98第二章 建筑结构的设计标准和设计方法

建筑结构第二章建筑结构的设计标准和设计方法目录结构上的作用、作用效应及结构抗力和功能函数33结构的功能要求和极限状态32设计基准周期和设计使用年限31极限状态设计表达式342.1设计基准周期和设计使用年限设计基准周期结构设计所采用的荷载统计参数、与时间有关的材料性能取值，都需要选定一个时间参数，它就是设计基准周期。我国采用的设计基准周期为50年。设计使用年限设计使用年限是设计规定的一个时期。类别1234设计使用年限52550100示例临时性建筑易于替换的结构构件普通房屋和构筑物纪念性建筑和特别重要建筑2.2结构的功能要求和极限状态结构的安全等级规范根据建筑结构的重要性，规模大小，破坏后果严重程度而将建筑物划分3个设计等级，如表所示。安全等级破坏后果的影响程度建筑物的类型一级很严重重要的建筑物二级严重一般的建筑物三级不严重次要的建筑物对人员比较集中使用频繁的影剧院、体育馆等，安全等级宜按一级设计，对特殊的建筑物，其设计安全等级可视具体情况确定。在近似概率理论的极限状态设计法中，结构的安全等级是用结构重要性系数来体现的。0Back2.2结构的功能要求和极限状态2.2.1结构的功能要求安全性:结构在预定的使用期间内(一般为50年)，应能承受在正常施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载、外加变形(如超静定结构的支座不均匀沉降时)、约束变形(如温度和收缩变形受到约束时)等的作用。在偶然事件(如地震、爆炸)发生时和发生后，结构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。适用性:结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。如不发生影响正常使用的过大的变形(挠度、侧移)、振动(频率、振幅)，或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度等。耐久性:结构在正常使用和正常维护的条件下，应具有足够的耐久性，即在各种因素的影响下(混凝土碳化、钢筋锈蚀)，结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低，而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。结构极限状态的概念结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构为“可靠”或“有效”。反之，则结构为“不可靠”或“失效”。区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限状态”，即整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态即为该功能的极限状态。举例如表所示。结构的功能可靠极限状态失效安全性受弯承载力MMuM=MuMMu适用性挠度变形f[f]f=[f]f[f]耐久性裂缝宽度wmax[wmax]wmax=[wmax]wmax[wmax]表钢筋混凝土简支梁的可靠、失效和极限状态概念2.2结构的功能要求和极限状态2.2.2结构的极限状态承载能力极限状态结构或构件达到最大承载力，疲劳破坏或不适于继续承载的变形状态称为承载能力极限状态。超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求，主要包括：①结构或构件达到最大承载力(包括疲劳)。②结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡(如倾覆、滑移)。③结构塑性变形过大而不适于继续使用。④结构形成几何可变体系(超静定结构中出现足够多的塑性铰)。⑤结构或构件丧失稳定(如细长受压构件的压曲失稳)。2.2结构的功能要求和极限状2.2.2结构的极限状态正常使用极限状态结构或构件达到正常使用或耐久性的某项限值规定，称为正常使用极限状态。超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久性的功能要求。主要包括：①过大的变形、侧移，这往往会导致非结构构件受力破坏、会给人不安全感或导致结构不能正常使用(如吊车梁)等。②过大的裂缝，这往往会导致钢筋锈蚀、给人不安全感或导致房屋漏水等。③过大的振动，这往往会给人不舒适感。④其他正常使用要求。2.2结构的功能要求和极限状2.2.2结构的极限状态2.3结构上的作用、作用效应及结构抗力和功能函数2.3.1结构上的作用与作用效应结构上的作用是指施加在结构或构件上的力，以及引起结构外加变形或约束变形的原因。结构上的作用分为直接作用和间接作用两种。直接作用是指施加在结构上的荷载，如恒荷载、活荷载、风荷载和雪荷载等。间接作用是指引起结构外加变形和约束变形的其他作用，如地基不均匀沉降、温度变化、混凝土收缩、焊接变形等。作用效应是指由结构上的作用引起的结构或构件的内力(如轴力、剪力、弯矩、扭矩等)和变形(如挠度、侧移、裂缝等)。当作用为集中力或分布力时，其效应可称为荷载效应。按随时间的变异分类永久作用：是指在设计基准期内其量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用，如结构自重、土压力、预加应力等。可变作用：是指在设计基准期内其量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用，如安装荷载、楼面活荷载、风荷载、雪荷载、吊车荷载和温度变化等。偶然作用：是指在设计基准期内不一定出现，而一旦出现其量很大且持续时间很短，如地震、爆炸、撞击等。2.3结构上的作用、作用效应及结构抗力和功能函数2.3.1结构上的作用与作用效应作用的分类按空间位置的变异分类固定作用：是指在结构上具有固定分布的作用，如工业与民用建筑楼面上的固定设备荷载、结构构件自重等。自由作用：是指在结构上一定范围内可以任意分布的作用，如工业与民用建筑楼面上的人员荷载、吊车荷载等。2.3结构上的作用、作用效应及结构抗力和功能函数2.3.1结构上的作用与作用效应按结构的反应特点分类静态作用：是指使结构产生的加速度可以忽略不计的作用，如结构自重、住宅和办公楼的楼面活荷载等。动态作用：是指使结构产生的加速度不可忽略不计的作用，如地震、吊车荷载、设备振动等。2.3结构上的作用、作用效应及结构抗力和功能函数2.3.1结构上的作用与作用效应2.3结构上的作用、作用效应及结构抗力和功能函数2.3.2结构的抗力及功能函数结构的功能函数：Z=R-S式中，R——结构构件抗力，它与材料的力学指标及材料用量有关；S——作用(荷载)效应及其组合，它与作用的性质有关。R和S均可视为随机变量，Z为复合随机变量，它们之间的运算规则应按概率理论进行。当Ｚ０时，结构能够完成预定的功能，处于可靠状态。当Ｚ０时，结构不能完成预定的功能，处于失效状态。当Ｚ=０时，即R=S结构处于临界的极限状态，称为极限状态方程。保证结构可靠的条件Z=R-S＞0，是一非确定性的问题。只有用概率来加以解决。2.4荷载代表值和材料性能标准值2.4.1荷载代表值结构上的荷载可分为3类，它们分别是：永久荷载，如结构自重、土压力、预应力等；可变荷载，如楼面活荷载、屋面活荷载、积灰荷载、吊车荷载、风荷载和雪荷载等；偶然荷载，如爆炸力、撞击力等。荷载代表值是指设计中用以验算极限状态所采用的荷载量值，如标准值、组合值、频遇值和准永久值。建筑结构设计时，对不同荷载应采用不同的代表值。永久荷载采用标准值作为代表值；可变荷载应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值；偶然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表值。2.4荷载代表值和材料性能标准值2.4.1荷载代表值荷载标准值是指其在使用期间可能出现的最大荷载值；荷载组合值是指当有两种或两种以上的可变荷载作用在结构上要求同时考虑时；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一半的荷载值，主要用于考虑荷载长期效应的影响；荷载频遇值是针对可变荷载而言的，是指设计基准周期内达到和超过该值的总持续时间与设计基准期的比值小于0.1的荷载代表值。频遇组合是新引进的组合模式，可变荷载的频遇值等于可变荷载标准值乘以频遇值系数（该系数小于组合值系数），其值是这样选取的：考虑了可变荷载在结构设计基准期内超越其值的次数或大小的时间与总的次数或时间相比在10％左右。频遇组合目前的应用范围较为窄小，如吊车梁的设计等。由于其中的频遇值系数许多还没有合理地统计出来，所以在其它方面的应用还有一段的时间。准永久组合在某种意义上与过去的长期效应组合相同，其值等于荷载的标准值乘以准永久值系数。它考虑了可变荷载对结构作用的长期性。在设计基准期内，可变荷载超越荷载准永久值的概率在50％左右。准永久组合常用于考虑荷载长期效应对结构构件正常使用状态影响的分析中。最为典型的是：对于裂缝控制等级为2级的构件，要求按照标准组合时，构件受拉边缘混凝土的应力不超过混凝土的抗拉强度标准值，在按照准永久组合时，要求不出现拉应力。2.4荷载代表值和材料性能标准值2.4.２分项系数采用概率极限状态方法用可靠指标进行设计，需要大量的统计数据，计算可靠指标比较复杂，规范提出了便于实际使用的设计表达式，称为实用设计表达式。采用了以荷载和材料强度的标准值分别与荷载分项系数和材料强度分项系数相联系的荷载设计值、材料强度设计值来表达的方式。分项系数按照目标可靠指标，并考虑工程经验优选原则进行确定，通过分项系数将可靠指标隐含在设计表达式中。所以，分项系数已起着考虑目标指标的等价作用。2.4荷载代表值和材料性能标准值2.4.３承载能力极限状态表达式承载能力极限状态设计表达式为：——结构重要性系数，对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件，不应小于1.1；对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件，不应小于1.0；对安全等级为三级或设计使用年限为5年及以下的结构构件，不应小于0.9；在抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数。S——荷载效应组合的设计值。R——结构构件抗力的设计值。RS00由可变荷载效应控制的组合：由永久荷载效应控制的组合：式中，——永久荷载的分项系数，当永久荷载效应对结构构件承载力不利时，由可变荷载控制的组合，取值1.2，由永久荷载控制的组合，取值1.35；当永久荷载效应对结构构件承载力有利时，一般情况下取值1.0，对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，取值0.9；,——第1个和第ｉ个可变荷载分项系数，当可变荷载效应对结构构件承载力不利时，一般情况下限值1.4，对标准值大于4kN/m２的工业房屋楼面结构的活荷载取值1.3；——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，其中为诸可变荷载效应中起控制作用者；——可变荷载的组合值系数，其值不应大于1.0，按规范有关规定取用；——参与组合的可变荷载数。2.4荷载代表值和材料性能标准值2.4.３承载能力极限状态表达式2.4荷载代表值和材料性能标准值2.4.３承载能力极限状态表达式对于工程中常用的一般排架、框架结构，可采用简化规则，并应按下列组合值中取最不利值确定。由可变荷载效应控制的组合由永久荷载效应控制的组合仍按上页公式采用。对于偶然组合，荷载效应组合的设计值宜按下列规定确定：偶然荷载的代表值不乘分项系数；与偶然荷载同时出现的其他荷载可根据观察资料和工程经验采用适当的代表值。各种情况下荷载效应的设计公式，可由有关规范另行规定。2.4荷载代表值和材料性能标准值2.4.4正常使用极限状态表达式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、频遇组合或准永久组合，并应按下列设计表达式进行设计：式中，C——结构或结构构件达到正常使用要求的规定限值，例如变形、裂缝、振幅、加速度、应力等的限值，应按各有关建筑结构设计规范另行规定。对于标准组合，载效应组合的设计值S按下式采用：对于频遇组合，荷载效应组合的设计值S按下式采用：式中，——可变荷载Q1的频遇值系数；——可变荷载Qi的准永久值系数。对于准永久组合，荷载效应组合的设计值S按下式采用：CS