第二章建筑结构设计基本原理

1、建筑结构Construction Structural主讲教师 李柔锋TEL：Q： 1301605707E-MAIL： li_rou_目录1.概论2.建筑结构设计基本原理3.结构材料的力学性能及指标4.混凝土结构5.砌体结构6.钢结构7.钢筋混凝土单层厂房8.多层与高层钢筋混凝土结构9.大跨度建筑结构10.抗震设计基本概念11.多层砌体结构抗震设计12.钢筋混凝土多层框架结构抗震设计简述 第一篇 建筑结构概论建筑结构设计基本原理2第一节 结构上的荷载作用：施加在结构上的集中或分布荷载以及引起结构外加变形或约束变形因素的综合作用效应：由作用引起的结构或构件的反应结构抗力

2、：结构或结构构件承受作用效应的能力2.1.1 结构的作用、作用效应、抗力及其随机性永久荷载（重力荷载、土压力等）楼（屋）面可变荷载风荷载吊车荷载可变荷载偶然荷载（如爆炸、撞击）直接作用荷载间接作用（如地震作用、地基变形、材料收缩、焊接应力、温度变化等。）作用结构上的作用是指使结构产生内力或变形的各种原因的总称。在结构使用期间，其值随时间变化，或其变化与平均值相比不可忽略的荷载，又称为活载 。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。1） 荷载分类在结构使用期间，长期作用在结构上，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计的荷载，又称为恒载 。2.1.2 荷载分类

3、及荷载代表值2.1.2 荷载分类及荷载代表值1.永久荷载永久荷载亦称恒荷载，是指在结构使用期间，其值不随时间变化，或者其变化与平均值相比可忽略不计的荷载，如结构自重、土压力、预应力等。2.可变荷载可变荷载也称为活荷载，是指在结构使用期间，其值随时间变化，且其变化值与平均值相比不可忽略的荷载，如楼面活荷载、屋面活荷载、风荷载、雪荷载、吊车荷载等。3.偶然荷载 在结构使用期间不一定出现，而一旦出现，其量值很大且持续时间很短的荷载称为偶然荷载，如爆炸力、撞击力等。1） 荷载分类可变荷载(活载)2.1.2 荷载分类及荷载代表值风荷载2.1.2 荷载分类及荷载代表值荷载代表值 定义：结构设计时，对于不同

4、的荷载和不同的设计情况，应赋予荷载不同的量值，该量值即荷载代表值。定义：荷载标准值就是结构在设计基准期内具有一定概率的最大荷载值,它是荷载的基本代表值。设计基准期为确定可变荷载代表值而选定的时间参数，一般取为50年。1. 荷载标准值 2.1.2 荷载分类及荷载代表值2） 荷载的代表值常用材料单位体积的自重（单位kN/m3）混凝土2224，钢筋混凝土2425，水泥砂浆20，石灰砂浆、混合砂浆17，普通砖18，普通砖（机器制）19，浆砌普通砖砌体18，浆砌机砖砌体19。 （1）永久荷载标准值 按构件尺寸和构件单位体积自重的标准值来确定。 2.1.2 荷载分类及荷载代表值1. 荷载标准值 （2）可变

5、荷载标准值（民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( (kNkN/m/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

6、、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3.53.53.53.50.70.70.70.70.60.60.50.50.50.50.30.32.1.2 荷载分类及荷载代

7、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7.07.00.90.90.90.90.80.88 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

8、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（2）可变荷载标准值（民用楼面均布活荷载标准值按下表采用）2.1.2 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

9、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 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

10、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：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隔墙自重和二次装修荷载。（2）可变荷载标准值（民用楼面均布活荷载标准值按下表采用）2.1.2 荷载分类及荷载代表值注：不上人的屋面，当使用荷载大时，应按实际情况采用。 上人的屋面，当兼作其他用途时，应按相应楼面活荷载采用； 对于因屋面排水不畅、堵塞等引起积水荷载，应采取构造措施 加以防 止，必要时应按积水的可能深度确定屋面活荷载。屋顶花园活荷载不包括花圃土石等材料自重。民用建筑屋面均布活荷

11、载标准值及其组合值、频偶值和永久值系数民用建筑屋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( (kNkN/m/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不上人的屋面不上人的屋面0.50.50.70.70.50.50 02 2上人的屋面上人的屋面2.02.00.70.70.50.50.40.43 3屋顶花园屋顶花园3.03.00.70.70.60.60.50.5（2）可变荷载标准值（民用楼面均布活荷载标准值按下表采用）2.1.2 荷载分类及荷载代表值3. 可变荷载准永久值 在设计基准期内经常达到或超过的

12、那部份荷载值（总的持续时间不低于25年），称为可变荷载准永久值。可变荷载准永久值可表示为qk ，其中k为可变荷载标准值，q为可变荷载准永久值系数。q值见前表。4. 可变荷载组合值 两种或两种以上可变荷载同时作用于结构上时，除主导荷载（产生最大效应的荷载）仍可以其标准值为代表值外，其他伴随荷载均应以小于标准值的荷载值为代表值，此即可变荷载组合值。 可变荷载组合值可表示为ck 。其中c 为可变荷载组合值系数，其值按前表查取。2.1.2 荷载分类及荷载代表值4. 可变荷载频遇值 对可变荷载，在设计基准期内，其超越的总时间为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值（总的持续时间不低于50年），称为可

13、变荷载频遇值。 可变荷载频遇值可表示为fk。其中f为可变荷载频遇值系数，其值按前表查取。2.1.2 荷载分类及荷载代表值第二节 极限状态设计法（1）结构的安全等级建筑结构可靠度设计统一标准GB50068-2001（以下简称统一标准）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，采用不同的安全等级。 2.2.1 极限状态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2.2 建筑结构

14、概率极限状态设计法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（2）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。 2.2 建筑结构概率极限状态设计法（3）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，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

15、耐久性能，不发生锈蚀和风化现象。安全性适用性耐久性例如，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。 2.2 建筑结构概率极限状态设计法结构的安全性、适用性和耐久性是结构可靠的标志，总称为结构的可靠性。 结构的可靠度是结构可靠性的概率度量，即对结构可靠性的定量描述。 结构可靠性的定义是，结构在规定时间内，规定条件下，完成预定功能的能力。 注意1：结构可靠度与结构使用年限长短有关。统一标准以结构的设计 使用年限为计算结构可靠度

16、的时间基准。注意2：当结构的使用年限超过设计使用年限后，并不意味着结构就要报 废，但其可靠度将逐渐降低。（3）结构的功能要求 2.2 建筑结构概率极限状态设计法2.2.2 结构功能的极限状态 （1）承载能力极限状态针对安全性如：整个结构或结构的一部分作为刚体失 去稳定； 结构构件或连接因材料强度不够而坏； 结构转变为机动体系； 结构或结构构件丧失稳定等。定义：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、耐久性）要求，该特定状态称为该功能的极限状态。结构极限状态分为以下两类：结构超过承载能力极限状态的示例2.2 建筑结构概率极限状态设计法2.2.2 结构

17、功能的极限状态 （2）正常使用极限状态针对适用性和耐久性如：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； 影响正常使用的振动。工程设计时，一般先按承载力极限状态设计结构构件，再按正常使用极限状态验算。2.2 建筑结构概率极限状态设计法结构的功能函数 （1）作用效应 S作用（荷载）对结构产生的各种效应，如弯矩、剪力、轴力、变形、裂缝等 M V N f w结构构件抵抗各种作用效应的能力。如抗弯、抗剪、抗压、抗拉、抗扭承载力以及抗变形、抗裂缝的能力。（2）结构抗力 R2.2 建筑结构概率极限状态设计法结构的功能函数 SRRSgZ),(当0 即 RS 时，结构处于可靠状态；当0 即

18、 RS 时，结构处于失效状态；当= 0 即 R =S 时，结构处于极限状态。 关系式(S，R)RS0 称为极限状态方程。2.2 建筑结构概率极限状态设计法2.2.3 实用设计表达式（1）实用表达式：SR R结构构件的承载力设计值，即抗力设计值 S荷载效应基本组合或偶然组合的设计值（2）荷载效应基本组合设计值 S对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从由可变荷载效应控制的组合和由永久荷载效应控制的组合中取最不利值确定。2.2 建筑结构概率极限状态设计法 ：结构构件的重要性系数，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

19、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。0)(k2k11k0iQciniiQQQGGSSSS1）由可变荷载效应控制的组合(2-8)2.2 建筑结构概率极限状态设计法G ：永久荷载分项系数； SGk ：永久荷载标准值Gk 计算的荷载效应值；Qi ：第i个可变荷载的分项系数； SQik ：按可变荷载标准值Qi计算的荷载效应值;ci ：可变荷载Qi的组合值系数，民用建筑楼面均布活 荷载、屋面均布活荷载的组合值系数；)(k2k11k0iQciniiQQQGGSSSS(2.8)2.2 建筑结构概率极限状态设计法表

20、1.2.3 荷载分项系数的取值荷载特性荷载分项系数永久荷载永久荷载效应对结构不利由可变荷载效应控制的组合1.2由永久荷载效应控制的组合1.35永久荷载效应对结构有利1.0倾覆、滑移或飘浮验算0.9可变荷载一般情况1.4对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载取1.3返回2.2 建筑结构概率极限状态设计法应用（2-8）、式（2-9）时应注意以下问题：当考虑以竖向的永久荷载效应控制的组合时，参与组合的可变荷载仅限于竖向荷载。)(10QikciniQiGkGSSS2）由永久荷载效应控制的组合(2-9)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

21、载效应对结构永久荷载效应对结构不利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荷载取1.31.32.2 建筑结构概率极限状态设计法 混凝土结构和砌体结构设计采用内力表达式。此时，式（2-8）、式（2-9）实质上就是永久荷载和可变荷载同时作用时，在结构上产生的内力（

22、轴力、弯矩、剪力、扭矩等）的组合，其目标是求出结构可能的最大内力。例如跨度为l0的简支梁，在跨中集中荷载F 作用下的跨中最大弯矩M=Fl0/4 ，在均布荷载q 作用下的跨中最大弯矩 M = ql02/8。这也就是式中的计算方法。 钢结构设计采用应力表达，式（2-8）、式（2-9）实质上就是永久荷载和可变荷载同时作用时，在构件截面上产生的最大应力。 当考虑以竖向的永久荷载效应控制的组合时，参与组合的可变荷载仅限于竖向荷载。 2.2 建筑结构概率极限状态设计法 【例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 ln= 5m，净跨度 l0

23、=4.86m。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）。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。【解】由表2-1查得活荷载组合值系数=0.7。安全等级为二级，则结构重要性系数=1.0。 钢 筋 混 凝 土 的 重 度 标 准 值 为 2 5 k N / m3， 故 梁 自 重 标 准 值 为250.20.4=2 kN/m。 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标准值分别为： Mgk = gkl02/8 = 1252 /8=37.5kNm Vgk=gkln/2= 124.86/

24、2=29.16 kN 活荷载产生的跨中弯矩标准值和支座边缘截面剪力标准值分别为： Mqk = qkl 02/8 =752 /8=21.875kNm Vgk=qkln/2 = 7 4.86/2 =17.01 kN 2.2 建筑结构概率极限状态设计法本例只有一个活荷载，即为第一可变荷载。故计算由活载弯矩控制的跨中弯矩设计值时，G=1.2，Q=Q1=1.4。由式（2-8）得由活荷载弯矩控制的跨中弯矩设计值和支座边缘截面剪力设计值分别为：0(GMgk+ Q1Mq1k) = 0(GMgk+ QMqk) =1.0(1.237.5+1.421.875)=75.625 kNm0(GVgk+ Q1Vq1k) =

25、 0(GVgk+ QVqk) =1.0(1.229.16+1.417.01)=75.625 kNm取较大值得跨中弯矩设计值M = 75.625kNm，支座边缘截面剪力设计值V=58.806 kN 计算由恒载弯矩控制的跨中弯矩设计值时，G=1.35，Q =1.4，c =0.7。由式（2-9）得由恒载弯矩控制的跨中弯矩设计值和支座边缘截面剪力设计值分别为： 0(GMgk+ c QMqk) =1.0(1.3537.5+0.71.421.875）=72.063 kNm 0(GVgk+ c QVqk) =1.0（1.3529.16+0.71.417.01）=56.036 kN2.2 建筑结构概率极限状态设计法一般排架、框架结构的简化表达式对于一般排架、框架结构，可不区分第一可变荷载和第i个可变荷载，并采用相同的组合值系数，其荷载效应组合设计值取由可变荷载效应控制和由永久荷载效应控制的组合值中的最不利值。由可变荷载效应控制的组合按下式计算： k11kQQGGSSS（2-10）由永久荷载效应控制的组合仍按式（2-9）采用。k1k9.0QiniQiGGSSS(2-11)2.2 建筑结构概率极限状态设计法 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 (2-12)式中S变