第八章-建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算概述

第八章建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算概述1233第一節(jié)建筑結(jié)構(gòu)荷載第二節(jié)建筑結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法第三節(jié)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性規(guī)定返回第八章建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算概述教學(xué):通過本章內(nèi)容的學(xué)習(xí)，掌握建筑結(jié)構(gòu)荷載的代表值，掌握建筑結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法了解混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的要求。能力:1.熟悉結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)，并能熟練地進(jìn)行極限狀態(tài)的計(jì)算。2.能闡述建筑結(jié)構(gòu)荷載的分類及其代表值。返回第一節(jié)建筑結(jié)構(gòu)荷載一、荷載的分類(一)永久荷載永久荷載又稱為恒荷載、不變荷載，是指在結(jié)構(gòu)使用期內(nèi)其值不隨時(shí)間變化或變化很小的荷載，如結(jié)構(gòu)自重等。結(jié)構(gòu)使用期是指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)?！督ㄖY(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB50068-2001)取結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年。(二)可變荷載可變荷載又稱為活荷載，是指在結(jié)構(gòu)使用期內(nèi)其值隨時(shí)間而變化，且其變化量與平均值相比不可忽略的荷載，如樓面活荷載、屋面活荷載、吊車荷載和風(fēng)荷載、雪荷載等。下一頁(yè)返回第一節(jié)建筑結(jié)構(gòu)荷載(三)偶然荷載偶然荷載是指在使用期內(nèi)不一定出現(xiàn)，但一旦出現(xiàn)其值很大且作用時(shí)間很短的荷載。如爆炸力、撞擊力等。二、荷載代表值荷載代表值是指在進(jìn)行結(jié)構(gòu)或構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)不同設(shè)計(jì)目的對(duì)荷載應(yīng)賦予一個(gè)規(guī)定的量值。荷載是隨機(jī)變量，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于不同荷載和不同情況，應(yīng)采取不同的代表值。(一)永久荷載的代表值荷載的標(biāo)準(zhǔn)值是該荷載在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)在正常情況下可能達(dá)到的最大量值。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié)建筑結(jié)構(gòu)荷載永久荷載標(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，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2001)(以下簡(jiǎn)稱《荷載規(guī)范》)中給出了常用材料和構(gòu)件的自重。如鋼筋混凝土為24~25kN/m3，水泥砂漿為20kN/m3，石灰砂漿、混合砂漿為17kN/m3。(二)可變荷載的代表值(Qk

)1.可變荷載組合值當(dāng)兩種或兩種以上可變荷載同時(shí)作用在結(jié)構(gòu)上時(shí)，考慮到它們同時(shí)達(dá)到其標(biāo)準(zhǔn)值的可能性較小，故除產(chǎn)生最大作用效應(yīng)的主導(dǎo)荷載外，其他可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值均乘以小于1.0的組合值系數(shù)動(dòng)作為代表值，稱為可變荷載組合值。ψC可根據(jù)《荷載規(guī)范》查得。2.可變符載頻遇值上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié)建筑結(jié)構(gòu)荷載對(duì)可變荷載在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)在結(jié)構(gòu)上偶爾出現(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)，對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞性有所減緩。可變荷載頻遇值由可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以小于1.0的頻遇值系數(shù)ψf得到。3.可變荷載準(zhǔn)永久值對(duì)可變荷載在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)經(jīng)常作用的那部分可變荷載，稱為可變荷載準(zhǔn)永久值。其具有總持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的特點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響類似于永久荷載?？勺兒奢d準(zhǔn)永久值由可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以小于1.0的準(zhǔn)永久值系數(shù)ψq得到。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié)建筑結(jié)構(gòu)荷載可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值，是可變荷載的基準(zhǔn)代表值。設(shè)計(jì)時(shí)可直接查用《荷載規(guī)范》。在本節(jié)中只列舉民用建筑樓面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值及其組合值、頻遇值和準(zhǔn)永久值系數(shù)(表8-1)。(三)偶然荷載代表值偶然荷載代表值應(yīng)根據(jù)實(shí)際資料，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)確定。上一頁(yè)返回第二節(jié)建筑結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法一、結(jié)構(gòu)的功能要求通常情況下，結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足下列各項(xiàng)功能要求:(1)安全性。要求結(jié)構(gòu)能承受在正常施工和正常使用時(shí)可能出現(xiàn)的各種作用，以及在偶然事件發(fā)生時(shí)和發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性。(2)適用性。要求結(jié)構(gòu)在正常使用時(shí)能保證其具有良好的工作性能，不出現(xiàn)過大的變形和裂縫。(3)耐久性。要求結(jié)構(gòu)在正常維護(hù)下具有良好的耐久性能。上述功能要求概括起來可稱為結(jié)構(gòu)的可靠性。結(jié)構(gòu)的可靠性用可靠度來度量，可靠度是指建筑結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用年限內(nèi)，在正常設(shè)計(jì)、正常施工和正常使用的條件下，其安全性、適用性和耐久性均能滿足要求，則該結(jié)構(gòu)是可靠的。下一頁(yè)返回第二節(jié)建筑結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法二、結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)可分為以下幾類:1.承載能力極限狀態(tài)當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載力，或達(dá)到不適合于繼續(xù)承載的變形狀態(tài)時(shí)，稱該結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到承載能力極限狀態(tài)。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(shí)，即認(rèn)為超過了承載能力極限狀態(tài):(1)整個(gè)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)。(2)結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過材料強(qiáng)度而破壞包括疲勞破壞等。(3)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié)建筑結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法(4)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定。(5)地基喪失承載力而破壞。2.正常使用極限狀態(tài)當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項(xiàng)規(guī)定限值的狀態(tài)，為正常使用的極限狀態(tài)。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(shí)，即認(rèn)為超過了正常使用極限狀態(tài):(1)影響正常使用或外觀產(chǎn)生過大的變形(如梁產(chǎn)生超過了撓度限值的過大的撓度)。(2)影響正常使用或耐久性的局部破壞(裂縫)。(3)影響正常使用的振動(dòng)。(4)影響正常使用的其他特定狀態(tài)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié)建筑結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法三、極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法以對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)的各種功能要求的極限狀態(tài)作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)的設(shè)計(jì)方法，稱為“極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法”。1.承載能力極限狀態(tài)計(jì)算(1)在極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力計(jì)算應(yīng)采用下列表達(dá)式:式中γo——重要性系數(shù)，見表8-2；S——承載能力極限狀態(tài)的荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值;R——結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)值，在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)除以承載力抗震調(diào)整系數(shù)γRE。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié)建筑結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法R(·)——結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力函數(shù);fe、fs——混凝土、鋼筋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;ak——幾何參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)幾何參數(shù)的變異性對(duì)結(jié)構(gòu)性能有明顯的不利影響時(shí)，可另增減一個(gè)附加值。(2)由可變荷載效應(yīng)控制的組合:式中γG——永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)，應(yīng)按表8-3采用;γQ

——

i第i個(gè)可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)，其中Yc}:為可變荷載Q:的分項(xiàng)系數(shù)，應(yīng)按表8-3采用;SGK——按永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值Gk計(jì)算的荷載效應(yīng)值;上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié)建筑結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法SQik

——按可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值Q、計(jì)算的荷載效應(yīng)值，其中S}k為諸可變荷載效應(yīng)中起控制作用者;ψCi

——可變荷載Q，的組合值系數(shù)，應(yīng)分別按各建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定采用;n——參與組合的可變荷載數(shù)。(3)由永久荷載效應(yīng)控制的組合:基本組合中的設(shè)計(jì)值僅適用于荷載與荷載效應(yīng)為線性的情況。當(dāng)對(duì)SQik無法進(jìn)行明確判斷時(shí)，輪次以各可變荷載效應(yīng)為SQik

，選其中最為不利的荷載效應(yīng)組合。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié)建筑結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法當(dāng)考慮以豎向的永久荷載效應(yīng)控制的組合時(shí)，參與組合的可變荷載僅限于豎向荷載。(4)對(duì)于一般排架、框架結(jié)構(gòu)，基本組合可采用簡(jiǎn)化規(guī)則，并應(yīng)按下列組合值中取最不利值確定。1)由可變荷載效應(yīng)控制的組合:2)由永久荷載效應(yīng)控制的組合仍按采用。2.正常使用極限狀態(tài)計(jì)算上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié)建筑結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法在正常使用極限狀態(tài)計(jì)算中，應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合或準(zhǔn)永久組合，按下列設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì):式中S——正常使用極限狀態(tài)的荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值;C——結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用要求的規(guī)定限值，應(yīng)按各有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定采用。正常使用情況下荷載效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力的變異性，已經(jīng)在確定荷載標(biāo)準(zhǔn)值和結(jié)構(gòu)抗力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)作出了一定程度的處理，并具有一定的安全儲(chǔ)備。考慮到正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)屬于校核驗(yàn)算性質(zhì)，所要求的安全儲(chǔ)備可以略低一些，所以采用荷載效應(yīng)及結(jié)構(gòu)抗力標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié)建筑結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法(1)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)組合，荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值S按下式計(jì)算(僅適用于荷載與荷載效應(yīng)為線性的情況):標(biāo)準(zhǔn)組合是在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)根據(jù)正常使用條件可能出現(xiàn)最大可變荷載時(shí)的荷載標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行組合而確定的，在一般情況下均采用這種組合值進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算。(2)對(duì)于頻遇組合，荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值可按下式計(jì)算:式中ψf1——可變荷載Q1的頻遇值系數(shù);上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié)建筑結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法ψqi——可變荷載Qi的準(zhǔn)永久值系數(shù)。頻遇組合是采用考慮時(shí)間影響的頻遇值為主導(dǎo)進(jìn)行組合而確定的。當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件允許考慮荷載在較短的總持續(xù)時(shí)間或較少可能出現(xiàn)次數(shù)這種情況時(shí)，則應(yīng)按其相應(yīng)的最大可變荷載的組合(即頻遇組合)，進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算。對(duì)于頻遇組合的應(yīng)用，尤其是當(dāng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)涉及人的舒適性，影響非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能和設(shè)備的使用功能時(shí)，則應(yīng)采用這種荷載組合進(jìn)行極限狀態(tài)的驗(yàn)算。在《荷載規(guī)范》中首次提出了頻遇組合的計(jì)算條文，但由于當(dāng)前所給出的頻遇組合值系數(shù)和對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用要求的相應(yīng)規(guī)定限值尚不夠完善，因此也沒有明確規(guī)定其具體應(yīng)用場(chǎng)合，當(dāng)有成熟經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可以采用這種組合進(jìn)行極限狀態(tài)的驗(yàn)算。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié)建筑結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法(3)對(duì)于準(zhǔn)永久組合，荷載效應(yīng)組合值可按下式計(jì)算:準(zhǔn)永久組合是采用設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)持久作用的準(zhǔn)永久值進(jìn)行組合而確定的。它是考慮可變荷載的長(zhǎng)期作用起主要影響并具有自己獨(dú)立性的一種組合形式。但在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBX0010-2002)中由于對(duì)結(jié)構(gòu)抗力(裂縫、變形)的試驗(yàn)研究結(jié)果，多數(shù)是在荷載短期作用情況下取得的，因此對(duì)荷載準(zhǔn)永久組合值的應(yīng)用，僅將它作為考慮荷載長(zhǎng)期作用對(duì)結(jié)構(gòu)抗力(剛度)降低的影響因素之一來取用。上一頁(yè)返回第三節(jié)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性規(guī)定材料的耐久性是指材料暴露在使用環(huán)境下，抵抗各種物理和化學(xué)作用的能力。對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言，鋼筋被澆筑在混凝土內(nèi)，混凝土起到保護(hù)鋼筋的作用。如果對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)使用條件，進(jìn)行正確的設(shè)計(jì)和施工，在使用過程中又能對(duì)混凝土認(rèn)真地進(jìn)行定期維護(hù)，可使其使用年限達(dá)百年以上。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期暴露在使用環(huán)境中，會(huì)使材料的耐久性降低。混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別見表8-4

。一、影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素(1)材料的質(zhì)量。(2)鋼筋的銹蝕。下一頁(yè)返回第三節(jié)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性規(guī)定(3)混凝土的抗?jié)B及抗凍性。(4)除冰鹽對(duì)混凝土的破壞。二、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的基本要求(1)一類、二類和三類環(huán)境中，對(duì)于設(shè)計(jì)使用年限為}0年的結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的基本要求見表8-5。(2)一類環(huán)境中，對(duì)于設(shè)計(jì)使用年限為100年且處于一類環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)符合以下規(guī)定:①結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C30，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)不低于C40。②混凝土中的最大氯離子含量為0.06%。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第三節(jié)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性規(guī)定③宜使用非堿活性骨料;當(dāng)使用堿活性骨料時(shí)，混凝土中的堿含量不得超過3.0kg/m3。④混凝土保護(hù)層厚度宜增加40%，在使用過程中宜采取表面防護(hù)、定期維護(hù)等有效措施。(3)處于嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)潮濕環(huán)境中的結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)滿足抗凍要求，混凝土抗凍等級(jí)應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。(4)有抗?jié)B要求的混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土的抗?jié)B等級(jí)應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。(5)三類環(huán)境中的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，其受力鋼筋宜采用環(huán)氧涂層帶肋鋼筋，預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)有防護(hù)措施，且宜采用有利于提高耐久性的高性能混凝土，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不得低于C30。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第三節(jié)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性規(guī)定(6)四類和五類環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)，其耐久性要求應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。(7)對(duì)臨時(shí)性混凝土結(jié)構(gòu)，可不考慮耐久性要求。(8)未經(jīng)技術(shù)鑒定或設(shè)計(jì)許可，不得改變結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境和用途。上一