第四章建筑结构设计原则和过程

1、孝感学院城建学院孝感学院城建学院土木建筑工程系结构教研室土木建筑工程系结构教研室 根据工程经验等所形成的基本设计原则和设计思根据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想进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程称为概念设计。为概念设计。 基本内容有三部分：基本内容有三部分： 1.1.建筑设计应重视建筑结构的规则性；建筑设计应重视建筑结构的规则性； 2.2.合理的建筑结构体系选择；合理的建筑结构体系选择； 3.3.抗侧力结构和构件的延性设计。抗侧力结构和构件的延性设计。抗震设计的概念设计准则 选择有利于抗震的场地选择有利于抗震的场地 选择利于抗震的地

2、基和基础选择利于抗震的地基和基础 选择对抗震有利的建筑平面和立面布置选择对抗震有利的建筑平面和立面布置 选择合理的抗震结构体系选择合理的抗震结构体系 选择合理的结构构件选择合理的结构构件 处理好非结构构件和主体结构的关系处理好非结构构件和主体结构的关系 注意材料的选用和施工质量注意材料的选用和施工质量 采用结构控制新技术采用结构控制新技术 建筑结构的规则性对抗震能力的重要影响的认识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。始自若干现代建筑在地震中的表现。 最为典型的例子是最为典型的例子是19721972年年2 2月月2323日南美洲的马那日南美洲的马那瓜地震。瓜

3、地震。 马那瓜有相距不远的两幢高层建筑，一幢为十五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，另一幢为层高的中央银行大厦，另一幢为1818层高的美洲银行大层高的美洲银行大厦。当地地震烈度估计为厦。当地地震烈度估计为8 8度。一幢破坏严重，震后拆度。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。除；另一幢轻微损坏，稍加修理便恢复使用。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 1）平面不规则）平面不规则4个楼梯间偏置塔楼西端，西端有填充墙。个楼梯间偏置塔楼西端，西端有填充墙。4层以上的楼板仅为层以上的楼板仅为5cm厚，搁置在高厚，搁置在高45cm

4、长长14m小梁上。小梁上。 2）竖向不规则）竖向不规则塔楼上部（塔楼上部（4层楼面以上），北、东、西三面布置了密集的小柱子，共层楼面以上），北、东、西三面布置了密集的小柱子，共64根，支承在根，支承在4层楼板水平层楼板水平处的过渡大梁上，大梁又支承在其下面的处的过渡大梁上，大梁又支承在其下面的10根根1m 1.55m的柱子上（间距的柱子上（间距9.4m）。上下两部分严）。上下两部分严重不均匀，不连续。重不均匀，不连续。 主要破坏：第主要破坏：第4层与第层与第5层之间层之间(竖向刚度和承载力突变竖向刚度和承载力突变),周围柱子严重开裂，柱钢筋压屈；周围柱子严重开裂，柱钢筋压屈； 横向裂缝贯穿横向

5、裂缝贯穿3层以上的所有楼板层以上的所有楼板(有的宽达有的宽达1cm),直至电梯井东侧；直至电梯井东侧； 塔楼西立面、其他立面窗下和电梯井处的空心砖填充墙及其它非结构构件均塔楼西立面、其他立面窗下和电梯井处的空心砖填充墙及其它非结构构件均 严重破坏或倒塌。严重破坏或倒塌。 震后计算分析结果震后计算分析结果:1.结构存在十分严重扭转效应结构存在十分严重扭转效应;2.塔楼塔楼3层以上北面和南面大多数柱子抗剪能层以上北面和南面大多数柱子抗剪能力大大不足力大大不足,率先破坏；率先破坏；3.水平地震作用下水平地震作用下,柔而长的楼板产生可观的竖向运动等。柔而长的楼板产生可观的竖向运动等。 马那瓜马那瓜中央

6、银行大厦中央银行大厦 结构是均匀对称的，基本的抗侧力体系包结构是均匀对称的，基本的抗侧力体系包括括4个个l形的桶体，对称地由连梁连接起来，形的桶体，对称地由连梁连接起来，这些连梁在地震时遭到剪切破坏，是整个结这些连梁在地震时遭到剪切破坏，是整个结构能观察到的主要破坏。构能观察到的主要破坏。分析表明：分析表明：1.对称的结构布置及相对刚强的对称的结构布置及相对刚强的联肢墙，有效地限制了侧向位移，并防止了联肢墙，有效地限制了侧向位移，并防止了明显的扭转效应；明显的扭转效应；2.避免了长跨度楼板和砌避免了长跨度楼板和砌体填充墙的非结构构件的损坏；体填充墙的非结构构件的损坏；3.当连梁剪当连梁剪切破坏

7、后，结构体系的位移虽有明显增加，切破坏后，结构体系的位移虽有明显增加，但由于抗震墙提供了较大的侧向刚度，位移但由于抗震墙提供了较大的侧向刚度，位移量得到控制。量得到控制。美洲美洲银行银行4.2 4.2 结构设计基本原则结构设计基本原则结构的功能要求结构的功能要求 能承受正常施工和使用时的各种作用，以及能承受正常施工和使用时的各种作用，以及偶然事件发生时，仍能保持整体稳定性。偶然事件发生时，仍能保持整体稳定性。在正常使用时，能保证具有良好的工作性能，在正常使用时，能保证具有良好的工作性能，不出现过大的变形和裂缝。不出现过大的变形和裂缝。在正常使用及维护下，具有足够的耐久性能，在正常使用及维护下，

8、具有足够的耐久性能，不发生锈蚀和风化现象。不发生锈蚀和风化现象。安全性安全性适用性适用性耐久性耐久性例如，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。不安的裂缝宽度等。 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。 即结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。即结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。 建筑结构的安全等级建筑结构的安全等级安全等级安全等级破坏后

9、果破坏后果建筑物类型建筑物类型一级一级很严重很严重重要的房屋重要的房屋二级二级严重严重一般的房屋一般的房屋三级三级不严重不严重次要的房屋次要的房屋建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准gb50068-2001gb50068-2001（以下简称（以下简称统一标统一标准准）规定，建筑结构设计时，应根据结构破坏可能产生的后果（危及人）规定，建筑结构设计时，应根据结构破坏可能产生的后果（危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等）的严重性，采用不同的的生命、造成经济损失、产生社会影响等）的严重性，采用不同的安全等安全等级级。 设计使用年限设计使用年限，是指设计规定的结构或结构构件不需进行

10、大修即可按，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。其预定目的使用的时期。 结构的设计使用年限分类结构的设计使用年限分类设计设计使使 用用 年年 限限 示示 例例5 5临时性结构临时性结构2525易于替换的结构构件易于替换的结构构件5050普通房屋和构筑物普通房屋和构筑物100100纪念性建筑和纪念性建筑和特别重要的建筑结构特别重要的建筑结构结构的结构的安全性安全性、适用性适用性和和耐久性耐久性是结构可靠的标志，总称是结构可靠的标志，总称为结构的为结构的可靠性可靠性。 结构的结构的可靠度可靠度是结构可靠性的是结构可靠性的概率度量概率度量，即对结构可靠性，即对结构可靠

11、性的的定量描述定量描述。 结构结构可靠性可靠性的定义是，结构在规定时间内，规定条件下，的定义是，结构在规定时间内，规定条件下，完成预定功能的能力。完成预定功能的能力。 当结构的使用年限当结构的使用年限超过设计使用年限超过设计使用年限后，并不意味着结构后，并不意味着结构就要报废，但其就要报废，但其可靠度可靠度将将逐渐降低逐渐降低。 结构极限状态结构极限状态结构功能的结构功能的极限状态极限状态 （1 1）承载能力承载能力极限状态极限状态（2 2）正常使用正常使用极限状态极限状态针对针对安全性安全性如：整个结构或结构的一部分作为刚体失去稳定；如：整个结构或结构的一部分作为刚体失去稳定； 结构构件或连

12、接因材料强度不够而破坏；结构构件或连接因材料强度不够而破坏； 结构转变为机动体系；结构转变为机动体系； 结构或结构构件丧失稳定等。结构或结构构件丧失稳定等。针对针对适用性适用性和和耐久性耐久性如：出现影响正常使用或外观的变形；如：出现影响正常使用或外观的变形； 影响正常使用或耐久性的局部损坏；影响正常使用或耐久性的局部损坏； 影响正常使用的振动。影响正常使用的振动。持久状况持久状况-进行进行承载能力承载能力极限状态和极限状态和正常使用正常使用极限状态设计极限状态设计。 结构的设计状况结构的设计状况短暂状况短暂状况-进行进行承载能力承载能力极限状态设计和根据需要进行极限状态设计和根据需要进行正常

13、使正常使用用极限状态设计极限状态设计。 偶然状况偶然状况-进行进行承载能力承载能力极限状态和极限状态和。 结构的设计原则和方法结构的设计原则和方法（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。如如抗弯、抗剪、抗压、抗拉、抗扭抗弯、抗剪、抗压、抗拉、抗扭承载力承载力以及以及抗变形、抗裂缝抗变形、抗裂缝的能力。的能力。（2 2）结构抗力）结构抗力 r r有一农夫，能肩挑有一农夫，能肩挑300斤斤

14、当给他当给他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结构荷载的确定结构荷载的确定 结构上的荷载作用可以按照工程设计的标准分为：永久作用、可变作用于偶然作用三类。荷载效应荷载效应 荷载在结构上产生的内力与变形，如弯矩、剪力、轴力、扭矩、挠度、转角、裂缝等，以s来表示； 由于荷载位置与方向差异，不同荷载对于结构产生的效果不同； s= cq，c：荷载效应系数； 特定结构或构件对于特定荷载的荷载效应

15、系数确定的。 常见的荷载效应系数举例：o 简支梁在均布荷载作用下，最大弯矩的荷载效应系数为：c=l2/8；o 简支梁在集中荷载作用下，最大弯矩的荷载效应系数为：c=l/4。影响结构抗力大小的主要因素：影响结构抗力大小的主要因素：结构的构成形态构件的几何尺寸材料性能 由材料的变异性、构件几何特征和计算模式等的不定一些，决定结构抗力也应是随机变量。结构的功能函数结构的功能函数 srrsgz),(当当0 0 即即 r rs s 时，结构处于时，结构处于可靠状态可靠状态；当当0 0 即即 r rs s 时，结构处于时，结构处于失效状态失效状态；当当= = 0 0 即即 r r = =s s 时，结构处

16、于时，结构处于极限状态极限状态。 关系式关系式(s(s，r)r)r rs s0 0 称为极限状态方程。称为极限状态方程。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达式按承载能力极限状态设计的实用表达式 rs 0功能函数功能函数极限状态安全失效000srz可靠度定义 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。结构不能完成预定功能的概率？问题可靠度指标与失效概率的关系可靠度失效概率22srzsrzsrzfsrsrsrzp显然22可靠度指标 由定义的代替失效概率pf的指标。与pf关

17、系2.73.23.74.2pf3.510-36.910-41.110-41.310-5延性破坏延性破坏 指结构构件在破切前有明显的变形或其他预兆。脆性破坏脆性破坏 指结构构件在破切前无明显的变形或其他预兆。实用设计表达式实用设计表达式k2k11kiqciniiqqqggssss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系数组合值系数 1）由可变荷载效应控制的组合承载能力极限状态rs 02

18、）由永久荷载效应控制的组合)(10qikciniqigkgsss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永久荷载效应对结构不利对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对标准值大于对标准值大于4kn/m4kn/m2 2的工业房屋楼面结构的活荷载取的工业房屋楼面结构的活

19、荷载取1.31.3一般框、排架结构一般框、排架结构 qikniqigkgkqqgkgsssss1119 . 0max 正常使用极限状态的荷载组合进行正常使用极限状态验算时采用荷载的标准值；不考虑结构的重要性系数；需要考虑荷载作用时间的长短对变形和裂缝宽度的影响。1.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2.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3.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 按正常使用极限状态设计的实用表达式按正常使用极限状态设计的实用表达式 （1 1）实用表达式）实用表达式 对于正常使用极限状

20、态，应根据不同的设计要对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，按下列设计表达式进行设计：求，按下列设计表达式进行设计： sc式中式中s变形、裂缝等荷载效应的设计值；变形、裂缝等荷载效应的设计值； c结构构件达到正常使用要求所规定的限值，结构构件达到正常使用要求所规定的限值，如变形、裂缝宽度等。如变形、裂缝宽度等。 混凝土结构混凝土结构的正常使用极限状态主要是验算构件的变形、的正常使用极限状态主要是验算构件的变形、抗裂度或裂缝宽度，使其不超过相应的规定限值；抗裂度或裂缝宽度，使其不超过相应的规定限值； 钢结构钢结构通过构件的变形（刚度）验算保证；通过构件的变形（刚度）验算保证； 砌体结构砌体

21、结构一般情况下不做验算，由相应的构造措施保证。一般情况下不做验算，由相应的构造措施保证。 （2 2）荷载效应组合设计）荷载效应组合设计 1 1）对于标准组合，其荷载效应组合的表达式为）对于标准组合，其荷载效应组合的表达式为 1qk2k1kiqniciqgsssskq2qk11fkiniiqgssss 2) 2) 对于频遇组合，其荷载效应组合的表达式为对于频遇组合，其荷载效应组合的表达式为可变荷载可变荷载 的频遇系数的频遇系数可变荷载可变荷载 的准永久值系数的准永久值系数1q3 3）对于准永久组合，荷载效应组合的表达式为）对于准永久组合，荷载效应组合的表达式为 qikniqigksss1 【例【

22、例1.2.1】 某办公楼钢筋混凝土矩形截面简支梁，安某办公楼钢筋混凝土矩形截面简支梁，安全等级为二级，截面尺寸全等级为二级，截面尺寸bh = 200mm400mm，计算，计算跨度跨度 = 5m，净跨度，净跨度 =4.86m。承受均布线荷载：活荷。承受均布线荷载：活荷载标准值载标准值7kn/m，恒荷载标准值，恒荷载标准值10kn/m（不包括自重）。（不包括自重）。试计算按承载能力极限状态设计时的跨中弯矩设计值和支试计算按承载能力极限状态设计时的跨中弯矩设计值和支座边缘截面剪力设计值。座边缘截面剪力设计值。0lnl【解】由表【解】由表1.1.1查得活荷载组合值系数查得活荷载组合值系数=0.7。安全等级。安全等级为二级，则结构重要性系数为二级，则结构重要性系数=1.0。 钢筋混凝土的重度标准值为钢筋混凝土的重度标准值为25kn/m3，故梁自重标准值，故梁自重标准值为为250.20.4=2 kn/m。 总恒荷载标准值总恒荷载标准值gk=10+2=12kn/m 恒载产生的跨中弯矩标准值和支座边缘截面剪力设计恒载产生的跨中弯矩标准值和支座边缘截面剪力设计值分别为：值分别为：mgk = gkl02/8 = 1252 /8=37.5kn m vgk=gkln/2= 124.86/2=29.16