建筑结构基础与识图 第二版 课件 任务2 分析结构设计方法

任务2分析建筑结构的设计方法任务1分析荷载效应与结构抗力任务2分析建筑结构的设计方法任务3分析结构抗震基本知识同步训练职业素养园地模块2结构设计方法与荷载学习目标知识目标：1.掌握荷载与荷载效应、结构抗力概念；2.熟悉结构的功能要求、极限状态的概念；3.熟悉结构承载能力极限状态的设计表达式，掌握荷载效应的基本组合值计算；熟悉正常使用极限状态的设计表达式，掌握荷载效应的标准组合值、频遇组合值和准永久组合值计算；4.了解地震的基本知识；掌握建筑结构的抗震设防依据、目标、类别和标准；熟悉抗震概念设计。能力目标：1.理解荷载效应与结构抗力；2.能应用相关公式计算荷载效应的基本组合值、标准组合值、频遇组合值和准永久组合值。工作任务1.理解荷载效应与结构抗力；2.掌握建筑结构的设计方法；3.熟悉结构抗震的基本知识。模块2结构设计方法与荷载任务2分析建筑结构的设计方法学习指南

结构设计是根据建筑方案确定结构布置方案，进行荷载、内力等计算后，确定结构构件按功能要求所需要的截面尺寸、材料、构造措施等。设计的目的是使设计的结构在现有的技术基础上，用尽可能少的经济消耗，建成能够满足全部功能要求、且有足够的可靠性的建筑物。本模块主要介绍建筑物基本构件及结构设计时共同采用的方法，即极限状态设计法的基本知识，以及结构抗震的基本知识。本模块共分三个学习任务，主要学习内容依次为：理解荷载、荷载效应和结构抗力、材料强度➩熟悉建筑结构应满足的功能要求和结构功能的极限状态➩能计算荷载效应的基本组合值、标准组合值、频遇组合值和准永久组合值➩熟悉结构抗震的的基本知识。模块2结构设计方法与荷载任务2分析建筑结构的设计方法任务2分析建筑结构的设计方法结构设计是指在预定的作用及材料性能等条件下，确定结构构件按功能要求所需要的截面尺寸、材料、构造措施等。应用我国现行设计规范进行结构设计时，采用的是以概率理论为基础的极限状态设计方法。

2.2.1结构的功能要求

2.2.2结构构件的极限状态

2.2.3设计状况与极限状态设计

2.2.4结构的功能函数

2.2.5结构极限状态设计表达式2.2.1结构的功能要求

设计任何建筑物或构筑物，必须在其设计使用年限内，满足以下各预定功能要求：

1）安全性要求即要求结构在正常施工和正常使用时,能承受可能出现的各种作用；在设计规定的偶然事件发生时和发生后，仍能保持必需的整体稳定性，不致倒塌。

2）适用性要求要求结构在正常使用时保持良好的使用性能。如受弯构件在正常使用时不出现过大的挠度和过宽的裂缝，不妨碍使用。

3）耐久性要求要求结构在正常维护下具有足够的耐久性能，不发生锈蚀和风化现象。

4）耐火性要求当发生火灾时，在规定的时间内可保持足够的承载力。

5）稳固性要求当发生撞击、爆炸、人为错误等偶然事件时，结构能保持必须的整体稳固性，不出现与起因不相称的破坏结果，防止出现结构的连续倒塌。

结构可靠性与可靠度结构可靠性是指结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。但是由于结构可靠性随着各种作用、材料性质和几何参数的变异而不同，结构完成预定能力的能力不能事先确定，只能用概率来描述。为此，引入结构可靠度的概念。

结构可靠度是指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。规定的时间指设计使用年限；规定条件指正常设计、正常施工、正常使用和正常维护；预定功能指结构的安全性、适用性和耐久性、耐火性和稳固性要求。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概述。

结构的设计、施工和维护应使结构在规定的设计使用年限内以适当的可靠度且经济的方式满足规定的各项功能要求。当建筑结构的使用年限到达后，并不意味着结构立刻报废不能使用了，而是说它的可靠性水平从此要逐渐降低了，在做结构鉴定及必要加固后，仍可继续使用

2.2.2结构构件的极限状态

结构能够满足各项功能要求而良好地工作，称为结构可靠，反之则称结构失效。结构工作状态是处于可靠还是失效，其分界标志就是极限状态。当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，这种特定状态称为该功能的极限状态。

（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：①结构构件或连接因超过材料强度而破坏，或因过度变形而不适于继续承载；②整个结构或其一部分作为刚体失去平衡；③结构转变成机动体系；④结构或结构构件丧失稳定；⑤结构因局部破坏而发生连续倒塌；⑥地基丧失承载力而破坏；⑦结构或结构构件的疲劳破坏。

（2）正常使用极限状态。

这种极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。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：①影响正常使用或外观的变形；②影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；③影响正常使用的振动；④影响正常使用的其它特定状态。

2.2.3设计状况与极限状态设计

1）工程结构设计时应区分下列设计状况：

①持久设计状况，适用于结构使用时的正常情况；

②短暂设计状况，适用于结构出现的临时情况，包括结构施工和维修时的情况；

③偶然设计状况，适用于结构出现的异常情况，包括结构遭受火灾、爆炸、撞击时的情况；

④地震设计状况，适用于结构遭受地震时的情况，在抗震设防地区必须考虑地震设计状况。

2）对于以上四种工程结构设计状况应分别进行下列极限状态设计：

①对四种设计状况，均应进行承载能力极限状态设计；

②对持久设计状况，尚应进行正常使用极限状态设计；

③对短暂设计状况和地震设计状况，可根据需要进行正常使用极限状态设计；

④对偶然设计状况，可不进行正常使用极限状态设计2.2.4结构的功能函数结构和结构构件的工作状态可以用作用效应S和结构抗力R的关系式表示：Z=g（R,S）=R-S以上表达式称为结构的功能函数。实际工程中，可能出现以下三种情况:当Z>0时，即R>S，结构能够完成预定功能，处于可靠状态。当Z<0时，即R<S，结构不能完成预定功能，处于失效状态。当Z=0时，即R=S，结构处于极限状态。结构设计的目的就是要使结构处于可靠状态，至少也应处于极限状态，即满足条件Z>0.即S≤R。

对承载能力极限状态和正常使用极限状态，在确定其荷载效应时应根据使用过程中在结构上所有可能同时出现的荷载，分别进行荷载效应组合，并在所有可能组合中取最不利的效应组合进行设计。

1.承载能力极限状态设计表达式

结构或结构构件按承载能力极限状态设计时，结构或结构构件(包括基础等)的破坏或过度变形的承载能力极限状态设计，应符合下式要求:

式中--结构重要性系数；--作用组合的效应(如轴力、弯矩或表示几个轴力、弯矩的向量)设计值；一结构或结构构件的抗力设计值。2.2.5结构极限状态设计表达式

（1）房屋建筑结构的安全等级和结构重要性系数工程结构设计时，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、对社会或环境产生影响等）的严重性，采用不同的安全等级。根据建筑结构破坏后果的严重程度，建筑结构划分为3个安全等级，设计时应根据具体情况按照表2-2的规定选用相应的安全等级。表3-2建筑结构的安全等级安全等级破坏后果建筑物类型一级很严重：对人的生命、经济、社会或环境影响很大大型的公共建筑等二级严重：对人的生命、经济、社会或环境影响较大普通的住宅和办公楼等三级不严重：对人的生命、经济、社会或环境影响较小小型的或临时性贮存建筑等

（1）房屋建筑结构的安全等级和结构重要性系数对应于房屋建筑结构的安全等级，房屋建筑的结构重要性系数，不应小于表2-3的规定。表2-3房屋建筑的结构重要性系数结构重要性系数对持久设计状况和短暂设计状况对偶然设计状况和地震设计状况

安全等级一级二级三级1.11.00.91.0（2）承载能力极限状态下作用组合的效应设计值S

对持久设计状况和暂短设计状况按作用的基本组合计算。《建筑结构荷载规范》规定：对于基本组合，荷载效应组合的设计值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两组组合中取最不利值确定。1）由可变荷载效应控制的组合设计值表达式为2）由永久荷载效应控制的组合设计值表达式为

①永久荷载的分项系数应符合下列规定:当永久荷载效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合应取1.2，对由永久荷载效应控制的组合应取1.35；当永久荷载效应对结构有利时，不应大于1.0。

②)可变荷载的分项系数应符合下列规定:对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载，应取1.3；其他情况，应取1.4。

③对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，荷载的分项系数应满足有关的建筑结构设计规范的规定。3）基本组合的荷载分项系数，应按下列规定采用。4）可变荷载考虑设计使用年限的调整系数2.正常使用极限状态设计表达式结构或结构构件按正常使用极限状态设计时，应符合下式要求:

S≤C

(2-4)式中

S------作用组合的效应(如变形、裂缝等)设计值;

C-------设计对变形、裂缝等规定的相应限值。

正常使用状极限态的设计，主要是验算结构构件的变形、抗裂度或裂缝宽度等，以便满足结构适用性和耐久性的要求。验算中材料用标准值，不再考虑荷载分项系数和结构重要性系数。