力学与结构课件幻灯片T10

第10章

建筑结构与设计基本原则

目录.ppt建筑结构类别及适用范围建筑结构设计的基本原则静定梁的内力和内力图习题本章内容教学要求：了解建筑结构类别与适用范围；了解结构的功能、两种极限状态及结构可靠度；熟悉我国混凝土设计规范采用的两种极限状态设计表达式；掌握荷载分类及荷载、材料强度的代表值、设计值及分项系数的意义；熟悉荷载效应和荷载效应组合。建筑结构是建筑物中支承荷载(作用)起骨架作用的体系。结构是由构件组成的。构件有拉(压)杆、梁、板、柱、拱、壳、薄膜、索、基础等。建筑结构按所使用的材料和主要受力构件的承重形式来分类。一、按使用材料划分

1.钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构由钢筋和混凝土两种材料组成，广泛应用于民用和工业建筑中，也大量用于特种结构(烟囱、水塔、水池)、公路、桥梁、隧道、矿井、水利工程、海洋工程。钢筋混凝土结构具有以下主要优点：(1)可以根据需要，浇注成各种形状和尺寸，便于选择合理而美观的结构形式。(2)合理用材，造价较低。钢筋混凝土结构合理地发挥了钢筋和混凝土两种材料的优点，因而造价较低。(3)耐火性能较好，钢筋在混凝土保护层的保护下，在火灾发生时，不致于很快达到软化温度而导致结构破坏。(4)耐久性好，维修费用小。钢筋被混凝土包裹，不易生锈和耐腐蚀，密实的混凝土有较高的强度和耐久性，钢筋混凝土结构一般不需维护，使用寿命较长。(5)整浇式和装配整体式钢筋混凝土结构整体性能好，具有良好的抗震、抗风、抗撞击和抗爆炸冲击能力。建筑结构类别及适用范围(6)取材容易。混凝土中用料最多的砂、石等可就地取材，既减少了运输成本；也可有效利用矿渣、粉煤灰等工业废料，有利于环境保护。钢筋混凝土结构的缺点是自重大、抗裂性能差、现浇施工时耗费模板多、工期长、隔热隔音性能较差。这些缺点正逐步得到克服：预应力混凝土可提高抗裂性；高强混凝土可改善防渗性能；轻质高强混凝土可以减轻结构自重和改善隔音隔热性能；预制钢筋混凝土构件可节省模板和缩短工期。

2.钢结构钢结构是由钢板和各种型钢，如工字钢、槽钢、角钢、T型钢、钢管及薄壁型钢等制成的。常用于大跨度结构房屋、桥梁、高层建筑、高耸建筑(电视塔、高压塔)、重工业或有动力荷载的厂房、壳体结构等。钢结构的特点是：(1)高强质轻。钢材强度高，承受同样的荷载比别的材料用量少，能减轻结构自重。(2)材质均匀，各向同性，材料弹性范围大。这与材料力学基本假设相符合，故结构计算与实际情况吻合较好。(3)材料塑性、延性和韧性好。结构对超载、动力荷载、冲击荷载、地震作用、台风的抵抗和适应性强，结构可靠度高。(4)制造简便，易于工业化大生产；施工安装周期短。(5)耐火性能差。建筑结构类别及适用范围(6)不耐腐蚀，维修养护费用高。(7)密封性能好。钢结构的水密性和气密性均好。(8)造价高。

3.砌体结构砌体结构是用砖、砌块、石块通过砂浆铺缝砌筑而成的结构，一般用于中小型烟囱、水塔、水池、挡土墙、房屋及基础、拱桥等。砌体结构可就地取材，及造价低廉、保温隔热隔音性能好，耐火及耐久性较好、施工设备和方法简单等优点。也存在自重大、强度低、整体性较差致使抗震性能差等缺点。设置圈梁、构造柱、加强墙、构造柱、圈梁之间的拉结，可增大砌体结构的整体性及抗震性能。目前我国大多数民用房屋是砌体结构。

4.木结构木结构指全部或大部分用木材制成的结构。由于受木材自然生长条件的限制，使用较少。木结构有可就地取材、制作简单的优点；也有易燃、易虫蛀、易腐蚀和结构变形大的缺点。木结构多用于农村房屋的屋盖，也用于园林景观建筑。二、按承重结构类型划分建筑结构类别及适用范围

1.混合结构混合结构房屋是指房屋的墙、柱、基础等竖向承重构件采用砌体筑成而屋盖、楼盖等水平方向的承重结构构件采用钢筋混凝土结构。一般用于八层以下的民用房屋和中小型厂房。

2.框架结构框架结构由梁、板、柱组成，具有平面布置灵活、造型活泼、易于形成大空间和满足多功能要求。框架结构延性较好，抗侧移刚度小，其侧向位移会随房屋高度增加而急剧增大，这使框架结构的建筑高度受到限制。钢筋混凝土框架多用于十多层以下的房屋，如教学楼、医院、办公室、住宅、商场等。

3.剪力墙结构剪力墙结构的墙体同时承受竖向和水平荷载，剪力墙是结构墙，又称抗震墙。因为它的抗侧移刚度大，抵抗水平方向的地震作用和风荷载的能力强。剪力墙的侧向位移很小，适于建造较高的房屋，但剪力墙的间距不太大因而平面布置不太灵活，多用于建筑12层～30层的住宅、旅馆等开间小的房屋。4.框架-剪力墙结构框架-剪力墙结构是在框架结构的纵横两个方向的部分柱间设置剪力墙。这种结构充分发挥了框架和剪力墙结构各自的优点，在高层建筑中得到广泛应用，多用于10层～20层的房屋。建筑结构类别及适用范围建筑结构类别及适用范围

5.筒体结构将剪力墙卷成竖向的空筒，就形成实腹筒；由密柱深梁框架围成的筒体称为框筒；筒体周围由竖杆、斜杆形成的桁架围成的称为桁架筒；后两者为空腹筒。若上述筒体单元内外相套则称筒中筒(或多重筒)；若上述筒体单元紧密并立连成一体则称成束筒。一般筒体结构由实腹的内筒和空腹的外筒组成。由于筒体实际上是纵横两个方向的剪力墙构成封闭的空间结构，比剪力墙结构具有更大的抗侧移刚度因而可以做得很高，筒体结构多用于30层以上的高层和超高层建筑中。

6.大跨度结构大跨度结构多用于大型体育馆、展览馆、飞机场等公共建筑。竖向承重结构多采用钢或钢筋混凝土柱或拱，屋盖采用钢网架、壳体、斜拉、悬索、薄膜等结构。

1.结构的功能建筑结构设计的基本要求是：以最经济的手段使结构在正常施工和使用条件下，在预定的设计基准期(一般为50年)内满足下列预定的功能。(1)安全性。指建筑结构在正常施工和使用条件下能承受可能出现的各种作用(如荷载、温度改变、支座不均匀沉陷等引起的内力和变形)。且在强震、爆炸、台风和偶然事件发生时和发生后，结构仍然能保持必要的整体稳定性，结构不致倒塌。(2)适用性。指结构在正常使用期间内具有良好的工作性能。不产生影响使用的过大变形、振幅和裂缝宽度。(3)耐久性。指建筑结构在正常维护条件下具有足够的耐久性能。如在设计基准期内钢筋不会因保护层厚度不够或混凝土裂缝过宽而锈蚀、混凝土不得脱落、风化、腐蚀。安全性、适用性、耐久性统称为结构的可靠性。结构能够满足功能要求，称为结构可靠；反之为结构不可靠，其分界点，称为极限状态。根据建筑结构破坏后果的严重程度，建筑结构划分为三个安全等级，设计时应根据具体情况，按照表10-1的规定选用相应的安全等级。三、结构的功能及两种极限状态建筑结构设计的基本原则

2.结构的两种极限状态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规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。极限状态有两种：承载能力极限状态和正常使用极限状态。1)承载能力极限状态(主要考虑结构的安全性)结构或构件达到最大承载力、出现疲劳破坏或不适于继续承载的变形状态，称为承载能力极限状态。当结构或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)结构、构件或其间的连接因材料超过其强度而破坏(含疲劳破坏)；或因产生过度塑性变形而不能继续承载。(2)结构变机构，即由几何不变体系变成几何可变体系。(3)结构或构件丧失稳定，如细长压杆失稳退出工作导致结构破坏。建筑结构设计的基本原则表10-1建筑结构的安全等级安全等级破坏后果的影响程度建筑物的类型一级很严重重要的建筑物二级严重一般的建筑物三级不严重次要的建筑物建筑结构构设计的的基本原原则(4)结构或构构件发生生滑移或或倾复而而丧失平平衡位置置。结构或构构件一旦旦超过承承载能力力极限状状态，就就不能完完成安全全性的功功能，会会产生重重大经济济损失和和人员伤伤亡。因因此应把把这种情情况的发发生概率率控制得得非常小小。2)正常使用用极限状状态(主要考虑虑结构的的适用性性和耐久久性)结构或结结构构件件达到正正常使用用和耐久久性能的的某项规规定限值值的状态态称为正正常使用用极限状状态。。当结构或或构件出出现下列列状态之之一时，，即认为为超过了了正常使使用极限限状态。。(1)发生影响响正常使使用或外外观的过过大变形形；如吊吊车梁挠挠度过大大以致吊吊车不能能正常行行走。(2)发生影响响正常使使用或耐耐久性的的局部损损坏，包包括裂缝缝宽度达达到限值值。(3)发生影响响正常使使用的振振动。(4)发生影响响正常使使用的其其他特定定状态。。结构或构构件超过过正常使使用极限限状态时时，一般般不会造造成人员员伤亡和和重大经经济损失失。因此此可把这这种情况况发生的的概率控控制得略略宽一些些。建筑结构构设计时时，为保保证结构构的安全全可靠，，对所有有结构和和构件均均应进行行承载能能力极限限状态的的计算，，而正常常使用极极限状态态的验算算则视具具体使用用要求进进行。一、荷载及材材料强度度1.荷载及分分类1)荷载与作作用使结构产产生内力力或变形形的原因因称之为为“作用用”。分分直接““作用””(如结构自自重、风风荷载)和间接““作用””(如温度改改变、基基础不均均匀沉降降、混凝凝土收缩缩、地震震等)。直接““作用””一般称称为荷载载；间接接“作用用”则称称为作用用，如称称为地震震作用而而不称为为地震荷荷载。荷荷载与作作用在计计算效应应时规范范中统归归为荷载载。2)荷载(作用)的分类按作用时时间的长长短和性性质，荷荷载(作用)分为三类类：(1)永久荷载载：设计计基准期期内其值值不随时时间而变变化的荷荷载，如如结构自自重。永永久荷载载又称为为恒载。。(2)可变荷载载：设计计基准期期内其值值随时间间而变化化的荷载载。如楼楼面活荷荷载(人少、物物少时其其值小；；反之其其值大)、吊车荷荷载、风风荷载、、雪荷载载、施工工荷载等等。可变变荷载又又称为活活荷载。。(3)偶然荷载载：设计计基准期期内不一一定出现现，但一一旦出现现其值很很大且持持续时间间很短的的荷载。。如爆炸炸、撞击击力、地地震作用用等。2.荷载代表表值荷载代表表值指设设计中用用以验算算极限状状态所采采用的荷荷载量值值。荷载载都存在在变异性性，是随随机变量量。结构构设计时时，为了了适应不不同的极极限状态态下的设设计要求求，《建筑结构构荷载规规范》(GB50009——2001)给出了各各类荷载载的代表表值。对对永久荷荷载采用用标准值值为代表表值；对对可变荷荷载则应应根据设设计要求求分别采采用标准准值，频频遇值，，准永久久值或组组合值为为代表值值。建筑结构构设计的的基本原原则(1)荷载标准准值。荷荷载标准准值是结结构设计计时采用用的荷载载基本代代表值，，荷载的的其他代代表值是是以其为为基础乘乘以适当当的系数数后得到到的。荷荷载的标标准值为为设计基基准期内内最大荷荷载统计计分布的的特征值值(例如众值值、均值值、中值值或某个个分位值值)。(2)永久荷载载的标准准值。永永久荷载载变异性性不大，，一般以以平均值值作为荷荷载标准准值，即即可按结结构设计计规定的的尺寸和和材料的的平均密密度确定定。(3)可变荷载载的标准准值。可可变荷载载的标准准值由数数理统计计方法确确定，通通常要求求有95%的保证率率。由于于已有资资料的不不足，目目前有些些可变荷荷载的标标准值主主要由历历史工程程经验而而定。建筑结构构荷载规规范(GB50009——2001)规定民用用建筑楼楼面均布布活荷载载标准值值及其组组合值、、频遇值值和准永永久值系系数取值值见表10-2，屋面均均布活荷荷载取值值见表10-3。(4)可变荷载载频遇值值。对可可变荷载载，取在在设计基基准期内内，其超超越的总总时间为为规定的的较小比比率或超超越频率率为规定定频率的的荷载值值为频遇遇值。其其大小等等于可变变荷载标标准值Qk乘以频遇遇值系数数Ψf。(5)可变荷载载准永久久值。对对可变荷荷载，取取在设计计基准期期内，其其超越的的总时间间约为设设计基准准期一半半的荷载载值为准准永久值值。其大大小等于于可变荷荷载标准准值Qk乘以准永永久系数数Ψq。(6)可变荷载载组合值值。当考考虑两种种或两种种以上的的可变荷荷载在结结构上同同时作用用时，由由于所有有可变荷荷载同时时达到其其单独出出现的最最大值的的可能性性极小。。故除主主导可变变荷载仍仍以标准准值为代代表值外外，其他他伴随可可变荷载载应取其其标准值值乘以小小于1的组合系系数Ψc，得到可可变荷载载的组合合值。建筑结构构设计的的基本原原则3.荷载分项项系数和和荷载设设计值荷载可能能超载，，考虑必必要的安安全储备备，在承承载能力力极限状状态的计计算中，，将荷载载标准值值乘以大大于1的相应的的荷载分分项系数数，得到到该荷载载的设计计值。如如永久荷荷载、可可变荷载载的标准准值分别别以Gk、QK表示；相相应的荷荷载分项项系数分分别为γG、γQ，则荷载载设计值值分别为为GkγG和QKγQ。4.材料强度度代表值值(1)材料强度度的标准准值。材材料强度度也是随随机变量量，材料料强度的的标准值值是一种种特征值值f1，取具有有95%的保证率率的分位位值。(2)材料强度度的设计计值。材材料的实实际强度度有低于于标准值值的可能能，为安安全计，，将材料料强度的的标准值值f1除以相应应的大于于1的材料分分项系数数γ，得材料料强度的的设计值值f，即建筑结构构设计的的基本原原则(10-1)表10-2民用建筑筑楼面均均布活荷荷载标准准值及其其组合值值、频遇遇值和准准永久值值系数建筑结构构设计的的基本原原则建筑结构构设计的的基本原原则说明：①本表表所给各各项活荷荷载适用用于一般般使用条条件，当当使用荷荷载较大大或情况况特殊时时，应按按实际情情况采用用。②第6项书库活活荷载当当书架高高度大于于2m时，书库库活荷载载尚应按按每米书书架高度度不小于于2.5kN/m2确定。③第8项中的客客车活荷荷载只适适用于停停放载人人少于9人的客车车；消防防车活荷荷载是适适用于满满载总重重为300kN的大型车车辆；当当不符合合本表的的要求时时，应将将车轮的的局部荷荷载按结结构效应应的等效效原则，，换算为为等效均均布荷载载。④第11项楼梯活活荷载，，对预制制楼梯踏踏步平板板，尚应应按1.5kN集中荷载载验算。。⑤本表表各项荷荷载不包包括隔墙墙自重和和二次装装修荷载载。对固固定隔墙墙的自重重应按恒恒荷载考考虑，当当隔墙位位置可灵灵活自由由布置时时，非固固定隔墙墙的自重重应取每每m长墙重(kN/m)的1/3作为楼面面活荷载载的附加加值(kN/m2)计入，附附加值不不小于1.0kN/m2。规范的规规定，将将标准值值作0.2kN/m2的增减。。①不上上人的屋屋面，当当施工或或维修荷荷载较大大时，应应按实际际情况采采用；对对不同结结构应按按有关设设计规范范的规定定，将标标准值作作0.2kN/m2的增减。。②上人人的屋面面，当兼兼作其他他用途时时，应按按相应楼楼面活荷荷载采用用。③对于于因屋面面排水不不畅、堵堵塞等引引起的积积水荷载载，应采采取构造造措施加加以防止止；必要要时，应应按积水水的可能能深度确确定屋面面活荷载载。④屋顶顶花园活活荷载不不包括花花圃土石石等材料料自重。。如混凝土土和钢筋筋的强度度标准值值fc1、fsk；两种材材料的分分项系数数分别为为γc、γs；则两种种材料的的强度设设计值分分别为混凝土结结构设计计规范规规定的钢钢筋强度度分项系系数根据据钢筋种种类不同同，取值值范围在在1.1～1.5，见表10-4。混凝土土强度的的分项系系数规定定为1.4。建筑结构构设计的的基本原原则表10-3民用房屋屋屋面均均布活荷荷载表10-4各类钢筋筋的材料料分项系系数γs值三、荷载效应、荷荷载效应组合合与结构构件件的抗力1.荷载效应荷载和作用使使结构或构件件产生的内力力、变形和裂裂缝，统称为为荷载效应。。荷载效应S由荷载乘以荷荷载效应系数数得到。荷载载效应系数由由计算确定。。如跨度为L，跨中作用集集中力P的简支梁，跨跨中截面弯矩矩为，，式中中P为荷载、为为荷载效效应系数、荷荷载效应为。。荷载标标准值产生荷荷载效应的标标准值SK，荷载效应标标准值乘以大大于1的荷载分项系系数γ，得到荷载效效应的设计值值S，即建筑结构设计计的基本原则则(10-2)如恒载标准值值GK产生恒载的荷荷载效应的标标准值SGK；γGSGK则为恒载G的荷载效应设设计值；同理理γQSQK为活载Q的荷载效应设设计值。荷载效应也是是随机变量。。2.荷载效应组合合建筑结构设计计应由设计基基准期内结构构上可能出现现的荷载，按按承载能力极极限状态和正正常使用极限限状态分别进进行荷载组合合，亦称为荷荷载效应组合合，设计时应应取各自最不不利的效应组组合。1)承载能力极限限状态的荷载载组合设计值值承载能力极限限状态设计，，一般考虑荷荷载效应的基基本组合。荷荷载效应组合合的设计值S从下列组合中中取最不利值值确定。(1)由可变荷载效效应控制的组组合：建筑结构设计计的基本原则则(10-3)对于一般排架架，框架结构构应按下列组组合中取最不不利值确定：：(10-4a)(10-4b)式中，γG——永久荷载载分项系数。。具体取值如如下：①当其其效应对结构构不利时；对对由可变荷载载效应控制的组合合，应取1.2；对由永久荷荷载效应控制制的组合，应应取1.35；②当其效应应对结构有利利时，一般情情况下应取1.0。——第i个可变荷载的的分项系数，，其中γQ1为可变荷载Q1的分项系数，，一般应取1.4；对标准值大大于4kN/m2的工业建筑楼楼面结构活荷荷载应取1.3。——按永久荷载标标准值计计算的的荷载效应设设计值。——按可变荷载标标准值计计算算的荷载效应应设计值，其其中为为诸诸可变荷载效效应中起控制制作用者。——可变荷载的的组组合系数，按按规范取值。。n——参与组合的可可变荷载数。。建筑结构设计计的基本原则则(2)由永久荷载效效应控制的组组合：(10-5)2)正常使用极限限状态的荷载载效应组合设设计值对于正常使用用极限状态，，应根据不同同的设计要求求，分别采用用荷载的标准准组合、频遇遇组合或准永永久组合来求求荷载效应的的设计值S。标准组合主要要用于当一个个极限状态被被超越时，将将产生严重的的永久性损害害情况。频遇组合主要要用于当一个个极限状态被被超越时，将将产生局部损损害、较大变变形或短暂振振动的情况。。准永久组合主主要用于长期期效应是决定定性因素的情情况。各种荷载效应应组合的设计计值S各按下式采用用。(1)标准组合：建筑结构设计计的基本原则则(10-6)(2)频遇组合：(10-7)(3)准永久组合：：(10-8)式中，——主导可变荷载载的的频遇值系系数，按规范范采用。——可变荷载的的准准永久值系数数，按规范采采用。3.结构构件的抗抗力结构构件的抗抗力指结构构构件承受荷载载效应的能力力。如承载力力、刚度、抗抗裂度等统称称为抗力，以以R表示。R也是随机变量量。影响结构构构件抗力的的主要因素为为：材料性能能(强度、弹性模模量、延性性性能、弹性阶阶段、塑性阶阶段等)，构件截面几几何参数(形状、高度、、宽度、面积积、惯性矩等等)及计算模式的的精确性。结结构的抗力有有标准值RK及设计值R。它们的关系系为：建筑结构设计计的基本原则则(10-9)式中，——抗力分项系数数。（〉1）四、以概率率论为基础的的极限状态设设计法1.结构的失效概概率与可靠指指标结构的可靠度度指结构在设设计基准期内内，在规定的的条件下，完完成预定功能能的安全程度度(概率)。它取决于荷荷载效应设计计值S和结构构件抗抗力设计值R之间的关系。。若取Z=R-S，则可由Z的大小小判断断结构构是否否可靠靠。Z=R-S称为结结构的的功能能函数数。当当Z=R-S>0，即R>S时，结结构处处于可可靠状状态；；当Z=R-S<0，结构构处于于失效效状态态；当当Z=R-S=0，结构构处于于极限限状态态。Z=R-S=0称为结结构的的极限限状态态方程程。当结构构按极极限状状态设设计时时，应应符合合Z=R-S≥0(10-10)结构可可靠度度即结结构处处于可可靠状状态(Z=R-S≥0)的概率率，以以表示示；反反之，，结构构处于于失效效状态态(Z=R-S<0)的概率率，称称为结结构的的失效效概率率，以以Pf表示。。显然然有，，即即。。可见，，结构构的可可靠度度也可可用失失效概概率来来度量量，只只要结结构的的失效效概率率足够够小，，我们们可以以认为为结构构是可可靠的的。失失效概概率的的大小小可通通过可可靠指指标β来度量量。Pf越小，，β越大。。结构构设计计时，，若能能满足足β≥[β](10-11)则结构构处于于可靠靠状态态。式中的的[β]为目标标可靠靠指标标，由由我国国的《建筑结结构可可靠度度设计计统一一标准准》(GB50068——2001)规定，，结构构构件件承载载能力力极限限状态态的目目标可可靠指指标[β]见表10-5。[β]由结构构的安安全等等级及及破坏坏类型型而定定，结结构越越重要要，安安全等等级越越高，，[β]越大；；延性性破坏坏由于于有明明显的的预兆兆比脆脆性破破坏的的[β]稍低一一些。。建筑结结构设设计的的基本本原则则建筑结结构设设计的的基本本原则则表10-5结构构构件承承载能能力极极限状状态的的目标标可靠靠指标标[β}破坏类型安全等级一级二级三级延性破坏3.73.22.7脆性破坏4.23.73.2说明：：当承受受偶然然作用用时，，结构构构件件的可可靠指指标应应符合合专门门规范范的规规定。。结构构构件正正常使使用极极限状状态的的可靠靠指标标，根根据其其可逆逆程度度宜取取0～1.5。2.两种极极限状状态设设计实实用表表达式式直接根根据给给定的的β进行设设计则则计算算十分分麻烦烦，依依习惯惯用法法在可可靠度度相同同的情情况下下，我我国现现行规规范采采用如如下简简便的的实用用设计计表达达式。。(1)承载能能力极极限状状态设设计表表达式式。一一