《鋼筋混凝土結構》課件-1.建筑結構的設計原則

鋼筋混凝土結構模塊1建筑結構的設計原則學習目標（1）掌握建筑結構設計的基本功能要求及極限狀態(tài)分類。（2）掌握荷載的分類及其代表值。（3）了解結構抗力和結構的可靠度的概念。（4）理解兩種極限狀態(tài)實用設計表達式的含義，并能夠進行荷載效應組合設計值計算。1.3結構抗力和材料強度1.1結構設計的基本要求1.2結構上的作用與荷載1.4概率極限狀態(tài)設計法模塊1建筑結構的設計原則1.1結構設計的基本要求（1）板。板是水平承重構件，承受施加在本層樓板上的全部荷載（含樓板、粉刷層自重和樓面上人群、家具、設備等的荷載）。（2）梁。梁是水平承重構件，承受板傳來的荷載及自身的重量。（3）墻。墻是豎向承重構件，用以支承水平承重構件及承受水平荷載（如風荷載）。（4）柱。柱是豎向承重構件，承受梁、板傳來的豎向荷載及自身的重量。（5）基礎。基礎是埋在地面以下的建筑物底部的承重構件，承受墻、柱傳來的上部建筑物的全部荷載，并將其擴散到地基土層或巖石層中。0.1.1建筑結構的組成安全性是指結構應能承受正常施工和正常使用時可能出現(xiàn)的各種荷載和變形等作用，在偶然事件（如地震、強風）發(fā)生時及發(fā)生后結構仍能保持必需的整體穩(wěn)定性，即結構僅產(chǎn)生局部損壞而不致發(fā)生倒塌。1.1.1結構的功能要求1）安全性1.1結構設計的基本要求2）適用性適用性是指結構在正常使用過程中應具有良好的工作性能。如不發(fā)生影響正常使用的過大變形、振幅及裂縫等。1.1結構設計的基本要求3）耐久性耐久性是指結構在正常使用和正常維護條件下應具有足夠的耐久性能，能夠正常使用到預定的設計使用期限。結構的功能要求概括起來稱為結構的可靠性，即在規(guī)定的時間內(nèi)（設計使用年限），在規(guī)定的條件下（正常設計、正常施工、正常使用和正常維護），結構完成預定功能（安全性、適用性、耐久性）的能力。1.1結構設計的基本要求建筑結構的設計使用年限，是指按規(guī)定指標設計的建筑結構或結構構件，在正常施工、使用和維護下，不需進行大修即可達到其預定功能要求的使用年限。對房屋建筑工程，我國《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》（GB50068—2001）將建筑結構的設計使用年限分為四個類別，見表1-1。一般建筑結構的設計使用年限為50年。1.1結構設計的基本要求1.1.2結構功能的極限狀態(tài)1.承載能力極限狀態(tài)（1）整個結構或結構的一部分作為剛體失去平衡（如煙囪傾覆）、結構發(fā)生滑移或漂?。ㄈ鐡跬翂频龋┑炔环€(wěn)定情況。（2）結構或結構構件間的連接因超過相應材料的強度而破壞，如軸心受壓柱中混凝土被壓碎而破壞。（3）結構因疲勞強度不足而破壞，如吊車梁產(chǎn)生疲勞破壞。1.1結構設計的基本要求（4）結構產(chǎn)生過大的塑性變形而不適于繼續(xù)承載。（5）結構轉變?yōu)闄C動體系（由幾何不變體系變?yōu)榭勺凅w系）而喪失承載能力。（6）結構或結構構件喪失穩(wěn)定，如柱子受壓發(fā)生失穩(wěn)破壞。（7）地基喪失承載力。1.1結構設計的基本要求2.正常使用極限狀態(tài)（1）影響結構或結構構件正常使用或外觀的變形，如梁的撓度過大。（2）影響結構或結構構件正常使用或耐久性能的局部破壞（包括裂縫）。（3）影響結構或結構構件正常使用的振動。（4）影響結構或結構構件正常使用的其他特定狀態(tài)，如水池滲漏等。1.1結構設計的基本要求1.1.3結構的安全等級1.1結構設計的基本要求在進行建筑結構設計時，應根據(jù)結構破壞可能產(chǎn)生后果的嚴重與否，即危及人的生命、造成經(jīng)濟損失和產(chǎn)生社會影響等的嚴重程度，采用不同的安全等級進行設計。我國《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》將建筑結構劃分為三個安全等級，設計時應根據(jù)具體情況，按照表1-2的規(guī)定選用適當?shù)陌踩燃墶?.2結構上的作用與荷載1.2.1結構上的作用1.直接作用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稱為直接作用，通常也稱為結構的荷載。2.間接作用能夠引起結構外加變形、約束變形或振動的各種原因稱為間接作用。間接作用不是直接以力的某種集結形式施加在結構上的。1.2結構上的作用與荷載1.2.2荷載的分類1.永久荷載永久荷載指在結構設計使用年限內(nèi)，其作用值不隨時間變化，或其變化幅度與平均值相比可以忽略不計的荷載。1.2結構上的作用與荷載2.可變荷載可變荷載指在結構設計使用年限內(nèi)，其作用值隨時間而變化，且其變化幅度與平均值相比不可忽略的荷載。1.2結構上的作用與荷載3.偶然荷載偶然荷載指在結構設計使用年限內(nèi)可能出現(xiàn)，但不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)，其持續(xù)時間很短且量值很大的荷載。1.2結構上的作用與荷載1.2.3荷載的代表值1.荷載標準值荷載標準值是指結構在正常使用情況下，在其設計基準期(50年)內(nèi)可能出現(xiàn)的具有一定保證率的最大荷載值。它是建筑結構各類極限狀態(tài)設計時采用的基本代表值。我國《建筑結構荷載規(guī)范》（GB50009—2012）（以下簡稱《荷載規(guī)范》）對荷載標準值的取值方法具體規(guī)定如下。永久荷載標準值，如結構自重，由于其變異性不大，可按結構構件的設計尺寸與材料單位體積的自重計算確定。設計時可計算求得永久荷載標準值。1.2結構上的作用與荷載2.可變荷載組合值可變荷載組合值是指當兩種或兩種以上可變荷載同時作用于結構上時，由于各可變荷載同時達到其標準值的可能性極小，此時除其中產(chǎn)生最大效應的荷載（主導荷載）仍取其標準值外，其他伴隨的可變荷載均采用小于其標準值的組合值為荷載代表值。這種經(jīng)調(diào)整后的可變荷載代表值稱為可變荷載組合值。1.2結構上的作用與荷載3.可變荷載頻遇值可變荷載頻遇值針對結構上偶爾出現(xiàn)的較大荷載。它與時間有較密切的關聯(lián)，即在規(guī)定的設計基準期（50年）內(nèi)，具有較短的總持續(xù)時間或較少的發(fā)生次數(shù)的特性，這樣使結構的破壞性有所減緩。1.2結構上的作用與荷載4.可變荷載準永久值可變荷載準永久值針對在結構上經(jīng)常作用的可變荷載。即在規(guī)定的期限內(nèi)，該部分可變荷載具有較長的總持續(xù)時間，對結構的影響類似于永久荷載。《荷載規(guī)范》規(guī)定，可變荷載準永久值用可變荷載的準永久值系數(shù)ψq與相應的可變荷載標準值的乘積來確定。1.2結構上的作用與荷載1.2.4荷載分項系數(shù)及荷載設計值由于荷載是隨機變量，其有超過標準值的可能性，以及不同變異性的荷載可能造成結構計算時可靠度不一致，因此，在承載能力極限狀態(tài)設計中將荷載標準值乘以一個大于1的調(diào)整系數(shù)，此系數(shù)稱為荷載分項系數(shù)。荷載分項系數(shù)是在各種荷載標準值已經(jīng)給定的前提下，按承載能力極限狀態(tài)設計中得到的各種結構構件所具有的可靠度分析，并考慮工程經(jīng)驗確定的?？紤]到永久荷載標準值與可變荷載標準值的保證率不同，故它們采用不同的分項系數(shù)。1.2結構上的作用與荷載以γG和γQ分別表示永久荷載與可變荷載的分項系數(shù)，γG和γQ應按表1-5選用。1.2結構上的作用與荷載1.2.5荷載效應各種作用在結構上的內(nèi)力（彎矩、剪力、扭矩、壓力、拉力等）和變形(撓度、扭轉、彎曲、拉伸、壓縮、裂縫等)統(tǒng)稱為作用效應，用S表示。當作用為荷載時，引起的效應稱為荷載效應。一般情況下，荷載效應S與荷載Q之間，可近似按線性關系考慮，即S=CQ（1-1）式中，C為荷載效應系數(shù)，通常由力學分析確定；Q為某種荷載的代表值；S為與荷載Q相應的荷載效應。1.2結構上的作用與荷載1.3結構抗力和材料強度1.3.1結構抗力結構抗力是指結構或結構構件承受各種作用效應的能力，即承載能力和抗變形能力，用R表示。承載能力包括受彎、受剪、受拉、受壓、受扭等各種抵抗外力的能力；抗變形能力包括抗裂性能、剛度等。在實際工程中，由于受材料性能的變異性（如材質不均勻、加載方法不同等）、構件幾何參數(shù)的不定性（如制作尺寸偏差、安裝誤差、局部缺陷等）、配筋情況和結構計算模式的精確性（采用近似的基本假設、計算公式不精確）等因素的綜合影響，結構抗力也是一個隨機變量。通常，結構抗力主要取決于材料的強度。在結構計算中，材料強度分標準值和設計值兩種。1.3.2材料強度取值材料強度標準值是結構設計時采用的材料強度的基本代表值，主要用于正常使用極限狀態(tài)的驗算。它是設計表達式中材料性能的設計指標，也是生產(chǎn)中控制材料質量的主要依據(jù)。1.材料強度標準值1.3結構抗力和材料強度材料材質的不均勻性、各地區(qū)材料的離散性、實驗室環(huán)境與實際工程的差別，以及施工中不可避免的偏差等因素，導致材料強度不穩(wěn)定，即有變異性?？紤]其變異性可能對結構構件的可靠度產(chǎn)生不利影響，設計時將材料強度標準值除以一個大于1的系數(shù)，此系數(shù)稱為材料分項系數(shù)。材料強度標準值除以材料分項系數(shù)得到的結果稱為材料強度設計值。在承載能力極限狀態(tài)設計中，應采用材料強度設計值。2.材料強度設計值1.3結構抗力和材料強度1.4概率極限狀態(tài)設計法結構和結構構件的工作狀態(tài)可以用作用效應S和結構抗力R的關系式來描述。Z=g(R，S)=R-S（1-2）R和S都是非確定性的隨機變量，故Z=g(R，S)亦是一個隨機變量函數(shù)。按Z值的大小不同，可以用來描述結構所處的三以下種不同工作狀態(tài)。（1）當Z>0時，即R>S，表示結構能夠完成預定功能，結構處于可靠狀態(tài)。（2）當Z<0時，即R<S，表示結構不能完成預定功能，結構處于失效狀態(tài)。（3）當Z=0時，即R=S，表示結構處于極限狀態(tài)。1.4.1結構的可靠度1.4.2極限狀態(tài)的設計表達式1.承載能力極限狀態(tài)的實用設計表達式1）設計表達式2）結構構件的重要性系數(shù)γ03）荷載基本組合的效應設計值Sd

4）結構構件的抗力設計值R1.4概率極限狀態(tài)設計法2.正常使用極限狀態(tài)的實用設計表達式（1）正常使用極限狀態(tài)設計表達式為S≤C（1-11）式中，S為正常使用極限狀態(tài)的荷載效應的組合設計值；C為結構或結構構件達到正常使用要求的規(guī)定限值（如變形、裂縫、應力等限值），按有關規(guī)范的規(guī)定采用。1.4概率極限狀態(tài)設計法可變荷載的最大值并非長期作用于結構上，而且由于混凝土的徐變等特性，裂縫和變形將隨著時間的推移而發(fā)展，因此，在分析正常使用極限狀態(tài)的荷載效應組合時，應根據(jù)不同的設計目的，分別按荷載效應的標準組合、頻遇組合和準永久組合進行設計。（1-12）1.4概率極限狀態(tài)設計法(2)按荷載的標準組合時，其效應設計值Sd為（1-13）

式中，ψqi為第i個可變荷載的準永久值系數(shù)，按表1-4取用。按式（1-12）和式（1-13）求得的設計值僅適用于荷載與荷載效應為線性的情況。1.4概率極限狀態(tài)設計法【例1-1】某辦公樓鋼筋混凝土矩形截面簡支梁，安全等級為二級，計算跨度l0=6m，作用在梁上的永久荷載(含自重)標準值Gk=15kN/m，可變荷載標準值Qk=6kN/m，試分別計算按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)設計時的梁跨中彎矩設計值。【解】（1）均布荷載標準值Gk和Qk作用下的跨中彎矩標準值。永久荷載作用下可變荷載作用下1.4概率極限狀態(tài)設計法【例1-1】（2）按承載能力極限狀態(tài)設計時的跨中彎矩設計值。安全等級為二級，取γ0=1.0。①按可變荷載控制的效應設計值計算。取γG=1.2，γQ=1.4，γL=1.0。M=γ0(γGMGk+γQMQk)=1.0×1.2×67.5+1.4×27=118.8kN·m②按永久荷載控制的效應設計值計算。取γG=1.35，