鐵塔標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計宣貫-3建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及風(fēng)荷載簡介

1、中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司中國移動基站鐵塔標(biāo)準(zhǔn)化中國移動基站鐵塔標(biāo)準(zhǔn)化施工圖宣貫施工圖宣貫3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及風(fēng)荷載簡介建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及風(fēng)荷載簡介2007年4月23日1 1概述概述2設(shè)計方法簡介設(shè)計方法簡介3概率極限設(shè)計方法概率極限設(shè)計方法目錄4風(fēng)荷載簡介風(fēng)荷載簡介 結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則：結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則：結(jié)構(gòu)由各種作用所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)由各種作用所產(chǎn)生的效應(yīng)效應(yīng)（內(nèi)力和（內(nèi)力和變形）變形）不大于不大于結(jié)構(gòu)（包括連接）由材料性能和幾何因素結(jié)構(gòu)（包括連接）由材料性能和幾何因素等所確定的等所確定的抗力或規(guī)定限值抗力或規(guī)定限值 問題及矛盾：問題及矛盾：荷載大小、材料強(qiáng)度、截面尺寸

2、、計算模荷載大小、材料強(qiáng)度、截面尺寸、計算模式、施工質(zhì)量等因素均為隨機(jī)變量（或隨機(jī)過程）不確式、施工質(zhì)量等因素均為隨機(jī)變量（或隨機(jī)過程）不確定，導(dǎo)致定，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)效應(yīng)結(jié)構(gòu)效應(yīng)與與抗力抗力均為隨機(jī)變量，不可能保證百均為隨機(jī)變量，不可能保證百分之百保證結(jié)構(gòu)效應(yīng)小于抗力或規(guī)定限值，只能作一定分之百保證結(jié)構(gòu)效應(yīng)小于抗力或規(guī)定限值，只能作一定的概率保證的概率保證1 1概述概述建國初建國初19571957年，年，把鋼材可以使用的最大強(qiáng)度，除以一個籠統(tǒng)的安全系把鋼材可以使用的最大強(qiáng)度，除以一個籠統(tǒng)的安全系數(shù)作為結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時構(gòu)件容許達(dá)到的最大應(yīng)力，即允許應(yīng)力法數(shù)作為結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時構(gòu)件容許達(dá)到的最大應(yīng)力，即允許

3、應(yīng)力法 N構(gòu)件的內(nèi)力； S截面幾何特性； s鋼材屈服強(qiáng)度； K總安全系數(shù)； 構(gòu)件的計算應(yīng)力式中： 優(yōu)點(diǎn)：簡單、明確缺點(diǎn)：太籠統(tǒng)。各構(gòu)件的可靠程度各不相同，而整個結(jié)構(gòu)取決于可靠度最小的構(gòu)件 2-12-1容許應(yīng)力法容許應(yīng)力法 三個系數(shù)的極限狀態(tài)計算方法三個系數(shù)的極限狀態(tài)計算方法（19571957年年19741974年）年） 以結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)為依據(jù)，多系數(shù)分析后用單一設(shè)計安全系數(shù)的容許應(yīng)力以結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)為依據(jù)，多系數(shù)分析后用單一設(shè)計安全系數(shù)的容許應(yīng)力計算方法計算方法（19741974年年19881988年）年）kffffkQQ QQ 材料強(qiáng)度概率：荷載概率：kfkQ材料強(qiáng)度和荷載的標(biāo)準(zhǔn)值kQ材料強(qiáng)度和

4、荷載的平均值kQ材料強(qiáng)度和荷載的標(biāo)準(zhǔn)差kQ材料強(qiáng)度和荷載的保證系數(shù)2-22-2半概率法半概率法以結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)（強(qiáng)度、穩(wěn)定、疲勞、變形等）為依據(jù)，對影響結(jié)構(gòu)安全度的諸因素以數(shù)理統(tǒng)計，并結(jié)合工作實(shí)踐經(jīng)驗進(jìn)行分析。其實(shí)質(zhì)是半概率、半經(jīng)驗的極限狀態(tài)計算方法優(yōu)點(diǎn)：對結(jié)構(gòu)可靠性的處理有所改進(jìn)缺點(diǎn)：對荷載、材料性能等的處理都取一個經(jīng)驗定值，因為這對結(jié)構(gòu)可靠度的研究僅處于以經(jīng)驗為基礎(chǔ)的定性分析階段 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)荷載求得的內(nèi)力； 屈服強(qiáng)度； 構(gòu)件幾何特性； 分別為荷載系數(shù)、材料系數(shù)和調(diào)整系數(shù)式中： 安全系數(shù)； 鋼材的允許應(yīng)力2-22-2半概率法半概率法19881988年發(fā)展中年發(fā)展中 概率論為基礎(chǔ)概率論為基礎(chǔ) 概率

5、極限狀態(tài)設(shè)計方法概率極限狀態(tài)設(shè)計方法 結(jié)構(gòu)可靠度研究由經(jīng)驗為基礎(chǔ)的定性分析階段推進(jìn)以概率論結(jié)構(gòu)可靠度研究由經(jīng)驗為基礎(chǔ)的定性分析階段推進(jìn)以概率論和數(shù)理統(tǒng)計為基礎(chǔ)的定量分析階段和數(shù)理統(tǒng)計為基礎(chǔ)的定量分析階段 近似的概率設(shè)計法近似的概率設(shè)計法 （分析中忽略和簡化了基本變量隨時間（分析中忽略和簡化了基本變量隨時間變化的關(guān)系，所以確定基本變量分布時有相當(dāng)程度的近似性，變化的關(guān)系，所以確定基本變量分布時有相當(dāng)程度的近似性，且進(jìn)行了線性化簡化計算且進(jìn)行了線性化簡化計算 ） 2-32-3一次二階矩極限狀態(tài)設(shè)計法一次二階矩極限狀態(tài)設(shè)計法 極限狀態(tài)：極限狀態(tài)：實(shí)質(zhì)上是結(jié)構(gòu)可靠與不可靠的界限，故也可稱為實(shí)質(zhì)上是結(jié)構(gòu)

6、可靠與不可靠的界限，故也可稱為“界限狀態(tài)界限狀態(tài)”；對于結(jié)構(gòu)的各種極限狀態(tài)，均應(yīng)規(guī)定明確的標(biāo)；對于結(jié)構(gòu)的各種極限狀態(tài)，均應(yīng)規(guī)定明確的標(biāo)志或限值志或限值 兩類極限狀態(tài)：兩類極限狀態(tài)： （1 1）承載能力極限狀態(tài)）承載能力極限狀態(tài) 包括：構(gòu)件和連接的強(qiáng)度破壞、包括：構(gòu)件和連接的強(qiáng)度破壞、疲勞破壞和因過度變形而不適于繼續(xù)承載，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件喪失穩(wěn)疲勞破壞和因過度變形而不適于繼續(xù)承載，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件喪失穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動體系和結(jié)構(gòu)傾覆定，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動體系和結(jié)構(gòu)傾覆 （2 2）正常使用極限狀態(tài)）正常使用極限狀態(tài) 包括：影響結(jié)構(gòu)、構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)包括：影響結(jié)構(gòu)、構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件正常使用或耐久性能的局部損壞（包括組

7、合結(jié)構(gòu)中混凝土構(gòu)件正常使用或耐久性能的局部損壞（包括組合結(jié)構(gòu)中混凝土裂縫）裂縫） 3 3 概率極限設(shè)計方法概率極限設(shè)計方法3.13.1功能函數(shù)功能函數(shù) 式中 Z=g() 結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)； xi(i=1,2,n) 影響結(jié)構(gòu)或構(gòu)件可靠度的基本變量僅有作用效應(yīng)S和結(jié)構(gòu)抗力R兩個基本變量時結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)可表為： 荷載效應(yīng)S：取決于各種荷載（恒載、活載、風(fēng)、地震作用、 溫度變化等） 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力或抗力R：取決于材料、構(gòu)件的幾何特性等 3 3 概率極限設(shè)計方法概率極限設(shè)計方法由于R和S都是隨機(jī)變量，其函數(shù)Z也是一個隨機(jī)變量。功能函數(shù)Z存在三種可能狀態(tài)： 結(jié)構(gòu)可靠度：結(jié)構(gòu)可靠度：結(jié)構(gòu)在規(guī)定時間內(nèi)，在規(guī)

8、定的條件下，結(jié)構(gòu)在規(guī)定時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率完成預(yù)定功能的概率 若以ps表示結(jié)構(gòu)的可靠度 則： 若以pf表示結(jié)構(gòu)的失效概率 則： 3 3 概率極限設(shè)計方法概率極限設(shè)計方法Z Z的概率密度的概率密度f fZ Z（Z Z）曲線：曲線：正態(tài)分布概率密度曲線中Z的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差存在下述關(guān)系： 3 3 概率極限設(shè)計方法概率極限設(shè)計方法3.23.2可靠指標(biāo)可靠指標(biāo) 與與p pf f存在一一對應(yīng)關(guān)系，存在一一對應(yīng)關(guān)系， 與與p pf f變化相反變化相反 若若Z Z為正態(tài)分布：為正態(tài)分布：由：有：由于的計算只采用分布的特征值，即一階原點(diǎn)矩（均值）Z和二階中心矩（方差）Z2，對非線性函數(shù)只取

9、線性項，而不考慮Z的全分布，故稱此法為一次二階矩法3 3 概率極限設(shè)計方法概率極限設(shè)計方法與pf對應(yīng)表格不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)的可靠指標(biāo)3 3 概率極限設(shè)計方法概率極限設(shè)計方法3.33.3設(shè)計表達(dá)式設(shè)計表達(dá)式建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(GB50068)規(guī)定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式，應(yīng)根據(jù)各種極限狀態(tài)的設(shè)計要求，采用有關(guān)的荷載代表值、材料性能標(biāo)準(zhǔn)值、幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值以及各種分項系數(shù)等表達(dá)。 KGGKQQKRRSS簡單荷載分項系數(shù)設(shè)計式：RK 抗力標(biāo)準(zhǔn)值SGK按標(biāo)準(zhǔn)值計算的永久荷載（G）效應(yīng)值SQK按標(biāo)準(zhǔn)值計算的可變荷載（Q）效應(yīng)值 分項系數(shù)式中： 3 概率極限設(shè)計方法概率極限設(shè)計方法 一

10、般情況下荷載分項系數(shù)：一般情況下荷載分項系數(shù)： G G1.2 1.2 ； Q Q1.41.4 永久荷載效應(yīng)與可變荷載效應(yīng)異號時：永久荷載效應(yīng)與可變荷載效應(yīng)異號時： G G1.0 1.0 ； Q Q1.4 1.4 抗力分項系數(shù)：抗力分項系數(shù)： Q235Q235鋼：鋼： R R1.0871.087； Q345Q345、Q390Q390；Q420Q420鋼：鋼： R R1.1111.111鋼材強(qiáng)度設(shè)計值鋼材強(qiáng)度設(shè)計值f f鋼材強(qiáng)度除以對應(yīng)的抗力分項系數(shù)鋼材強(qiáng)度除以對應(yīng)的抗力分項系數(shù) 對應(yīng)于對應(yīng)于分項系數(shù) 以可靠指標(biāo)為基礎(chǔ)用概率設(shè)計法求出KRR3 概率極限設(shè)計方法概率極限設(shè)計方法可變荷載效應(yīng)控制的組合

11、：0112nGGKQQ KQiciQiKif 可變荷載效應(yīng)控制的組合：01nGGKQiciQiKif 承載能力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)的基本組合3 概率極限設(shè)計方法概率極限設(shè)計方法正常使用極限狀態(tài)荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合 12nGKQ KciQiKi vGK 永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的變形值vQ1K 起控制作用的第一個可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的變形值vQiK 其他第i個可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的變形值v 結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的容許變形值式中： 3 概率極限設(shè)計方法概率極限設(shè)計方法4 4風(fēng)荷載簡介風(fēng)荷載簡介 4.14.1概述概述鐵塔上的荷載鐵塔上的荷載相應(yīng)也分下列兩類:永久荷載永久荷載：鐵塔塔身自重、固定設(shè)備自重等。可變荷載可變荷載

12、：風(fēng)荷載、平臺活荷載、裹冰荷載、地震作用等。而起控制作用的是風(fēng)荷載。 空氣流動形成的風(fēng)遇到建筑物時氣流受阻，風(fēng)速改變，則在阻擋氣流運(yùn)動的建筑物表面上形成了風(fēng)壓（壓力和吸力），這種風(fēng)力作用稱為風(fēng)荷載風(fēng)荷載。 風(fēng)的作用是不規(guī)則的，風(fēng)壓隨著風(fēng)速、風(fēng)向的變化而不停的改變，是隨機(jī)性的，即是一種隨著時間而波動的動力荷載。為了便于分析，在設(shè)計中一般把風(fēng)壓看成靜荷載。將實(shí)際的風(fēng)壓分解為穩(wěn)定風(fēng)壓與脈動風(fēng)壓。 4.24.2風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值垂直于建筑物表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)按下述公式計算：Wk= zszWo式中： wk風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)； z高度z 處的風(fēng)振系數(shù)；s風(fēng)荷載體型系數(shù)；z風(fēng)壓高度變化系

13、數(shù)；Wo基本風(fēng)壓(kN/)。 4 4風(fēng)荷載簡介風(fēng)荷載簡介 4.34.3風(fēng)壓高度變化系數(shù)風(fēng)壓高度變化系數(shù)風(fēng)壓高度變化系數(shù)反映了風(fēng)壓隨高度變化的規(guī)律。對于平坦或稍有起伏的地形，風(fēng)壓高度變化系數(shù)應(yīng)根據(jù)地面粗糙度類別按規(guī)范中表7.2.2確定。地面粗糙度可分為A、B、C、D 四類：A 類指近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)；B 類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)；C 類指有密集建筑群的城市市區(qū)；D 類指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)。風(fēng)壓高度變化系數(shù)修正：風(fēng)壓高度變化系數(shù)修正：對于特殊地形，比如較高的山峰、山坡、山間盆地、谷地、海島等，規(guī)范中提出按要求對風(fēng)壓高度變化系數(shù)進(jìn)行修

14、正。 4風(fēng)荷載簡介風(fēng)荷載簡介 4.44.4風(fēng)荷載體型系數(shù)風(fēng)荷載體型系數(shù) 風(fēng)荷載體型系數(shù)即建筑物表面受到的風(fēng)壓與大氣中的氣流風(fēng)壓之比。它描述了房屋表面在穩(wěn)定風(fēng)壓作用下的靜態(tài)壓力的分布規(guī)律，主要與房屋的體型和尺度有關(guān)，也與周圍環(huán)境和地面粗糙度有關(guān)。風(fēng)荷載體型系數(shù)應(yīng)按規(guī)范中表7.3.1確定。4風(fēng)荷載簡介風(fēng)荷載簡介 4.54.5風(fēng)陣系數(shù)風(fēng)陣系數(shù)風(fēng)振是脈動風(fēng)壓對結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的動力現(xiàn)象。在脈動風(fēng)壓作用下，結(jié)構(gòu)不僅會發(fā)生順風(fēng)向風(fēng)振，而且會伴隨著產(chǎn)生橫風(fēng)向振動，甚至還會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動，但對于結(jié)構(gòu)的影響，主要是順風(fēng)向風(fēng)振。 規(guī)范規(guī)定對于基本自振周期T1大于0.25s 的工程結(jié)構(gòu)，如房屋、屋蓋及各種高聳結(jié)構(gòu),以及對于高度大于30m 且高寬比大于1.5 的高柔房屋，均應(yīng)考慮風(fēng)壓脈動對結(jié)構(gòu)發(fā)生順風(fēng)向風(fēng)振的影響。風(fēng)振計算應(yīng)按隨機(jī)振動理論進(jìn)行，結(jié)構(gòu)的自振周