第2章 建筑结构设计方法

1.荷载分类；2.荷载代表值；3.结构功能的极限状态；4.结构上的作用、作用效应和结构抗力；5.概率极限状态设计法实用设计表达式。第2章建筑结构设计方法本章主要内容1.了解掌握荷载分类、荷载代表值的概念及种类；2.理解结构的功能及其极限状态的含义；3.能确定永久荷载、可变荷载的代表值。教学目标：重点1、荷载分类；荷载代表值；2、结构的功能；结构功能的极限状态；3、结构上的作用、作用效应和结构抗力。难点结构上的作用、作用效应和结构抗力。2.1建筑结构的功能要求和极限状态•建筑结构在规定的设计使用年限内（一般按50年考虑），应满足下列功能要求：•（1）安全性•（2）适用性•（3）耐久性2.1.1建筑结构的功能结构的功能要求能承受正常施工和使用时的各种作用，以及偶然事件发生时，仍能保持整体稳定性。在正常使用时，能保证具有良好的工作性能，不出现过大的变形和裂缝。在正常使用及维护下，具有足够的耐久性能，不发生锈蚀和风化现象。＊安全性＊适用性＊耐久性例如，不会出现影响正常使用的过大变形或振动；不会产生使使用者感到不安的裂缝宽度等。例如，结构材料不致出现影响功能的损坏，钢筋混凝土构件的钢筋不致因保护层过薄或裂缝过宽而锈蚀等。即结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。结构的安全性、适用性和耐久性是结构可靠的标志，总称为结构的可靠性。结构的可靠度是结构可靠性的概率度量，即对结构可靠性的定量描述。结构可靠性的定义是，结构在规定时间内，规定条件下，完成预定功能的能力。当结构的使用年限超过设计使用年限后，并不意味着结构就要报废，但其可靠度将逐渐降低。（1）定义整个结构或结构的一部份，超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能（安全性、适用性、耐久性）要求，该特定状态称为该功能的极限状态。极限状态承载力极限状态正常使用极限状态2.1.2建筑结构极限状态（2）分类1）承载能力极限状态——这种极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。承载能力极限状态主要考虑关于结构安全性的功能。当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态：●结构构件或连接因材料强度不够而破坏；●整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；●结构转变为机动体系；●结构或结构构件丧失稳定（如柱子被压曲等）。2）正常使用极限状态——正常使用极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。这一状态对应于适用性或耐久性的功能。当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态：●影响正常使用或外观的变形；●影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；●影响正常使用的振动；●影响正常使用的其他特定状态等。2.2.1荷载分类及荷载代表值1.永久荷载永久荷载亦称恒荷载，是指在结构使用期间，其值不随时间变化，或者其变化与平均值相比可忽略不计的荷载，如结构自重、土压力、预应力等。2.可变荷载可变荷载也称为活荷载，是指在结构使用期间，其值随时间变化，且其变化值与平均值相比不可忽略的荷载，如楼面活荷载、屋面活荷载、风荷载、雪荷载、吊车荷载等。3.偶然荷载在结构使用期间不一定出现，而一旦出现，其量值很大且持续时间很短的荷载称为偶然荷载，如爆炸力、撞击力等。2.2.1荷载分类及荷载代表值常用材料单位体积的自重（单位kN/m3）混凝土22~24，钢筋混凝土24~25，水泥砂浆20，石灰砂浆、混合砂浆17，普通砖18，普通砖（机器制）19，浆砌普通砖砌体18，浆砌机砖砌体19。荷载标准值（1）永久荷载标准值按构件尺寸和构件单位体积自重的标准值来确定。2.2.1荷载分类及荷载代表值（1）可变荷载标准值（民用楼面均布活荷载标准值按下表采用）民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频偶值和永久值系数项次类别标准值(kN/m2)组合值系Ψc频偶值系Ψf准永久值系数Ψq1（1）住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院病房、托儿所、幼儿园（2）教室、实验室、阅览室、会议室、医院门诊室2.00.70.50.60.40.52食堂、办公楼中的一般资料档案室2.50.70.60.53（1）礼堂、剧场、影院、有固定座位的看台（2）公共洗衣房3.03.00.70.70.50.60.30.54（1）商店、展览厅、车站、港口、机场大厅及其旅客等候室（2）无固定座位的看台3.53.50.70.70.60.50.50.32.2.1荷载分类及荷载代表值5（1）健身房、演出舞台（2）舞厅4.04.00.70.70.60.60.50.36（1）书库、档案室、储藏室（2）密集柜书库5.012.00.90.90.87通风机房、电梯机房7.00.90.90.88汽车通道及停车库（1）单向板楼盖（板跨不小于2m）客车消防车（2）双向板楼盖和无梁楼盖（柱网尺寸不小于6m×6m）客车消防车4.035.02.520.00.70.70.70.70.70.70.70.70.60.60.60.6（1）可变荷载标准值（民用楼面均布活荷载标准值按下表采用）2.2.1荷载分类及荷载代表值9厨房（1）一般的（2）餐厅2.04.00.70.70.60.70.50.710浴室、厕所、盥洗室：（1）第1项中的民用建筑（2）其他民用建筑2.02.50.70.70.50.60.40.511走廊、门厅、楼梯：（1）宿舍、旅馆、医院病房、托儿所、幼儿园、住宅（2）办公楼、教室、餐厅、医院门诊部（3）消防疏散楼梯、其他民用建筑2.02.53.50.70.70.70.50.60.50.40.50.312阳台：（1）一般情况（2）当人群有可能密集时2.53.50.70.60.5注：①本表所列各项活荷载适用于一般使用条件，当使用荷载大时，应按实际情况采用。②本表各项荷载不包括隔墙自重和二次装修荷载。（1）可变荷载标准值（民用楼面均布活荷载标准值按下表采用）2.2.2作用效应作用效应——结构上的各种作用，在结构内产生的内力（轴力、弯矩、剪力、扭矩等）和变形（如挠度、转角、裂缝等）的总称，用S表示。由直接作用产生的效应，通常称为荷载效应。荷载效应可由力学方法求得。例如，一简支梁梁长为l0，承受的垂直均布线荷载为q（已包括梁自重），梁的抗弯刚度为B。则梁跨中由荷载q产生的弯矩为M=1/8ql02，跨中挠度f=5ql04/(384B)，支座处剪力V=1/2ql0。结构抗力——结构或构件承受作用效应的能力，如构件的承载力、刚度、抗裂度等，用R表示。结构抗力是结构内部固有的，其大小主要取决于材料性能、构件几何参数及计算模式的精确性等。2.2.2结构抗力2.3建筑结构概率极限状态设计法建筑结构的安全等级安全等级破坏后果建筑物类型一级很严重重要的房屋二级严重一般的房屋三级不严重次要的房屋第2章建筑结构设计方法《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068-2001（以下简称《统一标准》）规定，建筑结构设计时，应根据结构破坏可能产生的后果（危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等）的严重性，采用不同的安全等级。设计使用年限，是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。结构的设计使用年限分类设计使用年限示例5临时性结构25易于替换的结构构件50普通房屋和构筑物100纪念性建筑和特别重要的建筑结构2.3建筑结构概率极限状态设计法第2章建筑结构设计方法结构的功能函数（1）作用效应S作用（荷载）对结构产生的各种效应，如弯矩、剪力、轴力、变形、裂缝等MVNfw结构构件抵抗各种作用效应的能力。如抗弯、抗剪、抗压、抗拉、抗扭承载力以及抗变形、抗裂缝的能力。（2）结构抗力R2.3建筑结构概率极限状态设计法第2章建筑结构设计方法有一农夫，能肩挑300斤当给他300斤的担子时，效应刚好等于抗力；当给他100斤的担子时，效应小于抗力；当给他400斤的担子时，效应大于抗力。挑担子与结构功能函数2.3建筑结构概率极限状态设计法第2章建筑结构设计方法结构的功能函数SRRSgZ),(当Ｚ＞0即R＞S时，结构处于可靠状态；当Ｚ＜0即R＜S时，结构处于失效状态；当Ｚ=0即R=S时，结构处于极限状态。关系式ｇ(S，R)＝R－S＝0称为极限状态方程。—结构构件重要性系数一级=1.1、二级=1.0、三级=0.90按承载能力极限状态设计的实用表达式RS0实际工程中，可能出现以下三种情况2.3建筑结构概率极限状态设计法第2章建筑结构设计方法0k2k11kiQciniiQQQGGSSSS按永久荷载标准值计算的荷载效应值按可变荷载标准值计算的荷载效应值可变荷载效应中的最大值永久荷载分项系数第i个可变荷载的分项系数第1个可变荷载的分项系数可变荷载的组合值系数1）由可变荷载效应控制的组合2.3建筑结构概率极限状态设计法第2章建筑结构设计方法2）由永久荷载效应控制的组合)(10QikciniQiGkGSSS恒荷载效应设计值活荷载效应设计值荷载分项系数的取值荷载特性分项系数永久荷载永久荷载效应对结构不利由可变荷载效应控制的组合1.2由永久荷载效应控制的组合1.35永久荷载效应对结构有利1.0倾覆、滑移或飘浮验算0.9可变荷载一般情况1.4对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载取1.3•【例2.1】已知由永久荷载产生的弯矩标准值Mgk=11kN·m，起控制作用的可变荷载产生的弯矩标准值Mqk=16kN·m，安全等级为二级，求弯矩设计值。•【解】本例中，γ0=1.0，γG=1.2,γQ1=1.4•SGk=Mgk=11kN·mSQ1k=Mqk=16kN·m•则弯矩设计值•M=γ0(γGSGk+γQ1SQ1k）=1.0×(1.2×11+1.4×16)kN·m=35.6kN·m•弯矩设计值为35.6kN·m。第2章建筑结构设计方法混凝土强度设计值=混凝土强度标准值÷砼材料分项系数γc钢筋强度设计值=钢筋强度标准值÷钢筋材料分项系数γs永久荷载设计值=永久荷载标准值×永久荷载分项系数γg可变荷载设计值=可变荷载标准值×可变荷载分项系数γq设计值与标准值的关系第一章建筑结构计算基本原则2.1什么是荷载代表值？永久荷载、可变荷载的代表值分别是什么？2.2建筑结构应满足哪些功能要求？其中最重要的一项是什么？2.3什么是结构功能的极限状态？承载能力极限状态和正常使用极限状态的含义分别是什么？2.4试用结构功能函数描述结构所处的状态。习题2.1某住宅楼面梁，由恒载标准值引起的弯矩Mgk=45kN·m，由楼面活荷载标准值引起的弯矩Mqk=25kN·m，活荷载组合值系数ψc=0.7，结构安全等级为二级。试求按承载能力极限状态设计时梁的最大弯矩设计值M。2.2某钢筋混凝土矩形截面简支梁，截面尺寸b×h=200mm×500mm，计算跨度l0=4m，梁上作用恒载标准值(不含自重)14kN/m，活荷载标准值9kN/m，活荷载组合值系数ψc=0.7，梁的安全等级为二级。试计算按承载能力极限状态设计时的跨中弯矩设计值。小组协作思考题: