建筑结构设计原则和方法PPT课件.ppt

第四章建筑结构设计原则和方法 主要内容概念设计和数值设计结构设计基本原则概率分布与保证率结构可靠度理论结构极限状态设计法 1 什么是概念设计 根据建筑结构本身的特点 根据工程经验 力学分析等形成的基本设计原则和设计思想 从建筑选址到进行建筑结构总体布置并确定细部构造的过程 工程结构设计不是 规范 计算 工程结构设计是一个再创造的过程 2 建筑结构抗震概念设计的意义 根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程称为抗震概念设计概念设计强调 在工程设计一开始 就应把握好能量输入 房屋体形 结构体系 刚度分布 构件延性等几个主要方面 从根本上消除建筑中的抗震薄弱环节 再辅以必要的计算和构造措施 就有可能使设计出的房屋建筑具有良好的抗震性能和足够的抗震可靠度 3 抗震建筑的概念设计的定义基本内容 选择有利场地合理的选择建筑体形采用合理的建筑结构体系保证非结构构件安全采用隔震 消能 减震技术结构材料和施工质量 4 1 选择有利场地 工程地质条件对地震破坏的影响很大 常有地震烈度异常现象 即 重灾区里有轻灾 轻灾区里有重灾 产生的原因是局部地区的工程地质条件不同 场地选择的原则 选择工程场址时 应该进行详细勘察 搞清地形 地质情况 挑选对建筑抗震有利的地段 尽可能避开对建筑抗震不利的地段 任何情况下均不得在抗震危险地段上 建造可能引起人员伤亡或较大经济损失的建筑物 5 避开地震危险地段建筑抗震危险的地段 一般是指地震时可能发生崩塌 滑坡 地陷 地裂 泥石流等地段 以及震中烈度为8度以上的发震段裂带在地震时可能发生地表错位的地段 选择有利于抗震的场地对建筑抗震有利的地段 一般是指位于开阔平坦地带的坚硬场地土或密实均匀中硬场地土 在选择高层建筑的场地时 应尽量建在基岩或薄土层上 或应建在具有较大 平均剪切波速 的坚硬场地土上 以减少输入建筑物的地震能量 从根本上减轻地震对建筑物的破坏作用 6 2 合理选用建筑体形 一幢房屋的动力性能基本上取决于它的建筑布局和结构布置 建筑平面布置建筑的平 立面布置宜规则 对称 质量和刚度变化均匀 避免楼层错层 对称的结构容易估计其地震时的反应 容易采取构造措施和进行细部处理 地震区的高层建筑 平面以方形 矩形 圆形为好 正六边形 正八边形 椭圆形 扇形也可以 7 建筑立面布置 良好的建筑立面 a 大底盘建筑 b 阶梯形建筑 不利的建筑立面我国 高层规程 规定 建筑的竖向体形宜规则 均匀 避免有过大的外挑和内收 上部收进时 当H H 0 2时 B1 B 0 75 当上部外挑时 时B B1 0 9且a 4m 结构竖向收进和外挑示意 8 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 9 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 10 11 常用建筑结构规范 建筑结构设计统一标准建筑结构荷载规范混凝土结构设计规范结构抗震设计规范砌体结构设计规范钢结构设计规范建筑结构抗震设计规范高层建筑结构设计和施工规程地基基础设计规范 12 4 2结构的功能要求和极限状态 4 2 1结构的功能要求 可靠性 安全性 正常施工 正常使用的条件下 结构能承受可能出现的各种荷载作用而不破坏 在偶然事件发生后仍能保证必要的稳定性 结构仅局部破坏而不出现连续倒塌的能力 适用性 正常施工 正常使用的条件下 结构保持良好的工作性能的能力耐久性 正常使用正常维护的条件下具有足够的耐久性能 13 结构设计的影响因素 作用在结构上的荷载的大小所用材料强度的取值结构强度的计算方法衡量结构安全可靠的标准 14 4 2 2极限状态设计法的基本概念 建筑结构功能要求设计工作寿命设计基准期设计使用年限结构的安全等级极限状态设计状况 15 建筑结构的功能要求 结构在规定的设计工作寿命期内必须满足以下各项功能要求能承受在施工和使用均属正常的情况下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和耐火性在设计规定的偶然事件发生时及发生后仍能保持必需的整体稳定性 16 极限状态 整个结构或结构的某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 此特定状态就称为该功能的极限状态 有效和失效 极限状态为有效和失效的分界根据不同的功能要求 极限状态可分为 承载能力极限状态 正常使用极限状态 17 承载能力极限状态 对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形 结构构件或连接因材料强度不足而破坏 包括疲劳破坏 或因过度的变形而不适于继续承载结构或结构构件丧失稳定 如压屈等 结构转变为机动体系整个结构或结构的某一部分作为刚体失去平衡 如倾覆等 地基丧失承载能力而破坏 如失稳等 18 正常使用极限状态 对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限制 影响正常使用及外观的变形影响正常使用或耐久性能的局部损坏 包括裂缝 影响正常使用的振动影响正常使用的其他特定状态 19 4 3概率分布与保证率 变异系数 4 3 1随机变量的统计参数 20 4 3 2概率密度函数 图4 3 1正态分布概率密度函数曲 4 4 21 曲线的主要特点为 1 对称性 曲线对称于x 2 单峰值 曲线只有一个峰值点f 3 渐近性 当x趋于 或 时 f x 趋于零 以x轴为渐近线 4 存在拐点 在对称轴 平均值 两边一倍标准差处 曲线各出现一个拐点 反弯点 22 概率分布函数是指 给定随机变量X 它的取值不超过实数x的概率P X x 是x的函数 这个函数称为X的分布函数 简称分布函数 用f x 表示 对于正态分布函数有 23 4 3 3保证率 当时 随机变量大于上述各值的概率分别为84 13 95 和97 72 例如 如果随机变量代表材料强度 则当材料强度取为时 此值即为规范规定的材料强度标准值 则材料实际强度值大于这个强度的概率 亦称为保证率 为95 24 随机变量的统计特征值 荷载和材料强度都是随机的 为保证结构安全 荷载值应取得足够大 而材料强度值应取得足够小 荷载标准值和材料强度标准值以达到某一概率分位值来确定 95 的保证率 25 结构上的作用 作用 所有使结构产生内力和变形的原因的统称直接作用 以力的形式出现的各种荷载间接作用 混凝土收缩 温度变化 基础不均匀沉降 地震等引起的结构外加变形 4 4结构可靠度理论简介 26 4 4 1结构极限状态方程 作用效应S由作用引起的结构的反应 轴力 弯矩 剪力 作用效应是随机变量 27 结构抗力 结构构件对抵抗各种作用的承载力 以及对变形 裂缝等的抵抗能力 影响抗力大小的因素主要是结构构件的几何尺寸 所用材料的性能 强度 弹性模量 变形模量等 计算模式 结构抗力也是一个随机变量 28 结构极限状态方程 结构功能函数 4 6 4 7 极限状态方程 4 8 当Z 0结构处于可靠状态 Z 0结构处于失效状态 Z 0结构处于极限状态 29 对不同的设计状况 可采用相应的结构体系 可靠度水准和基本变量等 设计状况与极限状态的关系 对三种状况均应进行承载力极限状态设计 对持久状况 应进行正常使用极限状态计算 对短暂状况 正常使用极限状态可根据需要进行 对偶然状况 可不进行正常使用极限状态的计算 30 2 2 4结构设计的原则和方法结构构件的计算和验算内容 承载力及稳定 所有结构构件均应进行承载力 包括压屈失稳 计算 必要时尚应进行结构的倾覆 滑移和漂浮验算 对处于地震区的结构 还应进行结构抗震的承载力计算 疲劳 直接承受吊车的构件 应进行疲劳强度验算 变形 对于使用上需控制变形值的结构构件 应进行变形验算 抗裂及裂缝宽度 对使用上要求不出现裂缝的构件 应进行混凝土拉应力验算 对使用上允许出现裂缝的构件 应进行裂缝宽度验算 31 荷载效应和结构抗力 荷载效应 当作用为集中力或分布力时的作用效应即是荷载效应 S 结构抗力 结构或构件承受作用效应的能力 R R S都是随机变量 32 概率论极限状态设计法 将荷载和材料强度看作随机变量 引入概率统计的方法 按照不同极限状态的要求进行设计 衡量结构的可靠性 安全性 以结构在一定条件下完成预定功能的概率来度量 目前的设计方法还未达到全概率水平 还必须结合过去的经验 并按传统设计公式表达 为什么安全性要用概率来衡量 没有绝对的安全或绝对的失效安全和经济是矛盾的统一体 结构设计实际上是找一种平衡 33 荷载标准值与材料强度标准值的确定 荷载标准值 即 结构构件可能承受的荷载低于荷载标准值的概率为95 而比荷载标准值大的可能性仅为5 材料强度标准值即 实际材料强度值高于材料强度标准值的概率为95 而比材料强度标准值低的可能性仅为5 34 荷载的分类 35 荷载代表值 根据不同的工作状态 取用以统计学方法得出具有一定保证率的统计特征值 荷载代表值具有不确定性 应按概率统计的方法来处理 荷载的标准值 在正常使用期间可能出现 具有足够的概率保证率 的荷载最大值 永久荷载标准值可根据尺寸按材料的容重计算 可变荷载标准值可按 荷载规范 提供的数值取用 36 荷载的代表值 荷载的组合值 考虑多个可变荷载作用在结构上的情况 荷载的准永久值 在结构设计基准期内 其超越的总时间占设计基准期一半的荷载值 荷载的频遇值 在结构设计基准期内 其超越的总时间仅占设计基准期的一小部分 37 承载能力极限状态的荷载效应组合1 基本组合 永久作用效应和可变作用效应的组合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 基本组合按1和2的最不利值确定 38 承载能力极限状态的荷载效应组合2 偶然组合 永久作用效应 可变作用效应和一个偶然作用效应的组合 组合原则 偶然荷载代表值不乘以分项系数 与偶然荷载同时组合的其他荷载可根据观测资料和工程经验采用适当的数值 具体按专门规范确定 39 正常使用极限状态的荷载组合 主要验算构件的变形和抗裂度或裂缝宽度 进行正常使用极限状态验算时采用荷载的标准值且不考虑结构的重要性系数 但需要考虑荷载作用时间的长短对变形和裂缝宽度的影响 标准组合 主要用于当一个极限状态被超越时将产生严重的永久性损害的情况频遇组合 主要用于当一个极限状态被超越时将产生局部损害 较大变形或瞬间振动的情况准永久组合 主要用于当长期效应是决定性因素时的一些场合 40 可靠性和可靠度 结构的可靠性是指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 具有一定的随机性 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 失效概率 可靠指标 设荷载效应为S 结构或构件的承载能力为R 假定S R均服从正态分布 令Z R S Z R S 0 表示结构可靠 Z R S 0 表示结构处于极限状态 Z R S 0 表示结构失效 Z 0的概率为有效概率 Z 0的概率为失效概率 41 可靠指标 重叠部分为失效概率Pf越大 或者越小 失效概率越小 失效概率计算麻烦 故利用可靠度指标表示结构设计的可靠度 可靠度指标与失效概率是一一对应的 42 结构构件承载力极限状态设计时采用的可靠指标值 根据构件的安全等级 破坏类型确定结构构件的可靠指标 作为设计的依据 延性破坏有明显的预兆可察 可即时采取补救措施 可靠度指标可定得低 反之 脆性破坏突然发生 可靠度指标可定得高 43 4 3承载能力极限状态实用设计表达式 式中 0 结构重要性系数 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 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 对安全等级为三级或设计使用年限为5年及以下的结构构件 不应小于0 9 在抗震设计中 不考虑结构构件的重要性系数 S 荷载效应组合的设计值 R 结构构件抗力设计值 44 一 荷载效应基本组合1 由可变荷载效应控制的组合 对于一般排架框架结构 取上两式中的最不利值 45 2 由永久荷载效应控制的组合 二 荷载效应偶然组合对于偶然组合 荷载效应组合的设计值宜按下列规定确定 偶然荷载的代表值不乘分项系数 与偶然荷载同时出现的其他荷载可根据观测资料和工程经验采用适当的代表值 各种情况下荷载效应的设计值公式 可由有关规范另行规定 46 例题 47 永久荷载标准值 2 04 1 0 4 3 44 KN m2 沿每米板长均布每米板长标准值 0 9 3 44 3 1 KN m 可变荷载每米标准值 0 9 1 5 1 35 KN m 简支板在均布永久荷载作用下的弯矩 简支板在均布可变荷载作用下的弯矩 48 按承载能力极限状态设计