建筑施工 第十五章%20%20建筑结构设计原则[1]

对于建筑结构设计，长期以来的概念都是：进行尽量精确的计算，再加以一定的构造措施，确保建筑结构设计质量。概念设计：根据地震震害和工程经验等形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。概念设计与数值设设计相互联系，概念设计指导数值设计，数值设计进一步证实概念设计，二者设计的结果尽可能的反映地震时结构的实际受力情况，确保建筑结构设计质量。1、结构的功能要求功能要求适用性耐久性安全性安全性——结构在正常施工和正常使用的条件下，能承受可能出现的各种作用；在设计规定的偶然事件（如强烈地震、爆炸、车辆撞击等）发生时和发生后，仍能保持必需的整体稳定性，即结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。适用性——结构在正常使用时具有良好的工作性能。例如，不会出现影响正常使用的过大变形或振动；不会产生使使用者感到不安的裂缝宽度等。耐久性——结构在正常维护条件下具有足够的耐久性能，即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。例如，结构材料不致出现影响功能的损坏，钢筋混凝土构件的钢筋不致因保护层过薄或裂缝过宽而锈蚀等。2、结构的极限状态2.1、结构的可靠性和可靠度的概念结构可靠性——结构的安全性、适用性和耐久性的总称。结构可靠度——结构在规定时间内，在规定条件下，完成预定功能的概率。规定时间指设计使用年限；规定条件指正常设计、正常施工、正常使用和正常维护，不包括错误设计、错误施工和违反原来规定的使用情况。2.2、结构功能的极限状态（1）定义整个结构或结构的一部份，超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能（安全性、适用性、耐久性）要求，该特定状态称为该功能的极限状态。极限状态承载力极限状态正常使用极限状态2）正常使用极限状态——正常使用极限状态对应于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。这一状态对应于适用性或耐久性的功能。（2）分类1）承载能力极限状态——这种极限状态对应于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。承载能力极限状态主要考虑关于结构安全性的功能。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：●结构构件或连接因材料强度不够而破坏；●整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；●结构转变为机动体系；●结构或结构构件丧失稳定（如柱子被压曲等）。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：●影响正常使用或外观的变形；●影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；●影响正常使用的振动；●影响正常使用的其他特定状态等。3、建筑结构的设计状况根据结构在施工和使用中的环境条件及其影响分为三种设计状况持久状况：再结构使用过程中一定出现、且持续时间很长的状况。短暂状况：再结构施工和使用中出现的概率较大，而与设计使用年限相比起持续很短的状况。偶然状况：再结构施工和使用中出现概率很小，且持续时间很短的状况。4、结构设计原则和方法（1）作用效应和结构抗力的概念作用效应——结构上的各种作用，在结构内产生的内力（轴力、弯矩、剪力、扭矩等）和变形（如挠度、转角、裂缝等）的总称，用S表示。由直接作用产生的效应，通常称为荷载效应。结构抗力——结构或构件承受作用效应的能力，如构件的承载力、刚度、抗裂度等，用R表示。结构抗力是结构内部固有的，其大小主要取决于材料性能、构件几何参数及计算模式的精确性等。荷载效应S荷载效应是指由荷载在结构上产生的各种内力（弯矩、剪力等）和变形（挠度、裂缝等）的统称。一般情况:S=CQ[例]简支梁承受均布荷载q作用，计算跨度为l，由力学计算可知其跨中弯矩M＝，支座剪力V＝。M与VSqQ与C281qlql21281ll21结构抗力R结构抗力是指结构或构件承受各种荷载效应的能力，即承载能力和抗变形能力。R=R(fc,fs,αk…)结构抗力也是一个随机变量，影响因素主要有材料性能（强度、变形模量等物理力学性能）、构件几何参数、配筋情况以及计算模式的精确性等。荷载代表值结构或构件设计时，需针对不同设计目的对荷载赋予一个规定的量值，该量值即为荷载代表值。永久荷载采用标准值为代表值。可变荷载采用标准值、组合值、频遇值和准永久值为代表值。偶然荷载按使用的特点确定代表值。其中荷载标准值为基本代表值。荷载标准值荷载标准值是指在结构使用期间，在正常情况下可能出现的最大荷载值。永久荷载标准值Gk可按结构构件的设计尺寸和材料重力密度计算确定，《荷载规范》中给出了常用材料和构件的自重。可变荷载标准值Qk可直接查《荷载规范》得出。荷载设计值及荷载分项系数荷载类别荷载特征荷载分项系数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1.21.35当其效应对结构有利时一般情况下对结构的倾覆、滑移或漂浮验算1.00.9可变荷载一般情况下对标准值＞4kN／m2的工业房屋楼面活荷载1.41.3荷载设计值＝荷载分项系数×荷载标准值由于荷载是随机变量，考虑其有超过荷载标准值的可能性，设计时将荷载标准值乘以一个大于1的调整系数。它比荷载的标准值具有更大的可靠度。材料强度的取值材料强度设计值＝材料强度标准值/材料分项系数考虑由于材料强度的变异以及几何参数和设计模式的不定性可能使结构抗力进一步降低的不利影响。根据标准试件用标准试验方法测得的具有95％以上保证率的强度值，材料分项系数根据结构可靠度分析，并考虑材料质量的分布规律和一定的保证率确定。由规范或附录直接查用设计基准期和设计使用年限类别设计使用年限（年）示例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结构是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期为50年）。必须说明：当结构的使用年限达到或超过设计基准期后，并不意味结构立即报废，而只意味结构的可靠度将逐步降低。是设计规定的一个期限，是指按规定指标设计的建筑结构或构件，在正常施工、正常使用和维护下，不需进行大修即可达到其预定功能要求的使用年限。结构功能的极限状态能够满足功能要求不能满足功能要求特定状态可靠度可靠失效极限状态承载能力极限状态正常使用极限状态•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时的状态•结构或结构构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值时的状态适用性安全性Z＜0,即R＜S耐久性Z＞0,即R＞S承载能力极限状态正常使用极限状态Z=g(R,S)=R-S功能函数结构抗力荷载效应Z=0,即R=S可靠状态极限状态失效状态结构可靠工作的基本条件为:Z≥0或R≥S承载能力极限状态实用设计表达式γ0S≤R结构重要性系数结构构件抗力设计值R＝R（fc，fs，αk…）荷载效应组合设计值一般排架、框架结构，可采用简化公式：安全等级为三级（或５年）γ0≥０.９安全等级为一级（或100年及以上）γ0≥1.1安全等级为二级（或５０年）γ0≥1.０由永久荷载效应控制的组合：由可变荷载效应控制的组合：【例15.1】已知由永久荷载产生的弯矩标准值Mgk=11kN·m，起控制作用的可变荷载产生的弯矩标准值Mqk=16kN·m，安全等级为二【解】本例中，γ0=1.0，γG=1.2,γQ1=1.4SGk=Mgk=11kN·mSQ1k=Mqk=16kN·mM=γ0(γGSGk+γQ1SQ1k=1.0×(1.2×11+1.4×16)kN·m=35.6kN·m弯矩设计值为35.6kN·m。【例15.2】某教学楼楼面采用预制板，计算跨度l0=5.70m，板宽0.9m，板自重2.2kN/m2。楼面采用水磨石地面（10mm厚面层，20mm厚水泥砂浆打底），板底20mm厚抹灰。楼面活荷载标准值为2.0kN/m2。试求：①板的跨中截面弯矩设计值M;②标准组合荷载效应组合的设计值M；③频遇组合荷载效应组合的设计值M；④准永久组合荷载效应组合的设计值M。【解】(1)①水磨石地面0.65kN/m220mm板底抹灰17×0.02=0.34kN/m2板自重2.2kN/m2gk=(0.65+0.34+2.2)×0.9=2.871kN/m②qk=2.0×0.9=1.8kN/m(2)Mgk=1/8gkl02=11.66kN·mMqk=1/8qkl02=7.31kN·mγG=1.2，γQ=1.4M=γGMgk+γQMqk=24.22kN·mγG=1.35，γQ=1.4,ψci=0.7M=γGMgk+γQψciMqk=22.90kN·m由计算知，楼板荷载效应组合值由可变荷载效应控制。故板跨中截面的弯矩设计值为24.22kN·m