第三章 結(jié)構(gòu)設計方法與設計指標要點

1、建筑結(jié)構(gòu)基礎與識圖,2009年10月,機械工業(yè)出版社,目 錄,第3章 結(jié)構(gòu)設計方法與設計指標,31 建筑結(jié)構(gòu)荷載與荷載效應,一、結(jié)構(gòu)上的作用 建筑結(jié)構(gòu)在施工和使用期間，要承受其自身和外加的各種作用，這些作用在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生不同的效應（內(nèi)力和變形）。這些能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生效應（結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的內(nèi)力、應力、位移、應變裂縫等）的各種原因通稱為結(jié)構(gòu)上的作用。 按出現(xiàn)的方式不用，可將結(jié)構(gòu)上的作用分為直接作用和間接作用。,1.直接作用 直接作用是指直接以力的不同集結(jié)形式（集中力或均勻分布力）施加在結(jié)構(gòu)上的作用，通常也稱為結(jié)構(gòu)的荷載。例如結(jié)構(gòu)的自重、樓面人群及物品重量、土壓力、風壓力、雪壓力、積灰、積水等。 2.間接作用

2、 間接作用是指能夠引起結(jié)構(gòu)外加變形、約束變形或振動的各種原因。間接作用并不是直接以力的形式施加在結(jié)構(gòu)上，例如地基的不均勻沉降、溫度變化、地震作用、材料的收縮和膨脹變形等。,二、荷載的分類 在實際工程中，結(jié)構(gòu)常見的作用多為直接作用，即通常說的荷載。所以本書介紹的內(nèi)容以直接作用為主。按照不同的分類方法可將荷載進行不同的分類。 （一）按其隨時間的變異性可分為： 1.永久荷載 永久荷載是指結(jié)構(gòu)在設計使用期間，其值不隨時間變化，或其變化幅度與平均值相比可以忽略不計的荷載。例如結(jié)構(gòu)自重、土壓力、預應力等，永久荷載也稱為恒荷載。,2.可變荷載 可變荷載是指結(jié)構(gòu)在設計使用期間，其值隨時間變化，且其變化幅度與平

3、均值相比不可忽略的荷載。例如樓面活荷載、積灰荷載、屋面活荷載、吊車荷載、風荷載、雪荷載等，可變荷載也稱為活荷載。 3.偶然荷載 偶然荷載是指結(jié)構(gòu)在設計使用期間可能出現(xiàn)，但不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)，其持續(xù)時間很短但量值很大的荷載。例如地震力、爆炸力、撞擊力等。,（二）按荷載的作用范圍分： 1.集中荷載 集中荷載是指荷載的作用面積與結(jié)構(gòu)的尺寸相比很小，可將其簡化為作用于一點的荷載，單位是kN或N。例如梁傳給柱子的力、次梁傳給主梁的力都可看作集中荷載。 2.分布荷載 分布荷載是指荷載連續(xù)地分布在整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)某一部分上。其中分布荷載又包括體荷載、面荷載、線荷載。,體荷載是指分布在物體的體積內(nèi)的荷載，單

4、位是N/mm3或kN/m3，常用表示。 面荷載是指分布在物體表面的荷載，單位是N/mm2或kN/m2，常用p表示。 線荷載是指將面荷載、體荷載簡化成連續(xù)分布在一段長度上的荷載，單位是N/mm或kN/m，常用q表示。 三、荷載的代表值 由于各種荷載都具有一定的變異性，在結(jié)構(gòu)設計時，對荷載應賦予一個規(guī)定的量值，稱為荷載代表值。,1.荷載標準值 荷載標準值是指結(jié)構(gòu)在正常使用情況下，在其設計基準期（50年）內(nèi)可能出現(xiàn)的具有一定保證率的最大荷載值。 永久荷載標準值（Gk），對結(jié)構(gòu)自重,可按結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設計尺寸與材料單位體積的自重計算確定。對常用材料和構(gòu)件可參荷載規(guī)范附錄A 采用。表3-1列出部分常用材料和

5、構(gòu)件自重。,例如，某矩形鋼筋混凝土梁，bh = 300mm600mm，計算跨度l0 = 4.5m。查表3-1取鋼筋混凝土自重25kN/m3，則該梁沿跨度方向均勻分布的自重標準值為： gk = 0.30.625 = 4.5 kN/m。 可變荷載標準值（Qk）是根據(jù)觀測資料和實驗數(shù)據(jù)，并考慮工程實踐經(jīng)驗而確定，可由荷載規(guī)范各章中的規(guī)定確定。表3-2列出部分民用建筑樓面均布活荷載標準值。,2.可變荷載組合值c Qk 當結(jié)構(gòu)上同時作用兩種或兩種以上可變荷載時，可變荷載同時達到其標準值的可能性較小，因此要考慮其組合值。除其中產(chǎn)生最大效應的荷載（主導荷載）仍取其標準值外，其他伴隨的可變荷載均采用小于其標準

6、值的組合值為代表值。這種經(jīng)調(diào)整后的可變荷載代表值，稱為可變荷載組合值。 荷載規(guī)范規(guī)定，可變荷載組合值用可變荷載的組合系數(shù)c（c1）與相應的可變荷載標準值Qk的乘積來確定，即c Qk，c取值參見表3-2。,3.可變荷載頻遇值f Qk 可變荷載頻遇值是指可變荷載在設計基準期內(nèi)，其超越的總時間為規(guī)定的較小比率或超越頻率為規(guī)定頻率的荷載值?？勺兒奢d頻遇值是針對結(jié)構(gòu)上偶爾出現(xiàn)的較大荷載，具有較短的總持續(xù)時間或較少的發(fā)生次數(shù)的特性。 荷載規(guī)范規(guī)定，可變荷載頻遇值應取可變荷載標準值Qk乘以荷載頻遇值系數(shù)f（f1），即f Qk，f取值參見表3-2。,4.可變荷載準永久值q Qk 可變荷載準永久值是指可變荷載在

7、設計基準期內(nèi)，其超越的總時間約為設計基準期一半的荷載值?？勺兒奢d準永久值是針對在結(jié)構(gòu)上經(jīng)常作用的可變荷載，即在規(guī)定的期限內(nèi)，該部分可變荷載具有較長的總持續(xù)時間，對結(jié)構(gòu)的影響類似于永久荷載。 荷載規(guī)范規(guī)定，可變荷載準永久值應取可變荷載標準值Qk乘以荷載準永久值系數(shù)q，即q Qk，q取值參見表3-2。,四、荷載效應 作用效應（S）是指各種作用在結(jié)構(gòu)上的內(nèi)力（彎矩、剪力、軸力、扭矩等）和變形（繞度、扭轉(zhuǎn)、彎曲、拉伸、壓縮、裂縫等）。當作用為荷載時，引起的效應稱為荷載效應。 一般情況下，荷載效應（S）與荷載（Q）的關系式如下 S= CQ (3-1) 式中 C荷載效應系數(shù)，由力學分析確定； Q某荷載代表

8、值； S與荷載Q相應的荷載效應。,32 建筑結(jié)構(gòu)的設計方法,一、結(jié)構(gòu)的功能要求 建筑結(jié)構(gòu)的功能要求包括：安全性、適用性和耐久性。 1.安全性 安全性是指結(jié)構(gòu)在正常施工和正常使用條件下，能承受可能出現(xiàn)的各種作用，在偶然事件發(fā)生時和發(fā)生后，結(jié)構(gòu)仍能保持必需的整體穩(wěn)定性，即結(jié)構(gòu)僅產(chǎn)生局部損壞而不發(fā)生倒塌。,2.適用性 適用性是指結(jié)構(gòu)在正常使用條件下，具有良好的工作性能。例如不發(fā)生影響使用的過大變形、振幅和裂縫等。 3.耐久性 耐久性是指結(jié)構(gòu)在正常維護條件下，具有足夠的耐久性，能夠使用到預定的設計使用年限。例如鋼筋不發(fā)生嚴重銹蝕、混凝土不發(fā)生嚴重風化和腐蝕等。,二、結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài) 結(jié)構(gòu)能夠滿足設計規(guī)定

9、的某一功能要求且能夠良好的工作，我們稱之為該功能處于可靠狀態(tài)；反之，稱之為該功能處于失效狀態(tài)。這種“可靠”與“失效”之間必然存在某一特定的界限狀態(tài)，此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。,三、極限狀態(tài)的設計表達式 （一）極限狀態(tài)方程 結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的工作狀態(tài)可以用作用效應S和結(jié)構(gòu)抗力R的關系式來描述： (3-2) 式中 Z結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)功能函數(shù)； R結(jié)構(gòu)抗力; S作用效應.,（二）承載力極限狀態(tài)實用設計表達式 1.設計表達式 承載能力極限狀態(tài)設計時應采用下列表達式: (3-3) 式中 結(jié)構(gòu)件的重要性系數(shù)，如表3-4所示； 承載能力極限狀態(tài)的荷載效應組合設計值； 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設計值。,2.結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重

10、要性系數(shù) 我國建筑結(jié)構(gòu)可靠度設計統(tǒng)一標準將建筑結(jié)構(gòu)劃分為三個安全等級，設計時應根據(jù)具體情況，按表3-4的規(guī)定選用適當?shù)陌踩燃墶?3.荷載效應組合設計值 對于基本組合，荷載效應組合的設計值S應從下列組合中取最不利值確定： （1）由可變荷載效應控制的組合： (3-4) （2）由永久荷載效應控制的組合： (3-5a),式中 永久荷載的分項系數(shù)，如表3-5所示； 、 第一個和第i個可變荷載分項系數(shù)，見表3-5； 按永久荷載標準值計算的荷載效應值 、 起控制作用的第一個可變荷載荷載標準值 和第i個可變荷載標準值 計算的荷載效應； 第i個可變荷載的組合值系數(shù)，按表3-2取用。,（3）對于一般排架、框架結(jié)

11、構(gòu)，式(3-5a)可采用下列簡化設計表達式： (3-5b) 式中 簡化的可變荷載組合系數(shù)，一般可取， 當只有一個可變荷載時取 。,（三）正常使用極限狀態(tài)實用設計表達式 1.設計表達式 正常使用極限狀態(tài)按下列設計表達式進行設計： (3-6) 式中 正常使用極限狀態(tài)的荷載效應組合值； 結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常使用要求的規(guī)定限制（如變形、裂縫、應力等限值），按有關規(guī)定采用。,2.荷載效應組合設計值 對正常使用狀態(tài)的荷載效應組合時，應根據(jù)不同設計目的，分別按荷載效應的標準組合、頻遇組合和準永久組合進行設計。 （1）荷載的標準組合： (3-7) （2）荷載的頻遇組合： (3-8),（3）荷載的準永久組合：

12、 (3-9) 式中 在頻遇組合中起控制作用的一個可變荷載的頻遇 值系數(shù)，按表3-2取用； 第i個可變荷載的準永久值系數(shù)，按表3-2取用。,【例3-1】 某鋼筋混凝土辦公樓矩形截面簡支梁，計算跨度l0=6m，梁上的永久荷載（包含自重）標準值gK=12kN/m，可變荷載標準值qK=5kN/m，安全等級為二級，分別按承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)設計時的各項組合計算梁跨中彎矩設計值。 【解】（1）均布荷載標準值gK和qK作用下的跨中彎矩標準值： 永久荷載作用下 可變荷載作用下,（2）承載力極限狀態(tài)設計時的跨中彎矩設計值： 安全等級為二級，查表3-4，取 。 按可變荷載效應控制的組合計算： 查表3-

13、5，取 ， 故該梁按承載力極限狀態(tài)設計時，跨中彎矩設計值應取上述較大值，即 。,（3）正常使用極限狀體設計時的跨中彎矩設計值： 查表3-2，取 ， 按標準組合時： 按頻遇組合時： 按準永久組合時：,33 建筑結(jié)構(gòu)抗震設防簡介,一、基本概念 地震是一種自然現(xiàn)象。 地震可以劃分為誘發(fā)地震和天然地震兩大類。 地球內(nèi)部斷層錯動并引起周圍介質(zhì)振動的部位稱為震源。震源正上方的地面位置叫震中。地面某處至震中的水平距離叫做震中距。,地震震級是表示地震大小的一種度量，與震源釋放的能量大小有關，其數(shù)值是根據(jù)地震儀記錄到的地震波圖確定的，國際上通用的是里氏震級，用符號M表示。 地震烈度是指某一區(qū)域內(nèi)的地表和各類建筑

14、物遭受一次地震影響的平均強弱程度。 一次地震，表示地震大小的震級只有一個。然而，由于同一次地震對不同地點的影響不一樣，隨著距離震中的遠近變化，會出現(xiàn)多種不同的地震烈度。一般來說，距離震中近，地震烈度就高；距離震中越遠，地震烈度也越低。,抗震設防烈度是一個地區(qū)抗震設防依據(jù)的地震烈度，是指國務院地震行政主管部門對建設工程制定的必須達到的抵御地震破壞的準則和技術(shù)指標。 二、建筑抗震設防目的與設防標準 一般說來，建筑抗震設計包括三個層次的內(nèi)容與要求：概念設計、抗震計算與構(gòu)造措施。 1.抗震設防的目的和要求 許多國家的抗震設計規(guī)范都趨向于以“小震不壞、中震可修、大震不倒”作為建筑抗震設計的基本準則。,我

15、國建筑抗震設計規(guī)范明確提出了三個水準的抗震設防要求： 第一水準：當遭受低于本地區(qū)設防烈度的多遇地震影響時，建 筑物一般不受損壞或不需修理仍可繼續(xù)使用； 第二水準：當遭受相當于本地區(qū)設防烈度的地震影響時，建 筑物可能損壞，但經(jīng)一般修理即可恢復正常使用； 第三水準：當遭受高于本地區(qū)設防烈度的罕遇地震影響時，建 筑物不致倒塌或發(fā)生危及生命安全的嚴重破壞。,2.建筑物重要性分類與設防標準 對于不同用途建筑物的抗震設防，不宜采用同一標準，而應根據(jù)其破壞后果加以區(qū)別對待。我國建筑抗震設計規(guī)范將建筑物按其用途的重要性分為四類：甲類建筑、乙類建筑、丙類建筑、丁類建筑 。 三、抗震等級 抗震等級是結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設防的標準。房屋應根據(jù)烈度、結(jié)構(gòu)類型和房屋高度采用不同的抗震等級，