结构设计通论

建筑结构设计DesignofBuildingStructures主讲：孟少平张晋Email:cardoso_meng@Mobile什么要学？！学什么？！一、课程性质、地位与作用土木工程专业的主要业务范围包括房屋、桥梁、隧道、地下建筑、矿井等工程项目的设计、施工与管理。

《建筑结构设计》是结构设计类核心课程、工程基础的综合应用平台、从“理论设计”到“工程设计”的桥梁、工程实践的交会点。

结构设计类课程不仅是设计工作的核心知识，也是施工管理类工作的基础知识；处于培养方案中“基础”——“工程基础”——“工程”三大模块中的顶层。对学生的工程素质和工程能力培养具有不可替代的作用房屋建筑学结构力学土力学工程结构设计原理先修课程平行课程后续课程及环节桥梁工程建筑结构设计地下结构基础工程工程施工工程结构抗震与防灾毕业设计大跨空间结构特种结构二、教学理念——开放、交叉、融合交叉是手段，融合是目的，开放是前提。从使用功能和审美角度介绍房屋的组成，侧重房屋的“形”从既有结构模型出发，研究各种结构类型的分析方法；是上部结构分析的基础介绍土的工程性质；各种地基模型的计算方法介绍梁、板、柱、墙、杆、索等基本构件在各种受力状态下抗力三、内容组织建筑结构上部结构下部结构水平结构体系竖向结构体系框架结构墙体结构筒体结构复合结构地下室基础浅基础深基础梁板结构大跨结构内容选取由房屋中的水平构件组成，包括各层楼盖（对多层房屋而言）和屋盖由房屋中的竖向构件组成（±０.００以上）（±０.００以下）结构设计通论3.单层厂房结构4.多层框架结构5.高层建筑结构6.砌体结构三、内容组织章节安排2.梁板结构荷载与设计方法梁板结构柱下独立基础框架结构桁架结构条形、筏形基础单层多层水平结构体系浅基础墙体结构筒体结构复合结构剪力墙承重墙竖向结构体系ConspectusofStructuralDesignSinglestoryindustrialfactorybuildingMultistoryframestructuresHigh-risebuildingstructuresBrickstructuresFloorsystem预制空心板楼盖三、内容组织模块结构设计方法水平结构体系竖向结构体系基础按照实际工程的一般设计过程，即结构选型与布置→计算模型选取与结构分析→构件设计与细部构造为主线将不同结构形式的内容贯穿起来。以结构形式为纽带，将混凝土、钢、砌体和型钢混凝土等不同材料的结构有机地结合在一起；四、学习方法四个结合讲课、自学、讨论相结合；课内学习与课外学习相结合；理论学习与实践环节相结合；课程学习与科技创新活动相结合。

与先修课程的联系；与平行课程的联系；前后内容的联系；与工程的联系。四个联系学习程序思索提高?

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答疑、讨论1.1绪论1.4结构设计的一般要求1.2建筑结构的作用第1章结构设计通论1.3结构的耐火设计（自学）IntrductionBasiccontentsofstructuraldesignactiononbuildingstructuresFire-resistingdesignforbuildingstructures1.1绪论建筑按用途构筑物建筑物高规以10层或28m作为界限1.1.1建筑结构的类型Industrialbuilding公共建筑居住建筑工业建筑民用建筑Civilbuilding按层数单层多层高层超高层SinglestoryMultistoryHigh-risestructureSuperhigh-risestructure按结构材料木结构砌体结构砼结构钢结构混合结构BrickstructureRCstructureSteelstructureComposite/mixedconstructionTimberstructure建筑结构上部结构(±0.00以上)下部结构(±0.00以下)水平结构体系竖向结构体系排架结构刚架结构由房屋中的水平构件组成，包括各层楼盖和屋盖。有三个作用：一是直接承受作用在楼屋面的竖向荷载，并将它们传递给竖向结构体系；二是为竖向构件之间提供水平联系，使竖向结构体系共同抵抗水平荷载；三是把整体结构上的水平荷载传递和分配给各竖向构件由房屋中的竖向构件组成，所有的荷载（包括水平荷载和竖向荷载）最终都是由它传递给基础；结构体系的名称也常常取决于竖向结构体系。

按结构形式建筑结构上部结构(±0.00以上)下部结构(±0.00以下)水平结构体系竖向结构体系大跨结构梁板结构网架结构桁架结构壳体结构拱结构索结构膜结构框架结构墙体结构筒体结构复合结构排架结构刚架结构承重墙结构(砌体房屋)剪力墙结构按结构形式平面复合竖向复合大跨结构桁架结构拱结构四角锥体网架三角锥体网架网架结构大跨结构平面桁架系网架两向正交三向壳体圆顶筒壳折板双曲扁壳双曲抛物面壳大跨结构大跨结构索、膜结构上海东方明珠游船码头虹口足球场上海体育馆昆明宝海公园建筑结构上部结构(±0.00以上)下部结构(±0.00以下)水平结构体系竖向结构体系大跨结构梁板结构框架结构墙体结构筒体结构复合结构按结构形式地下室基础独立基础十字型基础箱型基础条形基础筏形基础浅基础深基础桩基础地下连续墙沉井结构材料和竖向结构体系形式构成了完整的结构类型柱下独立基础建筑工程常用基础形式柱下条形基础墙下条形基础十字形基础片筏基础箱形基础桩基础承台桩柱1.1.2结构设计的程序方案设计结构分析构件设计绘施工图设计通论1.1绪论1.1.1结构类型1.1.2设计程序上部结构类型基础选型一、方案设计（conceptdesign）结构选型结构布置尺寸估算水平位置（构件与轴线的关系）竖向位置（结构标高）水平构件（根据变形条件和稳定条件）竖向构件（根据侧向位移限制条件）（包括：伸缩缝、沉降缝和防震缝）定位轴线构件布置设置变形缝定位轴线①②③④⑤⑥⑦⑧DCBA①②③④⑤DCBA250120D封闭结合非封闭结合设计通论1.1绪论1.1.1结构类型1.1.2设计程序二、结构分析计算模型分析内容静力分析（内力和变形）动力分析分析方法计算单元(从整体结构中选取的有代表性的部分

）计算简图(实际结构简化、抽象后得到的计算图式)荷载计算计算理论数学方法线弹性塑性非线性材料非线性几何非线性解析法数值法三、构件设计（工程结构设计原理）荷载与内力组合控制截面选取截面设计节点设计构造结构布置图构件施工图大样图施工说明四、绘制施工图要求：正确、规范、简洁、美观设计通论1.1绪论1.1.1结构类型1.1.2设计程序1.2建筑结构的作用1.2.1作用的种类间接作用直接作用(荷载)温度变化材料收缩地震作用Seismicaction地基沉降屋面可变荷载风荷载吊车荷载楼面均布可变荷载荷载需了解其形式、大小、作用位置和作用方向永久荷载可变荷载偶然荷载(爆炸、撞击、火灾等)DeadloadLiveload设计通论1.1绪论1.2.1作用种类1.2作用1.2.2荷载代表值1.2.2荷载代表值一、标准值（特征值）定义：在结构设计基准期内可能出现的最大荷载值。由于荷载本身的随机性，因而设计基准内的最大荷载也是随机变量。《统一标准》以设计基准期最大荷载概率分布的某个分位值作为该荷载的代表值。Characteristicvalue/Nominalvalue永久荷载一般取设计基准期内(Designreferenceperiod)最大荷载概率分布的0.5分位值，即正态分布的平均值。Deadload/Permanentload可变荷载设计基准期内最大荷载的概率模型Liveload/Variableload设计通论1.1绪论1.2.1作用种类1.2作用1.2.2荷载代表值设计基准期内最大荷载的概率模型（1.2.3)任意时点概率分布函数对楼面均布可变荷载、风荷载和雪荷载等均采用极值Ⅰ型作为任意时点随机变量的概率分布模型，FQ(x)=exp{-exp[-α(x-β)]}其中α=1.28255/σ，称为尺度参数；β=μ-0.57722/α，称为众值（1.2.1（1.2.4）平稳二项随机过程设计基准期内最大荷载的概率分布函数设计通论1.1绪论1.2.1作用种类1.2作用1.2.2荷载代表值二、可变荷载的组合值三、可变荷载的频遇值Frequentvalue和准永久值Quasi-permanentvalue定义：使多项可变荷载组合后的荷载效应在设计基准期内的超越概率与该荷载单独出现时相应的概率一致的荷载值。可变荷载的组合值取标准值乘以组合值系数在设计基准期内被超越的总时间达到一半基准期的荷载值定义为准永久值，相当于经常作用的荷载值；频遇值在设计基准期内被超越的总时间仅占基准期的一小部分，一般取0.1，相当于时而出现的较大荷载值。可变荷载的频遇值取标准值乘以频遇值系数可变荷载的准永久值取标准值乘以准永久值系数设计通论1.1绪论1.2.1作用种类1.2作用1.2.2荷载代表值1.2.3楼面可变荷载1.2.3楼面可变荷载可分为持久性可变荷载Li和临时性可变荷载Lrs。前者p=1，取r=5；后者取m=5。对于住宅，调查、统计得到：αLi=1.28255/σLi=0.007205，αLrs=1.28255/σLrs=0.005256；βLi=μLi-0.57722/αLi=305.9，βLrs=μLrs-0.57722/αLrs=245.2(1.2.5)设计通论1.1绪论1.2.1作用种类1.2作用1.2.2荷载代表值1.2.3楼面可变荷载βLiT=βLi+lnr/αLi=305.9+ln5×138.8=529.3设计基准期内最大持续性可变荷载的概率分布函数临时性可变荷载近似取设计基准期内平均出现次数m=5βLrsT=βLrs+lnm/αLrs=245.2+ln5×190.3=551.5设计通论1.1绪论1.2.1作用种类1.2作用1.2.2荷载代表值1.2.3楼面可变荷载基准期T年内最大可变荷载是持久性可变荷载和临时性可变荷载的组合，取其中一个T年最大值和另一个瞬时值之和，即或可求得两组住宅楼面可变荷载最大值的均值、均方差：①②μLT=μLiT+μLrs=609.4+355=964.4N/m2σLT=(σ2LiT+σ2Lrs)1/2=(1782+2442)1/2=302.0N/m2μLT=μLrsT+μLi=661.3+386=1047.3N/m2σLT=(σ2LrsT+σ2Li)1/2=(2442+1782)1/2=302.0N/m2设计通论1.1绪论1.2.1作用种类1.2作用1.2.2荷载代表值1.2.3楼面可变荷载不同用途楼面的荷载标准值见附录表Ａ－４。原《荷载规范》住宅楼面可变荷载标准值取Lk=1.5kN/mm2，由上式可求得保证率为92.1%；现行《荷载规范》取标准值Lk=2.0kN/mm2，保证率为９９％。取较为不利的一组。假定组合后的住宅楼面可变荷载最大值仍服从极值I型分布，则其分布函数设计通论1.1绪论1.2.1作用种类1.2作用1.2.2荷载代表值1.2.3楼面可变荷载1.2.4风荷载1.2.4风荷载一、风荷载标准值计算公式——基本风压，根据当地空旷平坦地面离地高10米10分钟平均风速，50年一遇最大值（基本风速）换算而来；——风压高度系数；——风载体形系数；——风振系数；——重现期调整系数。(1.2.8)设计通论1.1绪论1.2.1作用种类1.2作用1.2.2荷载代表值1.2.3楼面可变荷载1.2.4风荷载二、基本风压风压由风速换算而成。风速的年极值分布不拒绝极值I型分布。基准期T年的极值分布为基本风速可在T年的极值分布上取某一分位值。但《荷载规范》是以平均重现期为50年来规定风速的基准值的。重现期TT(x)是指连续两次超过x的时间间隔。若TT(x)=n，则表示在连续n年中有一年的X>x，其它n-1年中的X≤x。因此(1.2.9)Referencewindpressure设计通论1.1绪论1.2.1作用种类1.2作用1.2.2荷载代表值1.2.3楼面可变荷载1.2.4风荷载平均重现期是随机变量TT(x)的数学期望，即根据基本风速可换算成基本风压。当重现期不等于T时乘以修正系数ur。即每年小于基本风速的保证率为９８％；设计基准期50年内小于该风速的保证率(0.98)50=36.4%。风荷载的组合值系数为0.6、频遇值系数０.4、准永久值系数０三、风压高度系数在梯度风高度范围内，任意高度z的风速与H高度风速的关系为为地面粗糙指数，对于A、B、C、D类，分别为0.12、0.16、0.22、0.3。(1.2.12)基本风速是B类地面上空10m高度处的风速，因而B类地面任意高度处的风速为(1.2.13)设计通论1.1绪论1.2.1作用种类1.2作用1.2.2荷载代表值1.2.3楼面可变荷载1.2.4风荷载设计通论1.1绪论1.2.1作用种类1.2作用1.2.2荷载代表值1.2.3楼面可变荷载1.2.4风荷载同一地区不同粗糙程度地面上空的梯度风速相同。(1.2.13a)风压与风速的平方成正比建筑物表面的实际压力与其形状有关，与来流风压的比值用表示，见附表1-６。四、

风载体型系数由风速换算得到的风压是所谓来流风压。房屋将对气流形成某种干挠。为正时代表风压，即靠近表面；为负时代表风吸，即离开表面。风向风压垂直于建筑物表面。设计通论1.1绪论1.2.1作用种类1.2作用1.2.2荷载代表值1.2.3楼面可变荷载1.2.4风荷载五、

顺风向风振系数设计通论1.1绪论1.2.1作用种类1.2作用1.2.2荷载代表值1.2.3楼面可变荷载1.2.4风荷载时间风速长周期风振系数定义为考虑脉动效应的总风压与静风压(平均风压)之比。近地风速可以分解为长周期分量和脉动分量。长周期分量的周期长度从几十分钟到几小时，远大于结构自振周期，对结构的作用基本上是静力的。脉动分量的周期长度为1~2分钟，对于刚度较小的高耸结构和高层建筑，脉动周期和结构的自振周期在同一个量级，脉动影响不可忽略。所以，规范规定：对于高度大于30m且高宽比H/B大于1.5的房屋结构，以及自振周期T1大于0.25s高耸结构必须考虑脉动效应。设计通论1.1绪论1.2.1作用种类1.2作用1.2.2荷载代表值1.2.3楼面可变荷载1.2.4风荷载（1.2.15）——脉动增大系数，按附表1-８取用；——脉动影响系数，对于均匀结构可按附表1-９取用；——结构振型系数,对于规则结构可取z/H。zH对于多高层房屋，通常将分布风荷载转换成作用在每层楼面处的集中风荷载。[例题1-1]一高层钢筋混凝土结构，平面形状为正六边形，边长为20m。房屋共20层，除底层层高为5m外，其余层高为3.6m。该房屋的第一自振周期T1=1.2S，所在地区的基本风压地面粗糙度为C类。试计算各楼层处与风向一致方向总的风荷载标准值。34.64m风向[解]1确定体形系数0-0.5+0.8-0.50-0.5①②③④该房屋共有6个面，查表1-11得到各个面的风荷载体形系数，如图所示，不为零的4个面分别用①②③④表示。20m2计算各层的风压高度系数近似假定室内外地面相同，则二层楼面离室外地面高度为5m，查表1-10，对于C类地面粗糙度，同理可求得其余各层楼面标高处的风压高度系数。3计算风振系数查表1-12房屋高宽比H/B=(5+3.6×19)/34.64=2.1，查表1-13，对于质量和刚度沿高度比较均匀的房屋，结构振型系数可以取对于C类地面，乘0.62根据0.62×1.01=0.634计算各个面不同高度的分布风荷载5计算各个面各楼层处的集中风荷载6计算各楼层处总的风荷载风荷载计算结果设计通论1.1绪论1.2.1作用种类1.2作用1.2.2荷载代表值1.2.3楼面可变荷载1.2.4风荷载1.2.５吊车荷载1.2.5吊车荷载大车行驶方向小车行驶方向工业厂房中常用的吊车有悬挂吊车、手动吊车、电动葫芦和桥式吊车。桥式吊车由大车（称为桥架）和小车组成。吊车按在使用期间内总的工作循环次数分成10个利用等级；又根据起吊物品达到额定值的频繁程度分为4个载荷状态，分别称为轻级、中级、重级和超重级。根据利用等级和载荷状态，将吊车划分为8个工作级别，分别用A1~A8表示，作为吊车的设计依据。吊车荷载包括竖向荷载、横向水平荷载和纵向水平荷载。设计通论1.1绪论1.2.1作用种类1.2作用1.2.2荷载代表值1.2.3楼面可变荷载1.2.4风荷载1.2.５吊车荷载一、吊车竖向荷载标准值吊车竖向荷载是由大车轮子、以轮压的形式作用在吊车梁上。当小车吊有额定起重质量Q开到一侧的极限位置时，该一侧大车的轮压达到最大，称为吊车的最大轮压标准值，用Pmax,k表示，而另一侧的大车轮压用Pmin,k表示。Pmax,k可直接从吊车的产品目录中查得。对于四轮吊车，Pmin,k可按下式确定：形式：移动集中载；位置：吊车梁顶面；方向：铅直向下。(1.2.16)设计通论1.1绪论1.2.1作用种类1.2作用1.2.2荷载代表值1.2.3楼面可变荷载1.2.4风荷载1.2.5吊车荷载二、吊车横向水平荷载标准值吊车横向水平荷载是当小车吊有重物刹车时所产生的横向水平惯性力；它是通过小车刹车轮与桥架轨道之间的摩擦力传给大车，再通过大车车轮传给吊车梁每个大车轮子传递的吊车横向水平荷载标准值为——横向制动系数。硬钩：0.2形式：移动集中载；位置：吊车梁顶面；方向：水平、垂直轨道设计通论1.1绪论1.2.1作用种类1.2作用1.2.2荷载代表值1.2.3楼面可变荷载1.2.4风荷载1.2.５吊车荷载三、吊车纵向水平荷载标准值吊车纵向水平荷载是当大车刹车时所产生的纵向水平惯性力；它是通过大车刹车轮与吊车梁上的轨道之间的摩擦力传给吊车梁的。按一侧所有制动轮最大轮压之和的10%确定：形式：集中载；位置：吊车梁顶面；方向：沿轨道方向。设计通论1.1绪论1.2.1作用种类1.2作用1.2.2荷载代表值1.2.3楼面可变荷载1.2.4风荷载1.2.５吊车荷载四、吊车荷载的其它代表值吊车荷载的组合值、频遇值和准永久值见表５－１；与吊车的工作级别有关。五、吊车荷载的动力系数对悬挂吊车（包括电动葫芦）及工作级别A1~A5的软钩吊车，μ取1.05；对工作级别为A6~A8的软钩吊车、硬钩吊车和其它特种吊车，μ取1.1。1.3结构的耐火设计设计通论1.1绪论1.2作用1.3耐火设计确定建筑物耐火等级确定构件耐火极限值选择耐火措施分4个等级，与建筑物的重要性、火灾的危险性、建筑物高度、火灾荷载有关以楼板为参照构件，根据各构件的重要性确定其它构件的耐火极限值包括设计构造和防护层1.4.1安全等级、设计使用年限与结构重要性系数建筑结构根据破坏可能产生的后果严重程度，采用不同的安全等级，分为一、二、三３个安全等级，见表１－６。对于安全等级为一级的建筑物，其设计要求应相应提高；对安全等级为三级的建筑物，设计要求可适当降低。二、地基基础设计等级根据地基复杂程度、建筑物规模和功能特征以及因地基问题可能造成建筑物破坏或影响正常使用的程度，地基基础的设计分为甲、乙、丙三个设计等级，见表1-7。对于甲级和乙级地基基础，应进行地基的承载力和变形计算；对于部分丙级地基基础可仅进行地基的承载力计算、而不作变形计算。一、建筑结构的安全等级1.4结构设计的一般要求设计通论1.1绪论1.４.1结构重要性系数1.2作用指设计规定的结构或构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。建筑结构的设计使用年限分为５年、２５年、５０年和１００年4类，见表1-8。1.3耐火设计1.4一般要求三、设计使用年限是建筑结构的安全等级、结构的设计使用年限不同而对目标可靠指标有不同要求，在极限状态设计设计表达式中的具体体现。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，γ0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，γ0不应小于1.0；对于安全等级为三级或使用年限为5年的结构构件，γ0不应小于0.9；基础的γ0不应小于1.0。四、结构重要性系数设计通论1.1绪论1.４.1结构重要性系数1.2作用1.3耐火设计1.4一般要求1.4.2极限状态设计要求及内容1.４.2设计要求及内容一、设计要求设计状况的定义持久状况：在结构使用过程中一定出现，持续期很长，一般与设计使用年限为同一数量级的状况；短暂状况：结构施工和使用过程中出现的概率较大，而与设计年限相比，持续时间很短的状况，如施工和维修；偶然状况：在结构使用过程中出现的概率很小，且持续时间很短的状况，如火灾、爆炸、撞击等。不同设计状况的设计要求持久状况：承载能力极限状态设计和正常使用极限状态设计；短暂状况：承载能力极限状态设计，正常使用极限状态根据需要偶然状况：仅进行承载能力极限状态设计。设计通论1.1绪论1.４.1结构重要性系数1.2作用1.3耐火设计1.4一般要求1.4.2极限状态设计要求及内容1.４.2设计要求及内容不同极限状态的荷载效应组合要求偶然状况的承载能力极限状态设计采用偶然组合，其余状况的承载能力极限状态设计采用基本组合；对于正常使用极限状态设计，当一个极限状态被超过将产生严重的永久性损害时采用标准组合；当一个极限状态被超过将产生局部损害、较大变形或短暂振动时采用频遇组合；当长期效应是决定性因素时采用准永久组合。地基的承载力计算时上部结构的荷载效应采用标准组合；地基变形计算时，上部结构的荷载采用准永久组合。结构计算的一般要求计算内容承载能力极限状态计算正常使用极限状态计算承载力(强度、稳定）倾覆滑移漂浮变形抗裂和裂缝宽度耐久性疲劳UltimatelimitstateServiceabilitylimitstateCapacity(Strengthstabilization)Deflection/driftfatiguecrackingdurability设计通论1.1绪论1.４.1结构重要性系数1.2作用1.3耐火设计1.4一般要求二、设计内容1.４.2设计要求及内容所有的结构构件均应进行承载能力（包括屈曲失稳）计算，必要时尚应进行结构的倾覆（刚体失稳）、滑移和漂浮验算，处于抗震设防区的结构尚应进行抗震的承载力计算；直接承受动力荷载的构件（如吊车梁），应进行正常使用极限状态的疲劳强度验算；对使用尚需要控制变形值的结构构件应进行变形验算，包括水平构件的挠度和竖向结构的侧移；对于可能出现裂缝的结构构件(如混凝土构件)，当使用尚要求不出现裂缝时，应进行抗裂验算，当使用上允许出现裂缝时，应进行裂缝宽度验算混凝土构件尚应进行耐久性设计。设计通论1.1绪论1.４.1结构重要性系数1.2作用1.3耐火设计1.4一般要求1.4.3荷载效应组合1.４.2设计要求及内容1.４.3荷载效应组合由可变荷载效应控制。效应最大的一项可变荷载以标准值为代表值，其余可变荷载（伴随荷载）以组合值为代表值。由永久荷载效应控制。所有的可变荷载均以组合值为代表值，永久荷载分项系数取1.35。一、基本组合仅考虑荷载效应最大的一项可变荷载，以标准值为代表值所有可变荷载以组合值为代表值，组合系数取0.9承载能力极限状态的简化组合（排架、框架结构）：由可变荷载效应控制由永久荷载效应控制同一般组合。设计通论1.1绪论1.４.1结构重要性系数1.2作用1.3耐火设计1.4一般要求1.４.2设计要求及内容1.４.3荷载效应组合准永久组合：（所有可变荷载均以准永久值为代表值）标准组合：（荷载效应最大的一项可变荷载取标准值，其余可变荷载取组合值）频遇组合：(一项可变荷载取频遇值，其余可变荷载取准永久值)二、正常使用极限状态的组合设计通论1.1绪论1.