承載能力極限狀態(tài)的荷載效應(yīng)內(nèi)力課件

1、項目三 結(jié)構(gòu)荷載與內(nèi)力分析 任務(wù)1 了解結(jié)構(gòu)設(shè)計原則工作任務(wù)：查閱相關(guān)資料，解釋下列名詞：（1）結(jié)構(gòu)的功能（2）結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)（3）混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性（4）結(jié)構(gòu)安全等級 ( 5 ) 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)第1頁，共39頁。3.1.1 建筑結(jié)構(gòu)的功能要求 1.安全性 建筑結(jié)構(gòu)在其設(shè)計使用年限內(nèi)應(yīng)能夠承受可能出現(xiàn)的各種作用。且在設(shè)計規(guī)定的偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后，結(jié)構(gòu)應(yīng)能保持必需的整體穩(wěn)定性，不致倒塌。 2.適用性 建筑結(jié)構(gòu)在其設(shè)計使用年限內(nèi)應(yīng)能滿足預(yù)定的使用要求，有良好的工作性能，其變形、裂縫或振動等性能均不超過規(guī)定的限度等。 3.耐久性 建筑結(jié)構(gòu)在其設(shè)計使用年限內(nèi)應(yīng)有足夠的耐久性。例如保護(hù)層厚度不得過薄、

2、裂縫不得過寬而引起鋼筋銹蝕等。第2頁，共39頁。3.1.2 結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)是指整個結(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)。 建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)將結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)分為兩類：承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)。第3頁，共39頁。承載能力極限狀態(tài) 結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形。 (1) 整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡，如雨篷壓重不足而傾覆、煙囪抗風(fēng)不足而傾倒、擋土墻抗滑不足在土壓力作用下而整體滑移等。 (2) 結(jié)構(gòu)構(gòu)件或其連接因超過材料強(qiáng)度而破壞(包括疲勞破壞)，如軸心受壓構(gòu)件中混凝土達(dá)到

3、了軸心抗壓強(qiáng)度、構(gòu)件的鋼筋因錨固長度不足而被拔出等；或因變形過大而不適于繼續(xù)承受荷載。 (3) 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動體系，如構(gòu)件發(fā)生三鉸共線而形成機(jī)動體系，喪失承載能力。 (4) 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定，如細(xì)長柱到達(dá)臨界荷載后壓屈失穩(wěn)而破壞。第4頁，共39頁。正常使用極限狀態(tài) 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規(guī)定限值。 (1) 影響正常使用或外觀的變形，如吊車梁變形過大導(dǎo)致吊車不能正常行駛、梁撓度過大影響外觀等。 (2) 影響正常使用或耐久性能的局部損壞，如水池池壁開裂漏水不能正常使用、如裂縫過寬導(dǎo)致鋼筋銹蝕等。 (3) 影響正常使用的振動，如由于機(jī)器振動而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的振幅超過按正常使用要求所規(guī)

4、定的限位等。 (4) 影響正常使用的其它特定狀態(tài)，如相對沉降量過大等。第5頁，共39頁。3.1.3 結(jié)構(gòu)上的作用F、作用效應(yīng)S、結(jié)構(gòu)抗力R結(jié)構(gòu)上的作用施加在結(jié)構(gòu)上的集中力或分布力（直接作用，也稱為荷載）和引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因（間接作用）。 作用效應(yīng)由于直接作用或間接作用作用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件上，在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)力和變形(如軸力、彎矩、剪力、扭矩、撓度、轉(zhuǎn)角和裂縫等)。 結(jié)構(gòu)抗力結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受內(nèi)力和變形的能力(如構(gòu)件的承載能力、剛度等)。 *結(jié)構(gòu)上的作用、作用效應(yīng)、結(jié)構(gòu)抗力均是隨機(jī)變量 第6頁，共39頁。3.1.4 結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)方程 1 結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程可寫為： Z=RS=0 式中：

5、S-作用效應(yīng)； R-結(jié)構(gòu)抗力 當(dāng)Z0時， 結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)， 當(dāng)Z0時， 結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)， 當(dāng)Z0時， 結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)。 第7頁，共39頁。3.1.5 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性規(guī)定 由于混凝土表面暴露在大氣中，特別是長期受到外界溫、濕度等不良?xì)夂颦h(huán)境的影響，以及長期受到有害物質(zhì)的侵蝕，隨時間增長而出現(xiàn)混凝土碳化、開裂，鋼筋銹蝕等現(xiàn)象使材料的耐久性降低。因此，混凝土結(jié)構(gòu)在進(jìn)行承載能力和正常使用極限狀態(tài)設(shè)計的同時還應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境類別、結(jié)構(gòu)的重要性和使用年限進(jìn)行耐久性設(shè)計。 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性按結(jié)構(gòu)所處環(huán)境和設(shè)計使用年限進(jìn)行設(shè)計。 結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限是指設(shè)計規(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

6、其預(yù)定目的使用的時期 。第8頁，共39頁。表1-1 混凝土結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境類別 環(huán)境類別說 明一室內(nèi)正常環(huán)境：無侵蝕性介質(zhì)、無高溫高濕影響、不與土層直接接觸的環(huán)境二a室內(nèi)潮濕環(huán)境：非嚴(yán)寒和非寒冷地區(qū)的露天環(huán)境、與無侵蝕性得水或土直接接觸的環(huán)境b嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)得露天環(huán)境、與無侵蝕性得水或土壤直接接觸的環(huán)境三使用除冰鹽的環(huán)境：嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)冬季水位變動的環(huán)境；濱海室外環(huán)境四海水環(huán)境五受人或自然的侵蝕性物質(zhì)影響得環(huán)境第9頁，共39頁?；炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性應(yīng)符合下列要求：(1)一類、二類和三類環(huán)境中，設(shè)計使用年限為50年的結(jié)構(gòu)，其混凝土應(yīng)符合表1-2的規(guī)定。 (2)一類環(huán)境中，設(shè)計使用年限為100年的結(jié)構(gòu)

7、混凝土應(yīng)符合下列規(guī)定：1)混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C30；預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的最低混凝土強(qiáng)度等級為C40； 2)混凝土中氯離子含量不得超過水泥重量的0.06；3)宜使用非堿活性骨料，當(dāng)使用堿活性骨料時，混凝土中的堿含量不得超過3.0kgm3； 4)混凝土保護(hù)層厚度應(yīng)按相應(yīng)的規(guī)定增加40；當(dāng)采取有效的表面防護(hù)措施時，混凝土保護(hù)層厚度可適當(dāng)減少；5)在使用過程中應(yīng)有定期維護(hù)措施。第10頁，共39頁。(3)對于設(shè)計壽命為100年且處于二類和三類環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)采取專門有效的措施。(4)嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)的潮濕環(huán)境中，結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)滿足抗凍要求，混凝土抗凍等級應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。(5)有抗?jié)B要求的混凝土結(jié)

8、構(gòu)，混凝土的抗?jié)B等級應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。 (6)三類環(huán)境中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其受力鋼筋宜采用環(huán)氧涂層帶肋鋼筋；對預(yù)應(yīng)力錨具及連接器應(yīng)有專門防護(hù)措施。(7)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。對臨時性混凝土結(jié)構(gòu)，可不考慮混凝土的耐久性要求。第11頁，共39頁。表1-2 結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的基本規(guī)定環(huán)境類別最大水灰比最小水泥用量（/m）混凝土強(qiáng)度等級不小于氯離子含量不大于（%）堿含量不大于（/m）一0.65225C201.0不限制二ab0.600.55250275C25C300.30.23.03.0三0.5300C300.13.0第12頁，共39頁。 3.1.6 結(jié)構(gòu)的安全等

9、級 * 建筑結(jié)構(gòu)的安全等級在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生的各種后果(危及人的生命、造成經(jīng)濟(jì)損失、產(chǎn)生社會影響等)的嚴(yán)重性，采用不同的安全等級。 第13頁，共39頁。任務(wù)2 了解荷載的類型及荷載傳遞路徑工作任務(wù)： 根據(jù)項目2所做的人本草結(jié)構(gòu)模型，分析該結(jié)構(gòu)有哪些基本構(gòu)件組成；分析各結(jié)構(gòu)構(gòu)件所受荷載及其受力特征，完成結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件組成分析表并分析該結(jié)構(gòu)荷載的傳遞路線。人本草結(jié)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)荷載的傳遞路線為： 屋面荷載的傳遞路線為： 樓梯荷載的傳遞路線為： 第14頁，共39頁。表2-1 結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件組成分析表構(gòu)件名稱所在位置所受荷載受力特征第15頁，共39頁。 建筑中由梁、板、柱、墻、基

10、礎(chǔ)等構(gòu)件連接而成的能承受“作用”的空間體系稱為建筑結(jié)構(gòu)，簡稱結(jié)構(gòu)。這里所說的“作用”，是使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生效應(yīng)(如結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的內(nèi)力、應(yīng)力、位移、應(yīng)變、裂縫等)的各種原因的統(tǒng)稱。作用分為直接作用和間接作用。直接作用習(xí)慣上稱為荷載，系指施加在結(jié)構(gòu)上的集中力或分布力系，如結(jié)構(gòu)的自重、樓面荷載、雪荷載、風(fēng)荷載等。間接作用指引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因，如地基變形、混凝土收縮、溫度變化、地震作用等。 基本概念： 第16頁，共39頁。3.2.1 荷載 結(jié)構(gòu)上的荷載可分成三類： 永久荷載在結(jié)構(gòu)使用期內(nèi)，其值隨時間因素的變化不大，或其變化與其平均值相比可以忽略的荷載。 可變荷載在結(jié)構(gòu)使用期內(nèi)，其值隨時間變化，且其

11、變化與其平均值相比不可以忽略的荷載。 偶然荷載在設(shè)計使用期內(nèi)不一定出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)其值很大且持續(xù)時間很短的荷載。 第17頁，共39頁。3.2.2 荷載代表值* 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對不同荷載應(yīng)采用不同的設(shè)計值。 對永久荷載應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)值作為代表值； 對可變荷載應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求采用標(biāo)準(zhǔn)值、組合值、頻遇值或準(zhǔn)永久值作為代表值； 對偶然荷載應(yīng)按建筑結(jié)構(gòu)使用的特點確定其代表值。第18頁，共39頁。1.荷載標(biāo)準(zhǔn)值 荷載的基本代表值，是指結(jié)構(gòu)在其使用期間, 正常情況下可能出現(xiàn)的最大荷載值。 2.荷載頻遇值 是正常使用極限狀態(tài)按頻遇組合設(shè)計采用的一種可 變荷載代表值 。 3.荷載準(zhǔn)永久值 是正常使用極限狀態(tài)按準(zhǔn)永久組

12、合和頻遇組合設(shè)計采用的一種可變荷載代表值。 4. 荷載組合值 是當(dāng)結(jié)構(gòu)承受兩種或兩種以上可變荷載時，承載能力極限狀態(tài)按基本組合設(shè)計和正常使用極限狀態(tài)按標(biāo)準(zhǔn)組合設(shè)計采用的可變荷載代表值。 第19頁，共39頁。3.2.3 材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值具有不小于95的保證率的材料強(qiáng)度值稱為材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 1.鋼材的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 規(guī)范將熱軋鋼筋的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取為冶金部門頒布的屈服強(qiáng)度廢品限值 ，其保證率為97.73。 2.混凝土的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 取保證率為95%的強(qiáng)度值為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 第20頁，共39頁。3.2.4 結(jié)構(gòu)上豎向荷載的傳遞路經(jīng) 結(jié)構(gòu)豎向荷載的傳遞路線，根據(jù)結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)體系的不同而不同。 一般來說，框架結(jié)

13、構(gòu)豎向荷載的傳遞路線為： 板梁柱基礎(chǔ)地基 剪力墻結(jié)構(gòu)豎向荷載的傳遞路線為： 板墻基礎(chǔ)地基 框架剪力墻豎向結(jié)構(gòu)荷載的傳遞路線為： 板梁或墻柱基礎(chǔ)地基。第21頁，共39頁。圖2-1 結(jié)構(gòu)基本組成構(gòu)件及傳力路徑 第22頁，共39頁。任務(wù)3 統(tǒng)計結(jié)構(gòu)上的荷載并計算內(nèi)力設(shè)計值工作任務(wù)： 某辦公樓屋面結(jié)構(gòu)施工圖如圖4-1，屋面為不上人屋面，鋼筋混凝土板厚為100mm，屋面做法如圖4-2，砼強(qiáng)度等級為C20。試計算梁L7上的荷載（線荷載），并確定梁L7的跨中彎矩設(shè)計值（基本組合，按簡支梁計算）。第23頁，共39頁。圖圖4-1 屋面結(jié)構(gòu)施工圖第24頁，共39頁。圖4-2 屋面建筑做法第25頁，共39頁。3.3

14、. 1極限狀態(tài)設(shè)計實用表達(dá)式混凝土結(jié)構(gòu)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計法 1 承載能力極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式按承載力極限狀態(tài)計算混凝土規(guī)范設(shè)計表達(dá)式 第26頁，共39頁。g0 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù) 。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的重要性將結(jié)構(gòu)分為三個安全等級，采用結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)來體現(xiàn)。一級 ，g01.1；二級， g01.0；三級， g00.9S承載能力極限狀態(tài)的荷載效應(yīng)(內(nèi)力)組合的設(shè)計值 （可按建筑力學(xué)的方法計算，手算或機(jī)算）。對于承載能力極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)按荷載效應(yīng)的基本組合進(jìn)行計算，必要時尚應(yīng)按荷載效應(yīng)的偶然組合進(jìn)行計算。R 結(jié)構(gòu)抗力,結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受內(nèi)力和變形的能力(如構(gòu)件的承載能力、剛度等)。第27頁，

15、共39頁。G永久荷載的分項系數(shù)，一般情況下取1.2；Qi第i個可變荷載分項系數(shù)，其中Q1為可變荷載Q1的 分項系數(shù)。一般情況下取值1.4；SGk按永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值Gk計算的荷載效應(yīng)值；SQik按可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值Qik計算的荷載效應(yīng)值，其中SQ1k 為諸可變荷載效應(yīng)中起控制作用者；ci可變荷載Qi的組合值系數(shù)，其值不應(yīng)大于1.0，按 荷載規(guī)范有關(guān)規(guī)定取用；第28頁，共39頁?？勺兒奢d控制組合時永久荷載控制組合時一般不能確定誰起決定作用，應(yīng)通過試算確定對于荷載效應(yīng)的基本組合，其內(nèi)力組合設(shè)計值可按以下兩公式中最不利值確定：第29頁，共39頁。2 正常使用極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式按正常使用極限狀態(tài)計算 短期荷載

16、作用下，考慮采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合長期荷載作用下，考慮采用荷載的頻遇組合或準(zhǔn)永久組合正常使用極限狀態(tài)，可靠度要求可適當(dāng)降低，所有分項系數(shù)取1.0混凝土規(guī)范設(shè)計表達(dá)式 第30頁，共39頁。3.3.2 設(shè)計思路確定荷載及荷載效應(yīng)初步選定構(gòu)件尺寸確定結(jié)構(gòu)計算簡圖按照構(gòu)造規(guī)定配筋NoYes構(gòu)件設(shè)計完成NoYes第31頁，共39頁。例題： 下圖是一個跨度為6m的簡支梁，安全等級為二級，分別計算基本組合時的彎矩設(shè)計值和標(biāo)準(zhǔn)組合時的彎矩設(shè)計值。第32頁，共39頁。任務(wù)4 計算結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力設(shè)計值并繪制結(jié)構(gòu)內(nèi)力示意圖工作任務(wù)： 查閱建筑力學(xué)及相關(guān)資料，分別繪制人本草別墅1軸框架、A軸框架、B軸框架在豎向荷載作用下的彎矩圖。第33頁，共39頁。第34頁，共39頁。一、框架結(jié)構(gòu)的計算簡圖1.計算單元的確定圖8-5 框架結(jié)構(gòu)的計算單元第35頁，共39頁。2.作用于框架上的荷載計算 作用于框架結(jié)構(gòu)上的荷載有豎向荷載和水平荷載(風(fēng)荷載，地震作用等,本節(jié)不做介紹）。豎向荷載一般為均布荷載，有時也有集中力；而水平作用一般均簡化為作用于框架節(jié)點處的集中力。二、豎向荷載作用下的內(nèi)力近似計算法 由力學(xué)分析結(jié)果可知，多跨框架在豎向荷載作用下的側(cè)移很小，而且各層梁上的荷載對其他層桿件的內(nèi)力基本沒有影響，因而可采用分層法進(jìn)行近似計算。 分層法計算的基本思路是：將多層框架分成多榀單