混凝土结构设计的一般原则和方法课件

吴晓春 武汉科技大学城建学院土木系结构教研室 2014.2,混凝土结构设计 砌体结构设计,介绍房屋建筑工程中混凝土结构的设计方法 混凝土结构设计一般原则 楼盖和楼梯 单层工业厂房 框架结构设计,课程内容侧重于结构整体设计： 结构方案和结构体系的选择，进行结构布置 确定计算简图 选择合适的结构分析方法 计算作用、作用效应，进行作用效应组合 构件截面设计及构件间的连接构造设计,10.1一般原则,10.1.1结构组成和类型 10.1.2结构设计的阶段和内容 10.1.3结构设计的一般原则,10.1.1结构组成和类型,1.建筑结构是在建筑物或构筑物中起骨架(承受和传递荷载)作用的主要物体。 2.组成建筑结构的基本部件称为构件 (Structural elements )。,按建筑物的使用性质分 1.住宅建筑 2.公共建筑 3.商业建筑 4.文教卫生建筑 5.工业建筑 6.农业建筑,建筑物结构采用的材料 1.生土建筑 2.木结构、 3.砌体结构、 4.混凝土结构、 5.钢结构 6.钢-混凝土组合结构 7.薄膜充气结构。,按结构体系分 a. 墙体结构 b.框架结构、 c.错列桁架 e.筒体结构、 d框架-剪力墙结构、 e.拱结构 f.网架结构 g.薄壳结构 h.悬挂结构 i.空间折板结构折板结构,10.1.2结构设计的阶段和内容,介入质监和监理工作,基本建设工作程序和内容,2 房屋建筑工程的设计阶段,（1）方案设计阶（scheme design） （2）初步设计阶段（preliminary design） （3）技术设计阶段（technical design） （4）施工图设计阶段（working drawing design）,结构方案的确定：确定结构形式 确定结构体系 是结构设计中最重要的一项工作，关系着结构设计成败的关键。,结构分析是指采用力学和数学方法对结构在各种作用下的内力、变形等作用效应进行计算，是结构设计的重要内容。 1.分析模型 2.边界条件 3.初始条件 4.分析方法 合理地确定力学模型和选择分析方法是提高设计质量、确保结构安全可靠的重要环节。,结构分析,1.分析模型,1.分析模型,2.边界条件,4.分析方法,10.1.3结构设计的一般原则,安 全 适 用 耐 久 经 济,10.2建筑结构荷载,10.2.1作用与荷载 10.2.2荷载分类 10.2.3荷载代表值 10.2.4竖向荷载 10.2.5风荷载,10.2.1作用与荷载,1. 作用：使结构产生内力或变形的原因 施加在结构上的集中力或分布力， 引起结构外加变形或约束变形的原因， 如地震、基础差异沉降、温度变化、混凝土收缩等。 2.作用效应(effect of an action): 上述各种作用作用在结构或结构构件上，由此在结构内产生的内力和变形（如轴力、剪力、弯矩以及挠度、转角和裂缝等）,10.2.2荷载分类,（1）按随时间的变异： 永久作用、可变作用、偶然作用。 （2）按随空间位置的变异： 固定作用、自由作用 （3）按结构的反应特点： 静态作用、动态作用,10.2.3荷载代表值,(1)荷载标准值(characteristic value of a load) 永久(permanent)荷载标准值 可变(variable)荷载标准值 (2)可变荷载的频遇值frequent value ： (3)可变荷载的准永久值Quasi-permanent ： (4)荷载组合值 Combination value,10.2.4竖向荷载,1.楼、屋面荷载：竖向恒荷载、竖向活荷载 （1） 民用建筑楼面均布活荷载 (2) 工业建筑楼面活荷载 (3) 屋面活荷载：不应与雪荷载同时组合,10.2.4竖向荷载,2.雪荷载：屋面水平投影面上的雪荷载标准值 skrso (10.1) 式中 Sk雪荷载标准值(kN/m2)； r屋面积雪分布系数；根据不同类别的屋面形式，按表10.3采用。 So基本雪压(kNm2)。基本雪压应按荷载规范附录D.4中附表n4给出的50年一遇的雪压采用。对雪荷载敏感的结构，基本雪压应适当提高，并应由有关的结构设计规范具体规定。,设计建筑结构及屋面的承重构件时，应按下列规定采用积雪的分布情况： （1）屋面板和擦条按积雪不均匀分布的最不利情况采用; （2） 屋架和拱壳应分别按全跨积雪的均匀分布、不均匀分布和半跨积雪的均匀分布按最不利情况采用; （3） 框架和柱可按全跨积雪的均匀分布情况采用。,2.雪荷载,10.2.5风荷载,风荷载是空气流动对工程结构所产生的压力。风荷载与基本风压、地形、地面粗糙度、距离地面高度，及建筑体型等诸因素有关,顺风向的平均风引起的静力风荷载； 与平均风向一致的顺风脉动风荷载； 与平均风向垂直的横风向脉动风荷载；,10.2.5风荷载,w0 - 基本风压(kNm2)，以当地空旷平坦地面上离地10 m高统计所得的50年一遇10 s平均最大风速确定的风压值。取值按荷载规范中全国基本风压分布图的规定采用，W00.3 kNm2 ；,10.2.5风荷载,s-风荷载体型系数指作用在建筑物表面实际压力(或吸力)与基本风压的比值，它表示建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律，主要与建筑物的体型、尺度、表面位置、表面状况有关.,风载体型系数,风流经建筑平面时的风压分布系数(表面风压/基本风压),驻涡区,迎风面 背风面 风流经建筑立面时的风压分布系数,10.2.5风荷载,z-风压高度变化系数，在10 m高度以上，风压、风速随高度增加，建筑物在离地面300一500 m以内时，风速随高度增加的规律与地面粗糙度有关，荷载规范规定，地面租糙度可分为A、B、C、D类，,A类指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区， B类指田野、乡村、丛林、丘陵及房屋比较稀疏的中、小城镇和大城市郊区， C类指有密集建筑群的大城市市区， D密集建筑群较高的大城市市区从可查荷载规范表621确定,4.风振系数（顺风向）,T10.25s的各种高耸结构,以及H30m且H/B1.5的房屋均应构产生顺风向风振的影响。顺风向风振响应计算应按结构随机振动理论进行。对于符合本规范第8.4.3 条规定的结构，可采用风振系数法计算其顺风向风荷载。 注: 1 结构的自振周期应按结构动力学计算;近似的基本自振周期T1 可按附录F 计算; 2 高层建筑顺风向风振加速度可按本规范附录J 计算。,4.风振系数（顺风向）,对于一般竖向悬臂型结构，例如高层建筑和构架、塔架、烟囱等高耸结构，均可仅考虑结构第一振型的影响，结构的顺风向风荷载可按公式(8. 1. 1-1)计算。z 高度处的风振系数 可按 下式计算:,4.风振系数（顺风向）,4.风振系数（顺风向）,4.风振系数（顺风向）,10.3结构的功能要求和极限状态,1.结构的安全等级(safety class) 结构的安全等级根据结构破坏可能产生的后果，即危及人的生命、造成的经济损失、产生社会影响等的严重程度确定。,建筑结构的安全等级,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，但允许对部分结构构件根据其重要程度和综合效益进行适当的调整。,10.3结构的功能要求和极限状态,2 设计使用年限(design working life)和设计基准期（design reference period),设计使用年限是指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，即结构在规定的条件下所应达到的使用年限。,设计使用年限的概念不同于实际寿命、耐久年限或设计基准期。建筑结构可靠度设计统一标准规定了各类建筑结构的设计使用年限。,设计基准期指为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数。统一标准规定设计基准期为50年。,房屋建筑结构设计使用年限分类及荷载调整系数,10.3结构的功能要求和极限状态,3.结构的功能要求 （1）安全性Safety； （2）适用性Serviceability； （3）耐久性Durability （4） 经济Ecnonomy。,10.3结构的功能要求和极限状态,1.结构的功能函数,按极限状态方法设计建筑结构时，要求所设计的结构具有一定的预定功能，这可用包括各有关变量在内的结构功能函数来表达，即,2.极限状态方程,当功能函数中仅包括作用效应 和结构抗力 两个基本变量时，可得,结构处于可靠状态,结构处于失效状态,结构处于极限状态,功能函数,10.3结构的功能要求和极限状态,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。极限状态实质上是区分结构可靠与失效的界限。,极限状态分为两类：,承载能力极限状态,正常使用极限状态,安全性,适用性、耐久性,通常对结构构件先按承载能力极限状态进行承载能力计算，然后根据使用要求按正常使用极限状态进行变形、裂缝宽度或抗裂等验算。,10.4按近似概率的极限状态设计法,1.结构可靠度就是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。,10.4按近似概率的极限状态设计法,2.结构的失效概率可直接通过 的概率（图中阴影面积）来表达，即,10.4按近似概率的极限状态设计法,3.结构构件的可靠指标,与 的对应关系,10.4按近似概率的极限状态设计法,结构构件承载能力极限状态的目标可靠指标,10.5实用设计表达式,结构设计时为保证所设计的结构安全可靠，如果事先给定一个SR的设计表达式和给定的目标可靠指标(即给定了失效概率Pf)，通过调整设计计算时荷载和材料强度的取值，就可以在当SR时，其相应的可靠指标(或失效概率)也满足要求。于是分项系数是按照目标可靠指标值，并考虑工程经验优选原则进行确定，通过分项系数即可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。 例如，永久荷载和可变荷载组合下的设计表达式可为,10.5实用设计表达式,1.承载能力极限状态设计表达式,结构重要性系数；,结构构件的承载力设计值；,结构构件的承载力函数；,混凝土、钢筋的强度设计值；,混凝土、钢筋的强度标准值；,结构构件的承载力设计值；,几何参数的标准值；,荷载效应组合的设计值。,0SdRd,1.承载能力极限状态设计表达式,荷载效应组合分为基本组合和偶然组合。,（1）基本组合：荷载效应组合的设计值应从下列组合中取最不利值确定：,可变荷载效应控制组合：,永久荷载效应控制组合：,第j个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;,1.承载能力极限状态设计表达式,荷载效应组合分为基本组合和偶然组合。,（1）基本组合：荷载效应组合的设计值应从下列组合中取最不利值确定：,可变荷载效应控制组合：,永久荷载效应控制组合：,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载取值1.3；,一第i 个可变荷载考虑设计使用年限的调整系数，其中为主导可变荷载Ql 考虑设计使用年限的调整系数；,1.承载能力极限状态设计表达式,取消原第3.2.4条关于一般排架、框架结构基本组合的简化规则。主要考虑到简化规则缺乏理论依据，现在结构分析及荷载组合基本由计算机软件完成，简化规则已经用得很少。,（1）基本组合：荷载效应组合的设计值应从下列组合中取最不利值确定：,可变荷载效应控制组合：,永久荷载效应控制组合：,按永久荷载标准值Gk计算的荷载效应值； 按可变荷载标准值Qik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Q的组合值系数，其值不应大于1.0，按建筑结构荷载规范GB 50009有关规定取用； m参与组合的永久荷载数。 n参与组合的可变荷载数。,1.承载能力极限状态设计表达式,荷载效应组合分为基本组合和偶然组合。,（1）基本组合：荷载效应组合的设计值应从下列组合中取最不利值确定：,可变荷载效应控制组合：,永久荷载效应控制组合：,1.承载能力极限状态设计表达式,（2）偶然组合：偶然组合荷载效应组合的设计值宜按下列规定确定。 用于承载能力极限状态计算的效应设计值，应按下式进行计算： 按偶然荷载标准值Ad计算的荷载效应值； 第1个可变荷载的频遇值系数； 第i个可变荷载的准永久值系数。,1.承载能力极限状态设计表达式,（2）偶然组合：偶然组合荷载效应组合的设计值宜按下列规定确定。 用于偶然事件发生后受损结构整体稳固性验算的效应设计值，应按下式进行计算 偶然事件的发生是一个强不确定性事件，偶然荷载的大小也是不确定的，所以实际情况下偶然荷载值超过规定设计值的可能性是存在的，按规定设计值设计的结构仍然存在破坏的可能性;但为保证人的生命安全，设计还要保证偶然事件发生后受损的结构能够承担对应于偶然设计状况的永久荷载和可变荷载。所以，表达式分别给出了偶然事件发生时承载能力计算和发生后整体稳固性验算两种不同的情况。 设计人员和业主首先要控制偶然荷载发生的概率或减小偶然荷载的强度，其次才是进行抗连续倒塌设计。,10.5实用设计表达式,2.正常使用极限状态设计表达式 C结构构件达到正常使用要求所规定限值，如变形、裂缝宽度、应力等的限值； Sd正常使用极限状态的荷载效应组合值。 标准组合 频遇组合 可变荷载Q1的频遇值系数 准永久组合 可变荷载Qi的准永久值系数,10.5实用设计表达式,10.5.5按极限状态设计材料强度取值 1.钢筋和混凝土的强度标准值是钢筋混凝土结构按极限状态设计时采用的材料强度基本代表值。材料强度标准值应根据符合规定质量的材料强度的概率分布的某一分位值确定。,10.5实用设计表达式,2.材料强度设计值 材料分项系数：考虑材料的离散性和施工中不可避免的偏差带来的不利影响 材料强度设计值：材料强度标准值乘以材料分项系数。 fc=fck/c , c-1.4 fs=fsk/s , s-1.11.5 确定钢筋和混凝土材料分项系数时，对于具有统计资料的材料，按设计可靠指标 、通过可靠度分析确定；对统计资料不足的情况，则以工程经验为主要依据，通过按规范结构构件的校准计算确定。,建筑结构的规则性对抗震能力的重要影响的认识始自若干现代建筑在地震中的表现。,最为典型的例子是1972年2月23日南美洲的马那瓜地震。,马那瓜有相距不远的两幢高层建筑，一幢为十五层高的中央银行大厦，另一幢为18层高的美洲银行大厦。当地地震烈度估计为8度。一幢破坏严重，震后拆除；另一幢轻微损坏，稍加修理便恢复使用。,建筑结构规则性,马那瓜中央银行大厦,试问： 那一幢破坏严重呢？,马那瓜美洲银行大厦,平面不规则的类型,平面不规则的类型,1 平面宜简单、规则、对称，减少偏心； 2 平面长度不宜过长，突出部分长度l不宜过大（图4.3.3）；L、l等值宜满足表4.3.3的要求 3 不宜采用角部重叠的平面图形或细腰形平面图形。,v,美国加州奥立弗医疗中心的主楼，6层钢筋混凝土结构，上部四层为框架剪力墙，下部两层为框架，第二层有较多的砖墙，二层以上结构的侧向刚度比首层的刚度大约10倍，其剖面如图2-3