【房屋建筑学】第二章 建筑结构的设计标准和设计 （修）0课件

第二章建筑结构的设计标准和设计方法 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的可靠度理论和极限状态设计方法 第一节设计基准期和设计使用年限 一 设计基准期结构设计取用统计数据时所采用的时间参数 我国采用的设计基准期为50年 二 设计使用年限结构设计所规定的一个时期 即在这一规定的时期内 房屋建筑在正常设计 正常施工和正常使用维护下不需要进行大修就能按其预定的目的使用 设计使用年限对特别重要的建筑物为100年 一般的建筑物与构筑物为50年 易于替换的结构构件为25年 临时性的建筑物为5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设计的基本目的 采用最经济的手段 使结构在规定的时间内和规定的条件下 完成各项预定功能的要求 规定的时间 是指我国 建筑结构设计统一标准 GBJ68 84 规定的结构设计基准期 T 我国取T 50年 规定的条件 是指正常设计 正常施工 正常使用的条件 即不考虑人为的过失 各项预定功能 包括结构的安全性 适用性和耐久性 结构各项预定功能的具体要求如下 1 安全性结构在规定的条件下 应该能够承受可能出现的各种作用 包括荷载 外加变形 约束变形等作用 而且 在偶然荷载作用下或偶然事件发生时 如地震 强风 爆炸等 结构应能保持必要的整体稳定性 不致倒塌 2 适用性结构在正常使用时应能满足预定的使用要求 具有良好的工作性能 其变形 裂缝或振动等均不超过规定的限度 3 耐久性结构在正常使用 正常维护的情况下应有足够的耐久性能 不致因材性变化或外界侵蚀而影响预期的使用年限 以上三个方面的功能总称为建筑结构的可靠性 结构的可靠性用可靠度来进行定量描述 即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 称为结构的可靠度 结构的可靠度是衡量结构可靠性的重要指标 结构可靠性越高 建设造价投资越大 如何在结构可靠与经济之间取得均衡 就是设计方法要解决的问题 二 作用和作用效应 一 作用 荷载 直接作用 间接作用1 作用 使结构或结构构件产生内力和变形的原因 2 荷载 施加在结构上的集中力或分布力 3 直接作用 指施加在结构上的集中荷载和分布荷载 即永久荷载和可变荷载等 4 间接作用 指引起结构外加变形和约束变形的其他作用 如地震作用 基础沉降 混凝土收缩 温度变化 焊接变形等 二 作用效应 荷载效应1 作用效应 指荷载 地震 温度 不均匀沉降等因素作用于结构构件上 在结构内所产生的内力和变形 如轴力 弯矩 剪力 扭矩 挠度 转角和裂缝等 当 作用 为 荷载 时 其效应也可称荷载效应 2 荷载效应 由于荷载的作用引起的结构或构件的反应 S C Q 荷载和荷载效应成线性关系 式中 常数C为荷载效应系数 由于结构上的作用是不确定的随机变量 所以作用效应一般说来也是一个随机变量 三 荷载的分类1 按荷载随时间的变异性分类 永久作用 可变作用和偶然作用 2 按荷载作用的空间位置的变异性分类 固定作用和自由作用 3 按结构的反应特点分类 静态作用和自由作用 三 结构抗力R结构或结构构件承受作用效应的能力 如构件的承载能力 刚度等 结构构件抗力是材料性能 温度 变形模量等物理力学性能 几何参数以及计算模式的函数 考虑到材料的变异性 构件几何特征的不定性和计算模式的不定性 由这些因素综合而成的结构抗力也是一个随机变量 第三节结构的可靠度理论和极限状态设计方法 一 结构的可靠性和可靠度 一 结构的可靠性定义 能力 二 结构的可靠度定义 概率 二 可靠度理论 一 随机变量的分析和处理1 随机事件定义 一个事件可能有多种结果 事先不能肯定哪一种结果一定发生 但事后有唯一结果 如各种可变荷载 2 随机变量的统计参数 1 随机变量的参数统计 平均值 式中 第i个随机变量值 随机变量的个数 2 标准差 3 变异系数 3 正态分布曲线结构的作用 作用效应和抗力的实际分布情况是很复杂的 但统计分析表明 它们有的服从正态分布 有的通过数学变换可以化为当量正态分布 正态分布曲线是数理统计中最常用的曲线 曲线方程式中 随机变量 随机变量的频率密度 即随机变量在横坐标某一区段上出现的百分率 或称频率 与该区段长度的比值 曲线特征a 曲线对称于 b 曲线只有一个峰值点 c 当趋于或时 趋于零 d 对称轴左右两边各有一个反弯点 反弯点距峰值点水平距离为 它也对称于对称轴 特征值我们通常要求出现的事件不大于或不小于某一数值 这个数值就称为特征值 式中 特征值 与特征值取值保证率相应的系数 概率分布与特征值 二 结构的可靠度 失效概率 可靠指标概率极限状态设计法又称近似概率法 近似概率法的基本概念是从概率的观点来研究结构的可靠性 把结构在规定的时间内 在规定的条件下完成预定功能的可能性大小用概率来表示 并定义这概率为结构的可靠度 结构可靠度就是结构可靠性的概率度量 1 结构的功能函数 Z R S2 可靠概率和失效概率 结构能够完成预定功能 R S 的概率即为 可靠概率 不能完成功能 R S 的概率即为 失效概率 显然二者是互补的 即 假定功能函数中仅包含两个正态分步的基本变量R和S 且相互独立 由于R和S是正态分布的随机变量 其平均值和标准差分别为 和 所以功能函数也是正态分布 其平均值和标准差分别为 Z 0部分的面积就是失效概率Pf 即Pf P Z 0 结构的失效概率Pf与功能函数Z的平均值至原点的距离有关 令 由图可见与Pf之间存在着相应的关系 小Pf则大 值大则Pf小 因此和Pf一样 可作为衡量结构可靠性的一个指标 故称为结构的 可靠指标 可靠指标与结构失效概率之间有一定的对应关系 表 三 荷载和材料强度的取值1 永久荷载的标准值2 可变荷载 1 标准值 具有一定概率的最大荷载值 确定方法 荷载标准值为其平均值加上1 645倍标准差 此时所对应的出现概率为95 2 组合值 标准值乘以组合值系数 c 3 频遇值 在设计基准期内荷载达到或超过该值的总时间与设计基准期的比值小于0 1的荷载代表值 4 准永久值 在设计基准期内荷载达到或超过该值的总时间与设计基准期的比值为0 5的荷载代表值 3 荷载的代表值 1 永久荷载 标准值 2 可变荷载 标准值 组合值 频遇值 准永久值4 材料强度的标准值 材料强度标准值等于其均值减去1 645倍标准差 由概率论知 保证率为95 钢筋与砼不同 四 按可靠指标的设计准则1 可靠指标 2 按可靠指标的设计准则 1 定义 建筑结构设计时 根据建筑物的安全等级 按规定的可靠指标进行设计的设计准则 称为按可靠指标的设计准则 2 结构的安全等级及相应的可靠指标 结构的重要性系数 o 三 概率极限状态设计法 一 极限状态的定义和分类1 极限状态定义2 极限状态的分类 1 承载能力极限状态 2 正常使用极限状态 1 结构的极限状态结构在使用期间的工作情况称为结构的 工作状态 结构能够满足功能要求而良好地工作称为结构 可靠 或 有效 反之则结构 不可靠 或 失效 区分结构工作状态的可结与失效的标志是 极限状态 极限状态 若整个结构或结构的一部分超过某一特定状态 就不能满足设计的某一功能要求 则此特定的状态就称为该功能的极限状态 极限状态是结构失效与可靠之间的临界状态 1 承载能力极限状态这类极限状态对应于结构或结构构件 包括连接 达到最大承载力或达到不能承载的过大变形 当结构或结构构件出现下列情况之一时 即认为超过了承载能力极限状态 1 整个结构或结构的一部分作为刚体失去了平衡 2 结构构件或其连接因超过材料强度而破坏 包括疲劳破坏 或因过度的塑性变形而不能继续承载 3 结构或构件某些截面发生塑性转动 从而使结构变为机动体系 4 结构或构件丧失稳定 如细长压杆达到稳定临界荷载后压屈失稳破坏 2 正常使用极限状态这类极限状态对于结构或构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值 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 1 影响正常使用或有碍观瞻的变形 2 影响正常使用或耐久性能的局部破坏 3 影响正常使用的振动 4 影响正常使用的其它特定状态 上述两类极限状态中 承载能力极限状态 结构的安全性功能正常使用极限状态 结构的适用性功能和耐久性功能根据上述两类极限状态设计的要求 对于一般结构或构件 均应进行承载力计算 稳定计算和刚度计算 至于是否还要进行疲劳 倾覆或滑移计算 以及抗裂度及裂缝宽度验算 则需根据不同的结构 不同的受力特点 不同的使用要求等具体情况而定 二 概率设计法当荷载 作用 的效应S及结构的抗力R的概率模型和统计参数为已知时 可利用公式计算 对于一般常见结构 直接采用目标可靠指标值来进行设计是没有必要的 过于繁琐 我国规范采用分项系数的设计表达式 1 分项系数设计法 1 分项系数研究表明 目标可靠度指标可以通过三个分项系数来表达 这三个分项系数是 结构重要性系数 材料分项系数 荷载分项系数 1 结构重要性系数考虑建筑物破坏后果 危机人的生命 造成经济损失 产生社会影响等 的严重性 在计算结构件截面承载力时引入与建筑物安全等级有关的分项系数 即结构重要性系数 其取值见下表 表1 3结构重要性系数 2 材料分项系数 材料强度的标准值材料的强度检验指标就是材料强度的标准值 用表示 强度标准值是材料强度的主要依据 也是生产中对材料强度提出质量要求的主要依据 主要用于正常使用极限状态验算 各种材料强度标准值详见附录 材料分项系数材料分项系数等于材料强度的标准值与材料强度的设计值之比值 其值大于1 亦即材料强度的设计值等于它的标准值除以材料分项系数 而材料分项系数是大于1的 故材料强度的设计值小于它的标准值 混凝土的强度设计值钢筋的强度设计值砌体的强度设计值式中 混凝土的材料分项系数 取为1 4 钢筋的材料分项系数 其取值与钢筋的种类和级别有关 例如热轧 级钢筋 1 15 热轧 级钢筋 1 1 砌体结构的材料性能分项系数 一般情况下 宜按施工控制等级为B级考虑 取1 6 当为C级时 取1 8 3 荷载分项系数荷载是指结构上的直接作用 荷载的基本分类是按荷载随时间的变异情况来进行的 有恒荷载 活荷载和偶然荷载三类 恒荷载 也称永久荷载 用符号G表示 在结构使用期间 其值不随时间变化 或其变化与平均值比可以忽略不计 或其变化是单调的并能趋于限制的荷载 例如结构自重 土压力 预应力等活荷载 也称可变荷载 用符号Q来表示 在结构使用期间 其值随时间变化 且变化与平均值相比不可以忽略不计的荷载 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 在结构使用期间不一定出现 一旦出现 其值很大且持续时间很短的荷载 例如爆炸力 撞击力等 荷载的代表值荷载的主要代表值有标准值 组合值 频遇值和准永久值 建筑结构设计时 对不同荷载采用不同的代表值 恒荷载 标准值 活荷载 根据设计要求标准值 组合值 频遇值或准永久值 偶然荷载 按建筑结构使用特点确定 荷载标准值加下角码K表示 是荷载的基本代表值 正常使用极限状态验算结构构件短期的变形以及抗裂或裂缝宽度时 都采用荷载的标准值 恒荷载的标准值 对结构自重 可按结构构件的设计尺寸与材料单位体积的自重计算确定 对于自重变异较大的材料和构件 如现场制作的保温材料 混凝土薄壁构件等 自重的标准值应根据对结构的不利状态 取上限值或下限值 常用材料和构件可参考附录 活荷载的标准值 其中楼面活荷载 屋面活荷载和积灰荷的标准值见附录采用 风荷载作用于建筑物的外表面 对建筑物的表面形成压力或吸力 风荷载的大小与房屋高度 房屋体型及周围环境等因素有关 作用在房屋上的风荷载标准值按下式计算 式中 风荷载标准值 kN Z高度处的风振系数 它是考虑脉动风压对结构产生不利影响的系数 按荷载规范规定取值 风载体型系数 它与建筑物的体型 尺寸等几何性质有关 按荷载规范规定的图表确定 风压高度变化系数 它与建筑物的高度及建筑场地的地面粗糙程度有关 按荷载规范规定表格确定 基本风压 kN 按 建筑结构荷载规范 给出的50年一遇的风压采用 但不得小于0 3kN 雪荷载作用在屋面上 屋面水平投影面上的雪荷载标准值按下式计算 式中 雪荷载标准值 kN 屋面积雪分布系数 它与屋面类别有关 按荷载规范规定图表确定 基本雪压 kN 基本雪压应按 建筑结构荷载规范 中给出的50年一遇的雪压采用 荷载组合值这是对活荷载而言的 当作用在结构上的活荷载不只一个而是两个或两个以上时 各个活荷载都同时达到各自的标准值 其可能性是不大的 因此一般情况下可以减小一些 为了方便 采用荷载组合值系数乘以活荷载的标准值来表达活荷载的组合值 1 荷载组合值主要用于承载能力极限状态的基本组合中 也用于正常使用极限状态的短期效应组合中 荷载准永久值对活荷载中出现的频率比较大 持续时间比较长的那部分活荷载要考虑其荷载长期效应的影响 为了方便 采用准永久值系数乘以活荷载的标准值来表达上述的那一部分活荷载 称为荷载的准永久值 1 各种活荷载的准永久值系数取值详见附录 荷载准永久值主要用于正常使用极限状态的长期效应组合 荷载分项系数荷载分项系数等于荷载的设计值与荷载的标准值的比值 一般情况下大于1 即荷载的设计值等于荷载分项系数乘以荷载的标准值 荷载分项系数一般大于1 故一般情况下 荷载的设计值大于它的标准值 在按第一类极限状态 即承载能力极限状态验算结构构件时 都采用荷载的设计值 恒荷载的设计值活荷载的设计值 a恒荷载的分项系数的取值 当其效应对结构不利时 对由可变荷载效应控制的组合 1 2 对由永久荷载效应控制的组合 1 35 当其效应对结构有利时 1 0 验算倾覆和滑移时 0 9 b活荷载的分项系数的取值一般情况下 1 4楼面活荷载标准值 4时 1 3 2 实用设计表达式1 承载能力极限状态设计表达式式中 重要性系数 S 荷载效应组合的设计值 R 结构构件抗力的设计值 对于基本组合 荷载效应组合的设计值应从下列组合值中取最不利值确定 可变荷载效应控制的组合 永久荷载效应控制的组合 对于一般排架 框架结构 基本组合可采用简化规则 并应按下列组合值中取最不利值确定 可变荷载效应控制的组合 永久荷载效应控制的组合 2 正常使用极限状态表达式对于正常使用极限状态 应根据不同的设计要求 采用荷载的标准组合 频遇组合或准永久组合 设计表达式如下 S式中 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 裂缝 振幅 加速度 应力等的限值 应按各有关建筑结构设计规范的规定采用 三类荷载组合公式 正常使用极限状态的标准组合公式正常使用极限状态的频遇组合公式