第二章 建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計標準和設(shè)計方法

1、建筑結(jié)構(gòu),第二章 建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計標準和設(shè)計方法,目錄,2.1設(shè)計基準周期和設(shè)計使用年限,設(shè)計基準周期 結(jié)構(gòu)設(shè)計所采用的荷載統(tǒng)計參數(shù)、與時間有關(guān)的材料性能取值，都需要選定一個時間參數(shù)，它就是設(shè)計基準周期。我國采用的設(shè)計基準周期為50年。 設(shè)計使用年限 設(shè)計使用年限是設(shè)計規(guī)定的一個時期。,2.2結(jié)構(gòu)的功能要求和極限狀態(tài),結(jié)構(gòu)的安全等級 規(guī)范根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的重要性，規(guī)模大小，破壞后果嚴重程度而將建筑物劃分3個設(shè)計等級，如表所示。,對人員比較集中使用頻繁的影劇院、體育館等，安全等級宜按一級設(shè)計，對特殊的建筑物，其設(shè)計安全等級可視具體情況確定。 在近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計法中，結(jié)構(gòu)的安全等級是用結(jié)構(gòu)重要

2、性系數(shù)來體現(xiàn)的。,2.2結(jié)構(gòu)的功能要求和極限狀態(tài)2.2.1結(jié)構(gòu)的功能要求,安全性:結(jié)構(gòu)在預(yù)定的使用期間內(nèi)(一般為50年)，應(yīng)能承受在正常施工、正常使用情況下可能出現(xiàn)的各種荷載、外加變形(如超靜定結(jié)構(gòu)的支座不均勻沉降時)、約束變形(如溫度和收縮變形受到約束時)等的作用。 在偶然事件(如地震、爆炸)發(fā)生時和發(fā)生后，結(jié)構(gòu)應(yīng)能保持整體穩(wěn)定性，不應(yīng)發(fā)生倒塌或連續(xù)破壞而造成生命財產(chǎn)的嚴重損失。 適用性:結(jié)構(gòu)在正常使用期間，具有良好的工作性能。如不發(fā)生影響正常使用的過大的變形(撓度、側(cè)移)、振動(頻率、振幅)，或產(chǎn)生讓使用者感到不安的過大的裂縫寬度等。 耐久性:結(jié)構(gòu)在正常使用和正常維護的條件下，應(yīng)具有足夠的

3、耐久性，即在各種因素的影響下(混凝土碳化、鋼筋銹蝕)，結(jié)構(gòu)的承載力和剛度不應(yīng)隨時間有過大的降低，而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在其預(yù)定使用期間內(nèi)喪失安全性和適用性，降低使用壽命。,結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的概念 結(jié)構(gòu)能夠滿足功能要求而良好地工作，則稱結(jié)構(gòu)為“可靠”或“有效”。反之，則結(jié)構(gòu)為“不可靠”或“失效”。區(qū)分結(jié)構(gòu)“可靠”與“失效”的臨界工作狀態(tài)稱為“極限狀態(tài)”，即整個結(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)計規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)即為該功能的極限狀態(tài)。舉例如表所示。,表 鋼筋混凝土簡支梁的可靠、失效和極限狀態(tài)概念,2.2結(jié)構(gòu)的功能要求和極限狀態(tài)2.2.2結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài),承載能力極限狀態(tài) 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大

4、承載力，疲勞破壞或不適于繼續(xù)承載的變形狀態(tài)稱為承載能力極限狀態(tài)。超過該極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不能滿足預(yù)定的安全性功能要求，主要包括： 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載力(包括疲勞)。 結(jié)構(gòu)整體或其中一部分作為剛體失去平衡(如傾覆、滑移)。 結(jié)構(gòu)塑性變形過大而不適于繼續(xù)使用。 結(jié)構(gòu)形成幾何可變體系(超靜定結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)足夠多的塑性鉸)。 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定(如細長受壓構(gòu)件的壓曲失穩(wěn))。,2.2結(jié)構(gòu)的功能要求和極限狀 2.2.2結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài),正常使用極限狀態(tài) 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到正常使用或耐久性的某項限值規(guī)定，稱為正常使用極限狀態(tài)。超過該極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不能滿足預(yù)定的適用性和耐久性的功能要求。主要包括： 過大的變形、側(cè)移

5、，這往往會導(dǎo)致非結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力破壞、會給人不安全感或?qū)е陆Y(jié)構(gòu)不能正常使用(如吊車梁)等。 過大的裂縫，這往往會導(dǎo)致鋼筋銹蝕、給人不安全感或?qū)е路课萋┧取?過大的振動，這往往會給人不舒適感。 其他正常使用要求。,2.2結(jié)構(gòu)的功能要求和極限狀 2.2.2結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài),2.3結(jié)構(gòu)上的作用、作用效應(yīng)及結(jié)構(gòu)抗力和功能函數(shù)2.3.1結(jié)構(gòu)上的作用與作用效應(yīng),結(jié)構(gòu)上的作用是指施加在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上的力，以及引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因。結(jié)構(gòu)上的作用分為直接作用和間接作用兩種。直接作用是指施加在結(jié)構(gòu)上的荷載，如恒荷載、活荷載、風荷載和雪荷載等。間接作用是指引起結(jié)構(gòu)外加變形和約束變形的其他作用，如地基不均勻沉降

6、、溫度變化、混凝土收縮、焊接變形等。 作用效應(yīng)是指由結(jié)構(gòu)上的作用引起的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的內(nèi)力(如軸力、剪力、彎矩、扭矩等)和變形(如撓度、側(cè)移、裂縫等)。當作用為集中力或分布力時，其效應(yīng)可稱為荷載效應(yīng)。,按隨時間的變異分類 永久作用：是指在設(shè)計基準期內(nèi)其量值不隨時間變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計的作用，如結(jié)構(gòu)自重、土壓力、預(yù)加應(yīng)力等。 可變作用：是指在設(shè)計基準期內(nèi)其量值隨時間變化，且其變化與平均值相比不可忽略的作用，如安裝荷載、樓面活荷載、風荷載、雪荷載、吊車荷載和溫度變化等。 偶然作用：是指在設(shè)計基準期內(nèi)不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)其量很大且持續(xù)時間很短，如地震、爆炸、撞擊等。,2.3結(jié)構(gòu)上的作

7、用、作用效應(yīng)及結(jié)構(gòu)抗力和功能函數(shù)2.3.1結(jié)構(gòu)上的作用與作用效應(yīng),作用的分類,按空間位置的變異分類 固定作用：是指在結(jié)構(gòu)上具有固定分布的作用，如工業(yè)與民用建筑樓面上的固定設(shè)備荷載、結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重等。 自由作用：是指在結(jié)構(gòu)上一定范圍內(nèi)可以任意分布的作用，如工業(yè)與民用建筑樓面上的人員荷載、吊車荷載等。,2.3結(jié)構(gòu)上的作用、作用效應(yīng)及結(jié)構(gòu)抗力和功能函數(shù)2.3.1結(jié)構(gòu)上的作用與作用效應(yīng),按結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特點分類靜態(tài)作用：是指使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的加速度可以忽略不計的作用，如結(jié)構(gòu)自重、住宅和辦公樓的樓面活荷載等。動態(tài)作用：是指使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的加速度不可忽略不計的作用，如地震、吊車荷載、設(shè)備振動等。,2.3結(jié)構(gòu)上的作用、作用

8、效應(yīng)及結(jié)構(gòu)抗力和功能函數(shù)2.3.1結(jié)構(gòu)上的作用與作用效應(yīng),2.3結(jié)構(gòu)上的作用、作用效應(yīng)及結(jié)構(gòu)抗力和功能函數(shù)2.3.2結(jié)構(gòu)的抗力及功能函數(shù),結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)： Z=R-S 式中，R結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力，它與材料的力學(xué)指標及材料用量有關(guān)； S作用(荷載)效應(yīng)及其組合，它與作用的性質(zhì)有關(guān)。 R和S均可視為隨機變量，Z為復(fù)合隨機變量，它們之間的運算規(guī)則應(yīng)按概率理論進行。 當時，結(jié)構(gòu)能夠完成預(yù)定的功能，處于可靠狀態(tài)。 當時，結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定的功能，處于失效狀態(tài)。 當=時，即R=S結(jié)構(gòu)處于臨界的極限狀態(tài)，稱為極限狀態(tài)方程。 保證結(jié)構(gòu)可靠的條件Z=R-S0，是一非確定性的問題。只有用概率來加以解決。,2.4荷載代表值

9、和材料性能標準值2.4.1荷載代表值,結(jié)構(gòu)上的荷載可分為3類，它們分別是：永久荷載，如結(jié)構(gòu)自重、土壓力、預(yù)應(yīng)力等；可變荷載，如樓面活荷載、屋面活荷載、積灰荷載、吊車荷載、風荷載和雪荷載等；偶然荷載，如爆炸力、撞擊力等。 荷載代表值是指設(shè)計中用以驗算極限狀態(tài)所采用的荷載量值，如標準值、組合值、頻遇值和準永久值。 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對不同荷載應(yīng)采用不同的代表值。永久荷載采用標準值作為代表值；可變荷載應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求采用標準值、組合值、頻遇值或準永久值作為代表值；偶然荷載應(yīng)按建筑結(jié)構(gòu)使用的特點確定其代表值。,2.4荷載代表值和材料性能標準值2.4.1荷載代表值,荷載標準值是指其在使用期間可能出現(xiàn)的最大荷

10、載值； 荷載組合值是指當有兩種或兩種以上的可變荷載作用在結(jié)構(gòu)上要求同時考慮時； 荷載準永久值是指可變荷載在設(shè)計基準期內(nèi)，其超越的總時間約為設(shè)計基準一半的荷載值，主要用于考慮荷載長期效應(yīng)的影響； 荷載頻遇值是針對可變荷載而言的，是指設(shè)計基準周期內(nèi)達到和超過該值的總持續(xù)時間與設(shè)計基準期的比值小于0.1的荷載代表值。,頻遇組合是新引進的組合模式，可變荷載的頻遇值等于可變荷載標準值乘以頻遇值系數(shù)（該系數(shù)小于組合值系數(shù)），其值是這樣選取的：考慮了可變荷載在結(jié)構(gòu)設(shè)計 基準期內(nèi)超越其值的次數(shù)或大小的時間與總的次數(shù)或時間相比在10左右。頻遇組合目前的應(yīng)用范圍較為窄小，如吊車梁的設(shè)計等。由于其中的頻遇值系數(shù)許多

11、還 沒有合理地統(tǒng)計出來，所以在其它方面的應(yīng)用還有一段的時間。準永久組合在某種意義上與過去的長期效應(yīng)組合相同，其值等于荷載的標準值乘以準永久值系數(shù)。它考慮了可變荷載對結(jié)構(gòu)作用的長期性。在設(shè)計基準期內(nèi)，可變荷 載超越荷載準永久值的概率在50左右。準永久組合常用于考慮荷載長期效應(yīng)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件正常使用狀態(tài)影響的分析中。最為典型的是：對于裂縫控制等級為2級的 構(gòu)件，要求按照標準組合時，構(gòu)件受拉邊緣混凝土的應(yīng)力不超過混凝土的抗拉強度標準值，在按照準永久組合時，要求不出現(xiàn)拉應(yīng)力。,2.4荷載代表值和材料性能標準值2.4.分項系數(shù),采用概率極限狀態(tài)方法用可靠指標進行設(shè)計，需要大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，計算可靠指標比較復(fù)雜

12、，規(guī)范提出了便于實際使用的設(shè)計表達式，稱為實用設(shè)計表達式。采用了以荷載和材料強度的標準值分別與荷載分項系數(shù)和材料強度分項系數(shù)相聯(lián)系的荷載設(shè)計值、材料強度設(shè)計值來表達的方式。分項系數(shù)按照目標可靠指標，并考慮工程經(jīng)驗優(yōu)選原則進行確定，通過分項系數(shù)將可靠指標隱含在設(shè)計表達式中。所以，分項系數(shù)已起著考慮目標指標的等價作用。,2.4荷載代表值和材料性能標準值2.4.承載能力極限狀態(tài)表達式,承載能力極限狀態(tài)設(shè)計表達式為： 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對安全等級為一級或設(shè)計使用年限為100年及以上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于1.1；對安全等級為二級或設(shè)計使用年限為50年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于1.0；對安全等級為三級或設(shè)計使用年限

13、為5年及以下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于0.9；在抗震設(shè)計中，不考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性系數(shù)。 S荷載效應(yīng)組合的設(shè)計值。 R結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的設(shè)計值。,由可變荷載效應(yīng)控制的組合： 由永久荷載效應(yīng)控制的組合： 式中，永久荷載的分項系數(shù)，當永久荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力不利時，由可變荷載控制的組合，取值1.2，由永久荷載控制的組合，取值1.35；當永久荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力有利時，一般情況下取值1.0，對結(jié)構(gòu)的傾覆、滑移或漂浮驗算，取值0.9； , 第1個和第個可變荷載分項系數(shù)，當可變荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力不利時，一般情況下限值1.4，對標準值大于4kN/m的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的活荷載取值1.3； 按永久荷載標準

14、值計算的荷載效應(yīng)值； 按可變荷載標準值計算的荷載效應(yīng)值，其中為諸可變荷載效應(yīng)中起控制作用者； 可變荷載的組合值系數(shù)，其值不應(yīng)大于1.0，按規(guī)范有關(guān)規(guī)定取用； 參與組合的可變荷載數(shù)。,2.4荷載代表值和材料性能標準值2.4.承載能力極限狀態(tài)表達式,2.4荷載代表值和材料性能標準值2.4.承載能力極限狀態(tài)表達式,對于工程中常用的一般排架、框架結(jié)構(gòu)，可采用簡化規(guī)則，并應(yīng)按下列組合值中取最不利值確定。 由可變荷載效應(yīng)控制的組合 由永久荷載效應(yīng)控制的組合仍按上頁公式采用。 對于偶然組合，荷載效應(yīng)組合的設(shè)計值宜按下列規(guī)定確定：偶然荷載的代表值不乘分項系數(shù)；與偶然荷載同時出現(xiàn)的其他荷載可根據(jù)觀察資料和工程經(jīng)驗采用適當?shù)拇碇怠８鞣N情況下荷載效應(yīng)的設(shè)計公式，可由有關(guān)規(guī)范另行規(guī)定。,2.4荷載代表值和材料性能標準值2.4.4正常使用極限狀態(tài)表達式,對于正常使用極