第二篇 建筑结构设计的基本原则

第二篇建筑结构设计的基本原则建筑结构的功能要求建筑结构极限状态设计基本方法第一节建筑结构的功能要求和极限状态震源震中地震波第一节建筑结构的功能要求和极限状态一.建筑结构上的作用作用——使结构或构件产生效应（内力、变形、裂缝等）的各种原因的总称。直接作用（荷载）建筑结构的作用间接作用直接作用——施加在结构上的荷载。如结构自重、家具及人群荷载等。间接作用——指引起结构外加变形和约束变形的原因。如温度变化、混凝土收缩、地基沉降等。（一）荷载的分类1.永久荷载——也称为恒荷载。指在结构的使用期间，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计或其变化是单调的并能趋于限值的荷载，如结构自重、土压力、预应力等。2.可变荷载——也称为活荷载。指结构使用期间，其值随时间变化，且变化与平均值相比不可以忽略不计的荷载。如楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、风荷载、雪荷载、吊车荷载等。3.偶然荷载——指在结构使用期间不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载，如爆炸力、撞击力等。结构使用期间——指结构的设计使用年限，即结构在正常设计、正常施工、正常使用和维护下所应达到的使用年限。设计使用年限分类类别设计使用年限（年）举例11～5临时性建筑225易于替换的结构构件350普通房屋和构筑物4100及以上纪念性建筑和特别重要的建筑物（二）荷载代表值1.荷载标准值——指结构在设计基准期内，在正常情况下可能出现的最大荷载值。它是荷载的基本代表值。2.可变荷载组合值——当作用在结构上的可变荷载有两种或两种以上时，由于各种可变荷载同时达到其标准值的可能性极小，因此除其中产生最大效应的荷载（主导荷载）仍取其标准值外，其他伴随荷载均采用小于其标准值的量值为荷载代表值。如何确定永久荷载和可变荷载的标准值？可变荷载的组合值＝ψcQkψc_—可变荷载组合值系数，查表。Qk─可变荷载标准值3.可变荷载的频遇值——指在设计基准期内被超越的总时间仅为设计基准期的一小部分或超越频率为规定频率的荷载值。频遇值＝ψfQkψf_—可变荷载频遇值系数，查表4.可变荷载的准永久值——在设计基准期内被超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值。准永久值＝ψqQk设计基准期——是为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数。二.作用效应S与结构抗力R的概念（一）作用效应S——指施加于结构或构件的各种作用使结构或构件产生的内力（如M、V、T）、变形或裂缝等。作用效应可根据结构构件的支承条件、跨度、截面几何特征以及结构上的作用，应用材料力学、结构力学的方法计算。（二）结构的抗力R——结构或构件承受作用效应的能力。如结构构件的承载力、刚度和抗裂度等。结构的抗力R主要与材料的性能、几何参数及计算模式的精确性有关三.结构的功能要求1.安全性结构在正常施工和正常使用条件下，①能承受可能出现的各种作用，以及②在偶然事件发生后，结构仍能保持必需的整体稳定性，即结构仅产生局部损坏而不致发生连续倒塌。2.适用性结构在正常使用条件下，具有良好的工作性能。如不发生影响使用的过大变形或振幅，不发生过宽的裂缝。3.耐久性结构在正常维护条件下，具有足够的耐久性能，能够正常使用到预定的设计使用年限。如混凝土不发生严重的风化、腐蚀、钢筋不发生严重的锈蚀等。可靠性：结构和结构构件在规定时间内（设计使用年限），规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护），完成预定功能（安全、适用、耐久性）的能力称为结构的可靠性。◆影响结构可靠性的因素是什么？作用效应S结构的抗力R当R＞S时，称结构可靠当R＜S时，称结构失效当R＝S时，结构处于极限状态四.结构的极限状态（一）定义结构“可靠”与“失效”之间的某一特定临界状态。◆极限状态是区分结构工作状态可靠与失效的标志。（二）极限状态的分类1.承载能力极限状态结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。超过这一状态，结构不能满足安全性功能要求。主要表现在：●整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）●结构构件或连接因材料强度不足而破坏（包括疲劳破坏），或因过度变形而不适于继续承载。●结构转变为机动体系●结构或构件丧失稳定（如压屈等）●地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）安全性2.正常使用极限状态结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定的限值。超过这一极限状态，结构或构件便不能满足适用性或耐久性的功能要求。具体表现为：●影响正常使用及外观的变形●影响正常使用或耐久性能的局部损坏（如裂缝等）●影响正常使用的振动●影响正常使用的其他特定状态适用性、耐久性3.两种极限状态之间的关系结构或构件必须进行承载力极限状态计算，必要时进行正常使用极限状态验算。第二节极限状态的设计方法一.承载能力极限状态设计表达式γ0S≤Rγ0——结构构件的重要性系数。根据结构的安全等级确定。对一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件，γ0≥1.1，对二级或设计使用年限为50年的，γ0≥1.0，对三级或设计使用年限为5年及以下的，γ0≥0.9，在抗震设计中不考虑此系数。结构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建筑物二级严重一般建筑物三级不严重次要的建筑物S——承载能力极限状态的荷载效应组合设计值。结构构件应按荷载效应的基本组合进行计算，必要时按荷载效应的偶然组合进行计算。对基本组合，S应按下列组合中最不利值确定：（1）由可变荷载效应控制的组合：S=γGSGk+γQ1SQ1k＋∑ψQiγQiSQik(2)由永久荷载效应控制的组S=γGSGk＋∑ψQiγQiSQik上式中各符号的意义见课P21荷载分项系数荷载类型荷载特征荷载分项系数（γG或γQ）永久荷载当其效应对结构不利时对由可变荷载效应控制的组合对由永久荷载效应控制的组合1.201.35当其效应对结构有利时一般情况对结构的倾覆、滑移或漂浮验算1.00.9可变荷载一般情况对标准值4KN/m2的工业房屋楼面荷载1.41.3S——承载能力极限状态的荷载效应组合设计值。结构构件应按荷载效应的基本组合进行计算，必要时按荷载效应的偶然组合进行计算。对基本组合，S应按下列组合中最不利值确定：（1）由可变荷载效应控制的组合：S=γGSGk+γQ1SQ1k＋∑ψQiγQiSQik(2)由永久荷载效应控制的组S=γGSGk＋∑ψQiγQiSQik上式中各符号的意义见课本P21γ0S≤RR——结构构件的承载力设计值。在抗震设计时，应除以承载力抗震调整系数γRE★上式的物理意义：荷载效应设计值不超过抗力设计值。),f,f(RRkcckssk二.正常使用极限状态设计表达式S≤CS——正常使用极限状态的荷载效应组合值C——结构或构件达到正常使用要求的规定限值（如变形、裂缝、应力等限值），按有关规范规定采用。对于正常使用极限状态，应根据不同的设计目的，分别按荷载效应的标准组合、频遇组合、和准永久组合进行设计。（1）标准组合：S=SGk+SQ1k＋∑ψCiSQik（2）频遇组合：S=SGk+ψf1SQ1k＋∑ψqiSQik(3)准永久组合：S=SGk＋∑ψqiSQikψf1——在频遇组合中起控制作用的一个可变荷载的频遇值系数,按《荷载规范》取值ψqi——第i各可变荷载的准永久值系数，按《荷载规范》取值二.正常使用极限状态设计表达式S≤CS——正常使用极限状态的荷载效应组合值C——结构或构件达到正常使用要求的规定限值（如变形、裂缝、应力等限值），按有关规范规定采用。对于正常使用极限状态，应根据不同的设计目的，分别按荷载效应的标准组合、频遇组合、和准永久组合进行设计。例题：某办公楼简支梁，安全等级为二级，计算跨度为l0=6m,作用在梁上的恒荷载（含自重）标准值Gk＝15KN/m,活荷载标准值Qk＝6KN/m,试分别按承载能力极限状态设计时和正常使用极限状态设计时各项组合计算梁跨中弯矩。Qk＝6KN/mGk＝15KN/m解：（1）计算荷载标准值作用下的跨中弯矩：221108815667.5GKKMGlKNM恒荷载作用下：活荷载作用下：22110886627QKKMQlKNM（2）承载能力极限状态设计时跨中弯矩设计值：①按可变荷载效应控制的组合：查表可得1.2G1.4Q②按永久荷载效应控制的组合：查表得1.35,1.4,0.7GQC1.3567.51.40.727117.6GGKQcQKMMMKN1.267.51.427118.8GGKQQKMMMKNM故该简支梁跨中弯矩设计值M取为118.8KN.M（3）正常使用极限状态设计时各项组合的跨中弯矩：查表可得：Ψf=0.5,Ψq=0.467.52794.5GKQKMMMKNM按标准组合：按频遇组合：按准永久组合：67.50.52781GKfQKMMMKNM67.50.42778.3GKqQKMMMKNM