建筑结构原理及设计-设计总论

力学与建筑工程学院祝捷办公室：力建学院218ATEL：62339322E-mail：[e-mail]建筑结构原理及设计什么是建筑结构？2建筑结构的定义3建筑结构是建筑物的空间骨架系统，是建筑物得以存在的基本物质要素。功能设计建筑材料结构体系施工组织……建筑与结构的关系4建筑与结构的关系5人类原始时期的建筑和结构不可能分家。随着生产力发展，工程的两个部分：美观实用和坚固安全。由于它们的基础知识、相关学科的巨大差别，逐渐由不同专业人员分别承担设计。美观实用的基础知识是艺术、美学和建筑功能要求方面的知识。安全可靠方面的基础知识是力学、数学，材料学，加工制造和施工。学科发展越来越深入、细致、广博，难度越来越大。要求越来越多、越精确。20世纪后期，随着计算机的出现和迅猛发展、有限元计算理论的应用，许多原来不能计算的结构，也都能精确计算。特别是动态分析成为可能。相应的随机振动理论，模糊理论，混沌理论均得到长足发展。建筑结构的分工也越来越明确、清晰。6建筑结构的功能——使用要求和审美要求——抵御自然界的各种作用（安全性、适用性和耐久性）结构设计的基本问题：合理确定受力体系以充分发挥材料的性能，把结构的安全性、可靠性和经济性要求统一起来。建筑结构的特点和应用7建筑结构的特点和应用建筑结构的逐步发展，建立了结构学（砖石结构、木结构、钢结构、钢筋混凝土结构以及近代的索结构、膜结构等）。建筑结构的特点和应用9现代结构都是在理论指导下，经过分析计算设计得到的，采用现代技术、现代设备生产的建筑材料、构件，使用现代机具施工安装的工程结构，称之为现代建筑结构。建筑结构发展趋势10建筑结构的发展趋势15高层建筑的发展，充分显示了科学技术的力量，使建筑师从过去强调艺术效果转向重视建筑特有功能与技术因素。未来的高层建筑将朝着技术功能先进和艺术完美相结合的方向发展。高层建筑结构的高度出现新的突破出现新的设计概念、新的结构形式混合结构在高层建筑结构中广泛应用新材料、超强材料的研制和应用16真正好的建筑师应该具备一定的结构理念，而真正伟大的结构工程师也需要有建筑美学修养。建筑师需要展示结构的力度和美感，而结构师也应该充分了解建筑的想法，创造性的提出结构方案，而不仅仅拘泥于结构的软件和规范。建筑与结构设计的结合势在必行。——崔愷第一部分：建筑结构设计总论建筑结构的组成建筑的分类建筑结构的受力建筑结构材料的力学性能建筑结构设计原则和过程171.建筑结构的组成18竖向承重体系水平承重体系•平板结构体系•梁板结构体系•密肋结构体系下部结构第一部分：建筑结构设计总论建筑结构的组成建筑的分类建筑结构的受力建筑结构材料的力学性能建筑结构设计原则和过程192.建筑结构的分类20按材料分为，混凝土结构、钢结构、组合结构、砌体结构按主体结构体系分为，墙体结构、框架结构、框架-剪力墙结构、筒体结构按结构层数分为，单层建筑结构、多层建筑结构、高层建筑结构按竖向载荷的传递途径分为，横向承重结构、纵向承重结构、纵横向混合承重结构按结构的空间作用分为，空间结构和平面结构21空间结构和平面结构材料利用？结构刚度？稳定性？造型？22马那瓜美洲银行大厦马那瓜中央银行大厦23第一部分：建筑结构设计总论建筑结构的组成建筑的分类建筑结构的受力建筑结构材料的力学性能建筑结构设计原则和过程24为什么要计算建筑结构的受力？253.建筑结构的受力26荷载是指施加在结构上的外力。作用是指使结构产生作用效应的各种原因的总称。直接作用和间接作用按时间变异性分为：永久作用、可变作用、偶然作用按作用方向分为：竖向作用、水平作用按空间位置变化分为：固定作用、自由作用设计基准期（50年）：确定可变荷载值以及与时间有关的材料性能取值而采用的时间参数。设计使用年限（表2.1.1）：在正常维护的条件下，结构和结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的年限。内力、应力、应变和裂缝等荷载代表值永久荷载（恒载）——标准值可变荷载（活载）——标准值、组合值、频遇值和准永久值荷载标准值：结构使用期间内可能出现的最大荷载值。可变荷载组合值（组合值系数）：使组合后的荷载效应在设计基准期内的超越概率能与该荷载单独出现的相应概率趋于一致的荷载值。可变荷载频遇值（频遇值系数）：在设计基准期内，其超越的总时间为规定的较小比率或其超越概率为规定频率的荷载值。可变荷载的准永久值（准永久系数）：在设计基准期内，其超越的总时间约为设计基准期的一半时的荷载值。荷载的代表值和标准值27恒载：混凝土22~24kN/m3、钢筋混凝土25kN/m3、砖19kN/m3、钢78.5kN/m3不同荷载的计算楼面活荷载（表2.1.2）及折减系数（表2.1.3）雪荷载和屋面均布活荷载（设计时取较大值）kr0SS见表2.1.4风荷载（算例2.1.2）ks0zzwwkgsl0zzww主要承重结构围护结构z高度z处的风振系数z风压高度变化系数(表2.1.5)s风荷载体型系数（图2.1.2）0w基本风压作业2-1工业厂房不同荷载的计算29工业厂房中的特殊载荷是什么？303132吊车荷载的特点吊车的型号和规格——吊车荷载值吊车的循环开动次数和荷载达到额定值的频度——分级吊钩的种类传力途径：吊车轮—吊车梁—排架柱吊车荷载是移动荷载，排架梁受力最不利情况是什么？34吊车的竖向荷载和横向水平荷载35反力影响线——表示反力变化规律的图形演示：简支梁A端支座反力影响线的画法吊车的竖向荷载36作用在排架柱上的吊车荷载要用反力影响线原理求解。max,maxijDPymin,minijDPymaxmin,PP第i台吊车的最大轮压和最小轮压iy反力影响线中与j轮压位置对应的横坐标值考虑多台吊车并行时不可能同时满载而采用的折减系数（A1~A5取0.9，A6~A8取0.95）吊车的横向水平荷载37横向水平荷载——桥式吊车的横行小车吊起重物后在启动或制动时产生的制动力。114TQQ横向水平制动力系数（软钩额定起重量Q10t取0.12，额定起重量Q=16~50t取0.1，额定起重量Q≥75t取0.08，硬钩取0.2）考虑多台吊车并行时不可能同时满载而采用的折减系数（A1~A5取0.9，A6~A8取0.95）1Q小车重量吊车荷载maxijTTy吊车的纵向水平荷载38纵向水平荷载——桥式吊车在厂房纵向启动和制动时产生的制动力。例题2.1.3基本构件板——荷载、跨度、支撑条件和建筑设计有关梁——建筑设计、受力需要、材料性能柱墙桁架40基本构件及其受力状态作业2-2第一部分：建筑结构设计总论建筑结构的组成建筑的分类建筑结构的受力建筑结构材料的力学性能建筑结构设计原则和过程41建筑结构材料的力学性能抗拉强度抗压强度弹性模量剪变模量钢材塑性伸长率冷弯性能焊接性冲击韧性建筑结构材料的力学性能43基本概念弹性塑性延性：超过弹性极限后直至破坏的过程中，材料耐受变形的能力。PP建筑结构材料的力学性能σεO名义应力(Nominalstress)比例极限弹性阶段弹性极限BA屈服阶段屈服应力C真应力F局部化阶段断裂E强化阶段强度极限D合金钢20Cr高碳钢T10A螺纹钢16Mn低碳钢A3黄铜H624646бc(N/mm2)εc0ABCD拐点EOA段－－弹性变形阶段AB段－－稳定裂缝开展阶段，B点可作为长期抗压强度的依据BC段－－裂缝不稳定扩展阶段，C点应力бmax即为fc，相应应变为峰值应变ε0CE段－－峰值应力以后的裂缝继续开展阶段超过D点结构受力性能开始发生本质变化，残余承压面承受荷载。从E点以后，贯通的主裂缝已经很宽，对无侧向约束混凝土已失去结构意义ε0＝0.0015~0.0025建筑结构材料的力学性能收敛点峰值点临界点比例极限47dPPαad冷弯性能是衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时对产生裂纹的抵抗能力的一项指标，是判别钢材塑性变形能力及冶金质量的综合指标。建筑结构材料的力学性能建筑结构材料的力学性能冲击韧性是指钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的一种能力，是衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、冲击荷载作用而致脆性断裂的一项机械性能。第一部分：建筑结构设计总论建筑结构的组成建筑的分类建筑结构的受力建筑结构材料的力学性能建筑结构设计原则和过程4950概念设计和数值设计数值设计概念设计出于对结构地震反应（内力和变形）复杂性和不确定性的认识，强调建筑物总体方案和构造设计在抗震设计中的首要地位。抗震设计、静力设计（沉降、温差等）51建筑结构的规则性对抗震能力的重要影响的认识始自若干现代建筑在地震中的表现。最为典型的例子是1972年12月23日南美洲的马那瓜地震。马那瓜有相距不远的两幢高层建筑，一幢为15层高的中央银行大厦，另一幢为18层高的美洲银行大厦。当地地震烈度估计为8度。一幢破坏严重，震后拆除；另一幢轻微损坏，稍加修理便恢复使用。抗震设计中概念设计的重要性52抗震设计中概念设计的重要性美洲银行大厦——结构是均匀对称的，基本的抗侧力体系包括4个L形的桶体，对称地由连梁连接起来，这些连梁在地震时遭到剪切破坏，是整个结构能观察到的主要破坏。分析表明：1.对称的结构布置及相对刚强的联肢墙，有效地限制了侧向位移，并防止了明显的扭转效应；2.避免了长跨度楼板和砌体填充墙的非结构构件的损坏；3.当连梁剪切破坏后，结构体系的位移虽有明显增加，但由于抗震墙提供了较大的侧向刚度，位移量得到控制。53抗震设计中概念设计的重要性中央银行大厦：1）平面不规则：4个楼梯间偏置塔楼西端，西端有填充墙。4层以上的楼板仅为5cm厚，搁置在高45cm长14m小梁上。2）竖向不规则：塔楼上部（4层楼面以上），北、东、西三面布置了密集的小柱子，共64根，支承在4层楼板水平处的过渡大梁上，大梁又支承在其下面的10根1m×1.55m的柱子上（间距9.4m）。上下两部分严重不均匀，不连续。主要破坏：第4层与第5层之间(竖向刚度和承载力突变),周围柱子严重开裂，柱钢筋压屈；横向裂缝贯穿3层以上的所有楼板(有的宽达1cm),直至电梯井东侧；塔楼西立面、其他立面窗下和电梯井处的空心砖填充墙及其它非结构构件均严重破坏或倒塌。震后计算分析结果:1.结构存在十分严重扭转效应;2.塔楼3层以上北面和南面大多数柱子抗剪能力大大不足,率先破坏；3.水平地震作用下,柔而长的楼板产生可观的竖向运动等。54抗震设计中概念设计的重要性汶川地震中各类结构体系的震害情况对比55结构的功能要求结构的极限状态结构设计原则实用设计表达式建筑结构设计基本原则结构的功能要求56建筑结构应满足的功能要求：1.安全性2.适用性3.耐久性结构的可靠性：结构在规定时间内、规定条件下完成预定功能的能力。57荷载效应是指荷载引起的结构构件产生的内力和变形，用S表示。结构抗力是指整个结构或结构构件承受内力和变形的能力，用R表示。荷载效应S和结构抗力R注意：R和S均为随机变量结构的极限状态结构功能函数58RS结构处于可靠状态RS结构处于失效状态R=S结构或构件已达到预定功能的极限状态令Z=R-SZ作为结构功能总体的随机变量，称为结构功能函数。Z=R-S=0(或R=S)称为极限状态方程因为结构抗力和作用效应是随机变量，功能函数Z也是随机变量。Z=R-SR、S均服从正态分布，则Z也服从正态分布μz=μR-μS，σz2=σR2+σS2令μz=βσZ，Pf=P(Z0)=Φ(-μz/σz)将Z标准化，则Pf=1-Φ(β)，即β与Pf之间有一一对应的关系,见表4.2.2近似概率极限状态设计法59βσzμzZ=R-Sfz0PfZ0，即结构处于失效状态Pf为失效概率，图中阴影部分就等于结构的失效概率，面积越小则失效概率越低。结构在规定时间内、规定条件下完成预定功能的概率称为可靠概率，即结构的可靠度。设计可靠指标破坏类型安全等级一级二级三级延性破坏3.73.22.7脆