結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通論

建筑結(jié)構(gòu)分析與力學(xué)模型補(bǔ)充章節(jié)結(jié)構(gòu)工程師的任務(wù)在技術(shù)經(jīng)濟(jì)許可的前提下，盡可能的滿(mǎn)足建筑師的總體設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出安全、經(jīng)濟(jì)、耐久及可施工型好的土木工程結(jié)構(gòu)。保證結(jié)構(gòu)承載力、剛度和穩(wěn)定性；提高結(jié)構(gòu)的耐久性、延性及抗火防災(zāi)能力準(zhǔn)確的荷載計(jì)算、恰當(dāng)?shù)挠?jì)算簡(jiǎn)圖、正確的分析方法、合理的構(gòu)造措施1.1建筑結(jié)構(gòu)的類(lèi)型按用途工業(yè)建筑民用建筑按層數(shù)單層多層高層超高層按結(jié)構(gòu)材料木結(jié)構(gòu)砌體結(jié)構(gòu)砼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)組合結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)形式排架結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)剪力墻結(jié)構(gòu)筒體結(jié)構(gòu)大跨結(jié)構(gòu)框架—剪力墻結(jié)構(gòu)高規(guī)以8層作為界限防火規(guī)范10層住宅和24米作為界限結(jié)構(gòu)選型上部結(jié)構(gòu)選型下部結(jié)構(gòu)（基礎(chǔ)）選型結(jié)構(gòu)布置定位軸線－確定構(gòu)件水平位置構(gòu)件布置設(shè)置變形縫一、方案設(shè)計(jì)（初步設(shè)計(jì)）主要構(gòu)件截面尺寸估算變形條件、穩(wěn)定條件平面位置－定位軸線豎向位置－標(biāo)高伸縮縫－溫度應(yīng)力沉降縫－不均勻沉降防震縫－碰撞1.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程：方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析構(gòu)件設(shè)計(jì)繪施工圖（科學(xué)、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)、可實(shí)施）定位軸線①②③④⑤⑥⑦⑧DCBA①②③④⑤DCBA250120D封閉結(jié)合非封閉結(jié)合計(jì)算簡(jiǎn)圖二、結(jié)構(gòu)分析簡(jiǎn)化三原則（注意適用條件）盡可能反映實(shí)際受力特性→分析影響因素偏于安全→保證結(jié)構(gòu)可靠度簡(jiǎn)單→滿(mǎn)足工程精度數(shù)學(xué)方法解析解→簡(jiǎn)單模型→理論解數(shù)值解→復(fù)雜模型→近似解→電算計(jì)算理論線彈→假定材料和構(gòu)件均為線彈性塑性→考慮材料的塑性性能非線性材料非線性→材料、截面或構(gòu)件的非線性本構(gòu)關(guān)系幾何非線性→結(jié)構(gòu)變形對(duì)其內(nèi)力的二階效應(yīng)計(jì)算結(jié)構(gòu)在各種作用下的效應(yīng)三、構(gòu)件設(shè)計(jì)四、繪制施工圖正確規(guī)范簡(jiǎn)潔美觀兩項(xiàng)工作內(nèi)容包括截面設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算

構(gòu)造在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一部分內(nèi)容根據(jù)計(jì)算確定，另一部分內(nèi)容則根據(jù)構(gòu)造規(guī)定確定。構(gòu)造是計(jì)算的重要補(bǔ)充，二者同等重要。構(gòu)造處理的原因：

作為計(jì)算假定的保證作為計(jì)算中忽略某個(gè)因素或某項(xiàng)內(nèi)容的彌補(bǔ)和補(bǔ)充1.2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般要求當(dāng)整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過(guò)某一特定狀態(tài)，而不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求時(shí)，稱(chēng)此特定狀態(tài)為結(jié)構(gòu)對(duì)該功能的極限狀態(tài)。根據(jù)設(shè)計(jì)中要求考慮的結(jié)構(gòu)功能，其極限狀態(tài)在總體上可分為兩大類(lèi):承載能力極限狀態(tài)；正常使用極限狀態(tài)。設(shè)計(jì)中的極限狀態(tài)往往以結(jié)構(gòu)的某種荷載效應(yīng)，如內(nèi)力、應(yīng)力、變形、裂縫等超過(guò)相應(yīng)規(guī)定的標(biāo)志為依據(jù)。1、計(jì)算內(nèi)容承載能力極限狀態(tài)計(jì)算正常使用極限狀態(tài)計(jì)算承載力(強(qiáng)度、穩(wěn)定）傾覆滑移漂浮變形抗裂和裂縫寬度耐久性疲勞計(jì)算內(nèi)容2、荷載效應(yīng)組合

由可變荷載效應(yīng)控制

由永久荷載效應(yīng)控制承載能力極限狀態(tài)的基本組合：效應(yīng)最大的一項(xiàng)可變荷載以標(biāo)準(zhǔn)值為代表值其余可變荷載（伴隨荷載）以組合值為代表值所有的可變荷載均以組合值為代表值結(jié)構(gòu)上數(shù)種作用效應(yīng)同時(shí)發(fā)生時(shí)，應(yīng)通過(guò)結(jié)構(gòu)分析分別求出每一種作用下的效應(yīng)后，考慮其可能的最不利組合，作為該極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)依據(jù)?；窘M合荷載分項(xiàng)系數(shù)：1.永久荷載分項(xiàng)系數(shù)：（1）當(dāng)其效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)，由可變荷載效應(yīng)控制的組合，取1.2；由永久荷載效應(yīng)控制的組合，取1.35；（2）當(dāng)其效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)，一般情況取1.0；結(jié)構(gòu)傾覆、滑移、漂浮驗(yàn)算，取0.9。2.可變荷載分項(xiàng)系數(shù)一般取1.4；標(biāo)準(zhǔn)值大于4KN/m2工業(yè)樓面活載取1.3。注：1、基本組合中的設(shè)計(jì)值僅適用于荷載與荷載效應(yīng)為線性的情況；2、當(dāng)對(duì)SQ1k無(wú)法明顯判斷時(shí)，輪次以各可變荷載效應(yīng)為SQ1k，選其中最不利的荷載效應(yīng)組合；3、當(dāng)考慮以豎向的永久荷載效應(yīng)控制的組合時(shí)，參與組合的可變荷載僅限于豎向荷載。僅考慮荷載效應(yīng)最大的一項(xiàng)可變荷載，以標(biāo)準(zhǔn)值為代表值

所有可變荷載以組合值為代表值，組合系數(shù)取0.9

承載能力極限狀態(tài)的簡(jiǎn)化組合（排架、框架結(jié)構(gòu)）：

由可變荷載效應(yīng)控制

由永久荷載效應(yīng)控制的組合同基本組合

準(zhǔn)永久組合：

標(biāo)準(zhǔn)組合：

頻遇組合：

正常使用極限狀態(tài)的組合荷載效應(yīng)最大的一項(xiàng)可變荷載取標(biāo)準(zhǔn)值，其余可變荷載取組合值主導(dǎo)可變荷載取頻遇值，伴隨可變荷載取準(zhǔn)永久值所有可變荷載均以準(zhǔn)永久值為代表值3內(nèi)力組合水平構(gòu)件豎向構(gòu)件最大彎矩（扭矩）及相應(yīng)的剪力最大剪力及相應(yīng)的彎矩（扭矩）最大軸力及相應(yīng)的彎矩和剪力（最小軸力及相應(yīng)的彎矩和剪力）最大彎矩及相應(yīng)的剪力和軸力1.2.3抗震設(shè)計(jì)1、我國(guó)的抗震設(shè)防烈度為6~9度，稱(chēng)為基本烈度。2、抗震設(shè)防有三個(gè)水準(zhǔn)目標(biāo)：“小震不壞、中震可修、大震不倒”第一水準(zhǔn)烈度：眾值烈度，比基本烈度約低一度半，50年超越概率約為63%，結(jié)構(gòu)處于正常使用狀態(tài)；第二水準(zhǔn)烈度：基本烈度，50年超越概率約為10%，結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性工作階段；第三水準(zhǔn)烈度：罕遇地震，50年超越概率約為2~3%，結(jié)構(gòu)有較大的非彈性變形，但在一定的控制范圍內(nèi)，不致倒塌。3、抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容抗震構(gòu)造；多遇地震下的承載力計(jì)算和變形驗(yàn)算；罕遇地震下的薄弱層彈塑性變形計(jì)算。4、抗震承載力計(jì)算公式5、抗震等級(jí)的劃分鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)類(lèi)型和房屋高度劃分為一～四級(jí)抗震等級(jí)，抗震計(jì)算和抗震構(gòu)造均與抗震等級(jí)有關(guān)?；炷两Y(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)1.3建筑結(jié)構(gòu)的作用1.3.1建筑作用的種類(lèi)樓（屋）面可變荷載風(fēng)荷載吊車(chē)荷載永久荷載（重力荷載、土壓力等）可變荷載偶然荷載（如爆炸、撞擊）直接作用間接作用（如地震作用、地基變形、材料收縮、焊接應(yīng)力、溫度變化等。）作用使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生效應(yīng)的各種原因的總稱(chēng)。1.3.2荷載代表值任何荷載都具有不同性能的變異性，但在設(shè)計(jì)中不可能直接引用反映荷載變異性的各種統(tǒng)計(jì)參數(shù)，通過(guò)復(fù)雜的概率運(yùn)算進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。故在設(shè)計(jì)時(shí)，除了采用能便于設(shè)計(jì)者使用的設(shè)計(jì)表達(dá)式外，對(duì)荷載仍應(yīng)賦予一個(gè)規(guī)定的量值，稱(chēng)為荷載代表值。載荷可根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，規(guī)定不同的代表值，使之能更確切反映其在設(shè)計(jì)中的特點(diǎn)。

1、永久荷載：

標(biāo)準(zhǔn)值

組合值2、可變荷載使組合后的荷載效應(yīng)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)的超越概率與該荷載單獨(dú)出現(xiàn)時(shí)相應(yīng)的概率一致的荷載值?？勺兒奢d的組合值取標(biāo)準(zhǔn)值乘以組合值系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值（特征值）－結(jié)構(gòu)使用期間可能出現(xiàn)的最大荷載值主導(dǎo)荷載仍以其標(biāo)準(zhǔn)值為代表值

頻遇值準(zhǔn)永久值可變荷載的頻遇值取標(biāo)準(zhǔn)值乘以頻遇值系數(shù)可變荷載的準(zhǔn)永久值取標(biāo)準(zhǔn)值乘以準(zhǔn)永久值系數(shù)可見(jiàn)，可變荷載的四個(gè)代表值，除標(biāo)準(zhǔn)值外，其余三項(xiàng)均是在標(biāo)準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上乘以某個(gè)系數(shù)，可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值稱(chēng)為基本代表值。在結(jié)構(gòu)上時(shí)而出現(xiàn)的較大荷載值具有較長(zhǎng)的總持續(xù)時(shí)間，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響有如永久荷載3、偶然荷載按結(jié)構(gòu)使用特點(diǎn)確定其代表值1.3.3可變荷載的一般特性對(duì)于可變荷載需要用隨機(jī)過(guò)程概率模型進(jìn)行描述1.3.4樓面和屋面可變荷載1.樓面均布可變荷載樓面均布活荷載可分為持久性可變荷載和臨時(shí)性可變荷載。2.屋面可變荷載

雪荷載

屋面均布可變荷載（表1-7）

屋面積灰荷載（表1-8）屋面可變荷載均按水平投影面積計(jì)算；屋面均布可變荷載與雪荷載不同時(shí)考慮?！┖奢d標(biāo)準(zhǔn)值；—屋面積雪分布系數(shù)，與屋面形狀有關(guān)；—基本雪壓，根據(jù)當(dāng)?shù)乜諘缙教沟孛娼y(tǒng)計(jì)所得50年一遇最大積雪的自重確定。雪荷載的組合值系數(shù)取0.7，頻遇值系數(shù)取0.6，確定準(zhǔn)永久值系數(shù)時(shí)全國(guó)分為三個(gè)地區(qū)。雪荷載計(jì)算1.3.5風(fēng)荷載對(duì)于主要承重結(jié)構(gòu)，風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值的表達(dá)可有兩種形式：（1）平均風(fēng)壓加上由脈動(dòng)風(fēng)引起導(dǎo)致結(jié)構(gòu)風(fēng)振的等效風(fēng)壓；（2）平均風(fēng)壓乘以風(fēng)振系數(shù)。因結(jié)構(gòu)風(fēng)振計(jì)算中，一般第1振型起主要作用，故我國(guó)與大多數(shù)國(guó)家一樣，采用第（2）種表達(dá)形式，即采用風(fēng)振系數(shù)（綜合考慮結(jié)構(gòu)在風(fēng)載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，包括風(fēng)速隨時(shí)間、空間的變異性和結(jié)構(gòu)的阻尼特性等因素）。風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式——基本風(fēng)壓?！L(fēng)壓高度系數(shù)；——風(fēng)載體形系數(shù)；——風(fēng)振系數(shù)；——重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù)；式中風(fēng)荷載的組合值系數(shù)取0.6，頻遇值系數(shù)取0.4，準(zhǔn)永久值系數(shù)為0。2.風(fēng)壓高度系數(shù)基本風(fēng)壓是建立在空曠平坦地面離地高10米處的風(fēng)速基礎(chǔ)上，對(duì)于不同的高度和地貌情況，需要對(duì)風(fēng)壓進(jìn)行修正，故用風(fēng)壓高度系數(shù)來(lái)反映。1.基本風(fēng)壓根據(jù)當(dāng)?shù)乜諘缙教沟孛骐x地高10米10分鐘平均風(fēng)速，經(jīng)統(tǒng)計(jì)確定重現(xiàn)期為50年的最大風(fēng)速，作為當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)速，再按貝努利公式確定基本風(fēng)壓。3.風(fēng)載體型系數(shù)由風(fēng)速換算得到的風(fēng)壓是所謂風(fēng)速壓，不能直接作為建筑設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)荷載，建筑本身并不是理想地使原自由氣流停滯，而是讓氣流以不同方式在其表面繞過(guò)，對(duì)氣流形成某種干撓。建筑物表面的實(shí)際壓力與其形狀有關(guān)，與來(lái)流風(fēng)壓的比值用表示，見(jiàn)表1-11。風(fēng)載體型系數(shù)指風(fēng)作用在建筑表面上所引起的實(shí)際壓力（或吸力）與來(lái)流風(fēng)的速度壓的比值。其描述的是建筑表面在穩(wěn)定風(fēng)壓作用下的靜態(tài)壓力的分布規(guī)律，主要與建筑物體型和尺度有關(guān)，也與周邊環(huán)境及地面粗糙度有關(guān)。風(fēng)向風(fēng)壓垂直于建筑物表面。對(duì)于，新荷載規(guī)范7.3.2條提出：對(duì)建筑群體要考慮建筑物相互干擾的影響；可將單獨(dú)建筑乘以相互干擾增大系數(shù)或通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)得出。為正時(shí)代表風(fēng)壓，即靠近表面；為負(fù)時(shí)代表風(fēng)吸，即離開(kāi)表面。4.風(fēng)振系數(shù)時(shí)間風(fēng)壓長(zhǎng)周期風(fēng)壓的變化可以分成兩部分：一個(gè)是長(zhǎng)周期部分；另一個(gè)是短周期部分。為便于分析，可以把實(shí)際風(fēng)壓分解為平均風(fēng)壓與脈動(dòng)風(fēng)壓。規(guī)范規(guī)定：對(duì)于高度大于30m且高寬比H/B大于1.5的房屋結(jié)構(gòu)，以及自振周期T1大于0.25s高聳結(jié)構(gòu)必須考慮脈動(dòng)效應(yīng)。風(fēng)壓時(shí)程曲線風(fēng)的長(zhǎng)周期比一般結(jié)構(gòu)的自振周期大得多，因而對(duì)結(jié)構(gòu)的作用相當(dāng)于靜力作用；而風(fēng)脈動(dòng)周期只有幾秒，與高層和高聳結(jié)構(gòu)的的自振周期相當(dāng)。（1-15）——脈動(dòng)增大系數(shù)，按表1-12取用；——脈動(dòng)影響系數(shù)，對(duì)于均勻結(jié)構(gòu)可按表1-13取用；——結(jié)構(gòu)振型系數(shù),對(duì)于規(guī)則結(jié)構(gòu)可取z/H。zH對(duì)于多高層房屋，通常將分布風(fēng)荷載轉(zhuǎn)換成作用在每層樓面處的集中風(fēng)荷載。風(fēng)振系數(shù)定義為考慮脈動(dòng)效應(yīng)的總風(fēng)壓與靜風(fēng)壓（平均風(fēng)壓）之比。經(jīng)近似簡(jiǎn)化，得到5.橫風(fēng)向風(fēng)振當(dāng)建筑物受到風(fēng)力作用時(shí)，不但順風(fēng)向可能發(fā)生風(fēng)振，且在一定條件下，也能發(fā)生橫風(fēng)向的風(fēng)振。橫風(fēng)向風(fēng)振由不穩(wěn)定空氣動(dòng)力形成，性質(zhì)復(fù)雜，包括旋渦脫落、馳振、顫振、擾振等空氣動(dòng)力現(xiàn)象。如對(duì)圓截面柱體結(jié)構(gòu)，當(dāng)發(fā)生旋渦脫落時(shí)，若脫落頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率相近，將出現(xiàn)共振。

對(duì)重要的柔性結(jié)構(gòu)，應(yīng)在風(fēng)洞試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。

[例題1-1]一高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，平面形狀為正六邊形，邊長(zhǎng)為20m。房屋共20層，除底層層高為5m外，其余層高為3.6m。該房屋的第一自振周期T1=1.2S，所在地區(qū)的基本風(fēng)壓地面粗糙度為C類(lèi)。試計(jì)算各樓層處與風(fēng)向一致方向總的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。34.64m風(fēng)向[解]1確定體形系數(shù)0-0.5+0.8-0.50-0.5①②③④該房屋共有6個(gè)面，查表1-11得到各個(gè)面的風(fēng)荷載體形系數(shù)，如圖所示，不為零的4個(gè)面分別用①②③④表示。20m2計(jì)算各層的風(fēng)壓高度系數(shù)近似假定室內(nèi)外地面相同，則二層樓面離室外地面高度為5m，查表1-10，對(duì)于C類(lèi)地面粗糙度，同理可求得其余各層樓面標(biāo)高處的風(fēng)壓高度系數(shù)。3計(jì)算風(fēng)振系數(shù)查表1-12房屋高寬比H/B=(5+3.6×19)/34.64=2.1查表1-13，對(duì)于質(zhì)量和剛度沿高度比較均勻的房屋，結(jié)構(gòu)振型系數(shù)可以取對(duì)于C類(lèi)地面，乘0.62根據(jù)0.62×1.01=0.634計(jì)算各個(gè)面不同高度的分布風(fēng)荷載5計(jì)算各個(gè)面各樓層處的集中風(fēng)荷載6計(jì)算各樓層處總的風(fēng)荷載風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果1.4結(jié)構(gòu)的耐火設(shè)計(jì)不燃燒體：在空氣中受到火燒或高溫作用時(shí)，不起火、不燃燒、不碳化。1.4.1結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火性能一、構(gòu)件的燃燒性能難燃燒體：在空氣中受到火燒或高溫作用時(shí)，難起火、難燃燒、難碳化，當(dāng)火源移走后，燃燒或微燃立即停止。燃燒體：在明火或高溫作用時(shí)，能立即著火燃燒，且火源移走后，仍能繼續(xù)燃燒或微燃。目的：為了保證火災(zāi)發(fā)生時(shí)以及發(fā)生后結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，不至于整體倒塌。衡量結(jié)構(gòu)耐火性能的指標(biāo)：燃燒性能和耐火極限

是指在標(biāo)準(zhǔn)的耐火試驗(yàn)中，從構(gòu)件受到火的作用，到失去穩(wěn)定性或完整性或絕熱性為止的時(shí)間，以小時(shí)計(jì)。二、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限

火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線（試驗(yàn)爐內(nèi)溫度隨時(shí)間變化曲線）最早