第二章建筑结构设计概论New

51第二章建筑结构设计概论建筑结构──是由结构构件，即梁、板及墙、柱和基础等构件组成。结构构件通过正确连接，组成能承受并能传递荷载等作用的房屋骨架，称为建筑结构。详教材图2·1第一节建筑结构分类的及应用范围一般以建筑材料可分为以下四种：一、钢筋砼结构：（一）主要优点：1、耐久性好；2、整体性好；3、耐火性好；4、可模性好；5、可就地取材；（二）主要缺点：1、自重大；2、费工、费模板，施工周期长；3、抗裂、隔热和隔音差；4、补强修复比较困难；（三）应用范围：应用最多的一种结构。二、砌体结构：（一）主要优点：1、就地取材，节约水泥、钢材；2、造价低廉；3、有良好的耐久性；4、有较好的保温隔热性能（二）主要缺点：1、强度低，自重大；2、砌筑工程量繁重3、抗震性能差4、破坏环境，浪费耕地（三）应用范围：一般用于六七层以下的建筑。三、钢结构：（一）与其它结构相比，有如下主要特点（教材P82(1)～(6)）（二）应用范围：（教材P82①～⑤）四、木结构：（一）主要优点：就地取材，自重轻，制作容易，施工方便（二）主要缺点：浪费资源，破坏环境，故现在很少采用第二节建筑结构发展概况一、材料方面：建筑材料的发展方向是：轻质、高强。二、结构方面：建筑结构的发展方向是：钢—砼组合结构、预应力砼结构。三、设计理论方面：建筑结构的设计理论：最初采用容许应力法—→破损阶段计算法—→极限状态设计法—→现在采用的以概率为基础极限状态设计法52第三节建筑结构设计的程序和内容房屋设计是为人类生活与生产服务的各种民用或工业房屋的综合设计。一幢建筑物设计和施工，需要建筑师、结构工程师、设备工程师、建造工程师的共同努力和多边合作。建筑结构设计由结构工程师负责，其基本任务是在结构的可靠与经济之间选择一种合理的平衡，力求以最低的代价，使所建造的结构在规定的条件下和规定的使用期限内，能满足预定的安全性、适用性和耐久性等功能要求。一、基本建设工作程序我国基本建设工作程序和内容如教材图2·2（P85）。由图可知，其主导线分设计和施工两个阶段，对主导线起保证作用的有两条辅线，其一为对投资的控制，另一为质量和进度的监控。二、房屋建筑工程的设计阶段由教材图2·2可知，房屋建筑工程一般分为四个设计阶段，即方案设计阶段、初步设计阶段、技术设计阶段和施工图设计阶段。1、方案设计阶段此阶段需完成的设计文件有设计说明书、设计图纸、投资估算及效果透视图等内容，应在调查研究和设计基础资料的基础上分专业编制。其中结构专业负责编制结构设计文件，其设计依据为项目可行性研究报告、设计任务书和上级批准的立项文件等。结构设计文件的主要内容是编制结构设计说明书和结构平面简图。其中结构设计说明书包括设计依据、结构设计要点和需要说明的问题等；设计依据应阐述建筑所在地域、地界、有关自然条件、抗震设防烈度、工程地质概况等；结构设计要点应包括上部结构选型、基础选型、人防结构及抗震设计初步方案等；需要说明的其他问题是指对工艺的特殊要求、与相邻建筑物的关系、基坑特征及防护等。结构平面简图应标出柱网、剪力墙、沉降缝等。2、初步设计阶段此阶段的任务是根据中标方案、设计任务书和设计基础资料，对设计对象进行总体安排和控制性结构计算，同时对工程工期和投资总额进行深入分析，编制设计总概算。应提交的设计文件有设计说明书、设计图纸、主要设备和材料清单等。结构设计在此阶段包括编制抗震设防要点及主要措施，说明上部结构方案设计的依据及（人防）地下室结构方案的要点，简述变形缝的布置及做法，提出具体的地基处理方案，选定主要结构的材料和采用的构件标准图等。结构设计文件应包括设计说明书、结构控制性计算的计算书、方案设计简图和总概算书。3、技术设计阶段技术设计是专门对技术复杂或有特殊要求的大中型项目增加的一个设计阶段。它是对初步设计方案进行调整和深化，其设计依据为已批准的初步设计文件。结构设计的主要内容为确定结构受力体系和主要技术参数，通过计算初步确定主要构件53（梁、柱、墙等）的截面和配筋，绘出结构平面简图及重要节点大样图以及必要的文字说明，写明对地质勘探、施工条件及主要材料等方面的特殊要求。4、施工图设计阶段施工图设计——是项目施工前最重要的一个设计阶段，要求以图纸和文字的形式解决工程建设中预期的全部技术问题，并编制相应的对施工过程起指导作用的施工预算。在整个设计阶段，仅对重要和复杂的大中型工程建设项目才要求上述四个设计阶段；对普通大中型项目可将第二和第三设计阶段合并为一个扩大技术设计阶段；对简单的小型建设项目也可只进行第一和第四两个设计阶段。三、结构方案的确定结构方案——主要是配合建筑设计的功能和造型要求，结合所选结构材料的特性，从结构受力、安全、经济以及地基基础和抗震等条件出发，综合确定出合理的结构形式。结构方案应在满足适用性的条件下，符合受力合理、技术可行和尽可能经济的原则。无论是方案设计阶段，还是初步设计阶段，结构方案都是结构设计中最重要的一项工作，也是结构设计成败的关键。方案设计阶段和初步设计阶段的结构方案，所考虑的问题是相同的，只不过是随着设计阶段的深入结构方案的成熟程度不同而已。结构方案包括确定结构形式和结构体系两方面的内容。在方案设计阶段，一般须提出两种以上不同的结构方案，然后进行方案比较，综合考虑，选择较优的方案。对钢筋混凝土建筑，结构方案包括确定上部主要承重结构、楼（屋）盖结构和基础的形式及其结构布置，并对结构主要构造措施和特殊部位进行处理。第四节建筑结构的分析方法结构分析——是指根据已确定的结构方案和结构布置，确定合理的计算简图和分析方法，进行荷载（或作用）计算，通过科学的计算分析准确地求出结构内力，以便进行构件截面设计或配筋计算并采取可靠的构造措施。进行结构分析时，应遵守以下基本原则：１、结构按承载能力极限状态计算和按正常使用极限状态验算时，应按我国《建筑结构荷载规范》及《建筑抗震设计规范》等国家标准规定的作用（或荷载）及其组合，对结构的整体进行作用（或荷载）效应分析；必要时，尚应对结构中的重要部位、形状突变部位以及内力和变形有异常变化的部位（例如较大孔洞周围、节点及其附近、支座和集中荷载附近等）进行更详细的结构分析。２、当结构在施工和使用期的不同阶段（制作、运输和安装阶段，以及施工期、检修期和使用期等）有多种受力状况时，应分别进行结构分析，并确定其最不利的作用效应组合。当结构可能遭遇火灾、爆炸、撞击等偶然作用时，尚应按国家现行有关标准的要求进行相应的结构分析。３、结构分析所需的各种几何尺寸以及所采用的计算图形、边界条件、作用（荷载）的54取值与组合、材料性能的计算指标、初始应力和变形状况等，应符合结构的实际工作状况并应具有相应的构造措施，如固定端和刚节点的承受弯矩能力和对变形的限制、塑性铰的充分转动能力等。结构分析时应根据结构或构件的受力特点，采用具有理论或试验依据的各种近似简化和假定。计算结果还应进行校核和修正，其准确程度应符合工程设计的要求。４、所有结构分析方法的建立都基于三类基本方程，即力学平衡方程、变形协调（几何）方程和材料本构（物理）方程。其中，结构整体或其中任何一部分的力学平衡条件都必须满足；结构的变形协调条件，包括边界条件、支座和节点的约束条件、截面变形条件等，若难以严格满足，但应在不同的程度上予以满足；材料或各种计算单元的本构关系，应合理地选取，尽可能符合或接近钢筋混凝土的实际性能。５、建筑结构宜根据结构类型、构件布置、材料性能和受力特点选择合理的分析方法。目前工程设计中常用的计算方法，按其力学原理和受力阶段可分为以下五类：（1）线弹性分析方法（2）考虑塑性内力重分布的分析方法（3）塑性极限分析方法（4）非线性分析方法（5）试验分析方法上述分析方法中，又各有多种具体的计算方法，如解析法或数值解法、精确解法或近似解法。结构设计时，应根据结构的重要性和使用要求、结构体系的特点、荷载（作用）状况、要求的计算精度等加以选择；计算方法的选取还取决于已有的分析手段，如计算程序、手册、图表等。６、目前普遍采用计算机作为手段进行结构分析，也是今后结构设计的发展方向。为了确保计算结果的正确性，对结构分析所采用的电算程序应经考核和验证，其技术条件应符合国家规范和有关标准的要求；电算结果应经判断和校核，在确认其合理、有效后，方可用于工程设计。第五节概率极限状态设计方法一、结构的功能要求1、设计基准期设计基准期是为确定可变作用及与时间有关的材料性能取值而选用的时间参数，它不等同于建筑结构的设计使用年限。《建筑结构可靠度设计统一标准》所考虑的荷载统计参数，都是按设计基准期为50年确定的，如设计时需采用其他设计基准期，则必须另行确定在设计基准期内最大荷载的概率分布及相应的统计参数。2、设计使用年限设计使用年限是设计规定的一个时期，在这一规定时期内，只需进行正常的维护而不需进行大修就能按预期目的使用，完成预定的功能，即房屋建筑在正常设计、正常施工、正常55使用和维护下所应达到的使用年限，如达不到这个年限则意味着在设计、施工、使用与维护的某一环节上出现了非正常情况。所谓“正常维护”包括必要的检测、防护及维修。设计使用年限是房屋建筑的地基基础工程和主体结构工程“合理使用年限”的具体化。根据《建筑结构可靠度设计统一标准》的规定，结构的设计使用年限应按表2·1采用，若建设单位提出更高要求，也可按建设单位的要求确定。表2·1设计使用年限分类类别设计使用年限(年)示例类别设计使用年限(年)示例15临时性建筑350普通房屋和构筑物225易于替换的结构构件4100纪念性建筑和特别重要的建筑3、安全等级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《建筑结构可靠度设计统一标准》将建筑物划分为三个安全等级，见表2·2。建筑结构设计时，应采用不同的安全等级。表2·2建筑结构的安全等级安全等级破坏效果建筑物类型可靠度指标脆性破坏延性破坏一级很严重重要建筑2.47.3二级严重一般建筑7.32.3三级不严重次要建筑2.37.2大量的一般建筑物列入中间等级，重要的建筑物提高一级；次要的建筑物降低一级。设计部门可根据工程实际情况和设计传统习惯选用。大多数建筑物的安全等级均属二级。同一建筑物内的各种结构构件宜与整个结构采用相同的安全等级，但允许对部分结构构件根据其重要程度和综合经济效果进行适当调整。如提高某一结构构件的安全等级所需额外费用很少，又能减轻整个结构的破坏，从而大大减少人员伤亡和财物损失，则可将该结构构件的安全等级比整个结构的安全等级提高一级；相反，如某一结构构件的破坏并不影响整个结构或其他结构构件，则可将其安全等级降低一级。《建筑结构荷载规范》在荷载效应组合中新增一项由永久荷载效应控制的组合，使承受恒载为主的结构构件的安全度有所提高。4、结构的功能要求结构在规定的设计使用年限内应满足下列功能要求：（1）、安全性在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用。在设计规定的偶然事件(如地震、爆炸）发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。所谓整体稳定性，系指在偶然事件发生时及发生后，建筑结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。（2）、适用性56在正常使用时具有良好的工作性能。如不产生影响使用的过大的变形或振幅，不发生足以让使用者产生不安的过宽的裂缝。（3）、耐久性在正常维护下具有足够的耐久性能。所谓足够的耐久性能，系指结构在规定的工作环境中，在预定时期内，其材料性能的恶化不致导致结构出现不可接受的失效概率。从工程概念上讲，足够的耐久性能就是指在正常维护条件下结构能够正常使用到规定的设计使用年限。5、结构的可靠度结构的安全性、适用性、耐久性即为结构的可靠性。结构可靠度是对结构可靠性的概率描述,即结构的可靠度指的是，结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。结构可靠度与结构的使用年限长短有关，《建筑结构可靠度设计统一标准》所指的结构可靠度或结构失效概率，是对结构的设计使用年限而言的，也就是说，规定的时间指的是设计使用年限；而规定的条件则是指正常设计、正常施工、正常使用，不考虑人为过失的影响，人为过失应通