第二章 结构设计方法与设计指标

第二章结构设计方法与设计指标结构上的作用是指能使结构产生效应（内力、变形）的各种原因的总称。第一节建筑结构荷载作用间接作用——引起结构外加变形和约束变形或振动的各种原因，如地基沉降、混凝土收缩、温度变化、地震等。直接作用——作用在结构上的各种荷载，如：构件自重、楼面和屋面活荷载、风荷载等。2.1.1荷载的分类永久荷载（恒荷载）偶然荷载荷载可变荷载（活荷载）2.1.2荷载的代表值结构计算时，需根据不同的设计要求采用不同的荷载数值。1.荷载标准值2.可变荷载组合值3.可变荷载频遇值4.可变荷载准永久值2.1.3荷载的计算集中荷载荷载表现形式分布荷载体荷载面荷载线荷载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）耐久性结构的可靠性：结构或结构构件在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。结构的可靠度：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。第二节建筑结构的设计方法2.2.1结构的功能要求设计基准周期：为确定荷载代表值及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数（我国取用的设计基准周期为50年）。设计使用年限：指设计规定的一个期限，在这一规定的时间内，结构或结构构件只需进行正常的维护而不需进行大修即可按其预定目的使用。2.2.2结构的极限状态整个结构或结构的一部分能满足设计规定的某一功能要求，我们称之为该功能处于可靠状态。反之，处于失效状态。“可靠”与“失效”之间必然存在的某一特定界限状态，称为该功能的极限状态。承载能力极限状态正常使用极限状态极限状态1.承载能力极限状态当结构或结构构件达到最大承载能力或达到不适合于继续承载的变形状态时，称该功能的极限状态。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：（1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如阳台、雨篷的倾覆）等；（2）结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），或因过度变形而不适于继续承载；（3）结构转变为机动体系；（4）结构或结构构件丧失稳定；（5）地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）。2.正常使用极限状态当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的状态，为正常使用的极限状态。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：（1）影响正常使用或外观的变形；（2）影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝，如水池开裂引起渗漏）；（3）影响正常使用的振动；（4）影响正常使用的其它特定状态。2.2.3极限状态设计表达式1.极限状态方程Z=R-S作用效应S——作用引起的结构或结构构件的内力、变形和裂缝等。结构抗力R——结构或结构构件承受作用效应的能力。Z﹥0时，结构处于可靠状态；Z＝0时，结构处于极限状态；Z﹤0时，结构处于失效状态。2.极限状态设计表达式①承载能力极限状态设计表达式γ0S≤Rγ0—结构重要性系数。γ0的确定：按照《建筑结构可靠度设计统一标准》，根据建筑结构破坏后果的严重性，将建筑结构划分为三个安全等级。对安全等级为一级、二级、三级的结构构件，其结构构件的重要性系数γ0分别取1.1、1.0、0.9。S—荷载效应组合设计值。R—结构构件的承载力设计值。内力组合设计值S的确定考虑永久性荷载和可变荷载共同作用所得的结构内力值称为结构的内力组合值。对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从下列组合值中取最不利值确定：（1）由可变荷载效应控制的组合：112nGGkQQkQiciQikiSSSS注意：式中各个系数的含义。(2)由永久荷载效应控制的组合：对于一般排架、框架结构，基本组合可采用简化规则，并应按下列组合值中取最不利值确定：(1)由可变荷载效应控制的组合：(2)由永久荷载效应控制的组合仍按公式（1）采用。2nGGkQiciQikiSSS1120.9GGkQQknGGkQiciQikiSSSSSS（1）②正常使用极限状态验算对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，采用荷载的标准组合、频遇组合、准永久组合进行设计，使变形、裂缝、振幅、基底应力等荷载效应的组合值符S≤C（1）对于标准组合，荷载效应组合值S按下式计算：12nGkQkciQikiSSSS（2）对于频遇组合，荷载效应组合值S按下式计算：QiKniqiKQfGKSSSS211（3）对于准永久组合，荷载效应组合的设计值S按下式计算：1nGkciQikiSSS2.3.1钢筋的设计指标第三节建筑结构材料的设计指标建筑工程用的钢筋，需要具有较高的强度，良好的塑性，便于加工和焊接，并与混凝土之间具有足够的粘结力。钢筋混凝土结构主要采用热轧钢筋，分为HPB235级、HRB335级、HRB400级和RRB400级。普通钢筋宜采用HRB400级和HRB335级钢筋，也可以采用HPB235级和RRB400级。材料强度标准值：是指正常情况下可能出现的最小材料强度值，其值应根据材料强度概率分布某一分位值确定。《混凝土规范》规定，钢筋的强度标准值应具有不小于95%的保证率。钢筋强度标准值/材料分项系数=钢筋强度设计值2.3.2混凝土的设计指标混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值确定。我国混凝土强度等级的确定方法是：用边长为150mm的立方体标准试件，在标准养护条件下养护28d，进行抗压强度试验测得的具有95%保证率的抗压强度值。标准养护条件：温度20±3℃，相对湿度不小于90%。混凝土强度等级：C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50~C80共14级。C—混凝土；15—立方体抗压强度的标准值为15N/mm2混凝土强度标准值/材料分项系数=混凝土强度设计值2.3.3砌体材料的设计指标砖石砌块块材砌体结构：块材+砂浆。水泥砂浆石灰砂浆混合砂浆砂浆潮湿环境、地下砌体常用的砂浆临时建筑或受力不大的简易建筑砌体材料的选择《砌体规范》规定了各类块体的强度等级和砂浆的强度等级。砌体所用的块材和砂浆，主要依据承载能力、耐久性以及隔热保温等要求选择，还要结合当地材料供应情况，按技术经济指标较好、符合施工条件的原则确定。块材的强度等级（MU）：是由标准试验方法所得到的块体抗压强度来确定的，单位：MPa。砂浆的强度等级（M）：是用龄期为28d的边长为70.7mm立方体试块所测得的抗压强度极限值来确定的，单位：MPa。2.3.4钢材的设计指标屈服点数值质量等级符号脱氧方法符号碳素结构钢牌号在钢结构中采用的钢材主要有碳素结构钢和低合金高强度结构钢两种。屈服点字母QA、B、C、DF、Z、b、TZ如：Q235对Q235，A、B级钢可以是Z、b、F；C级钢只能是Z;D级钢只能是TZ。碳素结构钢屈服点数值质量等级符号低合金高强度结构钢牌号低合金高强度结构钢屈服点字母QA、B、C、D、E如：Q390如：Q390E——表示屈服强度为390N/mm2的E级钢。第四节建筑结构抗震设防简介一、基本概念①地震②震源③震中火山地震塌陷地震诱发地震地震构造地震占地震总数的90%以上人工地震④地震波体波纵波面波地震波横波上下颠簸水平摇晃纵波:周期短,振幅小,波速快,200-1400m/s。横波:周期长、振幅大、波速慢,100-800m/s。面波：比体波传播速度慢、周期长、振幅大、衰减慢、传播远。地震波的传播：纵波横波面波。因此，地震时，一般先上下颠簸，而后出现左右摇晃和扭动。水平振动⑤地震的震级按震级，地震分类：微震---2级以下，人感觉不到有感地震---2-4级，人有感觉破坏性地震---5级以上，有破坏强烈地震---7级以上，有破坏特大地震---8级以上，有破坏由于震源深浅、震中距大小等不同，地震造成的破坏也不同。震级大，破坏力不一定大；震级小，破坏力不一定就小。⑥地震烈度：指地震时某一地区的地面和各类建筑物遭受到一次地震影响的强弱程度。简称烈度。影响烈度的因素：震级、震中距、震源深度、地质构造和地基条件等。一般而言，震级越大，烈度就越大。注意：同一次地震，震中距小烈度就高，反之烈度就低。即一次地震的震级只有一个，但距离震中不同的地点，地震烈度就不同。为了评定地震烈度，建立了地震烈度表。地震烈度表制定标准：根据地震时人的感觉、动物的反应、建筑物破坏和地表现象划分的。我国采用的是12度烈度表。无感1室内个别静止中的人感觉2悬挂物微动门、窗轻微作响室内少数静止中的人感觉3悬挂物明显摆动，器皿作响门、窗作响室内多数人感觉。室外少数人感觉。少数人梦中惊醒43（2-4）31（22-44）不稳定器物摇动或翻倒门窗、屋顶、屋架颤动作响，灰土掉落。抹灰出现微细裂缝室内普遍感觉；室外多数人感觉；多数人梦中惊醒56（5-9）63（45-89）河岸和松软土出现裂缝。饱和砂层出现喷砂冒水；有的砖烟囱轻度裂缝损坏——个别砖瓦掉落、墙体微细裂缝惊惶失措，仓皇逃出613（10-18）125（90-177）河岸出现坍方。饱和砂层常见喷砂冒水。松软土上地裂缝较多；大多数独立砖烟囱中等破坏轻度破坏——局部破坏开裂，但不妨碍使用大多数人仓皇逃出725（19-35）250（178-353）干硬土上亦有裂缝。大多数砖烟囱严重破坏中等破坏——结构受损，需要修理摇晃颠簸，行走困难850（36-71）500（354-707）干硬土上有许多地方出现裂缝，基岩上可能出现裂缝。滑坡、坍方常见；砖烟囱出现倒塌严重破坏——墙体龟裂，局部倒塌，修复困难坐立不稳。行动的人可能摔跤9100（72-141）1000（708-1414）山崩和地震断裂出现；基岩上的拱桥破坏；大多数砖烟囱从根部破坏或倒毁倒塌——大部倒塌，不堪修复骑自行车的人会摔倒。处不稳状态的人会摔离原地。有抛起感10地震断裂延续很长；大量山崩滑坡普遍倒塌11地面剧烈变化，山河改观12速度加速度其它现象一般房屋地面上人的感觉烈度2/smmsmm/⑦抗震设防烈度抗震设防烈度：按国家规定的权限批准的作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。规范规定：一般情况下，设防烈度可采用《中国地震动参数区划图》中的地震基本烈度。对抗震设防烈度为6度及以上地区的建筑，必须进行抗震设计。二、建筑设防标准与设防目标1.建筑设防分类：甲、乙、丙、丁四个抗震设防类别。依据：根据建筑遭受地震破坏后可能产生的经济损失，社会影响及其在抗震救灾中的作用，分为四类。甲类：重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑。如放射性物质的污染。乙类：地震时使用不能中断或需尽快恢复的建筑。如医疗、广播、通讯、供水、供电、供气、消防等。丙类：一般建筑。如工厂、学校、机关、商场、住宅等。丁类：次要的建筑。如水塔、烟囱、仓库等。2.抗震设防标准：依据是设防烈度。甲类建筑地震作用：高于本地区抗震设防烈度要求，按地震安全性评价结果确定。抗震措施：抗震设防烈度为6～8度时，抗震措施应提高一度，9度时，抗震设防应比9度更高。乙类建筑地震作用：符合本地区抗震设防烈度的要求。抗震措施：按本地区的设防烈度提高一度考虑。丙类建筑地震作用：按本地区设防烈度考虑。抗震措施：按本地区设防烈度考虑。丁类建筑地震作用：按本地区设防烈度考虑抗震措施：按本地区的设防烈度降低一度考虑，但6度不降。注意：在设防烈度为6度时，除规范有具体规定外，对乙、丙、丁类建筑可不进行地震作用计算。3.“三水准”抗震设防目标：小震不坏；中震可修；大震不倒。①第一水准：在遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时，建筑物一般不损坏或不需修理仍可继续使用。————小震不坏，结构处于弹性工作阶段。②第二水准：在遭受本地区规定的设防烈度的地震影响时，建筑物可能有损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用。————中震可修，允许结构进入非弹性工作阶段，但由此造成的结构损坏可控。③第三水准：当遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。————大震不倒，结构有较大的非弹性变形。4.“两阶段”抗震设计方法：①第一阶段设计：多遇地震作用下承载力验算——小震不坏；弹性变形验算——中