結構設計方法與設計指標(上課用)

第二章結構設計方法與設計指標第一頁，共三十八頁。本章內容2.1

建筑結構荷載2.2

建筑結構的設計方法2.3

建筑結構材料的設計指標2.4

建筑結構抗震設防簡介第二頁，共三十八頁。幾個基本概念：結構上的作用：引起結構或構件產(chǎn)生內力、變形和裂縫的各種原因。結構上的作用按出現(xiàn)方式分為直接作用和間接作用，直接作用：是指直接以力的不同集結形式（集中力或均勻分布力）施加在結構上的作用，通常也稱為結構的荷載，如結構的自重，風壓力，雪荷載，物品及人群重量等。間接作用：是指能夠引起結構外加變形和約束變形或振動的各種原因，如溫度變化，材料的收縮，地基沉降等直接作用（即荷載）是本書主要介紹的內容，由它引起的效應稱為荷載效應。第一節(jié)建筑結構荷載第三頁，共三十八頁。一、荷載的分類荷載可變荷載永久荷載偶然荷載第四頁，共三十八頁。

1.永久荷載（也稱為恒荷載）定義在結構使用期間，其值不隨時間變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計，或其變化是單調的并能趨于限值的荷載。類型

結構自重=恒載土壓力預應力水浮力等等統(tǒng)計參數(shù)與時間無關第五頁，共三十八頁。

2.可變荷載定義在結構使用期間，其值隨時間變化，且其變化與平均值相比不可以忽略不計的荷載。特點統(tǒng)計規(guī)律與時間參數(shù)有關隨機過程模型類型樓面、屋面活荷載，積灰荷載風荷載，雪荷載吊車荷載等等第六頁，共三十八頁。3.偶然荷載定義在結構使用期間不一定出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)，其值很大且持續(xù)時間很短的荷載特點設計基準期內可能不出現(xiàn)一旦出現(xiàn)量值很大，持續(xù)時間很短類型爆炸力撞擊力罕遇地震是間接作用=偶然作用偶然荷載第七頁，共三十八頁。在進行結構設計時，根據(jù)不同極限狀態(tài)的設計要求所采用的荷載量值稱為荷載代表值。

永久荷載采用標準值為代表值，可變荷載采用標準值、組合值、頻遇值或準永久值為代表值。設計時應根據(jù)不同極限狀態(tài)的設計要求來確定采用哪一種荷載值。二、荷載的代表值第八頁，共三十八頁。作用于結構上荷載的大小具有變異性。荷載標準值就是結構在設計基準期內可能出現(xiàn)的最大荷載值,它是荷載的基本代表值。（1）永久荷載標準值（GK

）

永久荷載主要是結構自重及粉刷、裝修、固定設備的重量。由于結構或非承重構件的自重的變異性不大，一般以其平均值作為荷載標準值，即可按結構構件的設計尺寸和材料或結構構件單位體積（或面積）的自重標準值確定。1.荷載標準值第九頁，共三十八頁。常用材料單位體積的自重（單位kN/m3）（見表2-1）：混凝土22~24，

鋼筋混凝土24~25，

水泥砂漿20，

石灰砂漿、混合砂漿17，

普通磚18，

普通磚（機器制）19，

漿砌普通磚砌體18，

漿砌機磚砌體19。第十頁，共三十八頁。例題2-1

樓面做法為：硬木地板（0.2kN/M2)，20mm厚水泥砂漿找平層，80mm厚鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板，鋼絲網(wǎng)抹灰吊頂(0.45kN/M2)。試求板的恒載標準值（面積荷載）。解自重面積荷載標準值

=0.2+200.02+250.08+0.45=3.05kN/m2

第十一頁，共三十八頁。（2）可變荷載標準值（即活荷載標準值）民用建筑樓面均布活荷載標準值見表2.2（詳見P33）。設計樓面梁、墻、柱及基礎時，表中活荷載標準值應按規(guī)定折減，詳見《荷載規(guī)范》。

第十二頁，共三十八頁。表2-2荷載分類及荷載代表值（1）可變荷載標準值（民用樓面均布活荷載標準值按下表采用）民用建筑樓面均布活荷載標準值及其組合值、頻偶值和永久值系數(shù)項次類別標準值(kN/m2)組合值系Ψc頻偶值系Ψf準永久值系數(shù)Ψq1（1）住宅、宿舍、旅館、辦公樓、醫(yī)院病房、托兒所、幼兒園（2）教室、實驗室、閱覽室、會議室、醫(yī)院門診室2.00.70.50.60.40.52食堂、辦公樓中的一般資料檔案室2.50.70.60.53（1）禮堂、劇場、影院、有固定座位的看臺（2）公共洗衣房3.03.00.70.70.50.60.30.54（1）商店、展覽廳、車站、港口、機場大廳及其旅客等候室（2）無固定座位的看臺3.53.50.70.70.60.50.50.3第十三頁，共三十八頁。表2-2荷載分類及荷載代表值5（1）健身房、演出舞臺（2）舞廳4.04.00.70.70.60.60.50.36（1）書庫、檔案室、儲藏室（2）密集柜書庫5.012.00.90.90.87通風機房、電梯機房7.00.90.90.88汽車通道及停車庫（1）單向板樓蓋（板跨不小于2m）客車消防車（2）雙向板樓蓋和無梁樓蓋（柱網(wǎng)尺寸不小于6m×6m）客車消防車4.035.02.520.00.70.70.70.70.70.70.70.70.60.60.60.6（1）可變荷載標準值（民用樓面均布活荷載標準值按下表采用）第十四頁，共三十八頁。表2-2荷載分類及荷載代表值9廚房（1）一般的（2）餐廳2.04.00.70.70.60.70.50.710浴室、廁所、盥洗室：（1）第1項中的民用建筑（2）其他民用建筑2.02.50.70.70.50.60.40.511走廊、門廳、樓梯：（1）宿舍、旅館、醫(yī)院病房、托兒所、幼兒園、住宅（2）辦公樓、教室、餐廳、醫(yī)院門診部（3）消防疏散樓梯、其他民用建筑2.02.53.50.70.70.70.50.60.50.40.50.312陽臺：（1）一般情況（2）當人群有可能密集時2.53.50.70.60.5注：①本表所列各項活荷載適用于一般使用條件，當使用荷載大時，應按實際情況采用。②本表各項荷載不包括隔墻自重和二次裝修荷載。（1）可變荷載標準值（民用樓面均布活荷載標準值按下表采用）第十五頁，共三十八頁。兩種或兩種以上可變荷載同時作用于結構上時，所有可變荷載同時達到其單獨出現(xiàn)時可能達到的最大值的概率極小，因此，除主導荷載（產(chǎn)生最大效應的荷載）仍可以其標準值為代表值外，其他伴隨荷載均應以小于標準值的荷載值為代表值，此即可變荷載組合值。可變荷載組合值可表示為ψcＱk。其中ψc為可變荷載組合值系數(shù)，其值按表2.2查取。2.可變荷載組合值ψcＱk第十六頁，共三十八頁。

可變荷載頻遇值是指在設計基準期內被超越的總時間僅為設計基準期一小部分的荷載值?？勺兒奢d頻遇值可表示為ψfＱk。其中ψf為可變荷載頻遇值系數(shù)，其值按表2.2查取。3.可變荷載頻遇值ψfＱk第十七頁，共三十八頁。

可變荷載準永久值是指在設計基準期內經(jīng)常達到或超過的荷載值，它對結構的影響類似于永久荷載?？勺兒奢d準永久值可表示為ψqＱk，其中Ｑk為可變荷載標準值，ψq為可變荷載準永久值系數(shù)。ψq的值見表2.2。

例如，住宅的樓面活荷載標準值為2kN/m2，準永久值系數(shù)ψq=0.4，則活荷載準永久值為2×0.4=0.8kN/m2。4.可變荷載準永久值ψqＱk第十八頁，共三十八頁。三、荷載的計算（P.34~35）第十九頁，共三十八頁。建筑結構在規(guī)定的設計使用年限內應滿足安全性、適用性和耐久性三項功能要求。

1.安全性指結構在正常施工和正常使用的條件下，能承受可能出現(xiàn)的各種作用；在設計規(guī)定的偶然事件（如強烈地震、爆炸、車輛撞擊等）發(fā)生時和發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性，即結構僅產(chǎn)生局部的損壞而不致發(fā)生連續(xù)倒塌。第二節(jié)建筑結構的設計方法

結構設計的目的是要使所設計的結構在規(guī)定的設計使用年限內能完成預期的全部功能要求。

一、結構的功能要求第二十頁，共三十八頁。

2.適用性指結構在正常使用時具有良好的工作性能。例如，不會出現(xiàn)影響正常使用的過大變形或振動，不會產(chǎn)生使使用者感到不安的裂縫寬度等。

3.耐久性指在正常維護條件下結構能夠正常使用到規(guī)定的設計使用年限。例如，結構材料不致出現(xiàn)影響功能的損壞，鋼筋混凝土構件的鋼筋不致因保護層過薄或裂縫過寬而銹蝕等。第二十一頁，共三十八頁。結構的可靠性——結構和結構構件在規(guī)定的時間內（設計使用年限），在規(guī)定的條件下（正常設計、正常施工、正常使用和維護），完成預定功能（安全性、適用性、耐久性）的能力。可靠概率（可靠度）——滿足功能要求的概率。更準確地說，結構在規(guī)定的時間內，在規(guī)定的條件完成預定功能的概率稱為結構的可靠度。設計基準期——結構設計時，為確定荷載代表值以及對與時間有關的材料性能取值時所采用的時間參數(shù)。我國的設計基準期為50年。設計使用年限——設計規(guī)定的一個時期。該規(guī)定時期內，房屋建筑在正常設計、正常施工、正常使用和維護下不需要進行大修就能按其預定目的使用。幾個概念（P.35)：第二十二頁，共三十八頁。結構能滿足功能要求，稱結構“可靠”或“有效”，否則稱結構“不可靠”或“失效”。區(qū)分結構工作狀態(tài)“可靠”與“失效”的界限是“極限狀態(tài)”。所謂結構的極限狀態(tài)，是指結構或構件滿足結構安全性、適用性、耐久性三項功能中某一功能要求的臨界狀態(tài)。超過這一界限，結構或其構件就不能滿足設計規(guī)定的該功能要求，而進入失效狀態(tài)。極限狀態(tài)分為兩類：二、結構的極限狀態(tài)第二十三頁，共三十八頁。1.承載能力極限狀態(tài)這種極限狀態(tài)對應于結構或結構構件達到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形。當結構或結構構件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，即認為超過了承載能力極限狀態(tài)：①結構構件或連接因材料強度不夠而破壞；②整個結構或結構的一部分作為剛體失去平衡（如傾覆等）；③結構轉變?yōu)闄C動體系；④結構或結構構件喪失穩(wěn)定（柱子被壓曲等）。第二十四頁，共三十八頁。2.正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)對應于結構或結構構件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值，超過這一狀態(tài)便不能滿足適用性或耐久性的功能。當結構或結構構件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，即認為超過了正常使用極限狀態(tài)：①影響正常使用或外觀的變形；②影響正常使用或耐久性能的局部損壞（包括裂縫）；③影響正常使用的振動；④影響正常使用的其他特定狀態(tài)等。第二十五頁，共三十八頁。結構的極限狀態(tài)可用極限狀態(tài)方程（結構極限狀態(tài)功能函數(shù)）Z來描述。為簡化起見，僅以荷載效應S和結構抗力R兩個基本變量來表達結構的功能函數(shù)，則有

Z=g(S,R)=R-S

（2.1）

三、極限狀態(tài)設計表達式（一）極限狀態(tài)方程（結構極限狀態(tài)功能函數(shù)）

第二十六頁，共三十八頁。

作用效應是指結構上的各種作用，在結構內產(chǎn)生的內力（軸力、彎矩、剪力、扭矩等）和變形（如撓度、轉角、裂縫等）的總稱，用S表示。由直接作用產(chǎn)生的效應，通常稱為荷載效應。

結構抗力是結構或構件承受作用效應的能力，如構件的承載力、剛度、抗裂度等，用R表示。結構抗力是結構內部固有的，其大小主要取決于材料性能、構件幾何參數(shù)及計算模式的精確性等。作用效應——作用（荷載）對結構產(chǎn)生的各種效應，

如彎矩、剪力、軸力、變形、裂縫等

MVNfw結構抗力——結構構件抵抗各種作用效應的能力。

如抗彎、抗剪、抗壓、抗拉、抗扭承載力

以及抗變形、抗裂縫的能力。第二十七頁，共三十八頁。關系式Z=ｇ（S，R）＝R－S＝0稱為極限狀態(tài)方程。實際工程中，可能出現(xiàn)以下三種情況：當Ｚ＞0時，結構處于可靠狀態(tài)；當Ｚ＜0時，結構處于失效狀態(tài)；當Ｚ＝0時，結構處于極限狀態(tài)。

第二十八頁，共三十八頁。有一農(nóng)夫，能肩挑300斤

當給他300斤的擔子時，

效應剛好等于抗力；

當給他100斤的擔子時，

效應小于抗力；

當給他400斤的擔子時，

效應大于抗力。挑擔子與結構功能函數(shù)

第二十九頁，共三十八頁。（二）極限狀態(tài)設計表達式-極限狀態(tài)方程結構的功能函數(shù)—結構構件重要性系數(shù)一級=1.1、二級=1.0、三級=0.91.按承載能力極限狀態(tài)設計的實用表達式第三十頁，共三十八頁。1.承載能力極限狀態(tài)下的設計表達式按永久荷載標準值計算的荷載效應值按可變荷載標準值

計算的荷載效應值按第一個可變荷載標準值計算的荷載效應永久荷載分項系數(shù)第i個可變荷載

的分項系數(shù)第1個可變荷載

的分項系數(shù)可變荷載的組合值系數(shù)

1）由可變荷載效應控制的組合：對于基本組合，荷載效應組合的設計值S應按下列組合中取最不利值確定：第三十一頁，共三十八頁。2）由永久荷載效應控制的組合活荷載

效應設計值荷載分項系數(shù)的取值荷載特性分項系數(shù)永久

荷載永久荷載效應對結構不利由可變荷載效應控制的組合1.2由永久荷載效應控制的組合1.35永久荷載效應對結構有利1.0傾覆、滑移或飄浮驗算0.9可變

荷載一般情況1.4對標準值大于4kN/m2的工業(yè)房屋樓面結構的活荷載取1.31.承載能力極限狀態(tài)下的設計表達式恒荷載

效應設計值第三十二頁，共三十八頁。對于正常使用極限狀態(tài)，應根據(jù)不同的設計要求，采用荷載效應的標準組合、頻遇組合或準永久組合，按下列設計表達式進行設計：S≤C

(2.5)混凝土結構的正常使用極限狀態(tài)主要是驗算構件的變形、抗裂度或裂縫寬度，使其不超過相應的規(guī)定限值。砌體結構的正常使用極限狀態(tài)要求，一般情況下可由相應的構造措施保證。2.按正常使用極限狀態(tài)設計表達式第三十三頁，共三十八頁。荷載效應組合值標準組合：主要用于當一個極限狀態(tài)被超越時將產(chǎn)生嚴重的永久性損壞的情況。頻遇組合：主要用于當一個極限狀態(tài)被超越時將產(chǎn)生局部損壞、較大變形或短暫震動等的情況。準永久組合：主要用于當長期效應是決定性因素的一些情況。2.按正常使用極限狀態(tài)設計表達式第三十四頁，共三十八頁。【例2.1】某辦公樓鋼筋混凝土矩形截面簡支梁，安全等級為二級，截面尺寸b×h=200mm×400mm，計算跨度l0=5m。承受均布線荷載：活荷載標準值7kN/m，恒荷載標準值10kN/m（不包括自重）。求跨中最大彎矩設計值?！窘狻炕詈奢d組合值系數(shù)ψc=0.7，結構重要性系數(shù)γ0=1.0。鋼筋混凝土的重度標準值為25kN/m3，故梁自重標準值為25×0.2×0.4=2kN/m?？偤愫奢d標準值gk=10+2=12kN/m，梁的跨中彎矩：永久荷載作用下：Mgk=（1/8）gkl02=37.5kN·m可變荷載作用下：Mqk=（1/8）qkl02=21.875kN·m第三十五頁，共三十八頁。由活載彎矩控制的跨中彎矩設計值為