混凝土结构设计绪论.ppt

1,一、结构的概念,由构件组成的传力体系，承担建筑物在施工和使用过程中可能出现的各种环境作用。,构件,作用,2,二、结构的类型,制作材料,木结构,钢筋混凝土结构,预应力混凝土结构,砌体结构,混凝土结构,钢结构,组合结构,3,几何尺寸和受力特性,杆系结构,板壳结构,块体结构,索结构,膜结构,4,空间位置和力的传递,水平承重结构,楼盖,基础,竖向承重结构,地下承重结构,结构体系,5,结构体系,框架结构,剪力墙结构,框架-剪力墙结构,网架结构,筒体结构,排架结构,框支剪力墙结构,内框架结构,底层框架砌体结构,柱、屋架、基础,梁、柱、基础,剪力墙、基础,拉、压杆,混凝土柱、砌体墙、基础,6,单层排架,多层框架,7,剪力墙结构,8,框架-剪力墙结构,9,筒体结构,10,层数,单层结构,多、高层结构,用途,单层,多、高层,工业厂房结构,民用建筑结构,11,1.2 设计准则,一、规范及设计理论,二、结构的功能要求,三、极限状态,四、极限状态设计法,12,一、规范及设计理论,设计法规、规范、规程和设计标准,1)设计依据,2)混凝土建筑结构常用规范,混凝土结构设计规范gb50010-2002 建筑结构荷载规范 建筑地基基础设计规范 高层建筑混凝土结构设计规程 建筑抗震设计规范,一、规范及设计理论,13,弹性理论，,容许应力法,3)设计理论,破坏强度法,极限状态设计法,考虑混凝土破坏阶段的塑性,正常使用阶段,破坏阶段,容许应力、裂缝宽度、挠度,承载能力,14,1、功能要求,（1）结构的安全等级,二、结构的功能要求,安全性,耐久性,适用性,表1 建筑结构的安全等级,15,一般建筑结构的设计使用年限可为50年。 桥梁应比房屋的设计使用年限长，大坝的设计使用年限更长。,（2）结构的设计使用年限,计算结构可靠度所依据的年限称为结构的 设计使用年限。,结构的设计使用年限，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。,超过设计使用年限的结构并不是不能使用，而是指它的可靠度降低了。,16,2、可靠性,结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力称为结构的可靠性。 规定时间是指结构的设计使用年限，所有的统计分析均以该时间区间为准。 所谓的规定条件，是指正常设计、正常施工、正常使用和维护的条件，不包括非正常的，例如人为的错误等。,17,3、可靠度,结构的可靠度是结构在设计工作寿命内，在正常条件下，完成预定功能的概率。 可靠度是可靠性的概率度量。 结构的可靠度是用可靠概率 来描述,18,结构或构件达到最大承载能力或者达到不适于继续承载的变形状态，称为承载能力极限状态。,三、极限状态,1、承载能力极限状态,当结构或构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载力极限状态：,19,（1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；,（2）结构构件或连接因材料强度被超过而破坏（包括疲劳破坏，或因过度的塑性变形而不适于继续承载）； （3）结构转变为机动体系（如压屈等）； （4）结构或结构构件丧失稳定（如压屈等） 。,20,结构超过承载力极限状态的例子,21,结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项规定限度的状态称为正常使用极限状态。,2、正常使用极限状态,当结构或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：,22,（1）影响正常使用或外观的变形；,（2）影响正常使用或耐久性能的局部破坏（包括裂缝）； （3）影响正常使用的震动； （4）影响正常使用的其他待定状态。,23,3、极限状态方程,z=r-s s荷载效应 r抗力,24,r、s 的概率密度分布曲线,4、可靠指标与失效概率,可靠概率,失效概率,25,与失效概率 之间有一一对应关系,可靠度指标和失效概率的关系,可靠指标,26,27,可靠指标 与失效概率 的对应关系,28,目标可靠指标,结构构件承载能力极限状态的目标可靠指标,29,5、可靠指标在实际设计中的体现,（1）,（2）,30,（5）,（2）,（3）,31,（5）,（6）,（7）,（9）,（8）,32,（11）,（10）,（12）,（9）,33,34,35,四、极限状态设计法,1、作用的分类,直接作用,间接作用,荷载,混凝土收缩、温度、沉降、地震,36,自重、土压力、预应力,安装、楼屋面活载、风、雪、吊车、地震作用,永久作用,可变作用,偶然作用,爆炸、撞击、罕遇地震,时间的变异,37,自重、土压力、预应力、安装、楼屋面活载、风、雪,静态作用,动态作用,风、吊车、地震作用、爆炸、撞击、振动,结构的反应分类,38,2、荷载代表值,标准值,组合值,频遇值,准永久值,39,3、荷载效应,结构上的作用使结构产生的内力（如弯矩、剪力、轴力、扭矩等）变形、裂缝等统称为作用效应或荷载效应。,40,4、极限状态设计实用表达式,(1)承载能力极限状态设计表达式,41,对由可变荷载效应控制的组合，其承载能力极限状态设计表达式一般形式为,对由永久荷载效应控制的组合，其承载能力极限状态设计表达式的一般形式为,42,当永久荷载效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合一般取1.2；对由永久荷载效应控制的组合一般取1.35。,一般排架、框架由可变荷载效应控制的组合,当永久荷载效应对结构有利时，取1.0。,可变荷载的分项系数一般取1.4；楼面活载标准值大于4kn/m2 的取1.3。,、,43,(2)正常使用极限状态设计表达式,按荷载的标准组合时：,按荷载的频遇组合时：,按荷载的准永久组合时：,44,裂缝宽度计算荷载引起的裂缝宽度 1、裂缝的出现、分布与开展,45,2、裂缝间距,46,2、裂缝间距,47, 上式表明，当配筋率r 相同时，钢筋直径越细，裂缝间距越小，裂缝宽度也越小，也即裂缝的分布和开展会密而细，这是控制裂缝宽度的一个重要原则。 但上式中，当d/r 趋于零时，裂缝间距趋于零，这并不符合实际情况。 试验表明，当d/r 很大时，裂缝间距趋近于某个常数。该数值与保护层c 和钢筋净间距有关，根据试验分析，对上式修正如下:,48,对于受弯构件，可将受拉区近似作为一轴心受拉构件，根据粘结力的有效影响范围，取有效受拉面积ate=0.5bh+(bf-b)hf，因此将式中配筋率r 的用以下受拉区有效配筋率替换后，即可用于受弯构件,采用rte 后，裂缝间距可统一表示为:,49,根据试验资料统计分析，并考虑受力特征的影响，对于常用的带肋钢筋，规范给出的平均裂缝间距lm的计算公式为:,受弯构件,轴心受拉构件,c最外层纵向受拉钢筋外边缘到受拉区底边的距离（mm），当c20mm时，取c=20mm； d钢筋直径（mm），当用不同直径的钢筋时，d改用换算直径4as/u，u为纵向钢筋的总周长。,50,3、裂缝宽度,平均裂缝宽度,51,钢筋应力不均匀系数,由于钢筋与混凝土间存在粘结应力，随着距裂缝截面距离的增加，裂缝间混凝土逐渐参与受拉工作，钢筋应力逐渐减小，因此钢筋应力沿纵向的分布是不均匀的。 裂缝截面处钢筋应力最大，裂缝中间钢筋应力最小，其差值反映了混凝土参与受拉工作的大小。,钢筋应力不均匀系数y 是反映裂缝间混凝土参加受拉工作程度的影响系数,52,53,当y 1.0时，取y =1.0； 对直接承受重复荷载作用的构件，取y =1.0。,54,近似取hc/h =0.67，h/h0=1.1，,55,最大裂缝宽度,1、实测裂缝宽度/平均裂缝宽度= t 大量裂缝量测结果统计表明，t 的概率密度分布基本为正态。 取超越概率为5%的最大裂缝宽度可由下式求得:,对受弯构件，试验统计得d =0.4，故取裂缝扩大系数t =1.66。 对于轴心受拉和偏心受拉构件，由试验结果统计得最大裂缝宽度的扩大系数为t =1.9。,变异系数,56,由于混凝土的滑移徐变和拉应力的松弛，会导致裂缝间混凝土不断退出受拉工作，钢筋平均应变增大，使裂缝随时间推移逐渐增大。 混凝土的收缩也使裂缝间混凝土的长度缩短，也引起裂缝随时间推移不断增大。 荷载的变动，环境温度的变化，都会使钢筋与混凝土之间的粘结受到削弱，也将导致裂缝宽度不断增大。 根据长期观测结果，长期荷载下裂缝的扩大系数为t l =1.5。,2、长期荷载的影响,57,轴心受拉构件 acr =1.51.90.851.1=2.7,受弯构件 acr =1.51.660.85=2.1,58,11.2 受弯构件的形验算,受弯构件的变形验算 f f ,钢筋混凝土梁,59,11.2 受弯构件的形验算,60,1.3 设计步骤,五、设计成果,二、确定结构方案,三、结构布置和结构计算简图的确定,四、结构分析和设计计算,一、准备工作,61,1、了解工程背景 2、掌握原始资料 3、收集设计参考资料 4、制定工作计划,一、准备工作,62,确定原则 内容： 1、上部主要承重结构方案 2、楼（屋）盖结构方案 3、基础方案 4、主要构造措施及特殊部位的处理,二、确定结构方案,63,1、结构布置 （1）总体布置 （2）平面布置 （3）竖向布置 （4）变形缝 2、结构计算简图的确定 主要构件尺寸的估计,三、结构布置和结构计算简图的确定,64,1、作用的计算 2、内力计算 1）基本原则 2）分析方法 3）荷载效应组合 4）构件截面设计 3、构造设计,四、结构分析和设计计算,65,1）基本原则,静力平衡条件,变形协调条件,边界约束条件,合理的本构关系,66,2）分析方法(适用范围),（1）线弹性分析方法 （2）塑性内力重分布分析方法 （3）塑性极限分析方法 （4）非线性分析方法 （5）试验分析方法 （6）国内外常用有限元分析软件 pkpm系列，tbsa，sap系列，ansys，adina,67,（1）线弹性分析方法,内力和变形计算 杆系混凝土结构的简化： 平面结构； 轴线取几何中心线； 现浇刚接，非现浇铰接； 毛截面计算。,68,（2）塑性内力重分布分析方法,1、几个概念 弹性 塑性 弯矩图 弯矩包络图 抵抗弯矩图 塑性内力重分布 塑性应力重分布 2、弯矩调幅 为什么可以调幅 调幅的意义 如何调幅 适用条件,69,70,弯矩、剪力包络图,71,抵抗弯矩图,72,（3）塑性极限分析方法,周边嵌固、均布荷载的双向矩形板 塑性铰线法 条带法 均布荷载的板柱体系 弯矩系数法 等代框架法,73,3）荷载效应组合,梁荷载效应组合表,74,梁荷载效应组合续表,75,1、结构方案设计说明书 2、结构设计计算书 3、结构设计图纸,五、设计成果,76,施工图概况,1、图纸目录,设计单位,建设单位,工程编号,工程名称,77,建筑施工图, 01,建筑设计说