建筑结构的基本设计原则.ppt

第3章 建筑结构的基本设计原则 u结构功能要求与极限状态 u极限状态设计的基本原理 u极限状态设计表达式 3.1 结构的功能要求与极限状态 3.1.1 结构的功能要求 uu结构设计使用年限和设计基准期结构设计使用年限和设计基准期 l l 设计基准期：设计基准期：T=50T=50年年 l l 设计使用年限设计使用年限 uu结构设计目的结构设计目的 用最经济的手段，使结构在规定的时间内和用最经济的手段，使结构在规定的时间内和 在规定的条件下，完成各项预定功能的要求。在规定的条件下，完成各项预定功能的要求。 类别类别设计设计 使用年限（年）示例 15临时临时 性建筑 225易于替换换的结结构构件 350普通房屋和构筑物 4100纪纪念性建筑和特别别重要的建筑结结 构 使用年限分类使用年限分类 3.1.1 结构的功能要求 uu建筑结构的功能要求建筑结构的功能要求 l安全性 建筑结构在其设计使用年限内应能够承受可能出现的各 种作用。且在设计规定的偶然事件发生时及发生后，结构应能保 持必需的整体稳定性，不致倒塌。 l适用性 建筑结构在其设计使用年限内应能满足预定的使用要求 ，有良好的工作性能，其变形、裂缝或振动等性能均不超过规定 的限度等。 l耐久性 建筑结构在其设计使用年限内应有足够的耐久性。例如 保护层厚度不得过薄、裂缝不得过宽而引起钢筋锈蚀等。 3.1.1 结构的功能要求 uu结构可靠性与可靠度结构可靠性与可靠度 l结构可靠性 结构在规定的时间内(即设计使用年限)，在规定的条件下(结构正 常的设计、施工、使用和维修条件)，完成预定功能(如承载力、 刚度、稳定性、抗裂性、耐久性和动力性能等)的能力。 l结构可靠度 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， 即结构可靠度是结构可靠性的概率度量。 uu结构的安全等级结构的安全等级 安全等级级破坏后果建筑类类型 一级级很严严重重要房屋 二级级严严重一般房屋 三级级不严严重次要房屋 建筑结构的安全等级建筑结构的安全等级 uu结构的设计使用年限结构的设计使用年限 设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用 的时期的时期 。 3.1.1 结构的功能要求 uu结构极限状态的定义结构极限状态的定义 3.1.2 结构极限状态的定义与分类 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，此特定状态称为该功能的极限状态。定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。 l结构可靠 结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是 “可靠”的或“有效”的。 l结构不可靠 结构不能够满足功能要求而良好地工作，则称结构 是“不可靠”的或“失效”的。 3.1.2 结构极限状态的定义与分类 建筑结构可靠度设计统一标准将结构的极限状态分为两类 ：承载能力极限状态及正常使用极限状态。 uu结构极限状态的分类结构极限状态的分类 l承载力能力极限状态 （第一类） 超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求 结构或构件达到最大承载力（包括疲劳） 结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移） 结构塑性变形过大而不适于继续使用 结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰） 结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳） uu结构极限状态的分类结构极限状态的分类 l正常使用极限状态（第二类） 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。 过大的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、不能 正常使用（吊车）等）； 过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）； 过大的振动（不舒适）； 其他正常使用要求。 3.1.3 三种设计状况 uu持久状况持久状况 持续期长的状态，持续期长的状态，如家具、设备 uu短暂状态短暂状态 持续期短的状态，如施工、维修 uu偶然状态偶然状态 持续期短且出现频率小，如火灾、爆炸 3.2 极限状态设计原理 3.2.1 作用效应（S）和结构抗力（R） u结构上的作用 施加在结构上的集中力或分布力（直接作用，也称为荷载）和引 起结构外加变形或约束变形的原因（间接作用）。 u作用效应 由于直接作用或间接作用作用于结构构件上，在结构内产生的内 力和变形(如轴力、弯矩、剪力、扭矩、挠度、转角和裂缝等)。 u结构抗力 结构或结构构件承受内力和变形的能力(如构件的承载能力、刚 度等)。 结构上的作用、作用效应、结构抗力均是随机变量 3.2.1 作用效应（S）和结构抗力（R） u结构上的作用分类 l按随时间的变异分类 永久作用 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。 可变作用 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。 偶然作用 在设计基准期内出现或不一定出现，而一旦出现其量值很大且持 续时间很短的作用。 3.2.1 作用效应（S）和结构抗力（R） l按随空间位置的变异分类 固定作用 在结构空间位置上具有固定分布的作用。 可动作用 在结构空间位置上的一定范围内可以任意分布的作用。 l按结构的反应分类 静态作用 使结构产生的加速度可忽略不计的作用。 动态作用 使结构产生的加速度不可忽略的作用。 3.2.2 结构的功能函数与极限状态方程 结构的功能函数 结构工作状态可以用S和R关系式来描述，这种表达式称 为结构的功能函数，以Z表示 随机变量Z的不同取值三种工作状态： Z0 结构或构件处于可靠状态 Z R S R ）的概率。的概率。 3.2.4 结构可靠度、失效概率 和可靠指标 uu可靠指标可靠指标 失效概率与功能函数失效概率与功能函数Z Z平均值到坐标原点的距离有关平均值到坐标原点的距离有关, ,取取 bsz 3.2.4 结构可靠度、失效概率 和可靠指标 b 值2.73.23.74.2 失效概率Pf3.510-36.910-41.110-41.310-5 结构功能函数结构功能函数 失效概率失效概率 经坐标变换，将Z标准化 令 由 得 于是 3.2.4 结构可靠度、失效概率 和可靠指标 uu目标可靠指标目标可靠指标 l承载能力极限状态 破坏类类型安全等级级 一级级二级级三级级 延性破坏3.73.22.7 脆性破坏4.23.73.2 l正常使用极限状态 根据其可逆程度宜取01.5 3.3 概率极限状态设计表达式 3.3.1 作用效应（S）和结构抗力（R） u结构上的作用 施加在结构上的集中力或分布力（直接作用，也称为荷载）和引起结 构外加变形或约束变形的原因（间接作用）。 u作用效应 由于直接作用或间接作用作用于结构构件上，在结构内产生的内力和 变形(如轴力、弯矩、剪力、扭矩、挠度、转角和裂缝等)。 uu结构抗力结构抗力 结构或结构构件承受内力和变形的能力结构或结构构件承受内力和变形的能力( (如构件的如构件的承载能力、刚度承载能力、刚度等等) ) 。 结构上的作用、作用效应、结构抗力均是随机变量结构上的作用、作用效应、结构抗力均是随机变量 q V M 3.3.2 荷载和材料强度的取值 uu荷载荷载 在结构使用期间，其值在结构使用期间，其值不随时间变化，或其变化不随时间变化，或其变化 与平均值相比可以忽略不计与平均值相比可以忽略不计的荷载。也称的荷载。也称恒荷载恒荷载 或或恒载恒载。比如结构自重或土压力等。比如结构自重或土压力等。 在结构使用期间，其值在结构使用期间，其值随时间变化，或其变化与随时间变化，或其变化与 平均值相比不可以忽略不计平均值相比不可以忽略不计的荷载。也称的荷载。也称活荷载活荷载 或或活载活载。比如楼面活载、屋面活载、雪荷载、风。比如楼面活载、屋面活载、雪荷载、风 荷载、吊车荷载等。荷载、吊车荷载等。 在结构使用期间在结构使用期间不一定出现不一定出现，而，而一旦出现一旦出现, ,其量其量 值很大而持续时间较短值很大而持续时间较短的荷载。比如爆炸力、撞的荷载。比如爆炸力、撞 击力等。击力等。 永久荷载永久荷载 可变荷载可变荷载 偶然荷载偶然荷载 3.3.2 荷载和材料强度的取值 uu荷载代表值荷载代表值 建筑结构设计时，对不同荷载应采用不同的设计值。建筑结构设计时，对不同荷载应采用不同的设计值。 l l 对永久荷载应采用对永久荷载应采用标准值标准值作为代表值；作为代表值； l l 对可变荷载应根据设计要求采用对可变荷载应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准标准值、组合值、频遇值或准 永久值永久值作为代表值；作为代表值； l l 对偶然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表值。对偶然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表值。 u荷载代表值类别 荷载标载标 准值值 荷载载的基本代表值值，是指结结构在其使用期间间, 正常情况下可能 出现现的最大荷载值载值 。 荷载频载频 遇值值 正常使用极限状态态按频频遇组组合设计设计 采用的一种可变变荷载载代表 值值 。 荷载载准永久值值 正常使用极限状态态按准永久组组合和频频遇组组合设计设计 采用的一种 可变变荷载载代表值值。 荷载组载组 合值值 当结结构承受两种或两种以上可变变荷载时载时 ，承载载能力极限状态态 按基本组组合设计设计 和正常使用极限状态态按标标准组组合设计设计 采用的可变变荷载载代表 值值。 3.3.2 荷载和材料强度的取值 uu材料强度标准值材料强度标准值 具有不小于具有不小于9595的保证率的材料强度值称为材料强度标准值的保证率的材料强度值称为材料强度标准值 。 l钢材的强度标准值 规范将热轧钢筋的强度标准值取为 冶金部门颁布的屈服强度废品限值 ，其保证率为97.73。 l混凝土的强度标准值 取保证率为95%的强度值为混凝土强度 标准值 l l 基本表达式基本表达式 0 0 - -结构重要性系数结构重要性系数 S S - -荷载效应的基本组合（设计值）荷载效应的基本组合（设计值） R R - -结构抗力结构抗力 f f - -材料强度设计值材料强度设计值 3.3.3 极限状态设计表达式 uu承载能力极限状态设计表达式承载能力极限状态设计表达式 3.3.3 极限状态设计表达式 uu承载能力极限状态设计表达式承载能力极限状态设计表达式 l结构重要性系数 结构重要性系数结构重要性系数 0 0 按按安全等级确定 0 0 =1.1, =1.1, 安全等级为一级 0 0 =1.0, =1.0, 安全等级为二级 0 0 =0.9 =0.9 安全等级为三级 承载能力极限状态设计表达式 l由永久荷载控制的效应组合 l由可变荷载控制的效应组合 g g GG& & g g QiQi：永久荷载和可变荷载分项系数； ：永久荷载和可变荷载分项系数； GG k k ：恒荷载标准值；：恒荷载标准值； QQ1k 1k ：最大的活荷载的标准值； ：最大的活荷载的标准值； ：其他活荷载的组合系数；：其他活荷载的组合系数； QQik ik：其他活荷载的标准值； ：其他活荷载的标准值； g g R R ：材料强度分项系数。：材料强度分项系数。 取该二取该二 种组合种组合 的最不的最不 利值。利值。 承载能力极限状态设计表达式 l材料强度分项系数 l荷载分项系数 可变荷载起控制作用可变荷载起控制作用 G G =1.2=1.2， Q Q =1.4 =1.4 楼面均布荷载大于等于楼面均布荷载大于等于4KN/m4KN/m 2 2 时，时， Q Q =1.3 =1.3 永久荷载有利时，永久荷载有利时， G G =1.0=1.0，0.90.9 永久荷载起控制作用永久荷载起控制作用 G G =1.35=1.35 强度设计值强度设计值= =强度标准值强度标准值/ /材料强度分项系数材料强度分项系数 s s =1.11.2 =1.11.2（钢），（钢）， c c = 1.35 = 1.35（砼）（砼） ， 材料强度强度设计值可直接查规范。材料强度强度设计值可直接查规范。p338p338 l l 基本表达式基本表达式 即即 CC：一般指正常使用要求的规定限值：变形，抗裂度或裂缝：一般指正常使用要求的规定限值：变形，抗裂度或裂缝 宽度（裂缝控制），应力，幅值等。宽度（裂缝控制），应力，幅值等。 3.3.