建筑結構 02 第二章 建筑結構基本設計原理

建筑結構與選型Ⅰ2023年2月6日第一部分建筑結構概論第二章建筑結構設計基本原理§2.1結構上的荷載§2.2極限狀態(tài)設計法內(nèi)容框架3上節(jié)課概念復習“作用”——能使結構或構件產(chǎn)生效應（內(nèi)力、變形、裂縫等）的各種因素的總稱。作用分為：（1）直接作用即荷載：如結構自重、人群荷載、風荷載等；（2）間接作用：如地震、基礎沉降、溫度變化等?！敖ㄖY構”——由若干構件連接而成的能承受荷載和其他間接作用的體系。4——在結構使用期間，其值不隨時間變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計的荷載。也稱恒荷載或恒載。比如結構自重或土壓力等。——在結構使用期間，其值隨時間變化，或其變化與平均值相比不可以忽略不計的荷載。也稱活荷載或活載。比如樓面活載、屋面活載、雪荷載、風荷載、吊車荷載等?！诮Y構使用期間不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn),其量值很大而持續(xù)時間較短的荷載。比如爆炸力、撞擊力等。永久荷載可變荷載偶然荷載（二）荷載分類按時間變異分類三建筑結構的作用按空間變異分類固定荷載——在結構空間位置上具有固定的分布可動荷載——在結構空間位置一定范圍內(nèi)可以任意分布。7靜態(tài)荷載——對結構不產(chǎn)生動力效應，或小的可以忽略；動態(tài)荷載——對結構產(chǎn)生動力效應，且不可以忽略。按照結構的反應分類北京植物園展覽溫室1、結構的自重—

永久荷載2、結構自重標準值Gk應根據(jù)結構的設計尺寸和材料的容重標準值確定一、結構自重3、材料容重標準值按《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009-2001)確定

常用材料和構件的自重(GB50009-2001附錄A表A.1)①磚

普通磚（240mm×115mm×53mm） 18kN/m3

普通磚（機制） 19kN/m3②灰漿

水泥砂漿 20kN/m3

石灰砂漿、混合砂漿 17kN/m3③混凝土

素混凝土

（2224）kN/m3

泡沫混凝土

（46）kN/m3

鋼筋混凝土（R.C.）

（2425）kN/m3⑤墻面貼瓷磚墻面（25mm厚（包括水泥砂漿打底）） 0.5kN/m2水泥粉飾墻面（20mm厚，水泥粗砂） 0.36kN/m2石灰粗砂粉飾墻面（20mm厚）

0.34kN/m2⑥屋頂

小青瓦屋面

（0.91.1）kN/m2

粘土平瓦屋面 0.55kN/m2

油氈防水層一層油氈刷油兩層 0.05kN/m2

一氈二油上鋪小石子

（0.250.30）kN/m2

二氈三油上鋪

（0.300.35）kN/m2

三氈四油上鋪

（0.350.40）kN/m24、結構設計時，將結構自重轉(zhuǎn)化為平均樓面恒載

1.982.48kN/m2

木結構;

4.957.43kN/m2

鋼筋砼結構

2.48

3.96kN/m2

鋼結構;

3.465.94kN/m2

預應力砼結構5、例題[例1]雙面水泥粉刷厚220墻的自重（20mm厚水泥砂漿面)[解]gk=0.22m19kN/m3+20.36kN/m2=4.90kN/m2例20.02m20kN/m3=0.4kN/m280mm厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土板0.08m25kN/m3=2.0kN/m212mm厚紙筋石灰泥粉底0.012m16kN/m3=0.192kN/m2gk=∑gki=2.592kN/m2[例3]計算某現(xiàn)澆樓面結構自重的標準值gk[解]20mm厚水泥砂漿面層二、樓面和屋面活荷載1、民用建筑樓面活荷載民用建筑樓面活荷載

持久性活荷載設計基準期內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)—家具等設備產(chǎn)生的荷載

臨時性活荷載設計基準期內(nèi)短暫出現(xiàn)—人員的聚匯荷載民用建筑樓面均布活荷載的標準值

《規(guī)范》（GB50009-2001）表2.1取用

【例如】住宅、宿舍、旅館、辦公樓、醫(yī)院病房、托兒所、幼兒園的建筑樓面均布活荷載的標準值為2.0kN/m2。3、屋面均布活荷載屋面均布活荷載包括施工檢修人員、工具等自重，上人屋面還包括人員臨時聚匯的荷載《規(guī)范》（GB50009-2001）規(guī)定了工業(yè)與民用建筑房屋的屋面其水平投影面上的均布活荷載的標準值：

上人屋面的均布活荷載的標準值：2.0kN/m2

不上人的屋面均布活荷載標準值：0.5kN/m2

屋頂花園均布活荷載標準值：3.0kN/m2

三、雪荷載1、基本雪壓S0單位水平面積上積雪的自重(kN/m2)

系指以當?shù)匾话憧諘缙教沟孛嫔辖y(tǒng)計所得重現(xiàn)期為50年的最大積雪的自重確定?！e雪密度（t/m3）

S0=.h.g

→重力加速度(9.8m/s2)

積雪深度（m）

S0=.h.g

積雪密度

積雪深度、積雪時間、當?shù)氐牡乩須夂驐l件等因素有關我國按《建筑結構荷載規(guī)范》（GB50009-2001)全國基本雪壓分布圖的規(guī)定采用

請同學們查全國基本雪壓分布圖北京地區(qū)基本雪壓S0

？202、屋面雪壓

屋面雪壓---（不同）----地面雪壓

主要原因：風、屋面形式、屋面散熱等3、屋面雪荷載標準值（GB50009-2001）

屋面水平投影面上雪荷載標準值應按下式計算：↓屋面積雪分布系數(shù)↑基本雪壓（kN/m2

）雪荷載標準值（kN/m2）sk=rs0屋面均布活載不與雪荷載同時考慮，設計時取其中較大值。垂直作用于建筑物側(cè)面的風荷載標準值：四、風荷載βz—高度z處的風振系數(shù)；μs—風荷載體形系數(shù)W0—基本風壓μZ—風壓高度變化系數(shù)例題某實驗樓中----典型實驗室平面布置圖如下圖所示。該建筑物為一多層鋼筋混凝土樓（屋）面，板厚120mm，梁L1300*800mm、磚墻的砌體結構，層高3.6m。外墻為水刷石（25mm厚，20kN/m3），內(nèi)墻為砂子抹灰（20mm厚，17kN/m3）墻面，地面為水磨石（20mm厚水泥砂漿打底、10mm厚面層，0.65kN/m2），頂棚為砂子抹灰板條吊頂（平均灰厚25mm，0.55kN/m2吊木在內(nèi)），木門（0.2kN/m2）1800*2400mm，鋼窗（0.45kN/m2）2000*2200mm。求各種作用力參數(shù)。外墻為水刷石（25mm厚,20kN/m3），內(nèi)墻為砂子抹灰（20mm厚,17kN/m3）墻面，地面為水磨石（0.65kN/m2），頂棚為砂子抹灰板條吊頂（0.55kN/m2）木門（0.2kN/m2）1800*2400mm，鋼窗（0.45kN/m2）2000*2200mm1.作用于板的恒載標準值:2.作用于梁的恒載標準值：3.橫墻（無門部分）自重標準值（240mm）：4.橫墻（有門部分）自重標準值（240mm）：5.外縱墻自重標準值：6.算至橫墻中線的每層典型實驗室總恒載標準值和每平方米建筑面積恒載標準值（估計）7.樓面使用活荷載標準值8.雪荷載（1）永久荷載代表值，只有一個代表值就是標準值。（2）可變荷載的標準值，是可變荷載的基本代表值?！奢d基本代表值。指在結構使用期間，在正常情況下出現(xiàn)具有一定保證率的最大荷載。荷載標準值（三）荷載代表值——當結構同時承受兩種或兩種以上可變荷載時，除主導荷載（產(chǎn)生荷載效應最大的荷載）取標準值，其他伴隨荷載取小于其標準值的組合值為代表值?？勺兒奢d組合值28——經(jīng)常作用在結構上的可變荷載,具有較長總持續(xù)時間，對結構的影響有如永久荷載。可變荷載準永久值可變荷載頻遇值可見，可變荷載的四個代表值，除標準值外，其余三項均是在標準值的基礎上乘以某個系數(shù)，?！饔糜诮Y構上時而出現(xiàn)，持續(xù)時間較短的較大可變荷載。有一農(nóng)夫，能肩挑300斤

當給他300斤的擔子時，效應剛好等于抗力；

當給他100斤的擔子時，效應小于抗力；當給他400斤的擔子時，效應大于抗力。挑擔子與結構功能函數(shù)§2.2極限狀態(tài)設計法S——作用產(chǎn)生的效應包括內(nèi)力、變形等；R——結構抗力影響抗力的主要因素有：30材料性能的不確定性——強度、變形模量等幾何參數(shù)的不確定性——構建尺寸計算模式的不確定性——抗力計算采用的基本假設和

計算公式的不夠精確1結構功能要求在設計基準期（一般50年，也有100和25年）內(nèi)，滿足功能要求，即安全性，適用性，耐久性。安全性：滿足特定的與建筑物功能相適應的承載力極限狀態(tài)適用性：保證結構在日常使用中滿足要求耐久性：保證結構的承載力的持續(xù)時間與環(huán)境適應度功能函數(shù)：Z=R-S結果分析Z=R-S>0：Z=R-S<0：Z=R-S=0：結構處于可靠狀態(tài)；結構處于不可靠狀態(tài)，即失效；結構處于極限狀態(tài)，此方程稱極限狀態(tài)方程2、結構功能的極限狀態(tài)（limitstate）

整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設計規(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)。極限狀態(tài)實質(zhì)上是區(qū)分結構可靠與失效的界限。

極限狀態(tài)分為兩類：

承載能力極限狀態(tài)

正常使用極限狀態(tài)——安全性——適用性、耐久性

通常對結構構件先按承載能力極限狀態(tài)進行承載能力計算，然后根據(jù)使用要求按正常使用極限狀態(tài)進行變形、裂縫寬度或抗裂等驗算。當結構或結構構件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，即認為超過了承載能力極限狀態(tài)：結構構件或連接因材料強度不夠而破壞；整個結構或結構的一部分作為剛體失去平衡（如傾覆等）；結構轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系；結構或結構構件喪失穩(wěn)定（如柱子被壓曲等）。34影響正常使用或外觀的變形；影響正常使用或耐久性能的局部損壞（包括裂縫）；影響正常使用的振動；影響正常使用的其他特定狀態(tài)等。當結構或結構構件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，即認為超過了正常使用極限狀態(tài)：3、

結構的功能函數(shù)(performancefunction)和極限狀態(tài)方程(limitstateequation)

按極限狀態(tài)方法設計建筑結構時，要求所設計的結構具有一定的預定功能，這可用包括各有關變量在內(nèi)的結構功能函數(shù)來表達，即——極限狀態(tài)方程

當功能函數(shù)中僅包括作用效應R和結構抗力S兩個基本變量時，可得

當Z＞0時，結構處于可靠狀態(tài)

當Z＜0時，

當Z＝0時，結構處于失效狀態(tài)結構處于極限狀態(tài)——功能函數(shù)（1）結構可靠度理論規(guī)定時間——一般為50年規(guī)定條件——正常設計、正常施工和正常使用4、極限狀態(tài)設計法結構的安全性、適用性和耐久性的總稱——結構可靠性結構在規(guī)定時間內(nèi)，在規(guī)定條件下，完成預定功能的概率?！煽扛怕剩訮s表示在規(guī)定時間內(nèi)，在規(guī)定條件下，不能完成預定功能的概率?！Ц怕?，以Pf表示顯然，可以得到圖3-2R、S的概率密度分布曲線R、S都是隨機的重疊的范圍越小，結構越可靠！如何使重疊的范圍變?。績煞N方法兩點說明結構可靠性越高，建設造價投資越大如何在結構可靠與經(jīng)濟之間取得均衡，就是設計方法要解決的問題結構可靠度與結構使用年限長短有關當結構的使用年限超過設計使用年限后，并不意味著結構就要報廢，但其可靠度將逐漸降低。38

以內(nèi)力和承載力的設計值來表達

（2）極限狀態(tài)實用設計表達式（a）承載能力極限狀態(tài)設計表達式γ0S≤R——結構構件的重要性系數(shù)

重要的建筑物，γ0=1.1一般的建筑物，γ0=1.0次要的建筑物，γ0=0.9按永久荷載標準值計算的荷載效應值按可變荷載標準值

計算的荷載效應值可變荷載效應

中的最大值永久荷載分項系數(shù)第i個可變荷載

的分項系數(shù)第1個可變荷載

的分項系數(shù)可變荷載的組合值系數(shù)

1）由可變荷載效應控制的組合：S的確定2）由永久荷載效應控制的組合恒荷載

效應設計值

活荷載

效應設計值

【例2.2】

某辦公樓鋼筋混凝土矩形截面簡支梁，安全等級為二級，截面尺寸b×h=200mm×400mm，計算跨度ln=

5m，凈跨度l0=4.86m。承受均布線荷載：活荷載標準值7kN/m，恒荷載標準值10kN/m（不包括自重）。試計算按承載能力極限狀態(tài)設計時的跨中彎矩設計值和支座邊緣截面剪力設計值。【解】查得活荷載組合值系數(shù)=0.7。安全等級為二級，則結構重要性系數(shù)=1.0。鋼筋混凝土的重度標準值為25kN/m3，故梁自重標準值為25×0.2×0.4=2kN/m?？偤愫奢d標準值gk=10+2=12kN/m

恒載產(chǎn)生的跨中彎矩標準值和支座邊緣截面剪力標準值分別為：Mgk=gkl02/8

=12×52/8=37.5kN·

m

Vgk=gkln/2=

12×4.86/2=29.16kN

活荷載產(chǎn)生的跨中彎矩標準值和支座邊緣截面剪力標準值分別為：

Mqk=qkl02/8

=7×52/8=21.875kN·mVgk=qkln/2=7×4.86/2=17.01kN

本例只有一個活荷載，即為第一可變荷載。故計算由活載彎矩控制的跨中彎矩設計值時，γG=1.2，γQ=γQ1=1.4。得由活荷載彎矩控制的跨中彎矩設計值和支座邊緣截面剪力標準值分別為：

==1.0×（1.2×37.5+1.4×21.875）=75.625kN·m=1.0×（1.2×29.16+1.4×17.01）=58.806kN=計算由恒載彎矩控制的跨中彎矩設計值時，γG=1.35，

γQ

=1.4，ψc=0.7。得由恒載彎矩控制的跨中彎矩設計值和支座邊緣截面剪力標準值分別為：

=1.0×（1.35×37.5+0.7×1.4×21.875）=72.063kN·m