建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理二

第3章建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理本章內(nèi)容3.1荷載分類及荷載代表值3.2概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法

作用于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的各種荷載使結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生的內(nèi)力（N、M、V、T）和變形、應(yīng)力等，稱為荷載效應(yīng)。荷載效應(yīng)可由力學(xué)方法求得。例如，一簡支梁梁長為l0，承受的垂直均布線荷載為q（已包括梁自重），梁的抗彎剛度為B。則梁跨中由荷載q產(chǎn)生的彎矩為M=1/8ql02，跨中撓度f=5ql04/(384B)，支座處剪力V=1/2ql0。荷載效應(yīng)與結(jié)構(gòu)上的荷載密切相關(guān)，并且是一種因果關(guān)系，即沒有荷載作用就沒有荷載效應(yīng)。3.1.1荷載效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗力1荷載效應(yīng)S結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件抵抗作用效應(yīng)（本書僅指荷載效應(yīng)）的能力，也即結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受內(nèi)力、變形和抗裂等的能力，稱為結(jié)構(gòu)的抗力。影響結(jié)構(gòu)抗力的主要因素是結(jié)構(gòu)所用材料的性能和結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)。2結(jié)構(gòu)抗力R3.2荷載分類及荷載代表值1）永久荷載永久荷載亦稱恒荷載，是指在結(jié)構(gòu)使用期間，其值不隨時間變化，或者其變化與平均值相比可忽略不計(jì)的荷載，如結(jié)構(gòu)自重、土壓力、預(yù)應(yīng)力等。2）可變荷載可變荷載也稱為活荷載，是指在結(jié)構(gòu)使用期間，其值隨時間變化，且其變化值與平均值相比不可忽略的荷載，如樓面活荷載、屋面活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、吊車荷載等。3）偶然荷載在結(jié)構(gòu)使用期間不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)，其量值很大且持續(xù)時間很短的荷載稱為偶然荷載，如爆炸力、撞擊力等。1荷載分類荷載代表值

2荷載代表值定義：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，對于不同的荷載和不同的設(shè)計(jì)情況，應(yīng)賦予荷載不同的量值，該量值即荷載代表值。定義：荷載標(biāo)準(zhǔn)值就是結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)具有一定概率的最大荷載值,它是荷載的基本代表值。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期——為確定可變荷載代表值而選定的時間參數(shù)，一般取為50年。1）荷載標(biāo)準(zhǔn)值

常用材料單位體積的自重（單位kN/m3）

混凝土22-24，

鋼筋混凝土24-25，

水泥砂漿20，

石灰砂漿、混合砂漿17，

普通磚18，

普通磚（機(jī)器制）19，

漿砌普通磚砌體18，

漿砌機(jī)磚砌體19。1)荷載標(biāo)準(zhǔn)值

（1）永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值

按構(gòu)件尺寸和構(gòu)件單位體積自重的標(biāo)準(zhǔn)值來確定。（2）可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值（民用樓面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下表采用）民用建筑樓面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值及其組合值、頻偶值和永久值系數(shù)項(xiàng)次類別標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)組合值系Ψc頻偶值系Ψf準(zhǔn)永久值系數(shù)Ψq1（1）住宅、宿舍、旅館、辦公樓、醫(yī)院病房、托兒所、幼兒園（2）教室、實(shí)驗(yàn)室、閱覽室、會議室、醫(yī)院門診室2.00.70.50.60.40.52食堂、辦公樓中的一般資料檔案室2.50.70.60.53（1）禮堂、劇場、影院、有固定座位的看臺（2）公共洗衣房3.03.00.70.70.50.60.30.54（1）商店、展覽廳、車站、港口、機(jī)場大廳及其旅客等候室（2）無固定座位的看臺3.53.50.70.70.60.50.50.35（1）健身房、演出舞臺（2）舞廳4.04.00.70.70.60.60.50.36（1）書庫、檔案室、儲藏室（2）密集柜書庫5.012.00.90.90.87通風(fēng)機(jī)房、電梯機(jī)房7.00.90.90.88汽車通道及停車庫（1）單向板樓蓋（板跨不小于2m）客車消防車（2）雙向板樓蓋和無梁樓蓋（柱網(wǎng)尺寸不小于6m×6m）客車消防車4.035.02.520.00.70.70.70.70.70.70.70.70.60.60.60.6（2）可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值（民用樓面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下表采用）9廚房（1）一般的（2）餐廳2.04.00.70.70.60.70.50.710浴室、廁所、盥洗室：（1）第1項(xiàng)中的民用建筑（2）其他民用建筑2.02.50.70.70.50.60.40.511走廊、門廳、樓梯：（1）宿舍、旅館、醫(yī)院病房、托兒所、幼兒園、住宅（2）辦公樓、教室、餐廳、醫(yī)院門診部（3）消防疏散樓梯、其他民用建筑2.02.53.50.70.70.70.50.60.50.40.50.312陽臺：（1）一般情況（2）當(dāng)人群有可能密集時2.53.50.70.60.5注：①本本表所列列各項(xiàng)活活荷載適適用于一一般使用用條件，，當(dāng)使用用荷載大大時，應(yīng)應(yīng)按實(shí)際際情況采采用。②本表各各項(xiàng)荷載載不包括括隔墻自自重和二二次裝修修荷載。。（2）可變荷荷載標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值（民用樓面均布布活荷載載標(biāo)準(zhǔn)值值按下表表采用））注：①不不上人的的屋面，，當(dāng)使用用荷載大大時，應(yīng)應(yīng)按實(shí)際際情況采采用。②上人的的屋面，，當(dāng)兼作作其他用用途時，，應(yīng)按相相應(yīng)樓面面活荷載載采用；；③對于因因屋面排排水不暢暢、堵塞塞等引起起積水荷荷載，應(yīng)應(yīng)采取構(gòu)構(gòu)造措施施加加以防止，必要要時應(yīng)按按積水的的可能深深度確定定屋面活活荷載。。②屋頂花花園活荷荷載不包包括花圃圃土石等等材料自自重。（2）可變荷荷載標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值（民用屋面均布布活荷載載標(biāo)準(zhǔn)值值按下表表采用））民用建筑屋面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值及其組合值、頻偶值和永久值系數(shù)項(xiàng)次類別標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)組合值系Ψc頻偶值系Ψf準(zhǔn)永久值系數(shù)Ψq1不上人的屋面0.50.70.502上人的屋面2.00.70.50.43屋頂花園3.00.70.60.52）可變荷荷載準(zhǔn)永永久值在設(shè)計(jì)基基準(zhǔn)期內(nèi)內(nèi)經(jīng)常達(dá)達(dá)到或超超過的那那部份荷荷載值（（總的持持續(xù)時間間不低于于25年），稱稱為可變變荷載準(zhǔn)準(zhǔn)永久值值?？勺兒奢d載準(zhǔn)永久久值可表表示為ψqＱk，其中Ｑk為可變荷荷載標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值，ψq為可變荷荷載準(zhǔn)永永久值系系數(shù)。ψq值見前表表。3）可變荷載載組合值值兩種或兩種以以上可變荷載載同時作用于于結(jié)構(gòu)上時，，除主導(dǎo)荷載載（產(chǎn)生最大大效應(yīng)的荷載載）仍可以其其標(biāo)準(zhǔn)值為代代表值外，其其他伴隨荷載載均應(yīng)以小于于標(biāo)準(zhǔn)值的荷荷載值為代表表值，此即可可變荷載組合合值?？勺兒奢d組合合值可表示為為ψcＱk。其中ψc為可變荷載組組合值系數(shù)，，其值按前表表查取。4）可變荷載頻遇遇值對可變荷載，，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)準(zhǔn)期內(nèi)，其超超越的總時間間為規(guī)定的較較小比率或超超越頻率為規(guī)規(guī)定頻率的荷荷載值（總的的持續(xù)時間不不低于50年），稱為可可變荷載頻遇遇值。可變荷載頻遇遇值可表示為為ψfＱk。其中ψf為可變荷載頻頻遇值系數(shù)，，其值按前表表查取。3.2概率極限狀態(tài)態(tài)設(shè)計(jì)法（1）結(jié)構(gòu)的安全全等級《建筑結(jié)構(gòu)可靠靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一一標(biāo)準(zhǔn)》GB50068-2001（以下簡稱《統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》）規(guī)定，建筑筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時時，應(yīng)根據(jù)結(jié)結(jié)構(gòu)破壞可能能產(chǎn)生的后果果（危及人的的生命、造成成經(jīng)濟(jì)損失、、產(chǎn)生社會影影響等）的嚴(yán)嚴(yán)重性，采用用不同的安全全等級。1極限狀態(tài)建筑結(jié)構(gòu)的安全等級安全等級破壞后果建筑物類型一級很嚴(yán)重重要的房屋二級嚴(yán)重一般的房屋三級不嚴(yán)重次要的房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限分類設(shè)計(jì)使用年限示例5臨時性結(jié)構(gòu)25易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件50普通房屋和構(gòu)筑物100紀(jì)念性建筑和特別重要的建筑結(jié)構(gòu)（2）設(shè)計(jì)使用年年限，是指設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)定的結(jié)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件不需進(jìn)行行大修即可按按其預(yù)定目的的使用的時期期。（3）結(jié)構(gòu)的功能能要求能承受正常施施工和使用時時的各種作用用，以及偶然然事件發(fā)生時時，仍能保持持整體穩(wěn)定性性。在正常使用時，能能保證具有良好的的工作性能，不出出現(xiàn)過大的變形和和裂縫。在正常使用及維護(hù)護(hù)下，具有足夠的的耐久性能，不發(fā)發(fā)生銹蝕和風(fēng)化現(xiàn)現(xiàn)象。＊安全性＊適用性＊耐久性例如，不會出現(xiàn)影影響正常使用的過過大變形或振動；；不會產(chǎn)生使使用用者感到不安的裂裂縫寬度等。例如，結(jié)構(gòu)材料不不致出現(xiàn)影響功能能的損壞，鋼筋混混凝土構(gòu)件的鋼筋筋不致因保護(hù)層過過薄或裂縫過寬而而銹蝕等。即結(jié)構(gòu)僅產(chǎn)生局部部的損壞而不致發(fā)發(fā)生連續(xù)倒塌。結(jié)構(gòu)的安全性、適適用性和耐久性是是結(jié)構(gòu)可靠的標(biāo)志志，總稱為結(jié)構(gòu)的的可靠性。結(jié)構(gòu)的可靠度是結(jié)結(jié)構(gòu)可靠性的概率率度量，即對結(jié)構(gòu)構(gòu)可靠性的定量描描述。結(jié)構(gòu)可靠性的定義義是，結(jié)構(gòu)在規(guī)定定時間內(nèi)，規(guī)定條條件下，完成預(yù)定定功能的能力。注意：1、結(jié)構(gòu)可靠度與結(jié)結(jié)構(gòu)使用年限長短短有關(guān)?！督y(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》以結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為計(jì)算結(jié)結(jié)構(gòu)可靠度的時間間基準(zhǔn)。2、當(dāng)結(jié)構(gòu)的使用年年限超過設(shè)計(jì)使用用年限后，并不意意味著結(jié)構(gòu)就要報(bào)報(bào)廢，但其可靠度將將逐漸降低。（3）結(jié)構(gòu)的功能要求求2.結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(tài)（1）承載能力極限狀態(tài)針對安全性如：整個結(jié)構(gòu)或結(jié)結(jié)構(gòu)的一部分作為為剛體失去穩(wěn)定；結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因因材料強(qiáng)度不夠而而壞；結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動體體系；結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪喪失穩(wěn)定等。定義：整個結(jié)構(gòu)或或結(jié)構(gòu)的一部份，，超過某一特定狀狀態(tài)就不能滿足設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功功能（安全性、適適用性、耐久性））要求，該特定狀狀態(tài)稱為該功能的的極限狀態(tài)。結(jié)構(gòu)構(gòu)極限狀態(tài)分為以以下兩類：結(jié)構(gòu)超過承載能力力極限狀態(tài)的示例例2.結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(tài)（2）正常使用極限狀態(tài)針對適用性和耐久久性如：出現(xiàn)影響正常常使用或外觀的變變形；影響正常使用或耐耐久性的局部損壞壞；影響正常使用的振振動。工程設(shè)計(jì)時，一般般先按承載力極限限狀態(tài)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件，再按正常使用極限限狀態(tài)驗(yàn)算。3.結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)（1）作用效應(yīng)S作用（荷載）對結(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的各種效效應(yīng)，

如彎矩、、剪力、軸力、變變形、裂縫等MVNfw結(jié)構(gòu)構(gòu)件抵抗各種種作用效應(yīng)的能力力。

如抗彎、抗抗剪、抗壓、抗拉拉、抗扭承載力以以及抗變形、抗抗裂縫的能力。（2）結(jié)構(gòu)抗力R3.結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)當(dāng)Ｚ＞0即R＞S時，結(jié)構(gòu)處于可靠靠狀態(tài)；

當(dāng)Ｚ＜0即R＜S時，結(jié)構(gòu)處于失效效狀態(tài)；

當(dāng)Ｚ=0即R=S時，結(jié)構(gòu)處于極限限狀態(tài)。關(guān)系式ｇ(S，R)＝R－S＝0稱為極限狀態(tài)方程程。4實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式（1）實(shí)用表達(dá)式：S≤RR—結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力力設(shè)計(jì)值，即抗力力設(shè)計(jì)值S—荷載效應(yīng)基本組合合或偶然組合的設(shè)設(shè)計(jì)值（2）荷載效應(yīng)基本組組合設(shè)計(jì)值S對于基本組合，荷荷載效應(yīng)組合的設(shè)設(shè)計(jì)值S應(yīng)從由可變荷載效效應(yīng)控制的組合和和由永久荷載效應(yīng)應(yīng)控制的組合中取取最不利值確定。。：結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要要性系數(shù)，對安全全等級為一級或設(shè)設(shè)計(jì)使用年限為100年及以上的結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于1.1；對安全等級為二二級或設(shè)計(jì)使用年年限為50年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不不應(yīng)小于1.0；對安全等級為三三級或設(shè)計(jì)使用年年限為5年及以下的結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于0.9；在抗震設(shè)計(jì)中，，不考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件件的重要性系數(shù)。。1）由可變荷載效應(yīng)應(yīng)控制的組合γG：永久荷載分項(xiàng)系數(shù)數(shù)；SGk：永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值Gk計(jì)算的荷載效應(yīng)值值；γQi：第i個可變荷載的分項(xiàng)項(xiàng)系數(shù)；SQik：按可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值值Qi計(jì)算的荷載效應(yīng)值值;ψci：可變荷載Qi的組合值系數(shù)，民用用建筑樓面均布活活荷載、屋面均布活活荷載的組合值系系數(shù)；荷載分項(xiàng)系數(shù)的取值荷載特性荷載分項(xiàng)系數(shù)永久荷載永久荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利由可變荷載效應(yīng)控制的組合1.2由永久荷載效應(yīng)控制的組合1.35永久荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利1.0傾覆、滑移或飄浮驗(yàn)算0.9可變荷載一般情況1.4對標(biāo)準(zhǔn)值大于4kN/m2的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的活荷載取1.3應(yīng)用以上兩個公式式時應(yīng)注意以下問問題：當(dāng)考慮以豎向的永永久荷載效應(yīng)控制制的組合時，參與與組合的可變荷載載僅限于豎向荷載載。2）由永久荷載效應(yīng)應(yīng)控制的組合荷載分項(xiàng)系數(shù)的取值荷載特性分項(xiàng)系數(shù)永久

荷載永久荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利由可變荷載效應(yīng)控制的組合1.2由永久荷載效應(yīng)控制的組合1.35永久荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利1.0傾覆、滑移或飄浮驗(yàn)算0.9可變

荷載一般情況1.4對標(biāo)準(zhǔn)值大于4kN/m2的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的活荷載取1.3【例】某辦公樓鋼筋混凝凝土矩形截面簡支支梁，安全等級為為二級，截面尺寸寸b×h=200mm××400mm，計(jì)算跨度ln=5m，凈跨度l0=4.86m。承受均布線荷載：：活荷載標(biāo)準(zhǔn)值7kN/m，恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值10kN/m（不包括自重）。試試計(jì)算按承載能力力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時時的跨中彎矩設(shè)計(jì)計(jì)值和支座邊緣截截面剪力設(shè)計(jì)值。?！窘狻坑杀?.1.1查得活荷載組合值值系數(shù)=0.7。安全等級為二級級，則結(jié)構(gòu)重要性性系數(shù)=1.0。鋼筋混凝土的重度度標(biāo)準(zhǔn)值為25kN/m3，故梁自重標(biāo)準(zhǔn)值為為25×0.2×0.4=2kN/m?？偤愫奢d標(biāo)準(zhǔn)值gk=10+2=12kN/m恒載產(chǎn)生的跨中彎彎矩標(biāo)準(zhǔn)值和支座座邊緣截面剪力標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值分別為：Mgk=gkl02/8=12×52/8=37.5kN·mVgk=gkln/2=12×4.86/2=29.16kN活荷載產(chǎn)生的跨跨中彎矩標(biāo)準(zhǔn)值值和支座邊緣截截面剪力標(biāo)準(zhǔn)值值分別為：Mqk=qkl02/8=7×52/8=21.875kN·mVgk=qkln/2=7××4.86/2=17.01kN本例只有一個活活荷載，即為第第一可變荷載。。故計(jì)算由活載載彎矩控制的跨跨中彎矩設(shè)計(jì)值值時，γG=1.2，γQ=γQ1=1.4。由式（1.2.3）得由活荷載彎彎矩控制的跨中中彎矩設(shè)計(jì)值和和支座邊緣截面面剪力設(shè)計(jì)值分分別為：γ0(γGMgk+γQ1Mq1k)=γ0(γGMgk+γQMqk)=1.0××(1.2×37.5+1.4×21.875)=75.625kN·mγ0(γGVgk+γQ1Vq1k)=γ0(γGVgk+γQVqk)=1.0××(1.2×29.16+1.4×17.01)=75.625kN·m取較大值得跨中中彎矩設(shè)計(jì)值M=75.625kN·m，支座邊緣截面剪剪力設(shè)計(jì)值V=58.806kN計(jì)算由恒載彎矩矩控制的跨中彎彎矩設(shè)計(jì)值時，，γG=1.35，γQ=1.4，Ψc=0.7。由式（1.2.4）得由恒載彎矩矩控制的跨中彎彎矩設(shè)計(jì)值和支支座邊緣截面剪剪力設(shè)計(jì)值分別別為：γ0(γGMgk+ΨcγQMqk)=1.0××(1.35××37.5+0.7×1.4×21.875）=72.