第4章-建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則和過程(6學(xué)時)

第4章建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則和過程一、概念設(shè)計和數(shù)值設(shè)計

*數(shù)值設(shè)計又稱計算設(shè)計，指對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的計算（內(nèi)力分析），使結(jié)構(gòu)抗力大于結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)。

*概念設(shè)計指在設(shè)計過程中，根據(jù)基本設(shè)計原則和設(shè)計思想，合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)造型和結(jié)構(gòu)總體布置，并確定科學(xué)合理的細(xì)部構(gòu)造。

*目前結(jié)構(gòu)計算已進(jìn)入計算機(jī)時代，要保證建筑結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，僅靠精準(zhǔn)的數(shù)值設(shè)計是不行的，還必須要有合理的概念設(shè)計。*案例分析：1972年12月23日南美洲馬那瓜地震中，兩幢建筑的表現(xiàn)反差。

中央銀行大廈地震破壞嚴(yán)重，震后拆除。

（1）上部柱密集，下部柱稀疏，抗側(cè)移剛度沿高度發(fā)生突變。

（2）抗震墻的平面布置位置不合理，偏向一側(cè)，產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

中央銀行大廈破壞嚴(yán)重的原因：結(jié)構(gòu)造型和布置不合理，不利于抗震，沒有好的概念設(shè)計。

美洲銀行大廈輕微損害，稍加修理后恢復(fù)使用。

美洲銀行大廈結(jié)構(gòu)對稱布置，抗震墻均勻布置，由連系梁連接起來，結(jié)構(gòu)布置合理。

第4章建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則和過程*概念設(shè)計與數(shù)值設(shè)計之間的關(guān)系：

1、優(yōu)先考慮概念設(shè)計，合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型和布置，好的概念設(shè)計是保證結(jié)構(gòu)安全性和可靠性的前提條件。

2、概念設(shè)計并不排斥數(shù)值設(shè)計，應(yīng)該在好的概念設(shè)計基礎(chǔ)之上進(jìn)行精確的數(shù)值設(shè)計。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則

1、結(jié)構(gòu)的功能要求結(jié)構(gòu)的功能要求包括安全性，適用性和耐久性三方面。

（1）安全性

*安全性指結(jié)構(gòu)能夠承受正常施工和正常使用時可能出現(xiàn)的各種作用（荷載、溫度等），在偶然事件（地震）發(fā)生時和發(fā)生后，能保持整體穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)僅產(chǎn)生局部損壞而不致連續(xù)倒塌。第4章建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則和過程*結(jié)構(gòu)設(shè)計中按結(jié)構(gòu)破壞時可能產(chǎn)生的后果（危及人的生命,造成經(jīng)濟(jì)損失,產(chǎn)生社會影響等）的嚴(yán)重程度,將結(jié)構(gòu)的安全等級分為三個等級。一級為重要的建筑物,一旦發(fā)生破壞,后果很嚴(yán)重,例如大城市的消防指揮中心；二級為一般的建筑物,一旦發(fā)生破壞后果嚴(yán)重,大部分工業(yè)與民用建筑屬二級；三級為次要建筑,發(fā)生破壞的后果不嚴(yán)重,例如畜牧建筑、臨時建筑。（表4.2.1）

第4章建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則和過程（2）適用性

指結(jié)構(gòu)正常使用時應(yīng)具有良好的工作性能（如不產(chǎn)生較大的變形和裂縫寬度）。

（3）耐久性

指結(jié)構(gòu)在正常維護(hù)下應(yīng)有足夠的耐久性，不發(fā)生銹蝕和風(fēng)化等現(xiàn)象。

2、結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)

*整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計指定的某一功能要求，這個特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)，是結(jié)構(gòu)有效與失效的分界點。*極限狀態(tài)可分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩類。（1）承載能力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或者達(dá)到不適于繼續(xù)承載的變形狀態(tài)，稱為承載能力極限狀態(tài)。超過承載能力極限狀態(tài)后，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件就不能滿足安全性要求。第4章建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則和過程（2）正常使用極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性中某項規(guī)定限度的狀態(tài)稱為正常使用極限狀態(tài)。超過正常使用極限狀態(tài)后，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件就不能滿足適用性和耐久性要求。*結(jié)構(gòu)或構(gòu)件應(yīng)先按承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計計算，然后按正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行驗算。3、建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計狀況

（1）持久狀況

在結(jié)構(gòu)使用過程中一定出現(xiàn)、且持續(xù)期很長的狀況稱持久狀況。

（2）短暫狀況

在結(jié)構(gòu)施工和使用過程中出現(xiàn)概率較大，而與設(shè)計使用年限相比其持續(xù)期很短的狀況。

（3）偶然狀況

在結(jié)構(gòu)施工和使用過程中出現(xiàn)概率很小，且持續(xù)期很短的狀況。如火災(zāi)、爆炸、撞擊、地震等。

第4章建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則和過程*承載能力極限狀態(tài)設(shè)計要考慮三種狀態(tài)；正常使用極限狀態(tài)設(shè)計一般只考慮持久狀態(tài)。

4、結(jié)構(gòu)設(shè)計原則和方法（1）荷載效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力

*荷載效應(yīng)S是由荷載引起的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的內(nèi)力（軸向力、剪力、彎矩、扭矩）和變形（如撓度、側(cè)移、裂縫等）。

*荷載效應(yīng)S與荷載Q的關(guān)系：

S=CQ(4.2.1)

上式中，C—荷載效應(yīng)系數(shù)（與荷載及結(jié)構(gòu)的支座形式及尺寸有關(guān)）。

均布荷載簡支梁跨中截面：

均布荷載簡支支座截面：

*結(jié)構(gòu)抗力R是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受作用效應(yīng)的能力，如構(gòu)件的承載能力，剛度，抗裂能力等。

第4章建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則和過程*荷載效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力的特點：S和R都具有不確定性，是隨機(jī)變量。

（2）結(jié)構(gòu)功能函數(shù)

*結(jié)構(gòu)功能函數(shù)用來描述結(jié)構(gòu)構(gòu)件完成預(yù)定功能的工作狀態(tài)，用Z表示：

Z=R－S=g（R,S）

(4.2.2)Z＞0,即R＞S時,結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；

Z＜0,即R＜S時,結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)；

Z=0,即R=S時,結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)；

*

Z=g（R,S）=0稱為極限狀態(tài)方程,也可表達(dá)為：

Z=g（x1,x2,…,xn）=0

上式中

g（…）是函數(shù)記號,x1,x2,…,xn為影響結(jié)構(gòu)功能的各種因素，如材料強(qiáng)度、幾何參數(shù)、荷載等。由于R、S均為非確定性的隨機(jī)變量,因此Z=R－S＞0也是非確定性的。第4章建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則和過程（3）概率極限狀態(tài)設(shè)計法

*概率極限狀態(tài)設(shè)計法又稱近似概率法，是用概率分析方法來研究結(jié)構(gòu)的可靠性。

*結(jié)構(gòu)的可靠性：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi),在規(guī)定的條件下,完成預(yù)定功能的能力。*結(jié)構(gòu)的可靠度：是結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量,也可表示為結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi),在規(guī)定的條件下,完成預(yù)定功能的概率。①可靠概率與失效概率結(jié)構(gòu)能完成預(yù)定功能的概率（R＞S的概率）為可靠概率Ps，不能完成預(yù)定功能的概率（R＜S的概率）為失效概率Pf，兩者的關(guān)系為：Ps＋Pf=1第4章建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則和過程②結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)β*若S、R分別服從正態(tài)分布,則Z=R－S也服從正態(tài)分布。隨機(jī)變量Z的概率密度曲線中Z＜0部分（陰影部分）即為失效概率。由下圖可見,由0到平均值μZ這段距離,可以用標(biāo)準(zhǔn)差來度量,即：μZ=βσZ第4章建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則和過程*若R和S是相互獨立的兩個正態(tài)分布隨機(jī)變量，且結(jié)構(gòu)功能函數(shù)為線性函數(shù)，則功能函數(shù)Z也是服從正態(tài)分布的一個隨機(jī)變量，其平均值及標(biāo)準(zhǔn)差為：

(4.2.3)

(4.2.4)

其中：、—R和S的均值；

、—R和S的標(biāo)準(zhǔn)差；

*令β為結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)，β可按下式計算：

(4.2.5)

*β與Pf之間存在一一對應(yīng)關(guān)系,β小,Pf大；反之β大,Pf小（圖4.2.4)。因此β和Pf一樣,可以作為衡量結(jié)構(gòu)可靠性的指標(biāo)。第4章建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則和過程β1.01.52.02.52.73.0Pf1.59×10－16.68×10-22.28×10-26.21×10-33.47×10-31.35×10-3β3.23.53.74.04.24.5Pf6.87×10-42.33×10-41.08×10-43.17×10-51.33×10-53.40×10-6可靠指標(biāo)β與失效概率Pf之間的對應(yīng)關(guān)系③結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠指標(biāo)[β]*目標(biāo)可靠指標(biāo)是結(jié)構(gòu)的最優(yōu)可靠指標(biāo)，以達(dá)到結(jié)構(gòu)安全性與經(jīng)濟(jì)性的平衡。

*結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠度指標(biāo)的大小對結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響較大。若目標(biāo)可靠度定得高,結(jié)構(gòu)可靠度大,但造價大；若目標(biāo)可靠度定得低，則結(jié)構(gòu)的安全性得不到保證。*延性破壞有明顯的預(yù)兆，目標(biāo)可靠指標(biāo)可定得稍低；脆性破壞沒有明顯的預(yù)兆，目標(biāo)可靠指標(biāo)應(yīng)定得高一些。第4章建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則和過程*我國《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》根據(jù)結(jié)構(gòu)的安全等級和破壞類型,在對代表性的構(gòu)件進(jìn)行可靠度分析的基礎(chǔ)上,規(guī)定了按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時的目標(biāo)可靠指標(biāo)[β]值。破壞類型安全等級一級二級三級延性破壞3.73.22.7脆性破壞4.23.73.2結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)的目標(biāo)可靠指標(biāo)［β］第4章建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則和過程三、實用設(shè)計表達(dá)式

按可靠指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計的方法非常繁瑣，在實際設(shè)計中，設(shè)計人員采用的是基本變量的標(biāo)準(zhǔn)值（如荷載及材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值）和分項系數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計的方法，其實質(zhì)仍然是采用概率設(shè)計的思想，但無需進(jìn)行概率和可靠度的計算，使設(shè)計過程得到簡化。

1、基本變量的標(biāo)準(zhǔn)值

（1）荷載標(biāo)準(zhǔn)值（Gk和Qk）

荷載標(biāo)準(zhǔn)值是指結(jié)構(gòu)在使用期間正常情況下可能出現(xiàn)的最大荷載值，由設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)最大荷載概率分布的特征值確定，即（2）材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值

材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值是按標(biāo)準(zhǔn)試驗方法測得的具有不小于95%保證率的材料強(qiáng)度值，即

2、分項系數(shù)與基本變量的設(shè)計值

*分項系數(shù)包括永久荷載分項系數(shù)，可變荷載分項系數(shù)，結(jié)構(gòu)抗力（或材料）分項系數(shù)。

第4章建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則和過程*將荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以一個大于1的荷載分項系數(shù)，稱為荷載設(shè)計值；將材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值除以一個大于1的材料分項系數(shù)，稱為材料強(qiáng)度設(shè)計值。

其中：、—永久荷載設(shè)計值和標(biāo)準(zhǔn)值；

、—可變荷載設(shè)計值和標(biāo)準(zhǔn)值；

、—結(jié)構(gòu)抗力設(shè)計值和標(biāo)準(zhǔn)值；

、、—分項系數(shù)，一般大于1。

*引進(jìn)分項系數(shù)的目的是使實用設(shè)計表達(dá)式既包含了概率設(shè)計的思想，同時又可以避免設(shè)計時進(jìn)行概率和可靠度的計算。分項系數(shù)實際起著目標(biāo)可靠指標(biāo)等價的作用，使實用設(shè)計表達(dá)式中暗含了目標(biāo)可靠指標(biāo)。*分項系數(shù)的取值應(yīng)根據(jù)目標(biāo)可靠指標(biāo)，并考慮工程經(jīng)驗確定。

第4章建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則和過程3、結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)

結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)反映安全等級的要求。

安全等級一級，

安全等級二級，

安全等級三級，

4、承載能力極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式

*對于承載能力極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)考慮荷載效應(yīng)的基本組合和偶然組合，荷載效應(yīng)的基本組合一般表達(dá)式如下：

γ0S≤R

(4.3.1)

*荷載效應(yīng)的基本組合設(shè)計值S應(yīng)取下列兩式中的最不利值：

由可變荷載效應(yīng)控制的組合：(4.3.2)第4章建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則和過程由永久荷載效應(yīng)控制的組合：

(4.3.3)對于排架和框架結(jié)構(gòu)，為了簡化計算式(4.3.2)可用下式代替（取大者）

：

(4.3.4)式中—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；

—永久荷載分項系數(shù)，不利時(4.3.2)式取1.2，(4.3.3)式取1.35，有利時一般取1.0；

、—第1個和第i個可變荷載系數(shù)，不利時一般取1.4，有利時取為零；

—永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值的荷載效應(yīng)；

第4章建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則和過程

—主導(dǎo)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值的荷載效應(yīng)；

—第i個可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值的荷載效應(yīng)；

—第i個可變荷載的組合值系數(shù)；

n—可變荷載的個數(shù)；

—結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力分項系數(shù)；

—材料性能標(biāo)準(zhǔn)值；

—幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值；

R（.）—結(jié)構(gòu)抗力函數(shù)。

5、正常使用極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式

*正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計，主要是驗算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形、抗裂度或裂縫寬度，若超過此極限狀態(tài),其后果是不能正常使用,但危害程度比承載能力失效輕,因此正常使用極限狀態(tài)的可靠度比承載能力的可靠度有所降低。計算中,荷載及材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值,不再考慮荷載和材料分項系數(shù),也不考慮結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)γ0。第4章建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則和過程*在正常使用極限狀態(tài)設(shè)計時,對不同的設(shè)計要求,采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合或頻遇組合或準(zhǔn)永久組合,其設(shè)計表達(dá)式為：S≤C(4.3.5)式中S—正常使用極限狀態(tài)的荷載效應(yīng)組合；C—結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件正常使用的規(guī)定限值,例如變形限值裂縫寬度限值等。（1）標(biāo)準(zhǔn)組合的設(shè)計表達(dá)式：

(4.3.6)對于排架框架結(jié)構(gòu)，(4.3.6)式可由下式簡化代替（取大者）：

(4.3.7)荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合又稱荷載效應(yīng)的短期組合。

第4章建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則和過程（2）準(zhǔn)永久組合的設(shè)計表達(dá)式：

(4.3.9)式中，—第i個可變荷載的準(zhǔn)永久系數(shù)；荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合又稱荷載效應(yīng)的長期組合。

（3）頻遇組合的設(shè)計表達(dá)式：

(4.3.8)

式中