混凝土结构设计的一般原则和方法.ppt
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1、第 10 章 混凝土结构设计的一般原则和方法,教学要求,了解建筑结构的组成和类型;了解建筑结构设计的步骤、内容和一般原则理解建筑结构上的作用与荷载的定义、荷载分类及其四种代表值;掌握竖向荷载、雪荷载与风荷载的计算方法理解建筑结构的功能要求和极限状态理解建筑结构近似概率极限状态设计法的思路及其实用表达式。,10.1 建筑结构设计的一般原则,10.1.1 建筑结构的组成和类型 1.组成(1)上部结构:水平结构体系(楼、屋盖)竖向结构体系(2)下部结构:主要由地下室和基础等组成。(把上部结构的力传给地基)2.类型(1)按结构材料分:砌体结构、混凝土结构、钢结构、组合结构和混合结构等。(2)按竖向结构
2、体系分:排架结构、框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构和筒体结构等。,承受并传递竖向荷载,承受并传递水平力,10.1 建筑结构设计的一般原则,10.1.2 建筑结构设计的阶段和内容 1.工程建设三个主要环节(1)工程勘察:(2)工程设计(建筑设计、结构设计、设备设计)(3)工程施工:程序:先勘察后设计,先设计后施工 2.建筑结构设计的三个阶段(1)初步设计:方案设计,提出多个设计方案,对关键问题提出解决措施(2)技术设计:结构平面、竖向布置,进行荷载效应分析,对特殊部分进行结构分析(3)施工图设计:给出完整的结构平面图,给出配筋和构造图,给出施工说明提交设计图纸,10.1 建筑结构设计的一般原
3、则,10.1.3 建筑结构设计的一般原则 1.一般原则 安全、适用、耐久和经济合理。三性:安全性:正常情况下能够承受可能会出现的作用适用性:具有良好的工作性能,不能出现过大裂缝、变形耐久性:在规定的年限内,不能失效考虑:功能要求与经济性之间的均衡(在保证结构可靠的前提下,设计出经济的、技术先进的、施工方便的结构),二.具体结构设计原则1、把建筑场地的水文、地质资料作为设计的依据2、把国家、地方和行业的现行设计法规、标准、规范和规程作为设计依据,遵守有关规定,特别是“强制性条文”的规定3、采用高性能的结构材料、先进的科学技术、先进的设计计算方法和施工方法4、结合工程的具体情况,尽可能采用并正确选
4、择标准图5、宜有利于建筑工业化和装配式整体结构6、与其他工种的设计相互协调,10.2 建筑结构荷载,10.2.1 结构上的作用、作用效应 1.结构上的作用 使结构产生内力或变形的原因称为“作用”,分直接作用和间接作用两种。(1)直接作用:荷载(2)间接作用:混凝土的收缩、温度变化、基础的差异沉降、地震等。间接作用不仅与外界因素有关,还与结构本自身的特性有关。例如,地震对结构物的作用,不仅与地震加速度有关,还与结构自身的动力特性有关,所以不能把地震作用称为“地震荷载”。2.作用效应S 结构上的作用使结构产生的内力(如弯矩、剪力、轴向力、扭矩等)、变形、裂缝等统称为作用效应或荷载效应。荷载与荷载效
5、应之间通常按某种关系相联系。,按作用时间的长短和性质,荷载可分为三类:1)永久荷载 在结构设计使用期间,其值不随时间而变化,或其变化与平均值相比可以忽略不计,或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。例如,结构的自身重力、土压力、预应力等荷载,永久荷载又称恒荷载。2)可变荷载 在结构设计使用期内其值随时间而变化,其变化与平均值相比不可忽略的荷载。例如,楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等,可变荷载又称活荷载。3)偶然荷载 在结构设计使用期内不一定出现,一旦出现,其值很大且持续时间很短的荷载。例如,爆炸力、撞击力等。,10.2.2 荷载的分类,按随空间位置的变异,荷载可分为二类:1)固定荷载 固定设
6、备、水箱等 2)移动荷载 楼面上的人群荷载、吊车荷载、车辆荷载等 按结构对荷载的反应性质,荷载可分为二类:1)静力荷载 结构自重、楼面雪荷载等 2)动力荷载 设备振动、吊车荷载、风荷载、车辆刹车、撞击力和爆炸力等 建筑结构荷载规范设计基准期的规定确定可变荷载的标准值选用的时域一般是结构设计使用年限50年,作为设计基准期。,10.2.2 荷载的分类,荷载的标准值,荷载标准值是荷载的基本代表值。其他代表值乘以系数对永久荷载采用标准值作为代表值可变荷载随时间具有变异性,设计时很难直接考虑其变异过程,这时可根据不同的设计要求以及不同的极限状态和荷载效应组合的要求,规定不同的荷载代表值:标准值、组合值、
7、频遇值和准永久值,10.2.3 荷载代表值,建筑结构荷载规范给出了四种荷载代表值:标准值、组合值、频遇值和准永久值。,可变荷载:标准值在设计使用年限内最大荷载概率分布按一定的保证率的某个分位值确定。组合值:两种可变荷载同时达到最大值的概率很小,两种荷载组合后的超越概率与单独作用时相应的概率趋于一致准永久值:在设计基准期内,其超越时间为设计基准期的一半的荷载值(可认为由两部分组成)频遇值:在设计基准期内,其超越总时间为规定较小比率,荷载标准值是指在结构的使用期间可能出现的最大荷载值,规范表4.1.1(续),10.2.4 竖向荷载,1.楼、屋面的荷载:竖向恒荷载和竖向活荷载两种类型竖向恒荷载:附加
8、在结构上的恒荷载(自重)竖向活荷载:(1)民用建筑楼面均布活荷载(附录5)根据调查分析,考虑可能会出现的短期荷载,按等效均布荷载方法给出一般各类民用建筑的楼面均布荷载标准值及有关代表值系数。楼面活荷载大小和位置的改变,实际工程中,不可能同时满布所有楼面,设计梁、柱和基础时应予以折减。,(2)工业建筑楼面活荷载对工业建筑楼面产生的局部荷载可采用等效均布荷载处理(建筑结构荷载规范附录B)进行确定(3)屋面活荷载均布活荷载按照(表10-2)采用2.雪荷载:屋面积雪分布系数基本雪压的规定:根据年最大雪压进行统计分析确定建筑结构荷载规范附录D,10.2.5 风荷载,风是空气流动产生的,遇到结构阻挡时,结
9、构表面就产生风压,使结构产生变形和振动。1.风荷载的特点:压力、吸力和横风向干扰力及其合力构成了建筑物上的风荷载。风荷载是不均匀分布在结构物表面的,随建筑物体型、面积和高度变化2、风荷载包括:顺风向静力风荷载、顺风向脉动风荷载、垂直方向的横风向脉动风荷载。,2.风荷载的标准值:wo基本风压以当地空旷平坦地面上10m高处10min的平均风速观测数据,经概率统计得到的50年一遇的最大风速v0 z高度Z处的风振系数(可能会共振)S 风荷载体型系数z风压高度变化系数、,3.风压高度变化系数 风速离地面高度越高速度越大,增大规律取决于地面粗糙程度。超过300-500m时风速不再受到地面粗糙度的影响 梯度
10、风风压高度变化系数取值参考表10-4,风荷载体形系数 风荷载体型系数指风作用在建筑物表面所引起的实际压力与基本风压的比值,风振系数风振系数考虑脉动风对结构产生动力效应的放大系数,与结构房屋自振周期、结构阻尼特性及脉动风性能有关。,10.3.1 结构的功能要求,1.结构的安全等级 我国根据建筑结构破坏时可能产生的后果严重与否,分为三个安全等级:一级破坏后果很严重、重要的建筑物;二级破坏后果严重、一般的建筑物;三级破坏后果不严重、次要建筑物。对人员比较集中使用频繁的影剧院、体育馆等,安全等级宜按一级设计;建筑物中梁、柱等各类构件的安全等级一般应与整个建筑物的安全等级相同。结构安全等级通过结构重要性
11、系数ro来体现的,10.3 结构的功能要求和极限状态,2.结构的设计使用年限,结构的设计使用年限,是指设计的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。一般建筑结构的设计使用年限可为50年。各类工程结构的设计使用年限是不一样的。例如,桥梁应比房屋的设计使用年限长,大坝的设计使用年限更长。注意:结构的设计使用年限虽与其使用寿命有联系系但不等同。超过设计使用年限的结构并不是不能使用,而是指它的可靠度降低了。,3.建筑结构的功能,设计的结构和结构构件在规定的设计使用年限内,在正常维护条件下,应能保持其使用功能,而不需进行大修加固。应该满足的功能要求可概括为:(1)安全性 建筑结构应能承受正
12、常施工和正常使用时可能出现的各种荷载和变形,在偶然事件(如地震、爆炸等)发生时和发生后保持必需的整体稳定性,不致发生倒塌。,(2)适用性 结构在正常使用过程中应具有良好的工作性。例如,不产生影响使用的过大变形或振幅,不发生足以让使用者不安的过宽的裂缝等。(3)耐久性 结构在正常维护条件下应有足够的耐久性,完好使用到设计规定的年限,即设计使用年限。例如,混凝土不发生严重风化、腐蚀、脱落,钢筋不发生锈蚀等。,10.3.2 结构功能的极限状态,能完成预定的各项功能时,结构处于有效状态;反之,则处于失效状态,有效状态和失效状态的分界,称为极限状态,是结构开始失效的标志。极限状态可分为二类。1.承载能力
13、极限状态 结构或构件达到最大承载能力或者达到不适于继续承载的变形状态,称为承载能力极限状态。超过承载能力极限状态后,结构或构件就不能满足安全性的要求。,10.3.2 结构功能的极限状态,出现下列情形之一,超过了承载能力极限状态:(1)材料强度不够而破坏;(2)因疲劳而破坏;(3)产生过大的塑性变形而不能继续承载;(4)结构或构件丧失稳定;(5)结构转变为机动体系。,2.正常使用极限状态,结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项规定限度的状态称为正常使用极限状态。超过了正常使用极限状态,结构或构件就不能保证适用性和耐久性的功能要求。例如:结构或构件出现影响正常使用的过大变形、过宽裂缝、局部损坏和振
14、动。结构超过了正常使用极限状态,就有可能产生过大的变形和裂缝,引起使用者心理上的不安全感。,10.3.3 极限状态方程,1.承载能力极限状态函数 结构的极限状态可以用极限状态函数来表达。承载能力极限状态函数可表示为 Z=R S(3-1)式中 S 表示荷载效应,它代表由各种荷载分别产生的荷载效应的总和;R 表示结构构件抗力。2.结构状态 根据S、R的取值不同,Z值可能出现三种情况(图3-1):,10.3.3 极限状态方程,图3-1 极限状态方程取值示意图,Z=R-S 0 时,结构处于可靠状态;Z=R-S 0 时,结构处于极限状态;Z=R-S 0 时,结构处于失效状态。,3.功能函数,结构设计中经
15、常考虑的不仅是结构的承载能力,多数场合还需要考虑结构对变形或开裂等的抵抗能力,也就是说要考虑结构的适用性和耐久性的要求。由此,上述的极限状态方程可推广为 Z=g(x1,x2,xn)(3-2)式中,g()是函数记号,在这里称为功能函数。g()由所研究的结构功能而定,可以是承载能力,也可以 是变形或裂缝宽度等。x1,x2,xn 为影响该结构 功能的各种荷载效应以及材料强度、构件的几何尺寸等。,10.4 按近似概率的极限状态设计法,10.4.1 结 构 的 可 靠 度 结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的能力称为结构的可靠性(规定时间是指结构的设计使用年限,规定条件,是指正常设计、正常
16、施工、正常使用和维护的条件,不包括非正常的,例如人为的错误等)。结构的可靠度是结构可靠性的概率度量,即结构在设计工作寿命内,在正常条件下,完成预定功能的概率。因此,结构的可靠度是用可靠概率Ps来描述的。,10.4.2 可靠指标与失效概率,1.结构的失效概率 结构在规定的时间和条件下不能完成预定功能的概率Pf,Pf为失效概率。Ps+Pf=1.0 2.失效概率Pf的计算方法(1)S和R的概率密度曲线 设构件的荷载效应S、抗力R,都是服从正态分布的随机变量且二者为线性关系。S、R的平均值分别为S、R,标准差分别为S、R,S和R的概率密度曲线如图3一2所示。,10.4.2 可靠指标与失效概率,图3-2
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