10-混凝土結構設計一般原則和方法

10混凝土結構設計一般原則和方法10混凝土結構設計一般原則和方法10混凝土結構設計一般原則和方法10混凝土結構設計一般原則和方法10混凝土結構設計一般原1本章的主要內容

1.建筑結構設計的一般原則；

2.建筑結構荷載；

3.結構的功能要求和極限狀態(tài)；

4.按近似概率的極限狀態(tài)設計法；

5.實用設計表達式本章的主要內容10.1建筑結構設計的一般原則建筑結構的組成和類型

組成：建筑結構是建筑物的受力主體，以室外地面為界，分為上部結構和下部結構兩部分。上部結構：水平結構體系和豎向結構體系組成。下部結構：主要由地下室和基礎組成。

類型：以上部結構的結構類型命名。結構材料：砌體、混凝土、鋼、組合和混合結構豎向結構體系：排架、框架、剪力墻、框剪和筒體結構等10.1建筑結構設計的一般原則建筑結構的組成和類型

組成二建筑結構設計的階段和內容

1．工程建設三環(huán)節(jié):工程勘察、工程設計和工程施工。

2.建筑結構設計是工程設計的重要組成部分，一般分為三個階段：初步設計、技術設計和施工圖設計。10.1建筑結構設計的一般原則三建筑結構設計的一般原則

安全、適用、耐久和經濟合理具體設計原則見P2。二建筑結構設計的階段和內容

1．工程建設三環(huán)節(jié):工程一、作用：作用是使結構產生內力、變形或應力、應變的所有原因。直接作用：施加在結構上的集中和分布荷載，簡稱荷載

間接作用：引起結構外加變形和約束變形的其他作用（如混凝土收縮，地基沉降，溫度變化、地震等）。10.2建筑結構荷載一、作用：10.2建筑結構荷載二、荷載的分類按作用時間長短：永久荷載、可變荷載、偶然荷載

永久荷載：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，或其變化是單調的并能趨于限值的荷載。例如結構自重、土壓力、預應力等。

可變荷載：在結構使用期間，其值隨時間變化，且變化與平均值相比不可以忽略不計的荷載。例如樓面活荷載、屋面活荷載和積灰荷載、吊車荷載、風荷載、雪荷載等。

偶然荷載：在結構使用期間不一定出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)，其值很大且持續(xù)時間很短的荷載。例如爆炸力、撞擊力等按空間位置變異：固定荷載、移動荷載按結構對荷載的反應性質：靜力荷載、動力荷載10.2建筑結構荷載二、荷載的分類10.2建筑結構荷載三、荷載的代表值

《建筑結構荷載規(guī)范》給出了自重荷載代表值，即標準值、組合值、頻遇值和準永久值。荷載的標準值是荷載的基本代表值。指結構在使用期間可能出現(xiàn)的最大荷載值。荷載標準值統(tǒng)一由設計基準期（50年）最大荷載概率分布的某個分位值來確定，有永久荷載標準值（Gk)和可變荷載標準值（Qk）。

《荷載規(guī)范》規(guī)定：對永久荷載應采用標準值作為代表值。對可變荷載應根據設計要求采用標準值、組合值、頻遇值或準永久值作為代表值。對偶然荷載應按建筑結構使用的特點確定其代表值。10.2建筑結構荷載三、荷載的代表值10.2建筑結構荷載可變荷載組合值：當結構同時承受兩種或兩種以上的可變荷載時，考慮到荷載同時達到最大值的可能性較小，因此除主導荷載（產生最大荷載效應的荷載）仍以其標準值為代表值外，對其它伴隨荷載，可以將它們的標準值乘以一個小于或等于1的荷載組合系數(shù)作為代表值，稱為可變荷載組合值。可變荷載頻遇值：在設計基準期內，其超越的總時間為規(guī)定的較小比率或超越頻率為規(guī)定頻率的荷載值。它相當于在結構上時而或多次出現(xiàn)的較大荷載，但總是小于荷載的標準值。

10.2建筑結構荷載可變荷載組合值：當結構同時承受兩種或兩種以上的可變荷10.2

其值等于可變荷載標準值乘以可變荷載頻遇值系數(shù)：可變荷載準永久值在設計基準期內，其超越的總時間約為設計基準值一半（可以理解為總持續(xù)時間不低于25年）的荷載值，也就是經常作用于結構上的可變荷載。其值等于可變荷載標準值乘以可變荷載準永久值系數(shù)：10.2建筑結構荷載其值等于可變荷載標準值乘以可變荷載頻遇值系數(shù)四、豎向荷載：

1.樓、屋面荷載（恒荷載和活荷載）

1）、民用建筑樓面均布活荷載樓面活荷載是指作用在樓面上的人員、家具、設備等荷載。按樓面等效均布活荷載的確定方法，將實際荷載換算成為等效均布活荷載，再經統(tǒng)計分析后，確定活荷載的標準值。具體數(shù)值查閱《建筑結構荷載規(guī)范》，由于活荷載不可能滿布（同時），故在設計梁、墻、柱和基礎時會做一些折減，具體見下表：

10.2建筑結構荷載四、豎向荷載：10.2建筑結構荷載10.2建筑結構荷載表1.2樓面活荷載折減系數(shù)10.2建筑結構荷載表1.2樓面活荷載折減系數(shù)10.2建筑結構荷載表1.3活荷載按樓層數(shù)的折減系數(shù)墻、柱、基礎計算截面以上的層數(shù)12-34-56-89-20＞20計算截面以上各樓層活荷載總和的折減系數(shù)1.00(0.90）0.850.700.650.600.5510.2建筑結構荷載表1.3活荷載按樓層數(shù)的折減系數(shù)墻四、豎向荷載：

2）、工業(yè)建筑樓面均布活荷載

具體數(shù)值查閱《建筑結構荷載規(guī)范》，局部荷載可按實際情況考慮，一般采用等效均布活荷載的形式進行處理。

3）、屋面活荷載

屋面上的活荷載因“上人”和“不上人”而不同。上人的屋面承受人群和施工檢修等荷載；不上人的屋面只承受施工檢修時施工、檢修人員以及堆料等重力。具體見表10-2，注意表注、屋面均布活荷載不與雪荷載同時組合。10.2建筑結構荷載四、豎向荷載：10.2建筑結構荷載四、豎向荷載：

2.雪荷載雪荷載是指房屋上由積雪而產生的荷載。雪荷載是作用在屋面上的?！逗奢d規(guī)范》規(guī)定，屋面水平投影面上的雪荷載標準值，應按下式計算：基本雪壓是雪荷載的基準壓力，一般按當?shù)乜諘缙教沟孛嫔戏e雪自重的觀測數(shù)據，經概率統(tǒng)計得出50年一遇最大值確定。

屋面上的雪荷載標準值不等于基本雪壓，而應將基本雪壓乘以屋面積雪分布系數(shù)μr。屋面積雪分布系數(shù)μr的意義是基本雪壓換算為屋面水平投影面上的雪荷載的換算系數(shù)。10.2建筑結構荷載四、豎向荷載：10.2建筑結構荷載屋面積雪分布系數(shù)10.2建筑結構荷載屋面積雪分布系數(shù)10.2建筑結構荷載

雪荷載的組合值系數(shù)可取0.7；頻遇值系數(shù)可取0.6；準永久值系數(shù)應按雪荷載分區(qū)Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的不同，分別取0.5、0.2、0；雪荷載分區(qū)應按規(guī)范中的規(guī)定采用。設計建筑結構及屋面的承重構件時，可按下列規(guī)定考慮積雪的分布情況：①屋面板和檁條按積雪不均勻分布的最不利情況考慮；②屋架和拱殼可分別按積雪全跨均勻分布、不均勻分布和半跨均勻分布的情況考慮；③框架和柱可按積雪全跨均勻分布情況考慮。10.2建筑結構荷載雪荷載的組合值系數(shù)可取0.7；頻遇值系數(shù)可取0.6五、風荷載風荷載包括由順風向得平均風引起的靜力風荷載、與平均風方向一致的順風向脈動風荷載和與平均風方向垂直的橫風向脈動風荷載。風荷載的大小與基本風壓、風壓高度變化系數(shù)、風荷載體型系數(shù)和風振系數(shù)有關。《荷載規(guī)范》規(guī)定，垂直于建筑物表面上的風荷載標準值，應按下述公式計算：（1）當計算主要承重結構時（2）當計算圍護結構時10.2建筑結構荷載五、風荷載10.2建筑結構荷載

基本風壓是風荷載的基準壓力，一般按當?shù)乜諘缙教沟孛嫔?0m高度處10min平均的風速觀測數(shù)據，經概率統(tǒng)計得出50年一遇最大值確定的風速，再考慮相應的空氣密度，按公式w0=pv02/2確定的風壓值。

基本風壓可從《荷載規(guī)范》附錄中查得，注意基本風壓不得小于0.3kN/m2。

風荷載的組合值、頻遇值和準永久值系數(shù)可分別取0.6、0.4、0。

10.2建筑結構荷載基本風壓是風荷載的基準壓力，一般按當?shù)乜諘缙教?0.2風壓高度變化系數(shù)風速是隨距地面的高度增加而增加的，故風壓也是隨離地面高度增加而增加的。風速隨高度的變化規(guī)律主要取決于地面的粗糙程度。但當離地面450m以上時，風速即不受地面粗糙程度的影響，風壓高度變化系數(shù)為常數(shù)。地面粗糙度是指風在到達結構物以前吹越過2km范圍內的地面時，描述該地面上不規(guī)則障礙物分布狀況的等級。規(guī)范將地面粗糙度分為A、B、C、D四類。

A類——指近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)；10.2建筑結構荷載風壓高度變化系數(shù)10.2建筑結構荷載B類——指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)

C類——指有密集建筑群的城市市區(qū)；

D類——指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)。

風荷載體型系數(shù)是指風作用在建筑物表面上所引起的實際壓力（或吸力）與基本風壓的比值，它描述的是建筑物表面在穩(wěn)定風壓作用下的靜態(tài)壓力的分布規(guī)律，主要與建筑物的體型和尺度有關，也與周圍環(huán)境和地面粗糙度有關。幾種常見體型建筑物的風荷載體型系數(shù)見下表：10.2建筑結構荷載B類——指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的10-混凝土結構設計一般原則和方法《荷載規(guī)范》規(guī)定，以風振系數(shù)βz來描述動力反應的影響。規(guī)定對于高度大于30m且高寬比大于1.5的房屋結構，以及基本自振周期T1大于0.25s的塔架、桅桿、煙囪等高聳結構，應采用風振系數(shù)來描述風壓脈動的影響，具體計算方法見規(guī)范。對于高度低于30m或高寬比小于1.5的房屋以及自振周期T1＜0.25s的塔架、桅桿、煙囪等高聳結構，取βz=1.0。10.2建筑結構荷載《荷載規(guī)范》規(guī)定，以風振系數(shù)βz來描述動力反應的10一、結構的功能要求

1、結構的安全等級

根據結構破壞可能產生后果的嚴重性來劃分。10.3結構的功能要求和極限狀態(tài)一、結構的功能要求10.3結構的功能要求和極限狀態(tài)一、結構的功能要求

2、結構的設計使用年限

設計使用年限是指設計規(guī)定的結構或結構構件不需進行大修即可按其預定目的使用的時期。10.3結構的功能要求和極限狀態(tài)一、結構的功能要求10.3結構的功能要求和極限狀態(tài)3、建筑結構的功能：可靠性問題建筑結構在規(guī)定的期限內（設計基準期50年），在規(guī)定的條件下預期完成的功能。分為三項：（1）安全性：結構能夠承受正常施工，正常使用過程中可能出現(xiàn)的各種荷載和變形，并在偶然事件發(fā)生時，仍能保持整體穩(wěn)定性。（2）適用性：正常使用期間具有良好的工作性能，不產生過大變形、振幅，不發(fā)生足以讓使用者不安的過寬的裂縫等。（3）耐久性：結構在正常使用和正常維護條件下具有足夠的耐久性。如：混凝土嚴重風化、腐蝕、鋼筋銹蝕等。10.3結構的功能要求和極限狀態(tài)3、建筑結構的功能：可靠性問題10.3結構的功能要求和極限1、極限狀態(tài)定義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)為該功能的極限狀態(tài)。結構能夠滿足功能要求而良好地工作，則稱結構是“可靠”的或“有效”的。反之，則結構為“不可靠”或“失效”。區(qū)分結構“可靠”與“失效”的臨界工作狀態(tài)稱為“極限狀態(tài)”。10.3結構功能的極限狀態(tài)1、極限狀態(tài)定義10.3結構功能的極限狀態(tài)1.承載能力極限狀態(tài)(theUltimateLimitState)

結構或構件達到最大承載力，疲勞破壞或不適于繼續(xù)承載的變形稱為承載能力極限狀態(tài)。整個結構或一部分失去平衡；（如陽臺、雨蓬傾覆，擋土墻滑移）結構構件及連接用超過材料強度而破壞或同過度的塑性變形而不適于繼續(xù)承載（如材料被壓碎，錨固筋被拔出）；結構變?yōu)闄C動體系。（梁出現(xiàn)塑性鉸）；結構或構件喪失穩(wěn)定性。（細長柱被壓屈）；地基喪失承載能力而破壞。10.3結構功能的極限狀態(tài)1.承載能力極限狀態(tài)(theUltimateLimit2.正常使用極限狀態(tài)(theServiceabilityLimitState)

結構或構件達到正常使用或耐久性的某項限值規(guī)定，稱為正常使用極限狀態(tài)。結構的變形達到使用和外觀要求的限值；結構產生影響正常使用載耐久性的局部損壞；結構發(fā)生影響正常使用的振動；影響結構正常使用的其它特定狀態(tài)。10.3結構功能的極限狀態(tài)2.正常使用極限狀態(tài)(theServiceability極限狀態(tài)方程結構功能函數(shù)：用作用效應S和結構抗力R關系式描述結構構件工作狀態(tài)的函數(shù)。

Z=R-S（隨機變量）

Z=R-S＞0結構可靠

Z=R-S＝0結構的極限狀態(tài)方程（極限狀態(tài)）

Z=R-S＜0結構失效在結構設計中，不僅僅只考慮結構的承載能力，有時還要考慮結構的適用性和耐久性，則極限狀態(tài)方程可推廣為：

Z=g（x1,x2,x3,……），g（…）功能函數(shù)以后各章進一步具體化。▲由于結構抗力和荷載效應的隨機性，安全可靠應該屬于概率的范疇，而不是一個定值來衡量。10.3結構功能的極限狀態(tài)極限狀態(tài)方程10.3結構功能的極限狀態(tài)一、結構的可靠度

單一安全系數(shù)法不能反映結構的實際失效情況。

結構可靠度是結構可靠性的定量指標，指結構在規(guī)定時間（設計使用年限=50年）內，在規(guī)定的條件下（正常設計、正常施工、正常使用和維護），完成預定功能的概率。

結構可靠性越高，建設造價投資越大。如何在結構可靠與經濟之間取得均衡，就是設計方法要解決的問題(經濟的概念不僅包括第一次建設費用，還應考慮維修，損失及修復的費用)。顯然這種可靠與經濟的均衡受到多方面的影響，如國家經濟實力、設計工作壽命、維護和修復等。10.4按近似概率的極限狀態(tài)設計法一、結構的可靠度10.4按近似概率的極限狀態(tài)設計法二、可靠指標與失效概率

1.失效概率由于實際結構中的不確定性，因此無論如何設計結構，都會有失效的可能性存在，只是可能性大小不同而已。為了科學定量的表示結構可靠性的大小，采用概率方法是比較合理的。

失效概率越小，表示結構可靠性越大。因此，可以用失效概率來定量表示結構可靠性的大小。結構可靠性的概率度量稱為結構可靠度。失效概率Pf=P(S>R)

當失效概率Pf小于某個值時，人們因結構失效的可能性很小而不再擔心，即可認為結構設計是可靠的。該失效概率限值稱為容許失效概率[Pf]。Ps=P(S<R),

Ps+Pf

=1可靠概率10.4按近似概率的極限狀態(tài)設計法二、可靠指標與失效概率失效概率越小，表示結構可靠性越結構功能函數(shù)Z=R-SPf=P(S>R)=P(Z<0)b值2.73.23.74.2失效概率Pf3.47×10-36.87×10-41.08×10-41.33×10-5β與Pf關系：

1)μR與μS相差愈大，β也愈大，結構愈可靠；2)σR與σS愈小，即離散性愈小，β也愈大，結構愈可靠。10.4按近似概率的極限狀態(tài)設計法結構功能函數(shù)Z=R-SPf=P(S>R)

直接采用可靠指標進行設計計算繁雜、統(tǒng)計數(shù)據不全，采用該設計方法沒有必要，《建筑結構設計統(tǒng)一標準》提出了一種便于實際使用的設計表達式，把荷載、材料、截面尺寸、計算方法等運用概率方法分析，以荷載和材料強度標準值和其分項系數(shù)相聯(lián)系來表達方式，其中的分項系數(shù)根據目標可靠指標[β]，并考慮工程實際經驗而確定的。一、分項系數(shù)設抗力的標準值RK，（盡可能小的抗力），設荷載效應的標準值SK，（盡可能大的荷載）。定義γR，γS分別為承載力分項系數(shù)和荷載分項系數(shù)（主要是通過對可靠指標的分析及工程經驗校準確定），則有：荷載效應S結構抗力R可靠指標β分項系數(shù)10.5實用設計表達式直接采用可靠指標進行設計計算繁雜、統(tǒng)計數(shù)據不全，二、荷載效應組合

《荷載規(guī)范》：分為基本組合、偶然組合、標準組合、頻遇組合和準永久組合。承載能力極限狀態(tài)：基本組合和偶然組合

正常使用極限狀態(tài)：標準組合、頻遇組合和準永久組合10.5實用設計表達式二、荷載效應組合10.5實用設計表達式三、承載能力極限狀態(tài)設計表達式可變荷載效應控制

永久荷載效應控制

一般排架框架結構表達式（可變荷載控制）可簡化表示為：永久荷載控制不可簡化。10.5實用設計表達式三、承載能力極限狀態(tài)設計表達式10.5實用設計表達式四、正常使用極限狀態(tài)設計表達式驗算內容：結構構件的變形、抗裂度或裂縫寬度。與承載力極限狀態(tài)比較：

(1)可靠度的要求可適當降低，不需再乘以荷載分項系數(shù)；

(2)采用荷載組合值；

(3)不考慮結構的重要性系數(shù)γ0。

(4)應根據不