建筑结构设计原则和过程.ppt

1、,4.1 概念设计和数值设计4.2 结构设计原则4.2.1结构的功能要求4.2.2 结构的极限状态4.2.3 建筑结构的设计状态4.2.4 结构的设计原则和方法4.3 使用设计表达式4.4 建筑结构的设计过程,孝感学院城建学院土木建筑工程系结构教研室,第四章建筑结构设计的原则和过程,4.1.概念设计和数值设计,定义与基本内容,根据工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程称为概念设计。,基本内容有三部分：,1.建筑设计应重视建筑结构的规则性； 2.合理的建筑结构体系选择； 3.抗侧力结构和构件的延性设计。,抗震设计的概念设计准则, 选择有利于抗震的场地

2、选择利于抗震的地基和基础 选择对抗震有利的建筑平面和立面布置 选择合理的抗震结构体系 选择合理的结构构件 处理好非结构构件和主体结构的关系 注意材料的选用和施工质量 采用结构控制新技术,建筑结构的规则性,建筑结构的规则性对抗震能力的重要影响的认识始自若干现代建筑在地震中的表现。,最为典型的例子是1972年2月23日南美洲的马那瓜地震。,马那瓜有相距不远的两幢高层建筑，一幢为十五层高的中央银行大厦，另一幢为18层高的美洲银行大厦。当地地震烈度估计为8度。一幢破坏严重，震后拆除；另一幢轻微损坏，稍加修理便恢复使用。,马那瓜中央银行大厦,试问： 那一幢破坏严重呢？,马那瓜美洲银行大厦,4.2 结构设

3、计基本原则,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。,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

4、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。,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。,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。,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。,结构极限状态,结构功能的极限状态,（1）承载能力极限状态,（2）正常使用极限状态,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

5、或连接因材料强度不够而破坏； 结构转变为机动体系； 结构或结构构件丧失稳定等。,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。,持久状况-进行承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。,结构的设计状况,短暂状况-进行承载能力极限状态设计和根据需要进行正常使用极限状态设计。,偶然状况-进行承载能力极限状态和。,结构的设计原则和方法,（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。,（

6、2）结构抗力 R,有一农夫，能肩挑300斤当给他300斤的担子时，效应刚好等于抗力；当给他100斤的担子时，效应小于抗力；当给他400斤的担子时，效应大于抗力。,挑担子与结构功能函数,结构荷载的确定 结构上的荷载作用可以按照工程设计的标准分为：永久作用、可变作用于偶然作用三类。 荷载效应 荷载在结构上产生的内力与变形，如弯矩、剪力、轴力、扭矩、挠度、转角、裂缝等，以S来表示； 由于荷载位置与方向差异，不同荷载对于结构产生的效果不同； S= CQ，C：荷载效应系数； 特定结构或构件对于特定荷载的荷载效应系数确定的。 常见的荷载效应系数举例： 简支梁在均布荷载作用下，最大弯矩的荷载效应系数为：C=

7、L2/8； 简支梁在集中荷载作用下，最大弯矩的荷载效应系数为：C=L/4。,结构抗力R,影响结构抗力大小的主要因素： 结构的构成形态 构件的几何尺寸 材料性能,由材料的变异性、构件几何特征和计算模式等的不定一些，决定结构抗力也应是随机变量。,结构的功能函数,当0 即 RS 时，结构处于可靠状态；当0 即 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。,结构构件重要性系数一级=1.1、二级=1.0、三级=0.9,按承载能力极限状态设计的实用表达式,功能函数,可靠度及可靠度指标,可靠度定义 结构在规定的时间内、在规定的条件下，

8、完成预定功能的概率。,失效概率,可靠度指标与失效概率的关系,可靠度指标 由定义的代替失效概率Pf的指标。,实用设计表达式,按永久荷载标准值 计算的荷载效应值,按可变荷载标准值计算的荷载效应值,可变荷载效应中的最大值,永久荷载分项系数,第i个可变荷载的分项系数,第1个可变荷载的分项系数,可变荷载的组合值系数,1）由可变荷载效应控制的组合,承载能力极限状态,2）由永久荷载效应控制的组合,恒荷载效应设计值,活荷载效应设计值,正常使用极限状态的荷载组合 进行正常使用极限状态验算时采用荷载的标准值；不考虑结构 的重要性系数； 需要考虑荷载作用时间的长短对变形和裂缝宽度的影响。 标准组合：主要用于当一个极

9、限状态被超越时将产生严重的永久性损害的情况 2.频遇组合：主要用于当一个极限状态被超越时将产生局部损害、较大变形或瞬间振动的情况 3.准永久组合：主要用于当长期效应是决定性因素时的一些场合,按正常使用极限状态设计的实用表达式 （1）实用表达式 对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，按下列设计表达式进行设计： SC 式中S变形、裂缝等荷载效应的设计值； C结构构件达到正常使用要求所规定的限值，如变形、裂缝宽度等。,混凝土结构的正常使用极限状态主要是验算构件的变形、抗裂度或裂缝宽度，使其不超过相应的规定限值； 钢结构通过构件的变形（刚度）验算保证； 砌体结构一般情况下不做验算，由相应的构造措

10、施保证。,（2）荷载效应组合设计 1）对于标准组合，其荷载效应组合的表达式为,2) 对于频遇组合，其荷载效应组合的表达式为,可变荷载 的频遇系数,可变荷载 的准永久值系数,3）对于准永久组合，荷载效应组合的表达式为,【例1.2.1】 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 = 5m，净跨度 =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1.1.1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

11、数=1.0。 钢筋混凝土的重度标准值为25kN/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设计值分别为：Mgk = gkl02/8 = 1252 /8=37.5kN m Vgk=gkln/2= 124.86/2=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 = qkl02/8 =752 /8=21.875kNm Vgk=qkln/2 = 7 4.86/2 =17.01 kN 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， =1.2， =1.4。由式（1.2.3）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标准值分别为： =,=1.0（1.237.5+1.421.875）=75.625 kNm,= =1.0（1.229.16+1.417.01）=58.806 kN 计算由恒载弯矩控制的跨中弯矩设计值时， =1.35， =1.4， =0.7。由式