《建筑結(jié)構(gòu)性能設(shè)計》課件

建筑結(jié)構(gòu)性能設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)性能設(shè)計，指的是在建筑設(shè)計中，根據(jù)建筑的功能、使用要求和環(huán)境條件，對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能化設(shè)計，確保建筑結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下能夠安全可靠地運(yùn)行，同時滿足建筑的功能需求和舒適性要求。課程大綱建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是房屋建造的重要組成部分，它保障建筑物的安全和使用壽命。結(jié)構(gòu)性能設(shè)計本課程重點(diǎn)探討如何將結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能要求相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和舒適性。實(shí)踐應(yīng)用課程內(nèi)容將與實(shí)際工程案例相結(jié)合，幫助學(xué)生更好地理解結(jié)構(gòu)性能設(shè)計在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用。緒論本節(jié)將介紹建筑結(jié)構(gòu)性能設(shè)計的概念、背景和重要性，并闡述課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)和內(nèi)容。1.1建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求安全結(jié)構(gòu)必須能夠承受各種荷載，并確保建筑物和人員的安全。例如，抗震設(shè)計必須滿足一定的抗震等級和安全標(biāo)準(zhǔn)。穩(wěn)定結(jié)構(gòu)必須能夠保持穩(wěn)定性，避免發(fā)生倒塌或失穩(wěn)。例如，高層建筑的抗風(fēng)設(shè)計必須確保建筑物的穩(wěn)定性。耐久結(jié)構(gòu)必須能夠抵抗各種環(huán)境因素的侵蝕，并保持長期使用性能。例如，混凝土結(jié)構(gòu)必須具備一定的耐久性以抵抗腐蝕。功能結(jié)構(gòu)必須滿足建筑物的功能要求，并能夠滿足使用者的需求。例如，住宅建筑的隔音性能必須滿足一定的標(biāo)準(zhǔn)。1.2結(jié)構(gòu)性能概述11.安全性結(jié)構(gòu)必須能夠安全地承受各種荷載，避免倒塌。22.使用性能結(jié)構(gòu)在使用過程中應(yīng)滿足舒適性、耐久性等要求。33.經(jīng)濟(jì)性結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)經(jīng)濟(jì)合理，綜合考慮造價、維護(hù)等因素。44.可持續(xù)性結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮環(huán)境保護(hù)，節(jié)約資源，提高可持續(xù)性。1.3本課程的目標(biāo)和內(nèi)容理解建筑結(jié)構(gòu)性能設(shè)計的重要性掌握建筑結(jié)構(gòu)性能設(shè)計的基本原理和方法。學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)荷載、材料性能和分析方法了解結(jié)構(gòu)承載能力設(shè)計、抗震設(shè)計和使用性能設(shè)計等關(guān)鍵內(nèi)容。培養(yǎng)學(xué)生分析和解決結(jié)構(gòu)問題的能力為學(xué)生今后從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2.結(jié)構(gòu)荷載結(jié)構(gòu)荷載是指作用在建筑結(jié)構(gòu)上的各種外力。這些外力會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生變形和內(nèi)力，最終影響結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和使用性能。2.1永久荷載定義永久荷載是指作用在結(jié)構(gòu)上，其大小和位置在結(jié)構(gòu)使用壽命內(nèi)基本保持不變的荷載。例如：建筑物的自重、墻體、樓板、屋頂?shù)闹亓?、固定設(shè)備的重量等。特點(diǎn)永久荷載通常是結(jié)構(gòu)中最主要的荷載之一，對其進(jìn)行準(zhǔn)確計算非常重要。永久荷載的長期作用會影響結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力，需要考慮其對結(jié)構(gòu)安全性的影響。2.2活動荷載11.人荷載人荷載是指人或家具等活動的物體在建筑結(jié)構(gòu)上的荷載。22.雪荷載雪荷載是指雪在建筑結(jié)構(gòu)屋面上的荷載，需要考慮雪的重量和分布。33.風(fēng)荷載風(fēng)荷載是指風(fēng)對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的荷載，需要考慮風(fēng)速和風(fēng)向的影響。44.溫度荷載溫度荷載是指溫度變化對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的荷載，主要考慮材料熱脹冷縮的影響。2.3環(huán)境荷載風(fēng)荷載風(fēng)力會對建筑結(jié)構(gòu)造成壓力，影響建筑物的穩(wěn)定性。雪荷載積雪的重量會增加建筑結(jié)構(gòu)的負(fù)荷，尤其在寒冷地區(qū)，需要考慮雪荷載的影響。雨荷載降雨會對建筑物造成壓力，需要考慮雨荷載對屋頂和外墻的影響。地震荷載地震會對建筑結(jié)構(gòu)造成巨大的沖擊，需要進(jìn)行抗震設(shè)計。2.4特殊荷載爆炸荷載爆炸荷載會對建筑結(jié)構(gòu)造成巨大的沖擊，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，甚至坍塌。例如，爆炸會產(chǎn)生沖擊波，對建筑物的外墻和窗戶造成巨大壓力。地震荷載地震荷載是由于地震引起的地面運(yùn)動，會導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平和垂直的振動。地震荷載的大小和方向會根據(jù)地震的強(qiáng)度和建筑物的抗震性能而有所不同。3.結(jié)構(gòu)材料性能結(jié)構(gòu)材料是建筑結(jié)構(gòu)的骨架，其力學(xué)性能直接影響結(jié)構(gòu)的承載能力、使用性能和耐久性。本節(jié)將介紹常見建筑結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能，包括強(qiáng)度、彈性模量、抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等。3.1鋼材強(qiáng)度高鋼材具有高強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，能夠承受巨大的重量。延展性好鋼材具有良好的延展性，可以彎曲成各種形狀，適應(yīng)復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)。韌性好鋼材韌性好，可以承受沖擊和振動，提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性。耐用鋼材耐用，可以抵抗腐蝕和風(fēng)化，延長建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命。3.2混凝土強(qiáng)度高混凝土具有很高的抗壓強(qiáng)度，可以承受巨大的重量。耐久性混凝土經(jīng)久耐用，可以抵抗自然侵蝕和腐蝕，能夠承受長期使用?？伤苄曰炷猎跐仓r具有可塑性，可以根據(jù)需要塑造各種形狀，靈活地應(yīng)用于各種建筑結(jié)構(gòu)。經(jīng)濟(jì)性混凝土是一種比較廉價的建筑材料，能夠降低建筑成本，適用于各種建筑類型。3.3木材木材特性木材是一種天然材料，具有較好的強(qiáng)度、韌性和抗腐蝕性，同時具有良好的保溫和隔音性能。木材應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)中，木材常用于梁、柱、板、屋架、樓梯等結(jié)構(gòu)構(gòu)件，也可用作裝飾材料。木材分類木材可分為軟木和硬木兩類，軟木通常是指針葉樹木材，如松木、杉木等；硬木是指闊葉樹木材，如橡木、胡桃木等。3.4砌體材料特性砌體材料包括磚、塊材、砂漿等，具有抗壓強(qiáng)度高、價格低廉、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中。力學(xué)性能砌體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能受材料強(qiáng)度、砌筑質(zhì)量、連接方式等因素影響，需要進(jìn)行細(xì)致的分析和設(shè)計。設(shè)計規(guī)范砌體結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范要求，包括抗震性能、耐久性、保溫隔熱性能等方面。4.結(jié)構(gòu)分析方法結(jié)構(gòu)分析是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。它通過力學(xué)原理和數(shù)學(xué)模型，分析建筑結(jié)構(gòu)在荷載作用下的受力情況、變形情況以及穩(wěn)定性。4.1靜力分析11.結(jié)構(gòu)分析的類型靜力分析是結(jié)構(gòu)分析方法的一種，適用于荷載相對穩(wěn)定、變化緩慢的結(jié)構(gòu)。22.靜力分析的基本假設(shè)假設(shè)結(jié)構(gòu)處于靜止?fàn)顟B(tài)，荷載和結(jié)構(gòu)的重量都視為靜力。33.靜力分析的方法常見的方法包括力法、位移法、矩陣法等，用于計算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移。44.應(yīng)用范圍適用于房屋、橋梁、水壩等結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計。4.2動力分析地震荷載分析地震荷載是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中重要的動力荷載，它對建筑結(jié)構(gòu)的影響很大，需要進(jìn)行專門的分析和計算。地震荷載的分析方法包括時程分析、譜分析等。風(fēng)荷載分析風(fēng)荷載也是重要的動力荷載，它對建筑結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在風(fēng)壓和風(fēng)振。風(fēng)荷載分析方法包括風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬等。4.3有限元分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)有限元分析能夠模擬復(fù)雜幾何形狀和材料特性，例如不規(guī)則形狀、孔洞和復(fù)合材料。精確模擬通過將結(jié)構(gòu)細(xì)分為小的單元（有限元），有限元分析可以精確地模擬結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力、應(yīng)變和其他物理行為。優(yōu)化設(shè)計有限元分析的結(jié)果可以幫助工程師優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高結(jié)構(gòu)效率，降低成本并減少材料浪費(fèi)。5.結(jié)構(gòu)承載能力設(shè)計結(jié)構(gòu)承載能力設(shè)計是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，它決定著建筑物的安全性和可靠性。本節(jié)將深入探討結(jié)構(gòu)承載能力設(shè)計的理論基礎(chǔ)、方法和步驟，以及關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)和計算方法。5.1極限狀態(tài)設(shè)計理論11.極限狀態(tài)極限狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)失去使用功能的狀態(tài)，包括承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。22.設(shè)計目標(biāo)極限狀態(tài)設(shè)計理論的目標(biāo)是確保結(jié)構(gòu)在使用壽命內(nèi)安全可靠，滿足使用功能需求。33.概率統(tǒng)計極限狀態(tài)設(shè)計方法采用概率統(tǒng)計方法，考慮荷載和材料強(qiáng)度的不確定性，保證結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。44.安全系數(shù)設(shè)計時需根據(jù)不同極限狀態(tài)和結(jié)構(gòu)類型，選擇合適的安全系數(shù)，確保結(jié)構(gòu)的安全可靠性。5.2受壓構(gòu)件設(shè)計承載力受壓構(gòu)件的設(shè)計目標(biāo)是確保其在各種荷載作用下，不會發(fā)生破壞或出現(xiàn)過大的變形，以保證結(jié)構(gòu)的安全性。受壓構(gòu)件的承載力是指構(gòu)件能夠承受的極限壓力，超過此壓力，構(gòu)件就會發(fā)生破壞。穩(wěn)定性受壓構(gòu)件的設(shè)計還需考慮穩(wěn)定性，即構(gòu)件在荷載作用下，能否保持平衡而不發(fā)生傾覆或失穩(wěn)。為了保證穩(wěn)定性，需要采取相應(yīng)的措施，如增加構(gòu)件的截面尺寸、提高材料的強(qiáng)度，或使用支撐等。5.3受拉構(gòu)件設(shè)計受拉構(gòu)件破壞形式受拉構(gòu)件通常以鋼筋屈服或混凝土開裂為標(biāo)志，需要根據(jù)材料特性進(jìn)行設(shè)計。受拉構(gòu)件設(shè)計準(zhǔn)則受拉構(gòu)件設(shè)計需要考慮鋼筋的屈服強(qiáng)度和混凝土的抗拉強(qiáng)度，確保其能承受拉力而不發(fā)生破壞。受拉構(gòu)件配筋根據(jù)受拉力的大小和構(gòu)件的尺寸，需要合理配置鋼筋，保證受拉構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。5.4剪切和彎曲設(shè)計剪切強(qiáng)度設(shè)計剪切強(qiáng)度設(shè)計確保構(gòu)件在剪切荷載作用下不發(fā)生破壞?？紤]材料的抗剪強(qiáng)度、截面尺寸和剪切應(yīng)力。彎曲強(qiáng)度設(shè)計彎曲強(qiáng)度設(shè)計保證構(gòu)件在彎曲荷載作用下不發(fā)生破壞。考慮材料的抗彎強(qiáng)度、截面形狀和彎矩。組合設(shè)計實(shí)際結(jié)構(gòu)往往同時承受剪切和彎曲荷載，需綜合考慮兩種荷載的影響，進(jìn)行組合設(shè)計。6.結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計地震是自然災(zāi)害，對建筑物構(gòu)成嚴(yán)重威脅?？拐鹪O(shè)計旨在確保建筑物在地震發(fā)生時能夠保持結(jié)構(gòu)完整性和使用功能。地震力的大小與地震烈度、建筑物的抗震等級和結(jié)構(gòu)體系有關(guān)。6.1抗震設(shè)計基本原則生命安全地震發(fā)生時，建筑物應(yīng)確保人員安全。結(jié)構(gòu)完整性地震后，建筑物結(jié)構(gòu)應(yīng)保持整體穩(wěn)定，避免倒塌?？尚迯?fù)性地震過后，建筑物應(yīng)盡可能修復(fù)，減少重建成本。經(jīng)濟(jì)合理性抗震設(shè)計應(yīng)兼顧經(jīng)濟(jì)效益，避免過度設(shè)計造成成本增加。6.2地震作用特性地震的大小可以通過震級來衡量，震級越大，地震釋放的能量就越大。地震對地面和建筑物的破壞程度可以用地震烈度來描述，烈度越高，破壞程度就越嚴(yán)重。地震持續(xù)時間會影響地震對建筑物的影響，持續(xù)時間越長，對建筑物的破壞越嚴(yán)重。地震的頻率是指某一地區(qū)在一定時間內(nèi)發(fā)生地震的次數(shù)，頻率越高，地震對建筑物的影響就越大。6.3建筑抗震措施11.結(jié)構(gòu)體系采用抗震性能高的結(jié)構(gòu)體系，如框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。22.抗震構(gòu)件使用高強(qiáng)鋼筋和高性能混凝土，提高構(gòu)件抗震強(qiáng)度和延性。33.抗震節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)梁柱節(jié)點(diǎn)連接，確保結(jié)構(gòu)整體抗震性能。44.抗震措施設(shè)置抗震隔震層，減少地震對建筑物的影響。7.結(jié)構(gòu)使用性能設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)的使用性能，是衡量建筑物使用舒適度、安全性和耐久性的重要指標(biāo)，影響著人們的生活質(zhì)量和建筑物的整體價值。7.1位移控制位移限制位移控制旨在限制結(jié)構(gòu)在荷載作用下的變形，防止過大的位移導(dǎo)致結(jié)構(gòu)功能失效或舒適度下降。控制方法位移控制可以通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量和阻尼來實(shí)現(xiàn)。例如，增加結(jié)構(gòu)的剛度或減少結(jié)構(gòu)的質(zhì)量都可以有效地降低位移。7.2振動控制結(jié)構(gòu)振動建筑結(jié)構(gòu)在荷載作用下會發(fā)生振動，振動過大影響居住