建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理和結(jié)構(gòu)

1、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理和結(jié)構(gòu) 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本規(guī)定 建筑結(jié)構(gòu)上的荷載及其分類 永久荷載代表值 可變荷載代表值第二章 結(jié)構(gòu)上的荷載及其取值2.1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本規(guī)定2.1.1 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限 設(shè)計(jì)規(guī)定的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件不需進(jìn)行大修即可按其預(yù)定目的使用的時(shí)期。 正常設(shè)計(jì)正常施工正常使用正常維護(hù)必要的檢測(cè)、防護(hù)和維修表2-1 設(shè)計(jì)使用年限分類2.1.2 建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí) 根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生后果的嚴(yán)重性來劃分。 即危及人的生命、造成的經(jīng)濟(jì)損失、產(chǎn)生社會(huì)影響等的嚴(yán)重程度確定。安全等級(jí)一級(jí)破壞后果很嚴(yán)重重要的房屋二級(jí)破壞后果嚴(yán)重一般的房屋三級(jí)破壞后果不嚴(yán)重次要房屋表2-2 建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)建筑物中

2、各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全等級(jí)宜與整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)相同，但允許對(duì)部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)其重要程度和綜合效益進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，但不得低于三級(jí)。安全等級(jí)在設(shè)計(jì)中體現(xiàn)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù) 0 重要性系數(shù)取值安全等級(jí)一級(jí)：0；安全等級(jí)二級(jí)：0；安全等級(jí)三級(jí)：0。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017-2003)規(guī)定：一般工業(yè)與民用建筑鋼結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)應(yīng)取為二級(jí)，其它特殊建筑鋼結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)應(yīng)根據(jù)具體情況另行確定；對(duì)設(shè)計(jì)使用年限為25年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件， 0不應(yīng)小于； 木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50005-2003)規(guī)定：對(duì)安全等級(jí)為一級(jí)且設(shè)計(jì)使用年限又超過100的，0不應(yīng)小于。 2.1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期 在計(jì)算結(jié)構(gòu)可靠度時(shí)考慮各項(xiàng)基本變量

3、與時(shí)間關(guān)系所取用的基準(zhǔn)時(shí)間。 為確定可變作用及與時(shí)間有關(guān)的材料性能等取值而選用的時(shí)間參數(shù)。 我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年。 如：50年一遇的風(fēng)雪荷載 我國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年。 如：100年一遇的風(fēng)、雪、洪水結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限有什么異同？設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期考慮持久設(shè)計(jì)狀況下各項(xiàng)基本變量與時(shí)間關(guān)系所采用的基準(zhǔn)時(shí)間參數(shù)。 設(shè)計(jì)使用年限為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在正常維護(hù)條件下，不需要大修即可按其設(shè)計(jì)規(guī)定的目的正常使用的時(shí)間。 結(jié)構(gòu)的使用年限超過設(shè)計(jì)使用年限時(shí)，表明它的失效概率可能會(huì)增大，不能保證其目標(biāo)可靠指標(biāo)，但不等于結(jié)構(gòu)喪失所有要求功能甚至報(bào)廢，通常結(jié)構(gòu)實(shí)際使用壽命大于設(shè)計(jì)使用年限。2.2

4、建筑結(jié)構(gòu)上的荷載及其分類2.2.1 作用與荷載 所有能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力、變形、開裂等效應(yīng)的原因統(tǒng)稱為“作用”。梁在荷載作用下，會(huì)產(chǎn)生繞度，截面上會(huì)有彎矩和剪力，我們將這些由荷載產(chǎn)生的效應(yīng)(內(nèi)力、變形、裂縫等)稱為荷載效應(yīng)。“作用”“間接作用”“直接作用” 直接作用在結(jié)構(gòu)上的集中力或分布力稱為“荷載”。因此，“荷載”是作用的一種，并且是“直接作用”。 “間接作用”是指引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的其他作用，如砼的收縮、溫度的變化、地基的沉降，還有地震等。地震作用，是地面運(yùn)動(dòng)在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的慣性力。因此，地震作用是一種“間接作用”，不能叫“地震荷載”。構(gòu)造地震 由于地殼運(yùn)動(dòng)、推擠地殼巖層使其薄弱部位發(fā)生

5、斷裂、錯(cuò)動(dòng)而引起的地震。地震作用地震反應(yīng) 地震時(shí)由地面運(yùn)動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，也即地震作用效應(yīng)(位移、速度、加速度、內(nèi)力等)。結(jié)構(gòu)上受哪些作用？ 自然界：重力、風(fēng)、雪、裹冰、溫差、地震、撞擊、火災(zāi)、水災(zāi)、化學(xué)、微生物、射線、土壓力、溫度、地基沉降 人類：活荷載，吊車荷載、積灰、爆炸、撞擊、預(yù)應(yīng)力本課程主要針對(duì)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，作用荷載。 荷載的分類(按作用時(shí)間)永久荷載可變荷載偶然荷載(恒載)(活載)(按空間位置)固定荷載自由荷載(按結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特點(diǎn))靜態(tài)荷載動(dòng)態(tài)荷載荷 載 永久荷載：在結(jié)構(gòu)使用期間，荷載值不隨時(shí)間變化，或其變化值與平均值相比可以忽略不計(jì)的荷載稱為永久荷載。永久荷載又稱為恒載。2.2

6、.2 按隨時(shí)間的變異分類 荷載的基本分類方法 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)采用的分類方法統(tǒng)計(jì)規(guī)律與時(shí)間參數(shù)無(wú)關(guān)采用隨機(jī)變量概率模型描述 結(jié)構(gòu)的自重、土重、水重等都屬于永久荷載。 可變荷載 在結(jié)構(gòu)使用期間，荷載值隨時(shí)間變化，或其變化值與平均值相比不能忽略的荷載稱為可變荷載。統(tǒng)計(jì)規(guī)律與時(shí)間參數(shù)有關(guān)采用隨機(jī)過程概率模型描述 如樓面活荷載、吊車荷載、風(fēng)荷載、雪荷載等都屬于可變荷載。 偶然荷載 在結(jié)構(gòu)使用期間，不一定出現(xiàn)，但一旦出現(xiàn)，其值很大，并且持續(xù)時(shí)間極短的荷載稱為偶然荷載。 如爆炸力、撞擊力等都屬于偶然荷載。采用隨機(jī)過程概率模型描述 2011年4月12號(hào)烏魯木齊八鋼四管區(qū)一居民住宅樓，發(fā)生煤氣爆炸。 因爆炸損毀的六棟

7、樓200多戶人家的門窗、設(shè)施、玻璃，室內(nèi)家具物品。 2.2.3 按空間位置的變異分類 固定荷載 在結(jié)構(gòu)上具有固定分布的荷載。其特點(diǎn)是在結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)的空間位置固定不變，但其量值可能具有隨機(jī)性。 如房屋建筑樓面上位置固定的設(shè)備荷載、屋蓋上的水箱等都屬于固定荷載。 自由荷載 在結(jié)構(gòu)上一定范圍內(nèi)可以任意分布的荷載。其特點(diǎn)是可以在結(jié)構(gòu)一定的空間上任意分布，出現(xiàn)的位置和量值都可能是隨機(jī)的。 如樓面的人員荷載、廠房的吊車荷載等都屬于自由荷載。2.2.4 按結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特點(diǎn)分類 關(guān)鍵： 此種分類方法的依據(jù)不在于荷載本身是否具有動(dòng)力特性，主要在于它是否能使結(jié)構(gòu)引起不可忽略的加速度。 靜態(tài)荷載 使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的加速度可以

8、忽略不計(jì)的荷載稱為靜態(tài)荷載。 如結(jié)構(gòu)自重、住宅或辦公樓的樓面活荷載等都屬于靜態(tài)荷載。 動(dòng)態(tài)荷載 如吊車荷載、大型動(dòng)力設(shè)備的作用、高聳結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載等都屬于動(dòng)態(tài)荷載。 使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的加速度不可忽略不計(jì)的荷載稱為動(dòng)態(tài)荷載。在結(jié)構(gòu)分析時(shí)一般均應(yīng)考慮其動(dòng)力效應(yīng)。動(dòng)態(tài)荷載需用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析可按靜態(tài)荷載處理的動(dòng)態(tài)荷載（乘系數(shù)）吊車制動(dòng)荷載預(yù)制構(gòu)件的吊裝搬運(yùn)風(fēng)荷載2.3 永久荷載代表值 荷載代表值 指在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中根據(jù)不同的工作狀態(tài)，取用的荷載量值。 確定荷載代表值是將其作為隨即變量，按照概率統(tǒng)計(jì)的方法來處理。 荷載代表值是具有一定保證率的統(tǒng)計(jì)特征值。永久荷載對(duì)結(jié)構(gòu)不利取上限取標(biāo)準(zhǔn)值為代表值一般取平均值為標(biāo)

9、準(zhǔn)值變異較大時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)有利取下限分布線荷載用 表示；集中荷載用 表示。 表示方法 永久荷載代表值自重線荷載標(biāo)準(zhǔn)值gk=單位體積自重截面面積gk=單位面積自重荷載寬度構(gòu)件自重面積荷載標(biāo)準(zhǔn)值單位面積自重=單位體積自重厚度自重合力標(biāo)準(zhǔn)值Gk=單位體積自重體積Gk=單位面積自重荷載面積 由表2-3可知，鋼筋砼自重介于2425kN/m3之間，該荷載對(duì)梁的承載力是不利荷載，所以取上限值25kN/m3，混合砂漿自重17kN/m3。因此： 解 自重線荷載 = 重度 截面面積 例題2-1 鋼筋砼矩形梁截面尺寸300mm 500mm,梁的底面和側(cè)面用20mm厚的混合砂漿抹灰，試求梁的自重標(biāo)準(zhǔn)值 。 例題2-2樓面做

10、法為：硬木地板，20mm厚水泥砂漿找平層，80mm厚鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板，鋼絲網(wǎng)抹灰吊頂。試求板的恒載標(biāo)準(zhǔn)值（面積荷載）。 解自重面積荷載標(biāo)準(zhǔn)值 = 0.2 + 20 = 3.05 kN/m2 2.4 可變荷載代表值2.4.1 可變荷載代表值 可變荷載的代表值按結(jié)構(gòu)所處的工作狀態(tài)分為四種： 可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值 可變荷載組合值 可變荷載準(zhǔn)永久值 可變荷載頻遇值 具有足夠的概率保證率指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在正常使用期間可能出現(xiàn)的最大荷載值。 可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值可變荷載的基本代表值表示方法 一般情況下取95%即在使用期間內(nèi)，95%的情況下，荷載出現(xiàn)的值都小于標(biāo)準(zhǔn)值。分布線荷載用 表示集中荷載用 表示我國(guó)荷

11、載規(guī)范提供了常用的樓面使用荷載、風(fēng)荷載、雪荷載等可變荷載的數(shù)值，設(shè)計(jì)時(shí)可以直接查用。對(duì)于有足夠資料的可變荷載，取最大荷載統(tǒng)計(jì)分布特征值；風(fēng)、雪荷載，習(xí)慣上以平均重現(xiàn)期來定義標(biāo)準(zhǔn)值（50年一遇、100年一遇）；對(duì)于資料不充分的可變荷載，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定?？勺兒奢d標(biāo)準(zhǔn)值取值可變荷載組合值 對(duì)可變作用，使組合后的作用效應(yīng)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)的超越概率與該作用單獨(dú)出現(xiàn)時(shí)的相應(yīng)概率趨于一致的作用值；或組合后使結(jié)構(gòu)具有統(tǒng)一規(guī)定的可靠指標(biāo)的作用值。 可變荷載組合值組合值系數(shù) (1)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值可變荷載準(zhǔn)永久值 指可變荷載在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，其超越的總時(shí)間約為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期一半的荷載值。它對(duì)結(jié)構(gòu)的影響類似于永久荷載。

12、作用在建筑物上的可變荷載(如住宅樓面上的均布活荷載為20kN/m2)，其中有部分是長(zhǎng)期作用在結(jié)構(gòu)上面的(在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年內(nèi)，不少于25年) ?？勺兒奢d準(zhǔn)永久值準(zhǔn)永久值系數(shù) (1)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值可變荷載頻遇值對(duì)可變荷載，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，其超越的總時(shí)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。(一般在10%以內(nèi)) 目前我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范根據(jù)分析判斷列出了各類可變荷載的頻遇值系數(shù)，但是在其他的結(jié)構(gòu)規(guī)范中均未在正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算中采用頻遇組合荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)表達(dá)式?？勺兒奢d準(zhǔn)永久值頻遇值系數(shù) (1)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值2.4.2 可變荷載取值 民用建筑樓面均布活荷載樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN

13、/m2）按表2-4采用： 住宅、醫(yī)院、辦公樓、教室 禮堂、劇院、公共洗衣房 健身房、舞臺(tái)、舞廳 活荷載可按樓層折減 組合值系數(shù)、頻遇值系數(shù)、準(zhǔn)永久值系數(shù)見表2-4 屋面活荷載屋面類型不上人屋面上人屋面屋頂花園活荷載包括：施工荷載、檢修荷載 屋面活載標(biāo)準(zhǔn)值 不上人屋面： 上人屋面： 屋頂花園： 組合值系數(shù)、頻遇值系數(shù)、準(zhǔn)永久值系數(shù)見表2-6吊車豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值：采用最大輪壓和最小輪壓以出廠規(guī)格為準(zhǔn)吊車水平荷載制動(dòng)慣性力取重量乘系數(shù)橫向有左右之分縱向有前后之別組合值、頻遇值和準(zhǔn)永久值系數(shù)見表2-7 吊車荷載 雪荷載屬于屋面荷載，按照屋面水平投影面積計(jì)算。 雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值面積荷載 雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m

14、2 基本雪壓，kN/m2 屋面積雪分布系數(shù)，與屋面形式有關(guān)，如單跨單坡屋面，坡度不超過25時(shí)， =1.0，坡度為30時(shí)， =0.8 雪荷載的基本雪壓是根據(jù)全國(guó)672個(gè)地點(diǎn)的氣象臺(tái)站建站以來記錄到的最大雪壓或積雪深度資料，經(jīng)統(tǒng)計(jì)得出的50年一遇的最大雪壓，即重現(xiàn)期為50年的最大雪壓，以此規(guī)定當(dāng)?shù)氐幕狙骸?雪荷載組合值系數(shù)為； 頻遇值系數(shù)為； 準(zhǔn)永久值系數(shù)按雪荷載分區(qū)I、II和III的不同，分別取、和0。北京，南京成都，沈陽(yáng) 風(fēng)荷載動(dòng)態(tài)荷載設(shè)計(jì)時(shí)可采取乘以系數(shù)的方式按靜態(tài)荷載處理空氣的流動(dòng)對(duì)建筑物表明產(chǎn)生的壓力或者吸力近地風(fēng)的性質(zhì)、風(fēng)速、風(fēng)向建筑物所在場(chǎng)地的地貌和周圍環(huán)境建筑物本身的高度、形狀

15、和表面狀況 風(fēng)的形成與危害風(fēng)是由于大氣層的溫度差、氣壓差等大氣現(xiàn)象導(dǎo)致的空氣流動(dòng)現(xiàn)象。建筑物會(huì)對(duì)風(fēng)形成阻擋，因此風(fēng)會(huì)對(duì)于建筑物形成反作用。風(fēng)是極其復(fù)雜的氣流現(xiàn)象，是隨機(jī)性的動(dòng)荷載，巨大的風(fēng)力作用會(huì)致使建筑物水平側(cè)移、振動(dòng)甚至垮塌。在風(fēng)的作用下，建筑物會(huì)發(fā)生以下破壞： 1）主體結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致內(nèi)墻裂縫； 2）長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)振效應(yīng)使結(jié)構(gòu)受到往復(fù)應(yīng)力作用而發(fā)生局部疲勞破壞； 3）外裝飾，受風(fēng)力作用而脫落； 4）輕屋面，受風(fēng)的作用會(huì)像上浮起甚至破壞。風(fēng)荷載的基本理論氣體的流動(dòng)速度與壓力成反比，迎風(fēng)面受到壓力作用，其他面由于風(fēng)的流動(dòng)而受到吸力?；撅L(fēng)壓基本風(fēng)壓是指某一地區(qū)，風(fēng)力在迎風(fēng)面產(chǎn)生作用的標(biāo)準(zhǔn)值。平坦空曠

16、的地面，距地面10米高處，年最大風(fēng)速發(fā)生時(shí)10分鐘內(nèi)的風(fēng)速平均值所形成的，并考慮該風(fēng)速的歷史重現(xiàn)期（50年為標(biāo)準(zhǔn)期限）而確定的迎風(fēng)面風(fēng)力作用。特別重要的建筑，考慮重現(xiàn)期為100年。標(biāo)準(zhǔn)空氣密度，可取 3基本風(fēng)壓、雪壓取值 建筑形體與風(fēng)的作用迎風(fēng)面風(fēng)力為壓力，側(cè)風(fēng)面隨著與風(fēng)的夾角的變化，風(fēng)力逐漸有壓力轉(zhuǎn)變?yōu)槲?；矩形、圓形、三角形等不同的平面形狀的建筑物，各個(gè)側(cè)面所受的風(fēng)力作用差異很大。建筑物表面粗糙會(huì)加大風(fēng)力的作用。 建筑形體風(fēng)作用系數(shù)舉例0.8-0.6-0.6-(0.48+0.03H/B)1.0-0.71.0-0.5-0.5-0.5-0.5-0.5-0.70.8-0.6-0.60.60.6-0.5-0.5-0.50.8-0.5-0.5高度與風(fēng)的作用隨著風(fēng)力測(cè)試點(diǎn)的高度增加，所受風(fēng)力作用也隨之加大。風(fēng)的振動(dòng)效應(yīng)陣風(fēng)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的風(fēng)陣效應(yīng)，并且具有極大的不穩(wěn)定性。陣風(fēng)會(huì)產(chǎn)生順風(fēng)的振動(dòng)效應(yīng)與側(cè)風(fēng)的振動(dòng)效應(yīng)。北東西南風(fēng)振系數(shù)風(fēng)對(duì)建筑物的作用是動(dòng)力荷載風(fēng)的基本周期一般遠(yuǎn)大于多層鋼筋砼結(jié)構(gòu)的自振周期短周期成分對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)有影響城市中心區(qū)高層建筑的綜合效應(yīng)常規(guī)理解，地面粗糙度大，風(fēng)速減緩。這個(gè)概念僅在城市多為多層建筑或高層建筑不多、分布不密集