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【建筑结构基本原理课件】2第3章 建筑结构设计基本原理


第三章 建筑结构设计基本原理

1. 建筑物结构的荷载 2. 极限状态设计法 3. 结构的功能 4.建筑结构设计的基本内容 4.建筑结构设计的基本内容

CH.3 建筑结构设计基本原理
3.1 建筑物结构的荷载 3.1.1 基本概念 作用( 或荷载) 作用(S)(或荷载)
施加在结构上的集中力或分布力,称为作用 施加在结构上的集中力或分布力,称为作用——直接作用 直接作用 引起结构外加变形或约束变形的原因——间接作用 间接作用 引起结构外加变形或约束变形的原因

作用效应 ——由作用引起的结构或构件的反应 由作用引起的结构或构件的反应 结构抗力( 结构抗力(R) ——结构或结构构件承受效应的能力 结构或结构构件承受效应的能力
q

V M

3.1.2

荷载分类

按时间变异分类
在结构使用期间, 不随时间变化, 在结构使用期间 其值不随时间变化 a.永久荷载 a.永久荷载 ——在结构使用期间,其值不随时间变化,或其变 化与平均值相比可以忽略不计的荷载 也称恒 的荷载。 化与平均值相比可以忽略不计的荷载。也称恒 荷载或恒载。比如结构自重或土压力等。 荷载或恒载。比如结构自重或土压力等。 在结构使用期间, 随时间变化, 在结构使用期间 其值随时间变化 b.可变荷载 ——在结构使用期间,其值随时间变化,或其变化 b.可变荷载 与平均值相比不可以忽略不计的荷载 也称活 的荷载。 与平均值相比不可以忽略不计的荷载。也称活 荷载或活载。比如楼面活载、屋面活载、 荷载或活载。比如楼面活载、屋面活载、雪荷 风荷载、吊车荷载等。 载、风荷载、吊车荷载等。 在结构使用期间不一定出现 在结构使用期间不一定出现, 一旦出现, c.偶然荷载 c.偶然荷载 ——在结构使用期间不一定出现,而一旦出现,其量 的荷载。 值很大而持续时间较短的荷载 比如爆炸力、 值很大而持续时间较短的荷载。比如爆炸力、 撞击力等。 撞击力等。

图例: 图例:风压特征

图例: 图例:地震与建筑物扭转

按空间变异分类
a. 固定荷载 固定荷载——在结构空间位置上具有固定的分布; 在结构空间位置上具有固定的分布 在结构空间位置上具有固定的分布; b.可动荷载 可动荷载——在结构空间位置一定范围内可以任意分布。 在结构空间位置一定范围内可以任意分布。 可动荷载 在结构空间位置一定范围内可以任意分布

按照结构的反应分类
a. 静态荷载 静态荷载——对结构不产生动力效应,或小的可以忽略; 对结构不产生动力效应 对结构不产生动力效应,或小的可以忽略; b.动态荷载 动态荷载——对结构产生动力效应,且不可以忽略。 对结构产生动力效应 动态荷载 对结构产生动力效应,且不可以忽略。

3.1.3

荷载的代表值

——结构计算时,需根据不同的设计要求采用不同的荷载数值。 结构计算时,需根据不同的设计要求采用不同的荷载数值。 结构计算时

a.荷载标准值 荷载基本代表值。指在结构使用期间, a.荷载标准值 荷载基本代表值。指在结构使用期间,在正常情 ——荷载基本代表值 况下出现具有一定保证率 最大荷载。 具有一定保证率的 况下出现具有一定保证率的最大荷载。 GkorQk 当结构同时承受两种或两种以上可变荷载时, 当结构同时承受两种或两种以上可变荷载时 b.可变荷载组合值 b.可变荷载组合值 ——当结构同时承受两种或两种以上可变荷载时, 除主导荷载(产生荷载效应最大的荷载) 除主导荷载(产生荷载效应最大的荷载)取 Qc =ψcQk 标准值, 标准值,其他伴随荷载取小于其标准值的组 合值为代表值。 合值为代表值。 c.可变荷载准永久值 c.可变荷载准永久值 ——在设计基准期内经常作用在结构上的可 内经常作用在结构上的可 在设计基准期内经常作用在结构上的 变荷载。 变荷载。 Qq =ψqQk d.可变荷载频遇值 d.可变荷载频遇值 ——作用于结构上时而出现,持续时间较短的 作用于结构上时而出现,持续时间较短的 作用于结构上时而出现 可变荷载。 较大可变荷载 较大可变荷载。 Q =ψ Q
f f k

恒荷载
按构件或材料单位体积(或单位面积)自重平均值确定。 按构件或材料单位体积(或单位面积)自重平均值确定。见P11 表2 - 1 。

楼面及屋面活荷载
民用建筑楼面活载见《规范》 对多、高层, 1. 民用建筑楼面活载见《规范》。对多、高层,荷载满布且达到 最大值可能性很小,应适当折减。 最大值可能性很小,应适当折减。 屋面均布活载分“上人” 不上人”两类。 2. 屋面均布活载分“上人”和“不上人”两类。 3. 雪荷载

Sk = ?r So

Sk So

——雪荷载标准值 雪荷载标准值 ——基本雪压。见《规范》 基本雪压。 基本雪压 规范》 投影面上的雪荷载的换算系数。 投影面上的雪荷载的换算系数。

屋面积雪分布系数, 屋面积雪分布系数 ?r ——屋面积雪分布系数,即基本雪压换算为屋面水平

4. 风荷载

ωk = βz ?s ?zωo

风荷载标准值 ωk ——风荷载标准值 风荷载体型系数, 风荷载体型系数 ?s ——风荷载体型系数,+为压 屋面均布活载不与雪荷载同时考虑,设计时取其中较大值。 屋面均布活载不与雪荷载同时考虑,设计时取其中较大值。 力,-为吸力 基本风压, 规范》 基本风压 ωo ——基本风压,见《规范》 βz ——高度z处风振系数 高度z 高度 风压高度变化系数 ?z ——风压高度变化系数

3.2 极限状态设计法 3.2.1 结构功能要求

在设计基准期(一般50年,也有100和25年、5年)内,满 设计基准期(一般50年 也有100和25年 50 100 足功能要求, 安全性(S<R),适用性,耐久性。 足功能要求,即安全性(S<R),适用性,耐久性。 安全性:满足特定的与建筑物功能相适应的承载力极限 状态 适用性:保证结构在日常使用中满足要求 耐久性:保证结构的承载力的持续时间与环境适应度 功能函数:Z=R-S=g(X1,X2,X3 .Xn) 功能函数:Z=R-S=g(X1,X2,X3….Xn) 结果分析 Z=R-S>0: 处于可靠状态; Z=R-S<0: 处于不可靠状态,即失效; Z=R-S=0: 处于极限状态,此方程称极限状态方程

3.2.3

结构可靠度理论

安全性、适用性、 安全性、适用性、耐久性 在规定的时间内(一般为50年 在规定的时间内 50 a. 结构的可靠度——在规定的时间内(一般为50年),在规定 的条件下(正常设计、 的条件下(正常设计、正常施工和正常使 完成预定功能的概率, 用),完成预定功能的概率,称为结构的 可靠度,即可靠概率。 可靠度,即可靠概率。以Ps表示 结构不能完成预定功能的概率, 表示。 结构不能完成预定功能的概率 b.失效概率 b.失效概率 ——结构不能完成预定功能的概率,以Pf表示。
Pf = ∫ P =∫ s
出 现 概 率
0 0 ?∞

f (z)dz f (z)dz
μS
σS

+∞

Pf + P = 1 s
μR

σS

σR

σR

γ0[S]
失效 可靠

[R]

强度/ 强度/荷载值

3.2.3

建筑物的重要度与基准期

我国将建筑物的重要程度分为三级, 我国将建筑物的重要程度分为三级,不同级别在计算中取不同的重 要度系数γ 要度系数γ0 :
一级,破坏后果极其严重,属于重要的建筑物; 一级,破坏后果极其严重,属于重要的建筑物;γ0 =1.1 二级,破坏后果比较严重,属于一般的建筑物; 二级,破坏后果比较严重,属于一般的建筑物;γ0 =1.0 三级,破坏后果相对不严重,属于比较次要的建筑物。 三级,破坏后果相对不严重,属于比较次要的建筑物。γ0 =0.9

结构的设计基准期
1.结构保证其设计可靠度指标的时间期限成为设计基准期,即在基准期 1.结构保证其设计可靠度指标的时间期限成为设计基准期, 结构保证其设计可靠度指标的时间期限成为设计基准期 结构的可靠度指标完全满足设计要求; 内,结构的可靠度指标完全满足设计要求; 2.设计基准期是测算最大荷载重现期的基本期限; 2.设计基准期是测算最大荷载重现期的基本期限; 设计基准期是测算最大荷载重现期的基本期限 3.在超过设计基准期后,并非意味着结构的失效, 3.在超过设计基准期后,并非意味着结构的失效,而是其可靠度有所降 在超过设计基准期后 因此基准期不能等同于建筑物的使用寿命; 低,因此基准期不能等同于建筑物的使用寿命; 4.我国对于多数建筑物的设计基准期均为50年 特殊建筑物可以除外; 4.我国对于多数建筑物的设计基准期均为50年,特殊建筑物可以除外; 我国对于多数建筑物的设计基准期均为50

设计使用年限:对特别重要的建筑物为100年 一般的建筑物与构筑物为50年 设计使用年限:对特别重要的建筑物为 年,一般的建筑物与构筑物为 年,
易于替换的结构构件为25年 临时性的建筑物为 年 易于替换的结构构件为 年,临时性的建筑物为5年。

3.2.4

极限状态设计法

整个结构或结构的一部分超过某一特定状态, 整个结构或结构的一部分超过某一特定状态 极限状态 ——整个结构或结构的一部分超过某一特定状态,或 不能满足设计规定的某一功能要求的特定状态。 不能满足设计规定的某一功能要求的特定状态。
结构或构件达到最大承载力或产生不适于 a.承载能力极限状态 a.承载能力极限状态——结构或构件达到最大承载力或产生不适于 继续承载的变形。如倾覆、疲劳破坏、 继续承载的变形。如倾覆、疲劳破坏、压 屈等。 屈等。 结构或构件达到正常使用或耐久性能的某 b.正常使用极限状态 b.正常使用极限状态——结构或构件达到正常使用或耐久性能的某 项规定限值。如过大变形、开裂、振动等。 项规定限值。如过大变形、开裂、振动等。

我国结构设计是以概率理论为基础的极限状态设计法。 我国结构设计是以概率理论为基础的极限状态设计法。

极限状态设计表达式 1. 承载能力极限状态表达式
a.由可变荷载控制的效应组合 a.由可变荷载控制的效应组合
n ? ? γ o S = γ o ?γ G SGk +γ Q1SQ1k + ∑γ Qiψci SQik ? ≤ R(γ R , fk , ak ? ? ?) ? ? i =2 ? ?

b.由永久荷载控制的效应组合 b.由永久荷载控制的效应组合
n ? ? γ o S = γ o ?γ G SGk + ∑γ Qiψci SQik ? ≤ R(γ R , fk , ak ? ? ?) ? ? i =1 ? ? γ G &γ Qi ——永久荷载和可变荷载分项系数。见《规范》。 永久荷载和可变荷载分项系数。 规范》 永久荷载和可变荷载分项系数

式中: 式中: 荷载效应, 恒荷载的荷载效应系数, S :荷载效应, γG:恒荷载的荷载效应系数,γQ:荷载分项 系数, 系数, 恒荷载标准值, 最大的活荷载的标准值, Gk:恒荷载标准值, Q1k :最大的活荷载的标准值, Ψ:其他活荷载的组合系数 Qik:其他活荷载的标准值

2. 正常使用极限状态 a.标准组合 a.标准组合

S = SGk + SQ1k + ∑ψci SQik ≤ C
i =2

n

b.频遇组合 b.频遇组合

S = SGk +ψ f 1SQ1k + ∑ψqi SQik ≤ C
i =2

n

c.准永久组合 c.准永久组合 S = SGk +

∑ψ
i =1

n

qi

SQik ≤ C

正常使用极限状态设计包括两个方面: 正常使用极限状态设计包括两个方面: 裂缝控制验算 受弯构件挠度验算

承载能力极限状态设计: 承载能力极限状态设计: γoS≤R 1、基本组合 、 (1)由可变荷载效应控制的组合 ) (2)由永久荷载控制的组合 ) 2、基本组合的简化规则 、 正常使用极限状态设计: 正常使用极限状态设计: S≤C 1、荷载组合 、 (1)标准组合 ) (2)频遇组合 ) (3)准永久组合 ) 2、具体设计内容(以受弯构件为例) 、具体设计内容(以受弯构件为例) (1)裂缝控制验算 ) (2)挠度验算 )

建筑结构荷载规范 GB 50009---2006

3.3 结构的功能
◆ 安全性 ◎ 如(M≤Mu) 结构在预定的使用期间内(一般为50年 ◎ 结构在预定的使用期间内(一般为 年),应能 承受在正常施工、 承受在正常施工 、 正常使用情况下可能出现的各种 荷载、 外加变形( 荷载 、 外加变形 ( 如超静定结构的支座不均匀沉 约束变形( 如温度和收缩变形受到约束时) 降 ) 、 约束变形 ( 如温度和收缩变形受到约束时 ) 等的作用。 等的作用。 在偶然事件(如地震、爆炸)发生时和发生后, ◎ 在偶然事件(如地震、爆炸)发生时和发生后, 结构应能保持整体稳定性, 结构应能保持整体稳定性 , 不应发生倒塌或连续破 坏而造成生命财产的严重损失。 坏而造成生命财产的严重损失。

◆ 适用性 ◎ 如(f ≤[ f ]) ) ◎ 结构在正常使用期间,具有良好的工作性能。如不发 结构在正常使用期间,具有良好的工作性能。 生影响正常使用的过大的变形( 挠度、 侧移) 生影响正常使用的过大的变形 ( 挠度 、 侧移 ) 、 振动 频率、振幅) (频率、振幅),或产生让使用者感到不安的过大的裂 缝宽度。 缝宽度。 ◆ 耐久性 ◎ 如(wmax≤[ wmax]) ) 结构在正常使用和正常维护条件下, ◎ 结构在正常使用和正常维护条件下,应具有足够的耐 久性。即在各种因素的影响下(混凝土碳化、 久性。即在各种因素的影响下(混凝土碳化、钢筋锈 ),结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低, 结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低 蚀),结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低, 而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性, 而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性, 降低使用寿命。 降低使用寿命。

◆ 结构的可靠性

■ 可靠性 可靠性——安全性、适用性和耐久性的总称。 安全性、 安全性 适用性和耐久性的总称。 ■ 就是指结构在规定的使用期限内(设计工作寿命 就是指结构在规定的使用期限内( =50年 ) , 在规定的条件下 ( 正常设计 、 正常施工 、 在规定的条件下( 正常设计、 正常施工、 年 正常使用和维护) 完成预定结构功能的能力。 正常使用和维护),完成预定结构功能的能力。 ■ 结构可靠性越高,建设造价投资越大。 结构可靠性越高,建设造价投资越大。 ■ 如何在结构可靠与经济之间取得均衡,就是设计 如何在结构可靠与经济之间取得均衡, 方法要解决的问题。 方法要解决的问题。

■ 显然这种可靠与经济的均衡受到多方面的影响 , 显然这种可靠与经济的均衡受到多方面的影响, 如国家经济实力、设计工作寿命、维护和修复等。 如国家经济实力、设计工作寿命、维护和修复等。 ■ 规范规定的设计方法 , 是这种均衡的最低限度 , 规范规定的设计方法,是这种均衡的最低限度, 也是国家法律。 也是国家法律。 ■ 设计人员可以根据具体工程的重要程度 、 使用 设计人员可以根据具体工程的重要程度、 环境和情况,以及业主的要求,提高设计水准, 环境和情况,以及业主的要求,提高设计水准,增 加结构的可靠度。 加结构的可靠度。 ■ 经济的概念不仅包括第一次建设费用 , 还应考 经济的概念不仅包括第一次建设费用, 虑维修, 虑维修,损失及修复的费用

3.4 建筑结构设计的基本内容
工艺设计 建筑设计 建筑工程 设计内容 结构设计 给排水设计 暖通设计 电气设计 结构设计过程: 方案设计 结构分析 构件设计 绘施工图 建 筑 设 备 工程设计 基本要求

功能要求 美观要求 经济要求 环保要求

一、方案设计
上部结构类型 ?结构选型 结构选型 下部结构选型 定位轴线 ?结构布置 结构布置 构件布置 竖向位置 伸缩缝 设置变形缝 ?尺寸估算 尺寸估算 沉降缝 防震缝 水平位置

结构选型 水 平 结 构 上 部 结 构 竖 向 结 构 — 结构 结构 结构 结构 结构 下 部 结 构 型 型

结构布置 柱网布置 单厂 定位轴线 剖面设计 支撑布置 墙体布置 砌体 圈梁构造柱布置 层高、 层高、总高限制 柱网布置 多层 承重方案

平面布置 高层 竖向布置 高宽比限制

伸缩缝 变形缝设置 沉降缝 抗震缝 连续梁 框架梁 梁 板 截面尺寸估算 柱 墙 连系梁 排架柱 框架柱 承重墙 剪力墙

二、结构分析
尽可能反映实际受力特性 ?计算简图 计算简图 简化三原则 线弹性 ?计算理论 计算理论 塑性 非线性 解析解 ?数学方法 数学方法 数值解 偏于安全 简单 材料非线性 几何非线性

三、构件设计 ?截面设计 截面设计 ?节点设计 节点设计 四、绘制施工图 ?正确 正确 ?规范 规范 ?简洁 简洁 ?美观 美观

考虑一项活荷载,以标准值作为代表值;所有活荷 考虑一项活荷载,以标准值作为代表值; 载均以组合值作为代表值,简化组合系数取0.9 载均以组合值作为代表值,简化组合系数取 由活载控制 基本组合 承载能力极 限状态组合 荷 载 组 合 正常使用极 限状态组合 标准组合 频遇组合 准永久组合 简化组合 由恒载控制 由活载控制 由恒载控制

最大弯矩(扭矩) 最大弯矩(扭矩)及相应的剪力 水平构件 内 力 组 合 最大 构件 (最 力及相应的弯矩 剪力 剪力) 力及相应的弯矩 剪力) 力 最大剪力及相应的弯矩

最大弯矩及相应的剪力

承载力(强度、稳定) 承载力(强度、稳定) 承载能力极 限状态计算 倾覆 滑移 漂浮

变形(挠度、侧移) 变形(挠度、侧移) 正常使用极 限状态计算 疲劳 抗裂和裂缝宽度 耐久性

构件种类

混凝土整浇梁 混凝土叠合梁 混凝土板 板 钢板(平台) 钢板(平台) 钢—砼组合板 砼组合板 砼剪力墙 剪力墙 墙 钢骨砼剪力墙



钢梁 钢—砼组合梁 砼组合梁 钢骨砼梁 砼柱 钢柱



钢骨砼柱 砌体柱 钢管砼柱

承重(砌体 墙 承重 砌体)墙 砌体

建筑结构设计流程
方案设计 结构分析 构件设计

结构选型

计算单元

荷载、 荷载、内力组合

结构布置

计算简图

承载能力

变形缝设置

荷载计算

正常使用

截面尺寸估算

内力及变形计算

抗震设计

作业
建筑物结构的荷载有哪些? 1. 建筑物结构的荷载有哪些? 极限状态设计法的内容有哪些? 2. 极限状态设计法的内容有哪些? 3. 结构的功能包括哪些? 结构的功能包括哪些? 4.建筑结构设计的基本内容包括哪些? 4.建筑结构设计的基本内容包括哪些? 建筑结构设计的基本内容包括哪些 5.自学建筑结构荷载规范 5.自学建筑结构荷载规范(GB 50009--自学建筑结构荷载规范( 50009--2006) 2006)

The End
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