房屋建筑工程(2)幻灯片.ppt

1、第二章 建筑结构设计概论,什么是建筑结构？,建筑结构如何组成？,本章主要内容,了解建筑结构的分类及应用范围 了解建筑结构发展概况 熟悉建筑结构设计的程序和内容 学习建筑结构的分析方法 掌握概率极限状态设计方法 掌握结构上的作用及其作用效应组合,第一节 建筑结构的分类及应用范围,一、钢筋混凝土结构,组成材料：钢筋混凝土由钢筋和混凝土两种材料组成,为什么混凝土与钢筋可以共同工作？,问题,优点：,1. 耐久性好,2. 整体性好,3. 耐火性好,4. 可模性好,5. 可就地取材,缺点：,1.自重大,2.现浇钢筋混凝土结构费工、费时、费模板， 施工受季节限制,3.抗裂、隔热和隔音性能较差；,4.补强修复

2、困难,我国最高的混凝土和钢材的组合结构 上海金茂大厦（421米）,世界建筑界高度赞颂的建筑设计与结构设计融为一体的典范 意大利罗马小体育馆的混凝土网格型薄壳结构房盖（屋顶直径61米）,世界上最高的建筑 马来西亚石油双塔（452米）,二、砌体结构,用砖、各种砌块以及石料等块材通过砂浆砌筑而成的结构,优点：易于就地取材，节约水泥、钢材和木材；造价低廉； 有良好的耐火性和耐久性；有较好的保温隔热性。 缺点：强度低，自重大；砌筑工程量繁重；抗震性能差,混合结构（砖混结构）：用砌体做房屋的基础、墙和柱等构件， 而楼盖则用钢筋混凝土构件，还可用钢屋盖和木屋盖。,埃及胡夫金字塔,圣索菲亚大教堂,南京灵谷寺无

3、梁殿,公元1055年建成，当时世界最高砌体结构,河北定州开元寺塔,江南民居,三、钢结构,（1）承载能力高而重量较轻。 （2）材质均匀。 （3）钢材的塑性和韧性好。 （4）制造与施工方便，精度高，工期短。 （5）钢材耐热性好，耐火性差。 受150C辐射热时，力学性能无多大变化； 温度超过150C时，需要采取防护措施； 温度达到300C以上时，结构逐步丧失承载能力。 （6）钢材易于锈蚀，维护费用较高。, 重型工业厂房以及有强烈辐射热的车间； 大跨度结构； 动力作用的车间，抗震性能要求较高的结构； 塔架和桅杆等高耸结构以及高层建筑； 薄壁型钢屋架等轻钢结构。,特点：,组成：由型钢、钢管、钢板等制成钢

4、梁、钢柱、钢桁架等构件组成的结构， 各构件间用焊缝、螺栓、铆钉连接。有些钢结构还用钢绞丝、钢丝绳组成。,适用：跨度大、高度大、荷载大、动力作用大的各种建筑及其他土工程结构中,北欧最高的建筑 “Turning Torso”(54层),目前世界最高的全钢结构建筑 美国西尔斯大厦(442m),全球最豪华的旅馆阿拉伯塔（321m） (世界上惟一的建筑高度最高的七星级酒店 ),著名的全钢结构的大厦 （200m100m55m）,香港汇丰银行,上海东方明珠电视塔,四、木结构,木结构是以木材为主制成的结构,优点：易于就地取材，自重轻、制作容易、施工方便。 缺点：木材资源有限； 木材有天然缺陷（如木节、斜纹、裂

5、缝等）、 易燃、易腐、易虫蛀，故不适宜建造重要的建筑物， 且不适宜在高温和潮湿的环境中使用。,第二节 建筑结构发展概况,一、材料方面,建筑材料的发展方向是高强、轻质,混凝土,高强混凝土、轻骨料混凝土,砌体,实心粘土砖 空心砖、混凝土中小型空心砌块等,高标号砂浆、配筋砌体,钢材,高强度、新品种低合金钢 冷弯薄壁型钢板、钢和混凝土组合构件等新材料,二、结构方面,钢混凝土组合结构：,预应力混凝土结构,无粘结部分预应力混凝土结构,型钢混凝土柱,钢混凝土组合梁,三、设计理论方面,1容许应力法,4以概率论为基础的极限状态设计法,1. 以弹性理论为基础，把结构看成完全弹性体，要求结构在 使用期间任何一点的应

6、力不能超过某一允许值。,2. 把结构看成弹塑性体，要求最大荷载产生的结构内力 不大于截面的极限承载力。,3. 在规定的极限状态，可能的最大外荷载引起的荷载效应 不大于结构可能出现的最小抗力。是定值设计的概念。,4. 在规定的极限状态，作用荷载效应大于结构抗力的概率 不应大于规定的限值。,2破损阶段计算法,3极限状态设计法,第三节 建筑结构设计的程序和内容,一、基本建设工作程序,二、房屋建筑工程的设计阶段,1. 方案设计阶段,内容： 在调查研究和设计基础资料的基础上，分专业编制 设计说明书、设计图纸、投资估算及效果透视图等内容,结构设计文件包括： 编制结构设计说明书和结构平面简图,（1）设计依据

7、：阐述建筑所在地域、地界、有关自然条件、 抗震设防烈度、工程地质概况等； （2）结构设计要点：上部结构选型、基础选型、人防结构 及抗震设计初步方案等；,（3）需要说明的其他问题：指对工艺的特殊要求、与相邻 建筑物的关系、基坑特征及防护等； （4）结构平面简图应标出柱网、剪力墙、沉降缝等,2. 初步设计阶段,任务：根据中标方案、设计任务书和设计基础资料，对设计 对象进行总体安排和控制性结构计算，编制设计总概算。,设计文件：设计说明书、设计图纸、主要设备和材料清单等。,3. 技术设计阶段,4. 施工图设计阶段,是专门对技术复杂或有特殊要求的大中型项目增加的一个 设计阶段;是对初步设计方案进行调整和

8、深化,主要内容： （1）确定结构受力体系和主要技术参数； （2）初步确定主要构件（梁、柱、墙等）的截面和配筋； （3）绘出结构平面简图及重要节点大样图； （4）对地勘、施工及主要材料等特殊要求提供文字说明,以图纸和文字的形式解决工程建设中预期的全部技术问题,三、结构方案的确定,任务：确定合理的结构形式和结构体系,依据：建筑设计的功能和造型要求； 所选结构材料的特性； 结构受力、安全、经济以及地基基础和抗震等条件,结构方案的确定是结构设计成败的关键,钢筋混凝土结构： 确定上部主要承重结构、楼（屋）盖结构和基础的形式 及其结构布置；对结构主要构造措施和特殊部位进行处理。,第四节 建筑结构的分析方法

9、,结构分析： 指根据结构方案和结构布置，确定合理的计算简图和分析方法， 进行荷载（或作用）计算， 通过科学的计算分析，准确地求出 结构内力，以便截面设计或配筋计算，并采取可靠的构造措施。,遵循原则：,（1）按规范规定的作用（或荷载）及其组合，对结构的整体 进行作用（或荷载）效应分析；必要时还应对局部进行更详细 的结构分析。,（2）当结构在施工和使用期的不同阶段有多种受力状况时， 应分别进行结构分析，并确定其最不利的作用效应组合。,（4）所有结构分析方法的建立都基于三类基本方程，即力学 平衡方程、变形协调（几何）方程和材料本构（物理）方程。,（5）建筑结构宜根据结构类型、构件布置、材料性能和受力

10、 特点选择合理的分析方法。,（3）结构分析所需的各种几何尺寸以及所采用的计算图形、 边界条件、作用（荷载）的取值与组合、材料性能的计算 指标、初始应力和变形状况等，应符合结构的实际工作状况， 并应具有相应的构造措施。,工程设计中常用的计算方法 ： 线弹性分析方法； 考虑塑性内力重分布的分析方法； 塑性极限分析方法； 非线性分析方法； 试验分析方法。,（6）计算机作为常用手段进行结构分析。为确保计算结果正确， 应对电算结果进行判断和校核，在确认其合理、有效后，方可 用于工程设计。,第五节 概率极限状态设计方法,一、结构的功能要求,1. 设计基准期,设计基准期是为确定可变作用及与时间有关的材料性能

11、 取值而选用的时间参数，它不等同于建筑结构的设计使用年限。 通常都将按设计基准期确定为50年。,2. 设计使用年限,设计使用年限是设计规定的一个时期，在这一规定时期 内，只需进行正常的维护而不需进行大修就能按预期目的 使用，完成预定的功能，即房屋建筑在正常设计、正常施工、 正常使用和 维护下所应达到的使用年限。,设计使用年限分类,3. 结构的功能要求,结构在规定的设计使用年限内应满足下列功能要求：,安全性,适用性,耐久性,（1）在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用。 （2）设计规定的偶然事件（如地震、爆炸）发生时及发生后， 仍能保持必需的整体稳定性。 整体稳定性： 指在偶然事件发生

12、时及发生后，建筑结构仅产生局部的损坏 而不致发生连续倒塌。,在正常使用时具有良好的工作性能。如不产生影响使用的 过大的变形或振幅，不发生足以让使用者产生不安的过宽的裂缝。,在正常维护下具有足够的耐久性能。,4. 安全等级,根据结构破坏可能产生后果的严重性，划分为三个安全等级,建筑结构的安全等级,同一建筑物内的各种结构构件宜与整个结构采用相同的 安全等级，但允许对部分结构构件根据其重要程度和综合 经济效果进行适当调整。,二、结构功能的极限状态,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，这个特定状态称为该功能的极限状态。,规定的时间：设计使用年限 规定的条件：正常设

13、计、正常施工、正常使用、正常维修,5. 结构的可靠度,结构的可靠性：指结构的安全性、适用性、耐久性 结构的可靠度：是对结构可靠性的概率描述，即指结构在规定 的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的 概率。,1. 承载能力极限状态,这种极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力 或不适于继续承载的变形。,出现下列状态之一时，认为超过了承载能力极限状态：,（1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡、倾覆等。 （2）结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏）， 或因过度变形而不适于继续承载。 （3）结构转变为机动体系。 （4）结构或结构构件丧失稳定、压屈等。 （5）地基丧失承载能力而破坏

14、、失稳等。,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。,出现下列状态之一时，应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）影响正常使用的其他特定状态。,第五节 概率极限状态设计方法,一、结构的功能要求,1. 设计基准期,设计基准期是为确定可变作用及与时间有关的材料性能 取值而选用的时间参数，它不等同于建筑结构的设计使用年限。 通常都将按设计基准期确定为50年。,2. 设计使用年限,设计使用年限是设计规定的一个时期，在这一规定时期 内，

15、只需进行正常的维护而不需进行大修就能按预期目的 使用，完成预定的功能，即房屋建筑在正常设计、正常施工、 正常使用和 维护下所应达到的使用年限。,设计使用年限分类,3. 结构的功能要求,结构在规定的设计使用年限内应满足下列功能要求：,安全性,适用性,耐久性,（1）在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用。 （2）设计规定的偶然事件（如地震、爆炸）发生时及发生后， 仍能保持必需的整体稳定性。 整体稳定性： 指在偶然事件发生时及发生后，建筑结构仅产生局部的损坏 而不致发生连续倒塌。,在正常使用时具有良好的工作性能。如不产生影响使用的 过大的变形或振幅，不发生足以让使用者产生不安的过宽的裂缝。

16、,在正常维护下具有足够的耐久性能。,4. 安全等级,根据结构破坏可能产生后果的严重性，划分为三个安全等级,建筑结构的安全等级,同一建筑物内的各种结构构件宜与整个结构采用相同的 安全等级，但允许对部分结构构件根据其重要程度和综合 经济效果进行适当调整。,二、结构功能的极限状态,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，这个特定状态称为该功能的极限状态。,规定的时间：设计使用年限 规定的条件：正常设计、正常施工、正常使用、正常维修,5. 结构的可靠度,结构的可靠性：指结构的安全性、适用性、耐久性 结构的可靠度：是对结构可靠性的概率描述，即指结构在规定 的时间内，在规

17、定的条件下，完成预定功能的 概率。,1. 承载能力极限状态,这种极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力 或不适于继续承载的变形。,出现下列状态之一时，认为超过了承载能力极限状态：,（1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡、倾覆等。 （2）结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏）， 或因过度变形而不适于继续承载。 （3）结构转变为机动体系。 （4）结构或结构构件丧失稳定、压屈等。 （5）地基丧失承载能力而破坏、失稳等。,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。,出现下列状态之一时，应认为超过了正常使用极限状态：,（1）影

18、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）影响正常使用的其他特定状态。,三、结构的极限状态方程,（一）结构的极限状态方程,结构的极限状态应采用下列极限状态方程描述： g( X1，X2，Xn )0,结构按极限状态设计应符合下列要求： g( X1，X2，Xn )0,极限状态设计应符合 ZRS0,Z 为结构的功能函数，可用以描述结构的工作状态： （1）当Z0时，结构处于可靠状态。 （2）当Z0时，结构处于极限状态。 （3）当Z0时，结构处于不可靠状态或失效状态。,（二）结构构件的失效概率,结构能够完成预定功能的概率称为可靠概率（

19、PS ）， 不能完成预定功能的概率称为失效概率（Pf ）。 结构的可靠性可用可靠概率PS 度量，也可用失效概率Pf 度量。,1. 当仅有结构抗力 R 和作用效应 S 两个基本变量且相互独立时,2. 当仅有结构抗力R和作用效应S两个基本变量且均按正态分布时,（三）结构构件的可靠指标和设计可靠指标,1. 结构构件的可靠指标,令,有,结论：可以作为衡量结构可靠性的一个指标，故称为 结构的“可靠指标”。,随着值的增大，结构构件的失效概率Pf 减小。值与失效概率Pf 之间存在一一对应关系,2. 设计可靠指标 ,结构构件设计时所应达到的可靠指标称为设计可靠指标， 它是根据设计所要求达到的结构可靠度而取定的

20、，所以又称 为目标可靠指标, ,可靠指标与失效概率运算值Pf 的关系,a. 承载能力极限状态时的设计可靠指标 ,延性破坏 脆性破坏,结构构件承载能力极限状态的目标可靠指标,b. 正常使用极限状态时的设计可靠指标 ,一般应根据结构构件作用效应的可逆程度选取01.5,可逆程度：指产生超越状态的作用被移去后，仍将永久 保持超越状态的程度,（四）极限状态设计表达式,1. 承载能力极限状态设计表达式,0 S R,2. 正常使用极限状态设计表达式,S C,应根据不同的设计要求，采用荷载的标准组合、频遇 组合或准永久组合,第六节 结构上的作用及其作用效应组合,一、结构上的作用及其作用效应,定义：施加在结构上

21、的集中力或分布力及引起结构外加变形 和约束变形的原因，统称为结构上的作用。,分类,直接作用（荷载）,间接作用,结构构件自重、楼面上的人群和各种物品 的重量、设备重量、风压及雪压,温度变化、结构材料的收缩和徐变、地基 不均匀沉降及地震,荷载,永久荷载（恒载）,偶然荷载,可变荷载（活载）,设计基准期内，其值不随时间变化或变化 很小到可以忽略不计,设计基准期内，其值随时间变化,设计基准期内不一定出现，一旦出现其值很大， 且持续时间很短，如地震力、爆炸力、撞击力等,移动荷载？,作用效应： 直接作用或间接作用在结构内产生的内力（如轴力、弯矩、 剪力和扭矩）和变形（如挠度、转角和裂缝等）； 荷载效应： 仅

22、由荷载产生的效应,二、荷载代表值、荷载分项系数及荷载设计值,（一）荷载代表值,分类：荷载有四种代表值，即标准值、频遇值、准永久值 和组合值,用途：结构设计时，应根据各种极限状态的设计要求采用 不同的荷载代表值,取值：标准值是荷载的基本代表值，其他代表值由标准值 乘以相应的系数后得出,永久荷载采用标准值作为代表值； 可变荷载采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值； 偶然荷载按建筑结构使用特点确定其代表值。,不同荷载应采用不同的荷载代表值：,1. 荷载标准值,荷载标准值由设计基准期最大荷载概率分布的某个分位值来确定,a. 永久荷载标准值,b. 可变荷载标准值,结构自重，可按结构构件的设计尺

23、寸与材料单位体积的自重计算确定；对于变异较大的材料和构件按其最不利考虑,楼面均布活荷载,屋面可变荷载（活荷载）,风荷载,民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数, 楼面均布活荷载,屋面活荷载包括屋面均布活荷载、雪荷载和积灰荷载三种， 均按屋面的水平投影面积计算,屋面均布活荷载,雪荷载,积灰荷载,雪荷载标准值 S k r S0, 屋面可变荷载,荷载组合：屋面均布活荷载一般不与雪荷载同时考虑， 仅取两者中的较大值。, 风荷载,风荷载标准值,w kz z s w0,w 0基本风压（kN/m2），查全国基本风压分布图； z高度 z 处的风振系数； z风压高度变化系数； s建筑物的风

24、载体形系数,地面粗糙度分类： A类指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区； B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇 和城市郊区； C类指有密集建筑群的城市市区； D类指密集建筑群且房屋较高的城市市区。,风压高度变化系数 z,风载体型系数 s,2. 可变荷载组合值,承载能力极限状态按基本组合设计， 正常使用极限状态按标准组合设计,可变荷载组合值荷载组合值系数可变荷载标准值,原则： 组合后的荷载效在设计基准期内的超越概率，应与该荷载 单独出现时的相应概率趋于一致,取值：,定义： 当结构承受两种或两种以上可变荷载时采用的代表值,3. 可变荷载频遇值,定义：正常使用极限状态按频遇组合设计所

25、采用的代表值,可变荷载频遇值荷载频遇值系数可变荷载标准值,在设计基准期内，荷载达到和超过该值的总持续时间仅为 设计基准期的一小部分。,取值：,4. 可变荷载准永久值,定义：正常使用极限状态按准永久组合所采用的代表值,在设计基准期内，达到和超过该荷载值的总持续时间约为 设计基准期的一半。,取值：可变荷载准永久值荷载准永久值系数可变荷载标准值,（二）荷载分项系数,为使在不同设计情况下的结构可靠度能够趋于一致， 将荷载分成永久荷载和可变荷载两类，分别给出相应的 永久荷载分项系数和可变荷载分项系数。,（三）荷载设计值,荷载设计值荷载分项系数荷载代表值,三、荷载效应的设计组合,承载能力极限状态：应考虑荷载效应的基本组合，必要时还应 考虑荷载效应的偶然组合,正常使用极限状态： 应根据不同设计目的，分别选用下列荷载效应的组合：,（1）标准组合 （2）频遇组合 （3）准永久组合,荷载效应的设计组合,四、承