第三章 结构设计方法与设计指标要点

《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础与识图》2009年10月机械工业出版社《建筑结构基础与识图》建筑力学基础知识1绪论0建筑结构材料2结构设计方法与设计指标3混凝土结构基本构件4钢筋混凝土楼（屋）盖、楼梯5基础6钢筋混凝土多层与高层结构7砌体结构基础知识8钢结构基础知识9建筑结构施工图的识读10目录《建筑结构基础与识图》•第3章结构设计方法与设计指标§3–1建筑结构荷载与荷载效应§3–3建筑结构抗震设防简介§3–2建筑结构的设计方法第三章结构设计方法与设计指标《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础与识图》§3–1建筑结构荷载与荷载效应一、结构上的作用建筑结构在施工和使用期间，要承受其自身和外加的各种作用，这些作用在结构中产生不同的效应（内力和变形）。这些能使结构产生效应（结构或构件的内力、应力、位移、应变裂缝等）的各种原因通称为结构上的作用。按出现的方式不用，可将结构上的作用分为直接作用和间接作用。第三章结构设计方法与设计指标《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础与识图》1.直接作用直接作用是指直接以力的不同集结形式（集中力或均匀分布力）施加在结构上的作用，通常也称为结构的荷载。例如结构的自重、楼面人群及物品重量、土压力、风压力、雪压力、积灰、积水等。2.间接作用间接作用是指能够引起结构外加变形、约束变形或振动的各种原因。间接作用并不是直接以力的形式施加在结构上，例如地基的不均匀沉降、温度变化、地震作用、材料的收缩和膨胀变形等。第三章结构设计方法与设计指标《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础与识图》二、荷载的分类在实际工程中，结构常见的作用多为直接作用，即通常说的荷载。所以本书介绍的内容以直接作用为主。按照不同的分类方法可将荷载进行不同的分类。（一）按其随时间的变异性可分为：1.永久荷载永久荷载是指结构在设计使用期间，其值不随时间变化，或其变化幅度与平均值相比可以忽略不计的荷载。例如结构自重、土压力、预应力等，永久荷载也称为恒荷载。第三章结构设计方法与设计指标《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础与识图》2.可变荷载可变荷载是指结构在设计使用期间，其值随时间变化，且其变化幅度与平均值相比不可忽略的荷载。例如楼面活荷载、积灰荷载、屋面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等，可变荷载也称为活荷载。3.偶然荷载偶然荷载是指结构在设计使用期间可能出现，但不一定出现，而一旦出现，其持续时间很短但量值很大的荷载。例如地震力、爆炸力、撞击力等。第三章结构设计方法与设计指标《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础与识图》（二）按荷载的作用范围分：1.集中荷载集中荷载是指荷载的作用面积与结构的尺寸相比很小，可将其简化为作用于一点的荷载，单位是kN或N。例如梁传给柱子的力、次梁传给主梁的力都可看作集中荷载。2.分布荷载分布荷载是指荷载连续地分布在整个结构或结构某一部分上。其中分布荷载又包括体荷载、面荷载、线荷载。第三章结构设计方法与设计指标《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础与识图》体荷载是指分布在物体的体积内的荷载，单位是N/mm3或kN/m3，常用γ表示。面荷载是指分布在物体表面的荷载，单位是N/mm2或kN/m2，常用p表示。线荷载是指将面荷载、体荷载简化成连续分布在一段长度上的荷载，单位是N/mm或kN/m，常用q表示。三、荷载的代表值由于各种荷载都具有一定的变异性，在结构设计时，对荷载应赋予一个规定的量值，称为荷载代表值。第三章结构设计方法与设计指标《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础与识图》1.荷载标准值荷载标准值是指结构在正常使用情况下，在其设计基准期（50年）内可能出现的具有一定保证率的最大荷载值。永久荷载标准值（Gk），对结构自重,可按结构构件的设计尺寸与材料单位体积的自重计算确定。对常用材料和构件可参《荷载规范》附录A采用。表3-1列出部分常用材料和构件自重。第三章结构设计方法与设计指标《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础与识图》例如，某矩形钢筋混凝土梁，b×h=300mm×600mm，计算跨度l0=4.5m。查表3-1取钢筋混凝土自重25kN/m3，则该梁沿跨度方向均匀分布的自重标准值为：gk=0.3×0.6×25=4.5kN/m。可变荷载标准值（Qk）是根据观测资料和实验数据，并考虑工程实践经验而确定，可由《荷载规范》各章中的规定确定。表3-2列出部分民用建筑楼面均布活荷载标准值。第三章结构设计方法与设计指标《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础与识图》2.可变荷载组合值ΨcQk当结构上同时作用两种或两种以上可变荷载时，可变荷载同时达到其标准值的可能性较小，因此要考虑其组合值。除其中产生最大效应的荷载（主导荷载）仍取其标准值外，其他伴随的可变荷载均采用小于其标准值的组合值为代表值。这种经调整后的可变荷载代表值，称为可变荷载组合值。《荷载规范》规定，可变荷载组合值用可变荷载的组合系数Ψc（Ψc≤1）与相应的可变荷载标准值Qk的乘积来确定，即ΨcQk，Ψc取值参见表3-2。第三章结构设计方法与设计指标《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础与识图》3.可变荷载频遇值ΨfQk可变荷载频遇值是指可变荷载在设计基准期内，其超越的总时间为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值。可变荷载频遇值是针对结构上偶尔出现的较大荷载，具有较短的总持续时间或较少的发生次数的特性。《荷载规范》规定，可变荷载频遇值应取可变荷载标准值Qk乘以荷载频遇值系数Ψf（Ψf≤1），即ΨfQk，Ψf取值参见表3-2。第三章结构设计方法与设计指标《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础与识图》4.可变荷载准永久值ΨqQk可变荷载准永久值是指可变荷载在设计基准期内，其超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值。可变荷载准永久值是针对在结构上经常作用的可变荷载，即在规定的期限内，该部分可变荷载具有较长的总持续时间，对结构的影响类似于永久荷载。《荷载规范》规定，可变荷载准永久值应取可变荷载标准值Qk乘以荷载准永久值系数Ψq，即ΨqQk，Ψq取值参见表3-2。第三章结构设计方法与设计指标《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础与识图》四、荷载效应作用效应（S）是指各种作用在结构上的内力（弯矩、剪力、轴力、扭矩等）和变形（绕度、扭转、弯曲、拉伸、压缩、裂缝等）。当作用为荷载时，引起的效应称为荷载效应。一般情况下，荷载效应（S）与荷载（Q）的关系式如下S=CQ(3-1)式中C——荷载效应系数，由力学分析确定；Q——某荷载代表值；S——与荷载Q相应的荷载效应。第三章结构设计方法与设计指标《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础与识图》§3–2建筑结构的设计方法一、结构的功能要求建筑结构的功能要求包括：安全性、适用性和耐久性。1.安全性安全性是指结构在正常施工和正常使用条件下，能承受可能出现的各种作用，在偶然事件发生时和发生后，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发生倒塌。第三章结构设计方法与设计指标《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础与识图》2.适用性适用性是指结构在正常使用条件下，具有良好的工作性能。例如不发生影响使用的过大变形、振幅和裂缝等。3.耐久性耐久性是指结构在正常维护条件下，具有足够的耐久性，能够使用到预定的设计使用年限。例如钢筋不发生严重锈蚀、混凝土不发生严重风化和腐蚀等。第三章结构设计方法与设计指标《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础与识图》二、结构的极限状态结构能够满足设计规定的某一功能要求且能够良好的工作，我们称之为该功能处于可靠状态；反之，称之为该功能处于失效状态。这种“可靠”与“失效”之间必然存在某一特定的界限状态，此特定状态称为该功能的极限状态。结构的极限状态正常使用极限状态承载能力极限状态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安全性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实用性耐久性第三章结构设计方法与设计指标《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础与识图》三、极限状态的设计表达式（一）极限状态方程结构和结构构件的工作状态可以用作用效应S和结构抗力R的关系式来描述：(3-2)式中Z——结构极限状态功能函数；R——结构抗力;S——作用效应.SRSRgZ),(Z＞0R＞S结构处于可靠状态Z＜0R＜S结构处于失效状态Z＝0R＝S结构处于极限状态第三章结构设计方法与设计指标《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础与识图》（二）承载力极限状态实用设计表达式1.设计表达式承载能力极限状态设计时应采用下列表达式:(3-3)式中——结构件的重要性系数，如表3-4所示；——承载能力极限状态的荷载效应组合设计值；——结构构件的抗力设计值。0SR£0SR第三章结构设计方法与设计指标《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础与识图》2.结构构件的重要性系数我国《建筑结构可靠度设计统一标准》将建筑结构划分为三个安全等级，设计时应根据具体情况，按表3-4的规定选用适当的安全等级。0第三章结构设计方法与设计指标《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础与识图》3.荷载效应组合设计值对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从下列组合中取最不利值确定：（1）由可变荷载效应控制的组合：(3-4)（2）由永久荷载效应控制的组合：(3-5a)SGGKQ1Q1KQCQK2niiiiSSSSGGKQCQK1niiiiSSS第三章结构设计方法与设计指标《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础与识图》式中——永久荷载的分项系数，如表3-5所示；、——第一个和第i个可变荷载分项系数，见表3-5；——按永久荷载标准值计算的荷载效应值、——起控制作用的第一个可变荷载荷载标准值和第i个可变荷载标准值计算的荷载效应；——第i个可变荷载的组合值系数，按表3-2取用。GQ1QiGKSQ1KSQKiS1KQciKiQ第三章结构设计方法与设计指标《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础与识图》（3）对于一般排架、框架结构，式(3-5a)可采用下列简化设计表达式：(3-5b)式中——简化的可变荷载组合系数，一般可取，当只有一个可变荷载时取。GGKQQK1niiiSSS90.00.1第三章结构设计方法与设计指标《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础与识图》第三章结构设计方法与设计指标《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础与识图》（三）正常使用极限状态实用设计表达式1.设计表达式正常使用极限状态按下列设计表达式进行设计：(3-6)式中——正常使用极限状态的荷载效应组合值；——结构或结构构件达到正常使用要求的规定限制（如变形、裂缝、应力等限值），按有关规定采用。SC£SC第三章结构设计方法与设计指标《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础与识图》2.荷载效应组合设计值对正常使用状态的荷载效应组合时，应根据不同设计目的，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）荷载的标准组合：(3-7)（2）荷载的频遇组合：(3-8)GKf1Q1KqQK2niiiSSSSGKqQK1niiiSSS第三章结构设计方法与设计指标《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础与识图》（3）荷载的准永久组合：(3-9)式中——在频遇组合中起控制作用的一个可变荷载的频遇值系数，按表3-2取用；——第i个可变荷载的准永久值系数，按表3-2取用。GKqQK1niiiSSSf1qi第三章结构设计方法与设计指标《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础与识图》【例3-1】某钢筋混凝土办公楼矩形截面简支梁，计算跨度l0=6m，梁上的永久荷载（包含自重）标准值gK=12kN/m，可变荷载标准值qK=5kN/m，安全等级为二级，分别按承载力极限状态和正常使用极限状态设计时的各项组合计算梁跨中弯矩设计值。【解】（1）均布荷载标准值gK和qK作用下的跨中弯矩标准值：永久荷载作用下可变荷载作用下22GKK01112654kNm88Mgl22QKK0115622.5kNm88Mql第三章结构设计方法与设计指标《建筑结构基础与识图》《建筑结构基础