建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原則

項(xiàng)目4建筑結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)原則掌握1荷載和材料各代表值；2結(jié)構(gòu)的功能及極限狀態(tài)的含義3極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式及各符號(hào)含義一.學(xué)習(xí)目標(biāo)二.能力目標(biāo)

學(xué)會(huì)1荷載和材料各代表值的取用2荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值計(jì)算第1頁，共32頁。結(jié)構(gòu)上的“作用”使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生效應(yīng)(內(nèi)力、變形等)的各種原因的總稱直接作用間接作用是指直接以力的不同集結(jié)形式（集中力或均布力）施加在結(jié)構(gòu)上的作用，通常也稱為荷載。

是指能夠引起結(jié)構(gòu)外加變形和約束變形，從而產(chǎn)生內(nèi)力效應(yīng)的各種原因。

第2頁，共32頁?？勺兒奢d(活荷載)永久荷載(恒荷載)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，其作用量值隨時(shí)間而變化，其變化幅度與平均值相比不可忽略不計(jì)的荷載在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，其作用量值不隨時(shí)間變化，或其變化幅度與平均值相比可以忽略不計(jì)的荷載.(隨時(shí)間的變異性分類)荷載的分類偶然荷載在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)其量值很大且持續(xù)時(shí)間很短的荷載，第3頁，共32頁。荷載代表值

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，需針對(duì)不同設(shè)計(jì)目的對(duì)荷載賦予一個(gè)規(guī)定的量值，該量值即為荷載代表值。永久荷載采用標(biāo)準(zhǔn)值為代表值?？勺兒奢d采用標(biāo)準(zhǔn)值、組合值、頻遇值和準(zhǔn)永久值為代表值。偶然荷載按使用的特點(diǎn)確定代表值。其中荷載標(biāo)準(zhǔn)值為基本代表值。第4頁，共32頁。荷載標(biāo)準(zhǔn)值荷載標(biāo)準(zhǔn)值是指在結(jié)構(gòu)使用期間，在正常情況下可能出現(xiàn)的最大荷載值。

永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值Gk可按結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)尺寸和材料重力密度計(jì)算確定，《荷載規(guī)范》中給出了常用材料和構(gòu)件的自重?？勺兒奢d標(biāo)準(zhǔn)值Qk可直接查《荷載規(guī)范》得出。

第5頁，共32頁?？勺兒奢d組合值

當(dāng)結(jié)構(gòu)承受兩種或兩種以上可變荷載時(shí)，考慮它們同時(shí)達(dá)到各自最大值的可能性很小，故除主導(dǎo)的可變荷載外，其他可變荷載均乘以小于1.0的組合系數(shù)作為可變荷載組合值。

可變荷載組合值＝可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值×荷載組合值系數(shù)ψC

荷載組合值系數(shù)可由《荷載規(guī)范》查得第6頁，共32頁?？勺兒奢d頻遇值

可變荷載在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)在結(jié)構(gòu)上偶而出現(xiàn)的較大荷載，稱為可變荷載頻遇值。其具有持續(xù)時(shí)間較短或發(fā)生次數(shù)較少的特點(diǎn)。

可變荷載頻遇值＝可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值×荷載頻遇值系數(shù)ψf

荷載頻遇值系數(shù)可由《荷載規(guī)范》查得

第7頁，共32頁?？勺兒奢d準(zhǔn)永久值在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)經(jīng)常作用的可變荷載，稱可變荷載準(zhǔn)永久值。其具有總持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的的特點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響類似于永久荷載。

可變荷載準(zhǔn)永久值＝可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值×荷載準(zhǔn)永久值系數(shù)ψｑ

荷載準(zhǔn)永久值系數(shù)可由《荷載規(guī)范》查得

第8頁，共32頁。荷載效應(yīng)S荷載效應(yīng)是指由荷載在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的各種內(nèi)力（彎矩、剪力等）和變形（撓度、裂縫等）的統(tǒng)稱。

一般情況:S=CQ[例]簡(jiǎn)支梁承受均布荷載q作用，計(jì)算跨度為l，由力學(xué)計(jì)算可知其跨中彎矩M＝，支座剪力V＝。M與V

Sq

Q

與C

第9頁，共32頁。荷載設(shè)計(jì)值及荷載分項(xiàng)系數(shù)荷載設(shè)計(jì)值＝荷載分項(xiàng)系數(shù)×荷載標(biāo)準(zhǔn)值

由于荷載是隨機(jī)變量，考慮其有超過荷載標(biāo)準(zhǔn)值的可能性，設(shè)計(jì)時(shí)將荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以一個(gè)大于1的調(diào)整系數(shù)。它比荷載的標(biāo)準(zhǔn)值具有更大的可靠度。荷載類別荷載特征荷載分項(xiàng)系數(shù)永久荷載當(dāng)其效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)對(duì)由可變荷載效應(yīng)控制的組合對(duì)由永久荷載效應(yīng)控制的組合1.21.35當(dāng)其效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)一般情況下對(duì)結(jié)構(gòu)的傾覆、滑移或漂浮驗(yàn)算1.00.9可變荷載一般情況下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值＞4kN／m2的工業(yè)房屋樓面活荷載1.41.3第10頁，共32頁。結(jié)構(gòu)抗力R結(jié)構(gòu)抗力是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受各種荷載效應(yīng)的能力，即承載能力和抗變形能力。

R=R(fc,fs,αk…)結(jié)構(gòu)抗力也是一個(gè)隨機(jī)變量，影響因素主要有材料性能（強(qiáng)度、變形模量等物理力學(xué)性能）、構(gòu)件幾何參數(shù)、配筋情況以及計(jì)算模式的精確性等。第11頁，共32頁。材料強(qiáng)度的取值材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值＝材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值/材料分項(xiàng)系數(shù)

考慮由于材料強(qiáng)度的變異以及幾何參數(shù)和設(shè)計(jì)模式的不定性可能使結(jié)構(gòu)抗力進(jìn)一步降低的不利影響。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試件用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得的具有95％以上保證率的強(qiáng)度值，

材料分項(xiàng)系數(shù)根據(jù)結(jié)構(gòu)可靠度分析，并考慮材料質(zhì)量的分布規(guī)律和一定的保證率確定。

由規(guī)范或附錄直接查用第12頁，共32頁。適用性安全性結(jié)構(gòu)在正常使用期間應(yīng)具有良好的工作性能。例如，不發(fā)生過大的變形、振幅、過寬的裂縫等，以免影響正常使用。

結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受在正常施工和正常使用的情況下可能出現(xiàn)的各種作用，在設(shè)計(jì)規(guī)定的偶然事件發(fā)生時(shí)及發(fā)生后，結(jié)構(gòu)仍能保持必需的整體穩(wěn)定性，不致發(fā)生倒塌。

結(jié)構(gòu)的功能要求耐久性結(jié)構(gòu)在正常使用和正常維護(hù)條件下應(yīng)具有足夠的耐久性能，以保證結(jié)構(gòu)能夠正常使用到預(yù)定的設(shè)計(jì)使用期限。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的就是使所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，用最經(jīng)濟(jì)的手段獲得預(yù)定條件下滿足設(shè)計(jì)所預(yù)期的各種功能的要求。

第13頁，共32頁。結(jié)構(gòu)的可靠性在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)（設(shè)計(jì)使用年限），在規(guī)定的條件下（正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用和維修），結(jié)構(gòu)完成預(yù)定功能（安全性、適用性、耐久性）的能力

是指結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，在正常設(shè)計(jì)、施工、使用和維護(hù)的條件下完成預(yù)定功能的概率。

安全性、適用性、耐久性的統(tǒng)稱結(jié)構(gòu)的可靠度

結(jié)構(gòu)完成預(yù)定功能的能力不能事先確定，只能用概率來描述。第14頁，共32頁。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和設(shè)計(jì)使用年限

是為確定荷載代表值及與時(shí)間有關(guān)的材料性能等取值而選用的時(shí)間參數(shù)（我國(guó)取用的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年）。必須說明：當(dāng)結(jié)構(gòu)的使用年限達(dá)到或超過設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期后，并不意味結(jié)構(gòu)立即報(bào)廢，而只意味結(jié)構(gòu)的可靠度將逐步降低。類別設(shè)計(jì)使用年限（年）示例11～5臨時(shí)性建筑225易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件

350普通房屋和構(gòu)筑物

4100及以上紀(jì)念性建筑和特別重要的建筑結(jié)構(gòu)

是設(shè)計(jì)規(guī)定的一個(gè)期限，是指按規(guī)定指標(biāo)設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，在正常施工、正常使用和維護(hù)下，不需進(jìn)行大修即可達(dá)到其預(yù)定功能要求的使用年限。

第15頁，共32頁。結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(tài)

能夠滿足功能要求不能滿足功能要求特定狀態(tài)可靠度可靠失效極限狀態(tài)承載能力極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形時(shí)的狀態(tài)

結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性的某項(xiàng)規(guī)定限值時(shí)的狀態(tài)第16頁，共32頁。適用性安全性Z＜0,即R＜S耐久性Z＞0,即R＞S承載能力極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)

Z=g(R,S)=R-S功能函數(shù)結(jié)構(gòu)抗力荷載效應(yīng)Z=0,即R=S可靠狀態(tài)極限狀態(tài)

失效狀態(tài)結(jié)構(gòu)可靠工作的基本條件為:Z≥0或R≥S第17頁，共32頁。承載能力極限狀態(tài)實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式

γ0S≤R

結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)

結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力設(shè)計(jì)值R＝R（fc，fs，αk…）

荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值

一般排架、框架結(jié)構(gòu)，可采用簡(jiǎn)化公式：

安全等級(jí)為三級(jí)（或５年

）γ0≥０.９安全等級(jí)為一級(jí)（或100年及以上

）γ0≥1.1

安全等級(jí)為二級(jí)（或５０年

）γ0≥1.０由永久荷載效應(yīng)控制的組合：

由可變荷載效應(yīng)控制的組合：

第18頁，共32頁。由永久荷載效應(yīng)控制的組合：

由可變荷載效應(yīng)控制的組合：

S第19頁，共32頁。【例1】已知由永久荷載產(chǎn)生的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值Mgk=11kN·m，起控制作用的可變荷載產(chǎn)生的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值Mqk=16kN·m，安全等級(jí)為二級(jí)，求彎矩設(shè)計(jì)值。【解】本例中，γ0=1.0，γG=1.2,γQ1=1.4SGk=Mgk=11kN·mSQ1k=Mqk=16kN·m則彎矩設(shè)計(jì)值M=γ0(γGSGk+γQ1SQ1k）=1.0×(1.2×11+1.4×16)kN·m=35.6kN·m彎矩設(shè)計(jì)值為35.6kN·m。第20頁，共32頁?！纠?】某教學(xué)樓樓面采用預(yù)制板，計(jì)算跨度l0=5.70m，板寬0.9m，板自重2.2kN/m2。樓面采用水磨石地面（10mm厚面層，20mm厚水泥砂漿打底），板底20mm厚抹灰。樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為2.0kN/m2。試求：①板的跨中截面彎矩設(shè)計(jì)值M?！窘狻?1)荷載標(biāo)準(zhǔn)值①永久荷載水磨石地面0.65kN/m220mm板底抹灰17×0.02=0.34kN/m2第21頁，共32頁。板自重2.2kN/m2作用在板上的永久荷載線荷載標(biāo)準(zhǔn)值為gk=(0.65+0.34+2.2)×0.9=2.871kN/m②可變活荷載qk=2.0×0.9=1.8kN/m(2)板的跨中截面彎矩設(shè)計(jì)值永久荷載產(chǎn)生的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值Mgk=1/8gkl02=11.66kN·m可變荷載產(chǎn)生的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值Mqk=1/8qkl02=7.31kN·m第22頁，共32頁。由可變荷載效應(yīng)控制的組合γG=1.2，γQ=1.4M=γGMgk+γQMqk=24.22kN·m由永久荷載效應(yīng)控制的組合γG=1.35，γQ=1.4,ψci=0.7M=γGMgk+γQψciMqk=22.90kN·m由計(jì)算知，樓板荷載效應(yīng)組合值由可變荷載效應(yīng)控制。故板跨中截面的彎矩設(shè)計(jì)值為24.22kN·m。第23頁，共32頁。正常使用極限狀態(tài)實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式

《統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：計(jì)算時(shí)荷載及材料強(qiáng)度均取標(biāo)準(zhǔn)值，不再考慮荷載和材料分項(xiàng)系數(shù)，也不考慮結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)γ0。設(shè)計(jì)表達(dá)式S≤C

荷載效應(yīng)組合值S，應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計(jì)目的，分別按荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合和準(zhǔn)永久組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用要求的規(guī)定限值C，例如變形限值、裂縫寬度限值等。第24頁，共32頁。地震的基本概念

常用術(shù)語震源震源深度震中距震中地面地面某處淺源地震(震源深度＜60km)中源地震(震源深度60~300km)深源地震(震源深度＞300km)第25頁，共32頁。地震波

地震時(shí)振動(dòng)以波的形式從震源向各個(gè)方向傳播并釋放能量，這就是地震波。

地震波體波面波縱波橫波由震源向外傳遞的壓縮波,這種波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的方向與波的前進(jìn)方向一致,其特點(diǎn)是周期短、振幅小、傳播速度快,能引起地面上下顛簸（豎向振動(dòng)）。由震源向外傳遞的剪切波,其質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的方向與波的前進(jìn)方向垂直,其特點(diǎn)是周期長(zhǎng)、振幅大、傳播速度較慢,能引起地面水平搖晃。體波經(jīng)地層界面多次反射傳播到地面后,又沿地面?zhèn)鞑サ拇紊?其特點(diǎn)是周期長(zhǎng)、振幅大、衰減較體波慢，能引起地面建筑的水平振動(dòng)。地震波的傳播以縱波最快，橫波次之，面波最慢。

第26頁，共32頁。地震震級(jí)

地震震級(jí)是衡量一次地震本身強(qiáng)弱程度的指標(biāo)。震級(jí)每增加一級(jí)，地震所釋放出的能量約增加30倍。一般地說，2級(jí)以下的地震，人們是感覺不到的，因此稱為微震；2～4級(jí)的地震，在震中附近地區(qū)的人就有感覺，稱為有感地震；5級(jí)以上的地震，會(huì)對(duì)地面上的建筑物造成不同程度的破壞，稱為破壞性地震；7級(jí)以上的地震，則稱為強(qiáng)烈地震；8級(jí)以上的地震，稱為特大地震。第27頁，共32頁。地震烈度

地震烈度是指某一地區(qū)的地表和建筑物在一次地震時(shí)受到影響的強(qiáng)弱程度。一次地震只有一個(gè)震級(jí)，然而同一次地震對(duì)不同地區(qū)的影響卻不同，隨著距離震中的遠(yuǎn)近不同會(huì)出現(xiàn)多種不同的烈度。一般來說，距震中距離越近，地震烈度越高。我國(guó)采用12度地震烈度區(qū)劃，6～9度需設(shè)防?？拐鹪O(shè)防烈度是按國(guó)家批準(zhǔn)權(quán)限審批或頒布的作為一個(gè)地區(qū)抗震設(shè)防依據(jù)的地震烈度。

第28頁，共32頁。房屋結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防

房屋結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防，是指通過對(duì)地震區(qū)的房屋進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)和采取構(gòu)造措施，達(dá)到在地震發(fā)生時(shí)減輕地震災(zāi)害的目的?？拐鹪O(shè)防的依據(jù)是抗震設(shè)防烈度。我國(guó)《抗震規(guī)范》將建筑物按其用途的重要性分為四類：

甲類建筑：指重大建筑工程和地震時(shí)可能發(fā)生嚴(yán)重次生災(zāi)害的建筑。乙類建筑：指地震時(shí)使用功能不能中斷或需盡快恢復(fù)的建筑。丙類建筑：除甲、乙、丁類建筑以外的一般工業(yè)與民用建筑。丁類建筑：指次要建筑。

第29頁，共32頁?？拐鹪O(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

甲類建筑在6～8度設(shè)防區(qū)應(yīng)本地區(qū)按設(shè)防烈度提高一度計(jì)算地震作用和采取抗震構(gòu)造措施，當(dāng)為9度區(qū)時(shí)，應(yīng)作專門研究。乙類建筑按本地區(qū)設(shè)防烈度進(jìn)行抗震計(jì)算，抗震構(gòu)造措施提高一度考慮。丙類建筑的抗震計(jì)算與構(gòu)造措施均按本地區(qū)設(shè)防烈度考慮。丁類建筑按本地區(qū)設(shè)防烈度進(jìn)行抗震計(jì)算，抗震構(gòu)造措施可適當(dāng)降低要求（設(shè)防烈度為6度時(shí)不再降低）?？拐鹪O(shè)防烈度為6度時(shí)，除另有規(guī)定外，對(duì)乙、丙、丁類建筑可不進(jìn)行地震作用計(jì)算。第30頁，共32頁。抗震設(shè)防目標(biāo)

我國(guó)《抗震規(guī)范》明確提出了三個(gè)水準(zhǔn)的抗震設(shè)防要求：第一水準(zhǔn)：當(dāng)遭受低于本地區(qū)