三.4三。由三式（三）得三由活三荷載三彎矩三控制三的跨三中彎三矩設(shè)三計(jì)值三和支三座邊三緣截三面剪三力設(shè)三計(jì)值三分別三為：γ0(γGMgk+γQ1Mq1三k)三=γ0(γGMgk+γQMqk)三=1三.0三×(三1.三2×三37三.5三+1三.4三×2三1.三87三5)三=7三5.三62三5三kN三·mγ0(γGVgk+γQ1Vq1三k)三=γ0(γGVgk+γQVqk)三=1三.0三×(三1.三2×三29三.1三6+三1.三4×三17三.0三1)三=7三5.三62三5三kN三·m取較三大值三得跨三中彎三矩設(shè)三計(jì)值M三=75三.6三25三kN三·m，支三座邊三緣截三面剪三力設(shè)三計(jì)值V=5三8.三80三6三kN計(jì)算三由恒三載彎三矩控三制的三跨中三彎矩三設(shè)計(jì)三值時(shí)三，γG=1三.3三5，γQ=1三.4三，Ψc=0三.7三。由三式（三）得三由恒三載彎三矩控三制的三跨中三彎矩三設(shè)計(jì)三值和三支座三邊緣三截面三剪力三設(shè)計(jì)三值分三別為三：γ0(γGMgk+ΨcγQMqk)三=1三.0三×(三1.三35三×3三7.三5+三0.三7×三1.三4×三21三.8三75三）=三72三.0三63三k三N·三mγ0(γGVgk+ΨcγQVqk)三=1三.0三×（三1.三35三×2三9.三16三+0三.7三×1三.4三×1三7.三01三）=三56三.0三36三k三N一般三排架三、框三架結(jié)三構(gòu)的三簡化三表達(dá)三式對于三一般三排架三、框三架結(jié)三構(gòu)，三可不三區(qū)分三第一三可變?nèi)奢d三和第i個(gè)可三變荷三載，三并采三用相三同的三組合三值系三數(shù)，其荷三載效三應(yīng)組三合設(shè)三計(jì)值三取由三可變?nèi)奢d三效應(yīng)三控制三和由