建筑结构基础与识图2.结构设计方法与设计指标

1、本本 章章 内内 容容2.1 建筑结构荷载建筑结构荷载2.2 建筑结构设计方法建筑结构设计方法2.3 建筑结构材料及其设计指标建筑结构材料及其设计指标2.4 建筑结构抗震设防简介建筑结构抗震设防简介2.1 建筑结构荷载建筑结构荷载设计基准期设计基准期结构设计时，为确定荷载代表值以及对与时间有结构设计时，为确定荷载代表值以及对与时间有关的材料性能取值时所采用的时间参数。关的材料性能取值时所采用的时间参数。我国的设计基准期为我国的设计基准期为5050年。年。设计使用年限设计使用年限设计规定的一个时期。该规定时期内，房屋建设计规定的一个时期。该规定时期内，房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用和维护

2、下不需要进行大修就筑在正常设计、正常施工、正常使用和维护下不需要进行大修就能按其预定目的使用。能按其预定目的使用。设计使用年限分类表设计使用年限分类表概念：设计基准期和设计使用年限类别类别1 12 23 34 4设计使用年设计使用年限限5 525255050100100 示例示例临时性建筑临时性建筑易于替换易于替换的结构构件的结构构件普通房屋普通房屋和构筑物和构筑物纪念性和特别纪念性和特别重要建筑重要建筑荷荷 载载永久荷载永久荷载可变荷载可变荷载偶然荷载偶然荷载 永久荷载（永久荷载（permanent load）v定义定义 在结构使用期间，其值不随时间变化，或其变化与在结构使用期间，其值不随时

3、间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计，或其变化是单调的并能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。趋于限值的荷载。v类型类型 结构自重结构自重 = 恒载恒载 土压力，土压力， 预应力预应力 基础变位影响力基础变位影响力 混凝土收缩及徐变影响力混凝土收缩及徐变影响力 水的浮力水的浮力统计参数与统计参数与时间无关时间无关 可变荷载（可变荷载（variable load）v定义定义 在结构使用期间，其值随时间变化，且其变化与平均在结构使用期间，其值随时间变化，且其变化与平均值相比不可以忽略不计的荷载。值相比不可以忽略不计的荷载。v特点特点n统计规律与时间参数有关统计规律与时间

4、参数有关n随机过程模型随机过程模型v类型类型n楼面、屋面活荷载、积灰荷载楼面、屋面活荷载、积灰荷载n风荷载、雪荷载风荷载、雪荷载n吊车荷载吊车荷载偶然荷载（偶然荷载（accidental load）v定义定义 在结构使用期间不一定出现，一旦出现，其值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很大且持续时间很短的荷载v特点特点n设计基准期内可能不出现设计基准期内可能不出现n一旦出现量值很大，持续时间很短一旦出现量值很大，持续时间很短v类型类型n爆炸力爆炸力n撞击力撞击力 罕遇地震是间接作用罕遇地震是间接作用= 偶然作用偶然作用 偶然荷载偶然荷载进行结构设计时，对荷载应赋予一

5、个规定的量进行结构设计时，对荷载应赋予一个规定的量值，该量值即所谓值，该量值即所谓荷载代表值荷载代表值。永久荷载采用标准值为代表值，可变荷载采用永久荷载采用标准值为代表值，可变荷载采用标准值、组合值、频遇值或准永久值标准值、组合值、频遇值或准永久值为代表值。设为代表值。设计时应根据不同极限状态的设计要求来确定采用哪计时应根据不同极限状态的设计要求来确定采用哪一种荷载值。一种荷载值。 2.1.2 荷载代表值荷载代表值作用于结构上荷载的大小具有变异性。作用于结构上荷载的大小具有变异性。荷载标荷载标准值准值就是结构在正常使用期间可能出现的最大荷载就是结构在正常使用期间可能出现的最大荷载值值,它是荷载

6、的基本代表值。它是荷载的基本代表值。（1）永久荷载标准值（永久荷载标准值（gk）永久荷载永久荷载主要是结构自重及粉刷、装修、固定主要是结构自重及粉刷、装修、固定设备的重量。设备的重量。由于结构或非承重构件的自重的变异性不大，由于结构或非承重构件的自重的变异性不大，一般以其平均值作为一般以其平均值作为荷载标准值荷载标准值，即可按结构构件，即可按结构构件的设计尺寸和材料或结构构件单位体积（或面积）的设计尺寸和材料或结构构件单位体积（或面积）的自重标准值确定。的自重标准值确定。 常用材料单位体积的自重（单位常用材料单位体积的自重（单位kn/m3kn/m3）混凝土混凝土22242224，钢筋混凝土钢筋

7、混凝土24252425，水泥砂浆水泥砂浆2020，石灰砂浆、混合砂浆石灰砂浆、混合砂浆1717，普通砖普通砖1818，普通砖（机器制）普通砖（机器制）1919，浆砌普通砖砌体浆砌普通砖砌体1818，浆砌机砖砌体浆砌机砖砌体1919。 v例题例题2-1 楼面做法为：硬木地板（楼面做法为：硬木地板（0.2kn/m2)|，20mm厚水泥砂浆找平层，厚水泥砂浆找平层，80mm厚钢筋混凝厚钢筋混凝土现浇楼板，钢丝网抹灰吊顶土现浇楼板，钢丝网抹灰吊顶(0.45kn/m2)。试求板的恒载标准值（面积荷载）。试求板的恒载标准值（面积荷载）。（2）可变荷载标准值民用建筑楼面均布活荷载标准值见表2.2（详见p33

8、）。设计楼面梁、墙、柱及基础时，表中活荷载标准值应按规定折减，详见荷载规范。2.2.12.2.1荷载分类及荷载代表值荷载分类及荷载代表值（1 1）可变荷载标准值）可变荷载标准值（民用（民用楼面均布活荷载标准值按下表采用）楼面均布活荷载标准值按下表采用）民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频偶值和永久值系数民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频偶值和永久值系数项项次次类类 别别标准值标准值(kn/m(kn/m2 2) )组合组合值系值系 c c频偶频偶值系值系 f f准永久准永久值系数值系数 q q1 1（1 1）住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院病房、托）住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院病房

9、、托儿所、幼儿园儿所、幼儿园（2 2）教室、实验室、阅览室、会议室、医院门诊）教室、实验室、阅览室、会议室、医院门诊室室2.02.00.70.70.50.50.60.60.40.40.50.52 2食堂、办公楼中的一般资料档案室食堂、办公楼中的一般资料档案室2.52.50.70.70.60.60.50.53 3（1 1）礼堂、剧场、影院、有固定座位的看台）礼堂、剧场、影院、有固定座位的看台（2 2）公共洗衣房）公共洗衣房3.03.03.03.00.70.70.70.70.50.50.60.60.30.30.50.54 4（1 1）商店、展览厅、车站、港口、机场大厅及其）商店、展览厅、车站、港口

10、、机场大厅及其旅客等候室旅客等候室（2 2）无固定座位的看台）无固定座位的看台3.53.53.53.50.70.70.70.70.60.60.50.50.50.50.30.32.2.12.2.1荷载分类及荷载代表值荷载分类及荷载代表值5 5（1 1）健身房、演出舞台）健身房、演出舞台（2 2）舞厅）舞厅4.04.04.04.00.70.70.70.70.60.60.60.60.50.50.30.36 6（1 1）书库、档案室、储藏室）书库、档案室、储藏室（2 2）密集柜书库）密集柜书库5.05.012.012.00.90.90.90.90.80.87 7通风机房、电梯机房通风机房、电梯机房7.

11、07.00.90.90.90.90.80.88 8汽车通道及停车库汽车通道及停车库（1 1）单向板楼盖（板跨不小于）单向板楼盖（板跨不小于2m2m）客车客车消防车消防车（2 2）双向板楼盖和无梁楼盖（柱网尺寸不小于）双向板楼盖和无梁楼盖（柱网尺寸不小于6m6m6m6m）客车客车消防车消防车 4.04.035.035.02.52.520.020.00.70.70.70.70.70.70.70.70.70.70.70.70.70.70.70.70.60.60.60.60.60.60.60.6（1 1）可变荷载标准值）可变荷载标准值（民用（民用楼面均布活荷载标准值按下表采用）楼面均布活荷载标准值按下

12、表采用）2.2.12.2.1荷载分类及荷载代表值荷载分类及荷载代表值9 9厨房（厨房（1 1）一般的）一般的（2 2）餐厅）餐厅2.02.04.04.00.70.70.70.70.60.60.70.70.50.50.70.71010浴室、厕所、盥洗室：浴室、厕所、盥洗室：（1 1）第）第1 1项中的民用建筑项中的民用建筑（2 2）其他民用建筑）其他民用建筑2.02.02.52.50.70.70.70.70.50.50.60.60.40.40.50.51111走廊、门厅、楼梯：走廊、门厅、楼梯：（1 1）宿舍、旅馆、医院病房、托儿所、幼儿园、住）宿舍、旅馆、医院病房、托儿所、幼儿园、住宅宅（2

13、2）办公楼、教室、餐厅、医院门诊部）办公楼、教室、餐厅、医院门诊部（3 3）消防疏散楼梯、其他民用建筑）消防疏散楼梯、其他民用建筑2.02.02.52.53.53.50.70.70.70.70.70.70.50.50.60.60.50.50.40.40.50.50.30.31212阳台：阳台：（1 1）一般情况）一般情况（2 2）当人群有可能密集时）当人群有可能密集时2.52.53.53.50.70.70.60.60.50.5注：注：本表所列各项活荷载适用于一般使用条件，当使用荷载大时，应按实际情况采用。本表所列各项活荷载适用于一般使用条件，当使用荷载大时，应按实际情况采用。本表各项荷载不包括

14、隔墙自重和二次装修荷载。本表各项荷载不包括隔墙自重和二次装修荷载。（1 1）可变荷载标准值）可变荷载标准值（民用（民用楼面均布活荷载标准值按下表采用）楼面均布活荷载标准值按下表采用）两种或两种以上可变荷载同时作用于结构上时，两种或两种以上可变荷载同时作用于结构上时，所有可变荷载同时达到其单独出现时可能达到的最所有可变荷载同时达到其单独出现时可能达到的最大值的概率极小，因此，除大值的概率极小，因此，除，此即，此即可可变荷载组合值变荷载组合值。可变荷载组合值可表示为可变荷载组合值可表示为ck。其中。其中c为可变为可变荷载组合值系数，其值按表荷载组合值系数，其值按表2.2查取。查取。 2.1.2.2

15、 可变荷载组合值可变荷载组合值ck可变荷载准永久值可变荷载准永久值是指在设计基准期内经常达是指在设计基准期内经常达到或超过的荷载值，它对结构的影响类似于永久荷到或超过的荷载值，它对结构的影响类似于永久荷载。载。可变荷载准永久值可表示为可变荷载准永久值可表示为qk，其中，其中k为可为可变荷载标准值，变荷载标准值，q为可变荷载准永久值系数。为可变荷载准永久值系数。q的的值见表值见表2.2。例如例如，住宅的楼面活荷载标准值为住宅的楼面活荷载标准值为2kn/m2，准，准永久值系数永久值系数q=0.4，则活荷载准永久值为，则活荷载准永久值为20.4=0.8kn/m2。2.1.2.3 可变荷载准永久值可变

16、荷载准永久值qk可变荷载频遇值可变荷载频遇值是指在设计基准期内被超越的是指在设计基准期内被超越的总时间仅为设计基准期一小部分的荷载值。总时间仅为设计基准期一小部分的荷载值。可变荷载频遇值可表示为可变荷载频遇值可表示为fk。其中。其中f为可变为可变荷载频遇值系数，其值按表荷载频遇值系数，其值按表2.2查取。查取。 2.1.2.4 可变荷载频遇值可变荷载频遇值fk 荷载的代表值是结构或构件设计时采用的荷载取值，它包括标准值、准永久值和组合值等。设计时应根据不同极限状态的设计要求来确定采用哪一种荷载值。1荷载标准值（gk、qk）。荷载的基本代表值，是结构设计按各类极限状态设计时所采用的荷载代表值。2

17、荷载组合值（qqx）。是当结构承受两个或两个以上可变荷载时，承载能力极限状态按基本组合设计及正常使用极限状态按短期效应组合设计所采用的荷载代表值。3荷载准永久值（cqk）。是正常使用极限状态长期效应组合设计时所采用的荷载代表值。因此，永久荷载只有标准值作为它的唯一代表值，而可变荷载的代表值则除了标准值外，还有组合值和准永久值。结构自重的标准值，可按设计尺寸与材料的标准容重计算。可变荷载的标准值qk，应根据荷载的观测和试验数据，并考虑工程经验，按设计基准期最大荷载概率分布的某一分位值确定，设计时可按荷载规范采用。荷载组合值系数c应根据两个或两个以上可变荷载在设计基准期内的相遇情况及其组合的最大荷

18、载效应概率分布，并考虑结构构件可靠指标具有一致性的原则确定。结构设计的目的结构设计的目的是要使所设计的结构在规定的是要使所设计的结构在规定的设计使用年限内能完成预期的全部功能要求。设计使用年限内能完成预期的全部功能要求。建筑结构在规定的设计使用年限内应满足安全安全性、适用性和耐久性性、适用性和耐久性三项功能要求。安全性指结构在正常施工和正常使用的条件下，能承受可能出现的各种作用；在设计规定的偶然事件（如强烈地震、爆炸、车辆撞击等）发生时和发生后，仍能保持必需的整体稳定性，即结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。适用性适用性指结构在正常使用时具有良好的工作性指结构在正常使用时具有良好的工作性能

19、。例如，不会出现影响正常使用的过大变形或振能。例如，不会出现影响正常使用的过大变形或振动，不会产生使使用者感到不安的裂缝宽度等。动，不会产生使使用者感到不安的裂缝宽度等。耐久性耐久性指在正常维护条件下结构能够正常使用指在正常维护条件下结构能够正常使用到规定的设计使用年限。例如，结构材料不致出现到规定的设计使用年限。例如，结构材料不致出现影响功能的损坏，钢筋混凝土构件的钢筋不致因保影响功能的损坏，钢筋混凝土构件的钢筋不致因保护层过薄或裂缝过宽而锈蚀等。护层过薄或裂缝过宽而锈蚀等。 结构能满足功能要求，称结构“可靠”或“有效”，否则称结构“不可靠”或“失效”。区分结构工作状态“可靠”与“失效”的界

20、限是“极限状态”。所谓结构的极限状态，是指结构或构件满足结构安全性、适用性、耐久性三项功能中某一功能要求的临界状态。超过这一界限，结构或其构件就不能满足设计规定的该功能要求，而进入失效状态。2.2.1.2 结构功能的极限状态结构功能的极限状态（1）承载能力极限状态这种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。当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态：结构构件或连接因材料强度不够而破坏；整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；结构转变为机动体系；结构或结构构件丧失稳定（柱子被压曲等）。（2）正常使用极限状态正常使用极限状态对应于结构或

21、结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值，超过这一状态便不能满足适用性或耐久性的功能。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：影响正常使用或外观的变形；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等。作用效应作用效应是指结构上的各种作用，在结构内产是指结构上的各种作用，在结构内产生的内力（轴力、弯矩、剪力、扭矩等）和变形生的内力（轴力、弯矩、剪力、扭矩等）和变形（如挠度、转角、裂缝等）的总称，用（如挠度、转角、裂缝等）的总称，用s表示。由直表示。由直接作用产生的效应，通常称为荷载效应。接作用产生的效应，通常称为荷载效

22、应。结构抗力结构抗力是结构或构件承受作用效应的能力，是结构或构件承受作用效应的能力，如构件的承载力、刚度、抗裂度等，用如构件的承载力、刚度、抗裂度等，用r表示。结构表示。结构抗力是结构内部固有的，其大小主要取决于材料性抗力是结构内部固有的，其大小主要取决于材料性能、构件几何参数及计算模式的精确性等。能、构件几何参数及计算模式的精确性等。2.2.1.3 结构的功能函数结构的功能函数结构的功能函数结构的功能函数 （1 1）作用效应）作用效应 s s作用（荷载）对结构产生的各种效应，作用（荷载）对结构产生的各种效应，如如弯矩、剪力、轴力、变形、裂缝弯矩、剪力、轴力、变形、裂缝等等 m v n f w

23、结构构件抵抗各种作用效应的能力。结构构件抵抗各种作用效应的能力。如抗弯、抗剪、抗压、抗拉、抗扭承载力如抗弯、抗剪、抗压、抗拉、抗扭承载力以及抗变形、抗裂缝的能力。以及抗变形、抗裂缝的能力。（2 2）结构抗力）结构抗力 r r结构的工作性能可用结构功能函数z来描述。为简化起见，仅以荷载效应s和结构抗力r两个基本变量来表达结构的功能函数，则有实际工程中，可能出现以下三种情况：当当0时时，结构处于可靠状态；，结构处于可靠状态；当当0时时，结构处于失效状态；，结构处于失效状态；当当0时时，结构处于极限状态。，结构处于极限状态。关系式（s，r）rs0称为有一农夫，能肩挑有一农夫，能肩挑300斤斤当给他当

24、给他300斤的担子时，斤的担子时，效应刚好等于抗力；效应刚好等于抗力；当给他当给他100斤的担子时，斤的担子时，效应小于抗力；效应小于抗力；当给他当给他400斤的担子时，斤的担子时，效应大于抗力。效应大于抗力。挑担子与结构功能函数挑担子与结构功能函数实际工程中，可能出现以下三种情况实际工程中，可能出现以下三种情况2.3 2.3 建筑结构概率极限状态设计法建筑结构概率极限状态设计法结构的功能函数结构的功能函数 srrsgz),(结构构件重要性系数结构构件重要性系数一级一级=1.1=1.1、二级、二级=1.0=1.0、三级、三级=0.9=0.90按承载能力极限状态设计的实用表按承载能力极限状态设计

25、的实用表达式达式 rs 0上节复习上节复习荷荷 载载永久荷载永久荷载可变荷载可变荷载偶然荷载偶然荷载永久荷载代表值永久荷载永久荷载对结构不利取上限对结构不利取上限平均值平均值最大值（上限）最大值（上限）最小值（下限）最小值（下限）单位重单位重量变异量变异尺寸变异尺寸变异标准值标准值gk或或gk为为代表值代表值一般取平均一般取平均值为标准值值为标准值变异较大时变异较大时对结构有利取下限对结构有利取下限可变荷载代表值可变荷载与时间参数有关，可变荷载与时间参数有关，随时在变化，属于随机过程随时在变化，属于随机过程可变荷载可变荷载代表值代表值可变荷载可变荷载标准值标准值可变荷载可变荷载组合值组合值可变

26、荷载可变荷载频遇值频遇值可变荷载可变荷载准永久值准永久值（1 1）可变荷载标准值）可变荷载标准值（民用（民用楼面均布活荷载标准值按下表采用）楼面均布活荷载标准值按下表采用）民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频偶值和永久值系数民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频偶值和永久值系数项项次次类类 别别标准值标准值(kn/m(kn/m2 2) )组合组合值系值系 c c频偶频偶值系值系 f f准永久准永久值系数值系数 q q1 1（1 1）住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院病房、托）住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院病房、托儿所、幼儿园儿所、幼儿园（2 2）教室、实验室、阅览室、会议室、医院门诊）教

27、室、实验室、阅览室、会议室、医院门诊室室2.02.00.70.70.50.50.60.60.40.40.50.52 2食堂、办公楼中的一般资料档案室食堂、办公楼中的一般资料档案室2.52.50.70.70.60.60.50.53 3（1 1）礼堂、剧场、影院、有固定座位的看台）礼堂、剧场、影院、有固定座位的看台（2 2）公共洗衣房）公共洗衣房3.03.03.03.00.70.70.70.70.50.50.60.60.30.30.50.54 4（1 1）商店、展览厅、车站、港口、机场大厅及其）商店、展览厅、车站、港口、机场大厅及其旅客等候室旅客等候室（2 2）无固定座位的看台）无固定座位的看台3

28、.53.53.53.50.70.70.70.70.60.60.50.50.50.50.30.3整个结构或结构的一部份，超过某一特定状态整个结构或结构的一部份，超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能（安全性、适用性、就不能满足设计规定的某一功能（安全性、适用性、耐久性）要求，该特定状态称为该功能的耐久性）要求，该特定状态称为该功能的极限状态极限状态。极限状态极限状态承载能力极限状态承载能力极限状态正常使用极限状态正常使用极限状态承载能力极限状态承载能力极限状态 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平整个结构或结构的一部分作为刚体失去平 衡衡( (如倾覆等如倾覆等) )2009年年6月上海倒楼

29、事件月上海倒楼事件结构构件或连接因超过材料强度而破坏结构构件或连接因超过材料强度而破坏 (包括疲劳破坏包括疲劳破坏)，或因过度变形而不适于，或因过度变形而不适于 继续承载继续承载承载能力极限状态承载能力极限状态 结构转变为机动体系结构转变为机动体系承载能力极限状态承载能力极限状态 柱端塑性铰柱端塑性铰映秀镇漩口中心教学楼震害映秀镇漩口中心教学楼震害结构或结构构件丧失稳定结构或结构构件丧失稳定(如压屈等如压屈等)承载能力极限状态承载能力极限状态 日本阪神地震某钢结构柱间支撑压屈失稳日本阪神地震某钢结构柱间支撑压屈失稳承载能力极限状态承载能力极限状态 地基丧失承载能力而破坏地基丧失承载能力而破坏(

30、如失稳等如失稳等)1964年日本新年日本新泻地震引起地泻地震引起地基液化使建筑基液化使建筑严重倾斜严重倾斜正常使用极限状态正常使用极限状态影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或耐久性能的局部损坏影响正常使用或耐久性能的局部损坏( (包包 括裂缝括裂缝) )；影响正常使用的振动；影响正常使用的振动；影响正常使用的其他特定状态。影响正常使用的其他特定状态。结构的功能函数结构的功能函数 srrsgz),(结构构件重要性系数一级结构构件重要性系数一级=1.1=1.1、二级、二级=1.0=1.0、三级、三级=0.9=0.90按承载能力极限状态设计的实用表按承载能力极限状态设计

31、的实用表达式达式 rs 0极限状态设计表达式极限状态设计表达式承载能力极限状态承载能力极限状态正常使用极限状态正常使用极限状态1 1）由可变荷载效应控制的组合）由可变荷载效应控制的组合2 2）由永久荷载效应控制的组合）由永久荷载效应控制的组合承载能力极限状态下的设计表达式承载能力极限状态下的设计表达式k2k11k1iqciniiqqqggssss按永久荷载标准值计算的荷载效应值按可变荷载标准值计算的荷载效应值 可变荷载效应中的最大值 永久荷载分项系数永久荷载分项系数第第i i个可变荷载个可变荷载的分项系数的分项系数 第第1 1个可变荷载个可变荷载的分项系数的分项系数 可变荷载的可变荷载的组合值

32、系数组合值系数 1 1）由可变荷载效应控制的组合）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)(102qikciniqigkgsss恒荷载效应设计值活荷载效应设计值荷载分项系数的取值荷载分项系数的取值荷载特性荷载特性分项系数分项系数永久永久荷载荷载永久荷载效应对永久荷载效应对结构不利结构不利由可变荷载效应控制的组合由可变荷载效应控制的组合1.21.2由永久荷载效应控制的组合由永久荷载效应控制的组合1.351.35永久荷载效应对结构有利永久荷载效应对结构有利1.01.0倾覆、滑移或飘浮验算倾覆、滑移或飘浮验算0.90.9可变可变荷载荷载一般情况一般情况1.41.4承载能力极限状态下的设

33、计表达式承载能力极限状态下的设计表达式当只有一个可变荷载时当只有一个可变荷载时s1 1与与s2 2的界限的界限qkgkqikciniqikqqgkgs.s.ssss41212111 qkgkqikciniqigkgss.sss 35112 【例2.1】某办公楼钢筋混凝土矩形截面简支梁，安全等级为二级，截面尺寸bh = 200mm400mm，计算跨度l0=5m。承受均布线荷载：活荷载标准值7kn/m，恒荷载标准值10kn/m（不包括自重）。求跨中最大弯矩设计值。【解】活荷载组合值系数c=0.7，结构重要性系数0=1.0。钢筋混凝土的重度标准值为25kn/m3，故梁自重标准值为250.20.4=2

34、kn/m。总恒荷载标准值gk=10+2=12kn/mmgk=1/8gkl02=37.5knmmqk=1/8qkl02=21.875knm由恒载弯矩控制的跨中弯矩设计值为： 0(gmgk+cqmqk)= 72.063knm由活载弯矩控制的跨中弯矩设计值为： 0(gmgk+qmqk)= 75.625knm取较大值得跨中弯矩设计值m=75.625knm。 对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，采用荷载效应的标准组合、频遇组合或准永久组合，按下列设计表达式进行设计： sc (2.5)混凝土结构的正常使用极限状态主要是验算构件的，使其不超过相应的规定限值。砌体结构的正常使用极限状态要求，一般情况下

35、可由相应的构造措施保证。2.2.3.2 按正常使用极限状态设计表达式按正常使用极限状态设计表达式n 荷载效应组合值荷载效应组合值1. 标准组合：标准组合：主要用于当一个极限状态被超越时将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坏的情况。产生严重的永久性损坏的情况。2. 频遇组合：频遇组合：主要用于当一个极限状态被超越时将主要用于当一个极限状态被超越时将产生局部损坏、较大变形或短暂震动等的情况。产生局部损坏、较大变形或短暂震动等的情况。3. 准永久组合：准永久组合：主要用于当长期效应是决定性因素主要用于当长期效应是决定性因素的一些情况。的一些情况。kq2cq1kgkiniissss k

36、q2qq1kf1gkiniissss kq1qgkiniisss 2.2.3.2 按正常使用极限状态设计表达式按正常使用极限状态设计表达式第三节 建筑结构材料的设计指标一. 钢筋的成份、级别、品种热轧钢筋热轧钢筋 hot rolled steel reinforcd bar强度等级代号hpb235级、hrb335级、hrb400级光圆 带肋hrbhot rolledribbedbar按按化化学学成成分分碳素钢碳素钢低合金钢低合金钢在碳素钢基础上加入少量的硅、锰、在碳素钢基础上加入少量的硅、锰、 钛、钒、铬等合金元素。有效提高钢材的钛、钒、铬等合金元素。有效提高钢材的 强度，改善钢材的其它性能。

37、强度，改善钢材的其它性能。低碳钢含碳量低碳钢含碳量0.25%中碳钢含碳量中碳钢含碳量0.25%0.6%高碳钢含碳量高碳钢含碳量0.6%1.4%除铁外，含少除铁外，含少量碳、硅、锰、量碳、硅、锰、硫、磷硫、磷级级热轧钢筋、热轧钢筋、钢丝钢丝 、级级热轧钢筋、热处理钢筋热轧钢筋、热处理钢筋 按按外外形形光面钢筋光面钢筋 变形钢筋变形钢筋: :等高肋钢筋、月牙肋钢筋等高肋钢筋、月牙肋钢筋d公称直径 a 3股钢绞线量测尺寸钢绞线钢绞线刻痕钢丝刻痕钢丝螺旋肋钢丝螺旋肋钢丝热轧钢筋热轧钢筋 将钢材在高温下轧制而成，根据强度高低，分为将钢材在高温下轧制而成，根据强度高低，分为、 、三个级别三个级别冷拉钢筋冷

38、拉钢筋 由热轧钢筋在常温下机械拉伸而成，屈服强度得到提由热轧钢筋在常温下机械拉伸而成，屈服强度得到提 高（高（冷拉时效冷拉时效），分为冷拉），分为冷拉、冷拉、冷拉、冷拉、冷拉、冷拉、冷拉冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋 由热轧圆盘条经冷轧减小直径后在其表面冷轧成由热轧圆盘条经冷轧减小直径后在其表面冷轧成 带有斜肋的钢筋，明显提高屈服强度，三个级别带有斜肋的钢筋，明显提高屈服强度，三个级别 ll550，ll650，ll800热处理钢筋热处理钢筋 将热轧的螺纹钢筋再通过淬火和回火的调质热处理，将热轧的螺纹钢筋再通过淬火和回火的调质热处理， 显著提高强度。显著提高强度。按按加加工工方方法法钢丝钢丝：碳素钢丝

39、、刻痕钢丝及钢绞线：碳素钢丝、刻痕钢丝及钢绞线 冷拔钢筋冷拔钢筋 在常温下，使钢筋拉过一个直径较小的设备（在常温下，使钢筋拉过一个直径较小的设备（如图如图），改变力学性能。，改变力学性能。冷拔钢筋冷拔钢筋既能提高既能提高抗拉强度抗拉强度又能提高又能提高抗压强度抗压强度。冷拔钢筋属于硬钢。冷拔钢筋属于硬钢。力学性能力学性能软钢软钢：热轧钢筋热轧钢筋（、级）以及级）以及冷拉钢筋冷拉钢筋，力学性质较软，亦称有明显屈服点的钢筋，力学性质较软，亦称有明显屈服点的钢筋硬钢硬钢：热处理热处理钢筋钢筋及及高强钢丝高强钢丝，力学性质高强而，力学性质高强而硬，亦称无明显屈服点的钢筋硬，亦称无明显屈服点的钢筋二钢筋

40、的力学性能 钢筋的应力钢筋的应力-应变关系曲线：软钢、硬钢。应变关系曲线：软钢、硬钢。 钢筋的力学指标钢筋的力学指标1、软钢、软钢 steel bar with yield points se ea为比例极限proportional limit s =eseaa为弹性极限elastic limitade为强化段strain hardening stageb为屈服上限upper yield strengthc为屈服下限，即屈服强度 fylower yield strengthcdcd为屈服台阶yield plateauefue为极限抗拉强度 fu ultimate tensile strengt

41、hfyfba0.2s s0.2 fu2 2、硬钢、硬钢 steel bar without yield point a点后：应力点后：应力-应变关系为非线性应变关系为非线性a点后：应力点后：应力-应变关系为非线性应变关系为非线性协定流限：经过加载和卸载后协定流限：经过加载和卸载后尚存有尚存有0.2%永久残余变形时的永久残余变形时的应力应力. . 动画动画力学性能力学性能软钢软钢：热轧钢筋热轧钢筋（、级）以及级）以及冷拉钢筋冷拉钢筋，力学性质较软，亦称有明显屈服点的钢筋，力学性质较软，亦称有明显屈服点的钢筋硬钢硬钢：热处理热处理钢筋钢筋及及高强钢丝高强钢丝，力学性质高强而，力学性质高强而硬，亦称

42、无明显屈服点的钢筋硬，亦称无明显屈服点的钢筋二钢筋的力学性能 钢筋的应力钢筋的应力-应变关系曲线：软钢、硬钢。应变关系曲线：软钢、硬钢。 钢筋的力学指标钢筋的力学指标hrb系列系列672.3 建筑结构材料及其设计指标建筑结构材料及其设计指标建筑钢材包括混凝土结构用钢筋及钢结构用型钢和钢板。（1）混凝土结构用钢筋钢筋混凝土结构所采用的钢筋有劲性钢筋和柔性钢筋两类。通常所称的钢筋，即指柔性钢筋。劲性钢筋由型钢（如角钢、槽钢、工字钢）组成。 2.3.1 建筑钢材建筑钢材2.3.1.1 建筑钢材的品种和规格建筑钢材的品种和规格按加工方法不同，我国用于混凝土结构的钢筋主要有热轧钢筋、冷拉钢筋、热处理钢筋

43、、冷轧钢筋（冷轧带肋钢筋、冷轧扭钢筋）、冷拔低碳钢丝、消除应力钢丝、钢绞线等。钢筋混凝土结构主要使用热轧钢筋。 热轧钢筋由低碳钢或低合金钢热轧而成。按屈服强度标准值的大小，用于钢筋混凝土结构的热轧钢筋分为hpb235、hrb335、hrb400和rrb400四个级别。 按照外形不同，钢筋可分为光圆钢筋和变形钢筋（人字纹、螺旋纹、月牙纹）两种，如图2.1所示。hpb235钢筋为光圆钢筋，hrb335钢筋、hrb400钢筋和rrb400钢筋的外形均为月牙纹。 混凝土结构设计规范（gb500102002）（以下简称混凝土规范）规定，普通钢筋（指用于钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土结构中的非预应力

44、钢筋）宜采用hrb400级和hrb335级钢筋，也可采用hpb235级和rrb400级钢筋。图2.1 钢筋的外形 （2）钢结构用钢材1）钢材的品种 钢结构用的钢材主要是碳素结构钢和低合金高强度结构钢。碳素结构钢碳素结构钢的牌号由字母q、屈服点数值、质量等级代号、脱氧方法代号（f、b、z、tz）四个部分组成。 现举例说明钢号表示法及代表的意义：q235a屈服强度为235n/mm2，a级，镇静钢；q235bf屈服强度为235n/mm2，b级，沸腾钢。 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢是在钢的冶炼过程中添加少量合金元素（合金元素的总量低于5%），以提高钢材的强度、耐腐蚀性及低温冲击韧性等。低合金

45、高强度结构钢均为镇静钢或特殊镇静钢，所以它的牌号只有q、屈服点数值、质量等级三部分，其中质量等级有a到e五个级别。 低合金高强度结构钢的a、b级属于镇静钢，c、d、e级属于特殊镇静钢。 2）钢材的规格钢结构采用的型材有热轧成型的钢板、型钢以及冷弯（或冷压）成型的薄壁型材。热轧钢板热轧钢板分厚板和薄板。厚板的厚度为4.560 mm，宽0.73m，长412m；薄板厚度为0.354 mm，宽0.51.5m，长0.54m。 钢板用符号“”后加“厚宽长”（单位为mm）的方法表示，如128002100。 热轧型钢热轧型钢有角钢、槽钢、工字钢、h型钢、剖分t型钢和钢管，如图2.2所示。 角钢有等边和不等边两

46、种。 槽钢有热轧普通槽钢与热轧轻型槽钢。工字钢分普通工字钢和轻型工字钢。 热轧h型钢除热轧h型钢外，还有普通焊接h型钢和轻型焊接h型钢。 图2.2 热轧型钢截面 剖分t型钢系由对应的h型钢沿腹板中部对等剖分而成。 钢管分为无缝钢管和焊接钢管。以符号“”后加“外径厚度”（单位为mm）表示，如4006。常用型钢规格见附录2。 冷弯薄壁型材冷弯薄壁型钢是由26mm的薄钢板经冷弯或模压而成型的，其截面各部分厚度相同，转角处均呈圆弧形（图2.3（a）（i）。 压型钢板（图2.3（j）是近年来开始使用的薄壁型材，所用钢板厚度为0.42mm。其优缺点同冷弯薄壁型钢，主要用于围护结构、屋面、楼板等。 图2.3

47、 冷弯薄壁型材的截面形式 （a）(i)冷弯薄壁型钢；（j）压型钢板 钢材的强度具有变异性。按同一标准生产的钢材，不同时期生产的各批钢材之间的强度不会完全相同；即使同一炉钢轧制的钢材，其强度也会有差异。因此，在结构设计中采用其强度标准值作为基本代表值。所谓强度标准值，是指正常情况下可能出现的最小材料强度值。统一标准规定，材料强度标准值应具有不小于95%的保证率。 2.3.1.2 建筑钢材的设计指标建筑钢材的设计指标规范取国家标准规定的屈服强度废品限值作为钢筋强度的标准值，以使结构设计时采用的钢筋强度与国家规定的钢筋出厂检验强度一致。强度标准值除以材料分项系数s即为材料强度设计值。各类热轧钢筋材料

48、分项系数s的取值大约为1.15。普通钢筋的强度标准值、强度设计值见表2.5(详见p42)。钢材强度设计值根据钢材厚度或直径按表2.6 (详见p42)采用。根据立方体抗压强度标准值fcu,k的大小，混凝土强度等级分c15、c20、c25、c30、c35、c40、c45、c50、c55、c60、c65、c70、c75、c80共14级。混凝土规范规定，钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于c15。当采用hrb335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于c20；当采用hrb400级和rrb400级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于c20。 2.3.2 混凝土混凝土2.3.2.1 混凝土的强度

49、等级混凝土的强度等级同钢筋相比，混凝土强度具有更大的变异性，按同一标准生产的混凝土各批强度会不同，即便用一次搅拌的混凝土其强度也有差异。因此，设计中也应采取混凝土强度标准值来进行计算。混凝土强度设计值等于混凝土强度标准值除以混凝土材料分项系数c，c=1.4。各种强度等级的混凝土强度标准值、强度设计值列于表2.7、表2.8 (详见p43) 。 2.3.2.2 混凝土的设计指标混凝土的设计指标混凝土结构应符合有关耐久性规定，以保证其在化学的、生物的以及其他使结构材料性能恶化的各种侵蚀的作用下达到预期的耐久年限。混凝土结构的耐久性按结构所处环境和设计使用年限设计。其中，使用环境类别按表2.9 (详见

50、p43)划分。（1）一类、二类和三类环境中，设计使用年限为50年的结构，混凝土应符合表2.10 (详见p43)的规定。（2）一类环境中，设计使用年限为100年的结构混凝土应符合下列规定： 2.3.2.3 混凝土结构的耐久性规定混凝土结构的耐久性规定结构混凝土强度等级不应低于c30，预应力混凝土结构的最低强度等级为c40。混凝土中氯离子含量不得超过水泥质量的0.06%。宜使用非碱活性骨料；当使用碱活性骨料时，混凝土中的碱含量不得超过3.0kg/m3。混凝土保护层厚度应按相应的规定增加40%；当采取有效的表面防护措施时，混凝土保护层厚度可适当减少。在使用过程中应有定期维护措施。（3）对于设计寿命为

51、100年且处于二类和三类环境中的混凝土结构应采取专门有效的措施。（4）严寒及寒冷地区的潮湿环境中，结构混凝土应满足抗冻要求，混凝土抗冻等级应符合有关标准的要求。（5）有抗渗要求的混凝土结构，混凝土的抗渗等级应符合有关标准的要求。（6）三类环境中的结构构件，其受力钢筋宜采用环氧涂层带肋钢筋；对预应力锚具及连接器应有专门的防护措施。 （7）四类和五类环境中的混凝土结构，其耐久性要求应符合有关标准的规定。 对临时性混凝土结构，可不考虑混凝土的耐久性要求。 （1）钢筋表面与混凝土之间的粘结作用由三部分组成：一是混凝土结硬时体积收缩，将钢筋紧紧握住而产生的摩擦力；二是由于钢筋表面凹凸不平而产生的机械咬合

52、力；三是混凝土与钢筋接触表面间的胶结力。 （2）钢筋和混凝土的温度线膨胀系数几乎相同，在温度变化时，二者的变形基本相等，不致破坏钢筋混凝土结构的整体性。 （3）钢筋被混凝土包裹着，从而使钢筋不会因大气的侵蚀而生锈变质。 2.3.3 钢筋与混凝土的共同工作钢筋与混凝土的共同工作2.3.3.1 钢筋与混凝土共同工作的原因钢筋与混凝土共同工作的原因 为了增加钢筋在混凝土内的抗滑移能力和钢筋端部的锚固作用，绑扎钢筋骨架中的受拉光面钢筋末端应做弯钩。标准弯钩的构造要求如图2.4。 2.3.3.2 钢筋的弯钩钢筋的弯钩图2.4 光面钢筋端部的弯 (a)手工弯半圆弯钩；(b)机器弯半圆弯钩 钢筋混凝土构件中

53、，某根钢筋若要发挥其在某个截面的强度，则必须从该截面向前延伸一个长度，以借助该长度上钢筋与混凝土的粘结力把钢筋锚固在混凝土中，这一长度称为锚固长度。 钢筋的锚固长度取决于钢筋强度及混凝土强度，并与钢筋外形有关，它可根据钢筋应力达到屈服强度时钢筋才被拔动的条件确定。 （1）当计算中充分利用钢筋的抗拉强度时，普通受拉钢筋的锚固长度la按下式计算：2.3.3.3 钢筋的锚固钢筋的锚固yatfldf按式（2.6）计算的锚固长度应按下列规定进行修正，但经修正后的锚固长度不应小于计算值的0.7倍，且不应小于250mm：对hrb335、hrb400和rrb400级钢筋，当直径大于25mm时乘以系数1.1，在

54、锚固区的混凝土保护层厚度大于钢筋直径的3倍且配有箍筋时乘以系数0.8对hrb335、hrb400和rrb400级的环氧树脂钢筋乘以系数1.25；当钢筋在混凝土施工中易受扰动（如滑模施工）时乘以系数1.1；除构造需要的锚固长度外，当纵向受力钢筋的实际配筋面积大于其设计计算面积时，如有充分依据和可靠措施，其锚固长度可乘以设计计算面积与实际配筋面积的比。当hrb335、hrb400和rrb400级纵向受拉钢筋末端采用机械锚固措施（图2.5）时，包括附加锚固端头在内的锚固长度可取按式（2.6）计算的锚固长度的0.7倍。 （2）当计算中充分利用钢筋的抗压强度时，其锚固长度不应小于按式（2.6）计算的锚固

55、长度的0.7倍。 图2.5 钢筋机械锚固的形式及构造要求 (a)末端带135弯钩；(b)末端与钢板穿孔塞焊；(c)末端与短钢筋双面贴焊 在施工中，常常会出现因钢筋长度不够而需要接长的情况。钢筋的接头形式有绑扎搭接接头、焊接接头和机械连接接头。规范规定，轴心受拉及小偏心受拉构件的纵向受力钢筋不得采用绑扎搭接接头；直径大于28mm的受拉钢筋及直径大于32mm的受压钢筋不宜采用绑扎搭接接头。 2.3.3.4 钢筋的接头钢筋的接头（1）绑扎搭接接头绑扎搭接接头的工作原理，是通过钢筋与混凝土之间的粘结强度来传递钢筋的内力。因此，绑扎接头必须保证足够的搭接长度，而且光圆钢筋的端部还需做弯钩(图2.6)。

56、纵向受拉钢筋绑扎搭接接头的搭接长度ll应根据位于同一连接区段内的钢筋搭接接头面积百分率按下式计算，且在任何情况下均不应小于300mm。ll=la300mm(2.7)图2.6钢筋的绑扎接头 (a)光面钢筋；(b)变形钢筋 纵向受压钢筋采用搭接连接时，其受压搭接长度不应小于按式（2.7）计算的受拉搭接长度的0.7倍，且在任何情况下均不应小于200mm。钢筋绑扎搭接接头连接区段的长度为1.3倍搭接长度，凡搭接接头中点位于该长度范围内的搭接接头均属同一连接区段（图2.7）。 同一构件中相邻纵向的绑扎搭接接头宜相互错开。在纵向受力钢筋搭接长度范围内应配置箍筋，其直径不应小于搭接钢筋较大直径的0.25倍。

57、 图2.7 同一连接区段内的纵向受拉钢筋绑扎搭接接头 当钢筋受拉时，箍筋间距s不应大于搭接钢筋较小直径的5倍，且不应大于100mm（图2.8）；当钢筋受压时，箍筋间距s不应大于搭接钢筋较小直径的10倍，且不应大于200mm。当受压钢筋直径大于25mm时，还应在搭接接头两个端面外100mm范围内各设置两个箍筋。 图2.8 受拉钢筋搭接处箍筋设置 （2）机械连接接头纵向受力钢筋机械连接接头宜相互错开。钢筋机械连接接头连接区段的长度为35d（d为纵向受力钢筋的较大直径）。在受力较大处设置机械连接接头时，位于同一连接区段内纵向受拉钢筋机械连接接头面积百分率不宜大于50%，纵向受压钢筋可不受限制；在直接

58、承受动力荷载的结构构件中不应大于50% 。（3）焊接接头纵向受力钢筋的焊接接头应相互错开。钢筋机械连接接头连接区段的长度为35d（d为纵向受力钢筋的较大直径）且不小于500mm。位于同一连接区段内纵向受拉钢筋的焊接接头面积百分率不应大于50%，纵向受压钢筋可不受限制。 （1）块材块材是砌体的主要组成部分，通常占砌体总体积的78以上。我国目前的块材主要有以下几类：1）砖烧结普通砖烧结普通砖简称普通砖，指以黏土、页岩、煤矸石、粉煤灰为主要原料，经过焙烧而成的实心的或孔洞率不大于规定值且外形尺寸符合规定的砖。2.3.4 砌体材料砌体材料2.3.4.1 砌体材料种类及强度砌体材料种类及强度等级等级 烧

59、结普通砖可分为烧结黏土砖、烧结页岩砖、烧结煤矸石砖、烧结粉煤灰砖等。全国统一规定这种砖的尺寸为240mm115mm53mm，习惯上称标准砖。 烧结普通砖的强度等级有mu30、mu25、mu20、mu15和mu10五个等级。 非烧结硅酸盐砖非烧结硅酸盐砖是指以硅酸盐材料、石灰、砂石、矿渣、粉煤灰等为主要材料压制成型后经蒸汽养护制成的实心砖。常用的有蒸压灰砂砖、蒸压粉煤灰砖、炉渣砖、矿渣砖等。蒸压灰砂砖简称灰砂砖，是以石灰和砂为主要原料，经坯料制备、压制成型、蒸压养护而成的实心砖，其强度等级有mu25、mu20、mu15和mu10。 蒸压粉煤灰砖简称粉煤灰砖，又称烟灰砖，是以粉煤灰、石灰为主要原料

60、，掺配适量的石膏和集料，经坯料制备、压制成型、高压蒸汽养护而成的实心砖，有mu20、mu15、mu10和mu7.5四个强度等级。 炉渣砖亦称煤渣砖，以炉渣为主要原料，掺配适量的石灰、石膏或其他集料制成。矿渣砖以未经水淬处理的高炉炉渣为主要原料，掺配适量的石灰、粉煤灰或炉渣制成。烧结多孔砖烧结多孔砖简称多孔砖，是指以黏土、页岩、煤矸石或粉煤灰为主要原料，经焙烧而成的具有竖向孔洞(孔洞率不小于25，孔的尺寸小而数量多)的砖。其外形尺寸，长度为290、240、190mm，宽度为240、190、180、175、140、115mm，高度为90mm。型号有km1、kp1和kp2三种（图2.9）。烧结多孔砖