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第十一章建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理
第一節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計包括以下內(nèi)容:1.結(jié)構(gòu)方案設(shè)計,包括結(jié)構(gòu)選型、構(gòu)件布置與傳力途徑;2.作用及作用效應(yīng)分析;3.結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)設(shè)計;4.結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的構(gòu)造、連接措施;耐久性及施工的要求;5.滿足特殊要求結(jié)構(gòu)的專門性能設(shè)計。一、結(jié)構(gòu)的功能要求安全性——結(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)僅產(chǎn)生局部的損壞而不致發(fā)生連續(xù)倒塌。適用性——結(jié)構(gòu)在正常使用時具有良好的工作性能。耐久性——結(jié)構(gòu)在正常維護條件下具有足夠的耐久性能,即在正常維護條件下結(jié)構(gòu)能夠正常使用到規(guī)定的設(shè)計使用年限。
結(jié)構(gòu)可靠性——結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性的總稱。結(jié)構(gòu)在規(guī)定時間內(nèi),在規(guī)定條件下,完成預(yù)定功能的要求,則結(jié)構(gòu)是安全的。規(guī)定時間指設(shè)計使用年限;規(guī)定條件指正常設(shè)計、正常施工、正常使用和正常維護,不包括錯誤設(shè)計、錯誤施工和違反原來規(guī)定的使用情況。二、結(jié)構(gòu)方案結(jié)構(gòu)方案對建筑物的安全有著決定性的影響,因此要選用合理的結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件形式和布置。在與建筑方案協(xié)調(diào)時應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的平、立面布置規(guī)則,各部分的質(zhì)量和剛度宜均勻、連續(xù)。為了保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)固性,結(jié)構(gòu)的傳力途徑應(yīng)簡捷、明確,豎向構(gòu)件宜連續(xù)貫通、對齊,宜采用超靜定結(jié)構(gòu),對于重要的構(gòu)件和關(guān)鍵傳力部位應(yīng)增加冗余約束或有多條傳力途徑,并且采取措施減小偶然作用的影響,避免因局部破壞引發(fā)結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌。三.結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(tài)(1)定義整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部份,超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能(安全性、適用性、耐久性)要求,該特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)承載力極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)(2)分類1)承載能力極限狀態(tài)——這種極限狀態(tài)對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形。承載能力極限狀態(tài)主要考慮關(guān)于結(jié)構(gòu)安全性的功能。●結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過材料強度而破壞,或因過度變形而不適于繼續(xù)承載;●整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡(如傾覆等);●結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系;●結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定(如柱子被壓曲等)。●結(jié)構(gòu)因局部破壞而發(fā)生連續(xù)倒塌;●地基喪失承載力而破壞(如失穩(wěn)等);●結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞破壞。當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時,即認(rèn)為超過了承載能力極限狀態(tài):2)正常使用極限狀態(tài)——正常使用極限狀態(tài)對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值。這一狀態(tài)對應(yīng)于適用性或耐久性的功能。
當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時,即認(rèn)為超過了正常使用極限狀態(tài):●影響正常使用或外觀的變形;●影響正常使用或耐久性能的局部損壞(包括裂縫);●影響正常使用的振動;●影響正常使用的其他特定狀態(tài)等。四、結(jié)構(gòu)的耐久性耐久性的設(shè)計包括以下內(nèi)容:1.確定結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境類別;2.提出對混凝土材料的耐久性基本要求;3.確定構(gòu)件中鋼筋的混凝土保護層厚度;4.不同環(huán)境條件下的耐久性技術(shù)措施;5.提出結(jié)構(gòu)使用階段的檢測與維護要求。五、結(jié)構(gòu)的防連續(xù)倒塌混凝土結(jié)構(gòu)防連續(xù)倒塌設(shè)計宜符合以下要求:1.采取減小偶然作用效應(yīng)的措施;2.采取使重要構(gòu)件及關(guān)鍵傳力部位避免直接遭受偶然作用的措施;3.在結(jié)構(gòu)容易遭受偶然作用影響的區(qū)域增加冗余約束,布置備用的傳力途徑;4.增強疏散通道、避難空間等重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件及關(guān)鍵傳力;5.配置貫通水平、豎向構(gòu)件的鋼筋,并與周邊構(gòu)件可靠地錨固;6.設(shè)置結(jié)構(gòu)縫,控制可能發(fā)生連續(xù)倒塌的范圍。建筑結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌是指由于偶然作用(如煤氣爆炸、炸彈襲擊、車輛撞擊、火災(zāi)等)造成結(jié)構(gòu)局部破壞,并引發(fā)連鎖反應(yīng)導(dǎo)致破壞向結(jié)構(gòu)的其它部分?jǐn)U散,最終造成結(jié)構(gòu)的大范圍坍塌。一、作用與荷載施加在結(jié)構(gòu)上的集中荷載或分布荷載(包括永久荷載、可變荷載等),以及引起結(jié)構(gòu)外加變形的原因或約束變形的原因,稱為結(jié)構(gòu)上的作用。直接作用:以力的形式直接施加在結(jié)構(gòu)上的荷載;間接作用:不是以力的形式直接出現(xiàn)。
第二節(jié)結(jié)構(gòu)上的荷載和荷載代表值按隨時間的變異,結(jié)構(gòu)上的荷載可分為以下三類:1.永久荷載——恒荷載,是指在結(jié)構(gòu)使用期間,其值不隨時間變化,或者其變化與平均值相比可忽略不計的荷載。如結(jié)構(gòu)自重、土壓力、預(yù)應(yīng)力等。2.可變荷載——活荷載,是指在結(jié)構(gòu)使用期間,其值隨時間變化,且其變化值與平均值相比不可忽略的荷載。3.偶然荷載在結(jié)構(gòu)使用期間不一定出現(xiàn),而一旦出現(xiàn),其量值很大且持續(xù)時間很短的荷載稱為偶然荷載。二.荷載代表值定義:結(jié)構(gòu)設(shè)計時,對于不同的荷載和不同的設(shè)計情況,應(yīng)賦予荷載不同的量值,該量值即荷載代表值。1.荷載標(biāo)準(zhǔn)值定義:荷載標(biāo)準(zhǔn)值就是結(jié)構(gòu)在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)具有一定概率的最大荷載值,它是荷載的基本代表值。設(shè)計基準(zhǔn)期——為確定可變荷載代表值而選定的時間參數(shù),一般取為50年。(1)永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值永久荷載主要是結(jié)構(gòu)自重及粉刷、裝修,固定設(shè)備的重量。一般可按結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計尺寸和材料或結(jié)構(gòu)構(gòu)件單位體積(或面積)的自重標(biāo)準(zhǔn)值確定。(2)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值1)可變荷載準(zhǔn)永久值定義:在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)經(jīng)常達到或超過的那部份荷載值(總的持續(xù)時間不低于25年),稱為可變荷載準(zhǔn)永久值??勺兒奢d準(zhǔn)永久值可表示為ψqQk,其中Qk為可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值,ψq為可變荷載準(zhǔn)永久值系數(shù)。2)可變荷載組合值定義:兩種或兩種以上可變荷載同時作用于結(jié)構(gòu)上時,除主導(dǎo)荷載(產(chǎn)生最大效應(yīng)的荷載)仍可以其標(biāo)準(zhǔn)值為代表值外,其他伴隨荷載均應(yīng)以小于標(biāo)準(zhǔn)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)。3)可變荷載頻遇值 定義:對可變荷載,在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi),其超越的總時間為規(guī)定的較小比率或超越頻率為規(guī)定頻率的荷載值(總的持續(xù)時間不低于50年),稱為可變荷載頻遇值。可變荷載頻遇值可表示為ψfQk。其中ψf為可變荷載頻遇值系數(shù)。第三節(jié)荷載效應(yīng)和結(jié)構(gòu)的抗力一、結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抗力
結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受作用效應(yīng)的能力,如構(gòu)件的承載力、剛度、抗裂度等,用R表示。結(jié)構(gòu)抗力是結(jié)構(gòu)內(nèi)部固有的,其大小主要取決于材料性能、構(gòu)件幾何參數(shù)及計算模式的精確性等。二、作用效應(yīng)與荷載效應(yīng)作用效應(yīng):由作用產(chǎn)生的內(nèi)力和變形。(如軸力、彎矩、剪力、扭矩、撓度、轉(zhuǎn)角和裂縫等)。荷載效應(yīng):若作用為直接作用,即荷載產(chǎn)生的力和變形稱為荷載效應(yīng)。荷載與荷載效應(yīng)在一般情況下是線性關(guān)系,故而荷載效應(yīng)可用荷載值乘以荷載效應(yīng)系數(shù)來表達。r三、材料強度材料強度標(biāo)準(zhǔn)值是結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用的材料強度的基本代表值。當(dāng)材料強度服從正態(tài)分布時,材料強度標(biāo)準(zhǔn)值按其概率分布的5%確定。用?K表示。材料強度設(shè)計值:材料強度標(biāo)準(zhǔn)值?k除以材料分項系數(shù)即為材料強度設(shè)計值?。材料強度分項系數(shù),主要是考慮了材料或構(gòu)件的強度出現(xiàn)從不安全方面偏離標(biāo)準(zhǔn)值的可能性而引入的一個分項系數(shù)。Z——結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)R——結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力;S——結(jié)構(gòu)構(gòu)件的荷載效應(yīng);
第四節(jié)概率極限狀態(tài)設(shè)計法一、極限狀態(tài)方程Z=g(R,S)=R-S=0二、建筑結(jié)構(gòu)的可靠度
結(jié)構(gòu)可靠度的定義為:結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi),在規(guī)定的條件下,完成預(yù)定功能的概率。因此,結(jié)構(gòu)的可靠性是用結(jié)構(gòu)完成預(yù)定功能的概率的大小來定量描述的。所謂的規(guī)定條件,是指設(shè)計、施工、使用、維護均屬正常的情況,不包括非正常的情況,例如人為的錯誤等等。同時,結(jié)構(gòu)的可靠度與使用期有關(guān),即上述定義中的規(guī)定時間,即指設(shè)計基準(zhǔn)期(50年),所有的統(tǒng)計分析均以該時間區(qū)間為準(zhǔn)。一、承載能力極限狀態(tài)設(shè)計表達式γ0S≤R(?c,?s,αk…)式中R——結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力設(shè)計值,即抗力設(shè)計值;?c、?s——混凝土、鋼筋的強度設(shè)計值;αk——幾何參數(shù);γ0——結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性系數(shù),對安全等級為一、二、三級的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,應(yīng)分別取1.1、1.0、0.9S——內(nèi)力組合設(shè)計值;即荷載效應(yīng)組合設(shè)計值。第五節(jié)概率極限狀態(tài)設(shè)計法的實用設(shè)計表達式二、正常使用極限狀態(tài)設(shè)計表達式
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