建筑结构的设计标准和设计方法.ppt

第二章 建筑结构的设计标准和设计方法,苏州科技学院 土木工程学院 唐兴荣 博 士 教 授 二O一二年元月,主要内容 第一节 设计基准期和设计使用年限 第二节 结构的功能要求、作用和抗力 第三节 结构可靠度理论和极限状态设计法 第四节 结构构件设计的一般内容,第一节 设计基准期和设计使用年限,一、设计使用年限(design working life) 设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预期目的使用的时期, 即房屋结构在正常设计、正常施工、正常使用和正常维护下所应达到的使用年限，如达不到这个年限则意味着在设计、施工、使用与维修的某一环节上出现了非正常情况，应查找原因, GB500682001规定：结构设计使用年限分类,二、 设计基准期(design reference period) 为确定可变作用及时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数, 建筑结构荷载规范（GB50009-2011）所采用的设计基准期为50年, 设计基准期不等同于建筑结构的设计使用年限。但对于普通房屋和构筑物，设计使用年限和设计基准期均为50年。,第二节 结构的功能要求、作用和抗力,一、结构的功能要求 结构在规定的设计使用年限内应满足下列功能要求： 在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用 在正常使用时具有良好的工作性能 在正常维护下具有足够的耐久性 在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必要的整体稳定性, 项、 项 结构安全性的要求,结构在规定的时间（设计使用年限）内，在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用），完成预定功能的能力 结构的可靠性，包括结构的安全性、适用性和耐久性, 项 结构适用性的要求, 项 结构耐久性的要求,二、作用 1、“结构上的作用”的定义 施加在结构上的集中或分布荷载，以及引起结构外加变形或约束变形（地震、基础沉降、温度变化、焊接等）的原因的总称 action 施加在结构上的集中或分布荷载 直接作用(direct action) 引起结构外加变形或约束变形的原因 间接作用(indirect action),2、“结构上的作用”的分类 按随时间的变异分类 永久作用 在结构使用期间，其值不随时间而变化，或其变化值与平均值相比可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的作用 permanent action 【例如】结构自重，土压力、预加力、基础沉降、焊接、水的浮力、混凝土收缩及徐变作用等 可变作用 在结构使用期间，其值随时间而变化，且其变化值与平均值相比不可以忽略不计的作用 variable action 【 例如】 安装荷载、楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、温度作用等, 偶然作用 在结构使用期间，不一定出现，但一旦出现，其量值很大且持续时间较短的作用 accidental action 【例如】 地震作用（地震力和地震加速度等）、爆炸、船舶或漂流物的撞击作用、汽车撞击作用等, 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的分布 fixed action 【例如】工业与民用建筑楼面上的固定设备荷载、结构构件自重等 可动作用 在结构空间位置上的一定范围内可以任意分布 free action 【例如】工业与民用建筑楼面上的人员荷载、吊车荷载等, 按结构的反应分类 静态作用 不使结构或结构构件产生加速度，或产生的加速度可以忽略不计 static action 【例如】结构自重、住宅与办公楼的楼面活荷载等 动态作用 使结构或结构构件产生不可忽略的加速度 dynamic action 【例如】地震、吊车荷载、设备振动、作用于高耸结构上的风荷载等,3、荷载分类 按作用时间的长短和性质 永久荷载(permanent load) 在结构使用期间 ，其值不随时间而变化，或虽有变化，但变化不大，且其变化值与平均值相比可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。 恒载(dead load) 【例如】结构自重，土压力、预应力等 可变荷载(variable load) 在结构使用期间 ，其值随时间而变化，且其变化值与平均值相比不可以忽略不计的荷载。 活载(live load) 【例如】楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等 偶然荷载accidental load 在结构使用期间不一定出现，但一旦出现，其值很大，作用时间则较短的荷载。 【例如】爆炸力、撞击力等,三、作用效应（effect of an action） 由作用引起的结构或结构构件的反应（如:内力、变形和裂缝等），称为作用效应 由荷载引起的结构或结构构件的内力、变形，称为荷载效应,跨中弯矩,支座剪力,跨中挠度,作用效应,作用效应系数,荷载, 作用效应可根据材料力学或结构力学的方法计算, 作用效应=作用效应系数作用随机变量,作用效应系数与结构或构件的支承情形、跨度、截面几何特性有关,四、抗力 1、 “结构构件抗力”定义 结构构件承受外加作用的各种能力 Resistance R 2、 结构抗力层次 整体结构抗力 结构构件抗力 构件截面抗力 截面各点的抗力,3、影响结构构件抗力的因素 材料性能f (material property) 结构构件的各种物理力学性能 - 强度、弹性模量、泊松比等 几何参数a (geometrical parameter) 宽度、有效高度、面积、面积矩、抵抗矩、惯性矩等； 计算模式p (calculating model) R=f (f,a,p,.)“第二篇 混凝土结构设计”中介绍,一、结构的可靠度 定义 结构在规定的时间（设计使用年限）内，在规定的条件（正常设计、正常施工、正常使用）下，完成预定功能的的概率 结构可靠性的概率度量 结构可靠度是以正常设计、正常施工、正常使用为条件的，不考虑人为过失的影响。 人为过失应通过其他措施予以避免。,第三节 结构可靠度理论和极限状态设计法,（1） 极限状态方程 基本变量: 作用效应S、结构抗力R 随机变量 结构的功能函数 Z=g(R,S)=R-S 极限状态方程 Z=g(R,S)=R-S= 0,S,R,Z=R-S= 0,Z0 可靠区,Z0 失效区,0,二、结构可靠度理论简介,（2）结构可靠度的度量 结构可靠度满足 Z0具有相当大的概率 或 Z0具有相当小的概率 结构完成预定功能的概率 P s=P (Z0) 可靠概率 结构不能完成预定功能的概率P f=P (Z0 ) 失效概率 P s +P f =1 P f =1- P s 采用失效概率P f来度量结构的可靠度,标准正态分布曲线 N(0 ,1),正态分布曲线 N( , ),可靠概率、失效概率和可靠度指标,（3）结构可靠指标 若R N(R , R)，S N(S , S) ，且R、S 相互独立, Z=R-S N(z , z) ， z = R - S ， 2z= 2R + 2S,= z / z P f P s,结构可靠指标, P f =1- ( ), P s +P f =1, 可用结构可靠指标 来度量结构的可靠性,（4）建筑结构的安全等级 结构破坏可能产生的后果(危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等)的严重性 一级、二级、三级 建筑物中各类结构构件的安全等级，宜与整个结构的安全等级相同。 对其中部分结构构件的安全等级可进行调整，但不得低于三级。,表2-4 建筑结构的安全等级（GB50068), 确定考虑的因素： 公众心理 =2.5 4.0 对工程结构，在设计基准期内，Pf 510-3 结构较安全 Pf 510-4 结构安全 Pf 510-5 结构很安全 结构重要性 结构的安全等级（一级、二级、三级） 结构破坏性质 脆性结构的应高于延性结构的 延性破坏 结构构件在破坏前有明显的变形或其他预兆 脆性破坏 结构构件在破坏前无明显的变形或其他预兆 社会经济承受力,（5）结构设计可靠指标 ,结构可靠 经济, GB50068-2001 规定值 现有结构构件的可靠度分析（采用“校准法”），并考虑使用经验和经济因素等确定。 安全等级（一级、二级、三级） 破坏类型（延性破坏、脆性破坏）,表2-5 结构构件承载力极限状态的可靠指标 （ GB50068 ）,建筑结构设计统一标准（GB50068）以建筑结构安全等级为二级时延性破坏的值作为基准，其他情况下相应增减0.5,可靠指标与失效概率运算值pf的关系,三、极限状态、极限状态方程 “极限状态(limit state)”定义 整个结构或结构的一部分超过某一特定状态(达到极限承载力；失稳；变形、裂缝宽度超过某一规定限制等)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 结构的极限状态 结构失效的临界状态 “极限状态”分类 承载能力极限状态 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力或不适于继续承载的变形, 承载能力极限状态标志 （1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡 （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）结构转变为机动机构 （4）结构或结构构件丧失稳定性 (5) 地基丧失承载力而破坏, 保证结构或构件的安全性, 正常使用极限状态 结构或结构构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值, 正常使用极限状态标志 （1）影响正常使用或外观的变形 （2）影响正常使用或耐久性的局部破坏(包括裂缝) （3）影响正常使用的振动 （4）影响正常使用的其它特定状态（例：渗漏、腐蚀、冻害等), 保证结构或构件的适用性、耐久性, 结构的三种设计状态（根据结构在施工和使用中的环境条件和影响） 1、持久状况 在结构使用过程中一定出现，其持续期很长(一般与设计使用年限为同一数量级)的状况。 2、短暂状况 在结构施工和使用过程中出现概率较大，而与设计使用年限相比，持续期很短的状况。如施工和维修等。 3、偶然状况 在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的状况，如火灾、爆炸、撞击等。 建筑结构的三种设计状况应分别进行承载力极限状态设计 1、对三种状况，均应进行承载力极限状态设计 2、对持久状况，尚应进行正常使用极限状态设计 3、对短暂状况，可根据需要进行正常使用极限状态设计,四、规范设计表达式 （一）承载能力设计表达式 结构重要性系数 0 S R 结构构件抗力设计值 作用效应组合设计值 结构重要性系数 0 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，即0 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，即0 1.0 对安全等级为三级或设计使用年限为5年的结构构件，不应小于0.9，即0 0.9 考虑不同投资主体对建筑结构可靠度的要求可能不同，允许0 1.1 、 1.0、 0.9, 结构抗力设计值R,R =R（ R ，f k，ak，.）= Rk / R, 荷载效应组合设计值S,（1） 基本组合,由可变荷载效应控制的组合,由永久荷载效应控制的组合,取最不利值,注意, 当对SQi k 无法明显判断时，轮次以各可变荷载效应为SQ1 k ，选其中最不利的荷载组合；, 当考虑以竖向的永久荷载效应控制的组合时，参与组合的可变荷载仅限于竖向荷载。,其中， G 永久荷载分项系数 Q可变荷载分项系数 SG k 永久荷载效应标准值， SG k =CG Gk SQ k 可变荷载效应标准值， SQ k =CQ Qk Gk 永久荷载标准值 Qk可变荷载标准值 ci第i个可变荷载的组合系数, 承载能力极限状态设计表达式, 对于一般排架、框架结构，基本组合可采用简化规则,（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,取最不利值,简化设计表达式中采用的荷载组合系数,一般情况下可取=0.90,当只有一个可变荷载时，取 =1.0,（二）正常使用极限状态 正常使用极限状态保证结构或构件的适用性、耐久性 允许其出现的概率高于承载能力极限状态 采用荷载效应的标准组合、频遇组合和准永久组合 S C 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f lim、裂缝宽度w lim等, 频遇组合,荷载效应组合的设计值S, 标准组合 标准效应组合设计值S ：, 准永久组合,荷载效应组合的设计值S,f1 SQ1 k在频遇组合中起控制作用的一个可变荷载频遇值效应,qiSQi k 第i个可变荷载准永久值效应,表2-2 混凝土结构的环境类别（GB50010-2010）,表2-6 结构构件的裂缝控制等级及最大裂缝宽度的限值（mm）,注：1 对处于年平均相对湿度小于60%地区一类环境的受弯构件，其最大裂缝宽度限值可采用括号内的数值 2 在一类环境下，对钢筋混凝土屋架、托架及需作疲劳验算的吊车梁，其最大裂缝宽度限值应取0.20mm；对钢筋混凝土屋架梁和托梁，其最大裂缝宽度限值应取为0.30mm 3 对于处于四、五类环境下的结构构件，其裂缝控制要求应符合专门标准的有关规定 4 表中的最大裂缝宽度限值为用于验算荷载作用引起的最大裂缝宽度。,表2-7 受弯构件的挠度限制,注：1 表中l0为构件的计算跨度；计算悬臂构件的挠度限值时，其计算跨度l0按实际悬臂长度2倍取用 2 表中括号内的数值适用于使用上对挠度有较高要求的构件 3 构件制作的起拱值和预加力所产生的反拱值，不宜超过构件在相应荷载组合作用下的计算挠度值,(三) 设计表达式中各分项系数确定 1、荷载分项系数（ G 、 Q ）确定 以恒载+一个可变荷载的简单情况确定 S *G+S *Q=R * G S G k+ Q S Qk=R k/ R (S *G、S *Q 、 R *)可靠度指标及各基本变量平均值、均方差有关。 G 、 Q 及R值，则按极限状态设计达设计所得的结构构件的可靠度指标 与目标可靠指标不一致。当 - 达最小时， G 、 Q 即为所求。, 永久荷载分项系数G （1）当其效应对结构不利时 G =1.2（由可变荷载效应控制的组合） G =1.35（由永久荷载效应控制的组合） （2）当其效应对结构有利时 G =1.0（一般情况下） G =0.9（结构的倾覆、滑移或漂浮验算） 可变荷载分项系数Q Q =1.4（一般情况下） Q =1.3（标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载),2、抗力分项系数R的确定,按规定的目标可靠指标进行设计时，最优的抗力分项系数R ：,=SQk/SGk=0.1、0.25、0.5、1.0、2.0,S = G SGk + Q SQk,R*k某一值和目标可靠指标下，按概率法确定的结构构件抗力标准值,3、荷载组合值系数 c 的确定 设计中G 、 Q 按最简单组合确定，当结构承受两种或两种以上可变荷载时， G 、 Q 不变，引入组合系数c对可变荷载标准值进行折减，使计算得到的1与按简单组合情况下可靠度指标具有最佳一致性 GB50068 c取值 c =0.6 （风荷载） c =0.7 （其他可变荷载） 任何情况下 c f （频遇值系数）,第四节 结构构件设计的一般内容,一、结构设计的主要内容 建筑设计主要是建筑物的建筑功能与造型设计 结构设计主要是考虑选择什么材料，采用什么型式的构件才能安全可靠、经济合理、技术先进地组建这幢建筑。实质上，结构设计是针对作用于结构或构件上的各种荷载及这些荷载所产生的效应，使建筑物在施工与使用期间处于安全可靠状态，确保建筑物的正常使用。 二、结构设计的基本步骤 结构选型 结构布置 结构或构件计算 单个构件的设计计算 绘制结构施工图, 结构选型（见第一章内容） 结构选型的原则 依据建筑物的使用特点，结合当地建筑材料供应，工业废料的利用情况，当地的施工条件和具体工程地质条件等因素，经过细致的分析比较，遵照使用、经济、合理的原则选定。 结构布置 建筑物结构构件的类型、数量、位置，布置在结构平面图上，形成结构布置图。 建筑物结构构件包括：屋盖、楼盖、墙、柱、基础等主要结构构件，以及根据房屋的需要设置门窗过梁、雨篷、阳台、楼梯、圈梁、构造柱等结构构件。 结构布置图的作用： （1）检查、比较结构构件的传力路径是否合理； （2）尽量减小各结构构件的跨度，以节约用料，降低工程造价； （3）可以统计工程所需的结构构件的种类、数量，区分哪些构件可以选用定型构件，哪些需要特殊设计； （4）可以明确哪些需要作特殊设计的构件种类，轴线位置，承受荷载的型式、大小，为今后单个构件的设计提供计算简图的资料； （5）可以根据具体情况反映建筑物中各种结构变形缝（伸缩缝、沉降缝、抗震缝）的位置。, 结构或构件计算（计算简图确定） 计算简图必须满足两个基本要求： （1）能正确反映结构构件的实际工作情况； （2）便于计算分析。 计算简图内容 （1）结构的型式（单跨、多跨、铰支、固定、刚架、框架、供、桁架等） （2）计算跨度（单跨、多跨、不等跨等） （3）荷载作用形式、位置、大小 计算简图的简化步骤 （1）构件简化； （2）支座的简化与计算跨度； （3）荷载简化与荷载计算,（1）构件简化 单个构件的简化一般都用构件的纵向轴线来表示 梁、板、柱及墙等构件纵轴线为直线，在计算简图中就用相应的直线来表示； 曲梁、拱等构件的纵轴线为曲线，在计算简图中则用相应的曲线来表示,构件简化, 组合构件或构件整体（由单个构件连接）的简化 将其内部的单个构件用纵轴线表示，其内部各构件之间的连接（铰接点、刚节点）进行简化,钢筋混凝土三铰刚架的节点,（2）支座的简化与计算跨度 支座简化（可动铰支座、不动铰支座和固定支座 ） 凡能阻止构件支承端产生竖向移动，但不能阻止构件自由转动和左右移动的支座称为可动铰支座，又称辊轴支座（图）。,(a) (b) (c) (d) 可动铰支座,凡能阻止构件支承端产生竖向移动和左右移动，但不能阻止构件发生转动的支座称为不动铰支座，又称固定铰支座（图）。,(a) (b) (c) (d) 不可动铰支座,常见铰支座的构造形式,既能阻止构件支承端产生竖向移动和左右移动，又能阻止构件发生转动的支座称为固定支座（图）,常见固定支座的构造形式,(a) (b) (c) (d) 固定支座,应特别注意： 当采用不同的配筋措施时，将出现不同的支承条件。不同的支承条件将得出不同的结构计算简图，构件的内力也将完全不同。 计算跨度 计算跨度的取值 =支座反力作用点间的距离,梁、板的计算跨度,（3）荷载简化与荷载计算 荷载简化 荷载简图的形式：通常有线荷载（均布荷载、三角形荷载和梯形荷载）、集中荷载和力偶,荷载简图, 荷载计算 各类荷载按建筑结构荷载规范（GB50009-2011）的规定取用。 应注意： （1）荷载代表值设计中用以验证极限状态所采用的荷载值，包括标准值、组合值、频遇值和准永久值 （2）荷载标准值 恒载标准值Gk=结构设计规定的尺寸和材料或结构构件单位体积的自重 （P30 表2-8常用材料和构件的自重应记住） 可变荷载标准值Qk = 建筑结构荷载规范（GB50009-2011）的规定取用 （P31 表2-9 主要民用建筑楼面均布活荷载标准值及相关系数应记住） P31 表