建筑結(jié)構(gòu)-荷載和設(shè)計(jì)方法-3-4

第二章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體問題2.1概述2.4設(shè)計(jì)方法2.2建筑結(jié)構(gòu)上的作用〔荷載〕2.3建筑結(jié)構(gòu)上的作用力估值2.1概述

1.我國工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的層次示意第一層次標(biāo)準(zhǔn)第二層次標(biāo)準(zhǔn)第三層次標(biāo)準(zhǔn)最高層次的標(biāo)準(zhǔn)憲法行業(yè)設(shè)計(jì)的根本標(biāo)準(zhǔn)各行業(yè)的具體標(biāo)準(zhǔn)能源建筑結(jié)構(gòu)荷載標(biāo)準(zhǔn)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)2.建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)新課程體系的6大模塊結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析結(jié)構(gòu)的抗力荷載結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法施工技術(shù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)3.概率的作用載人用的長征2號火箭平安概率為97%；神州六號航天員系統(tǒng)的平安概率首次到達(dá)0.9以上；對不確定事件、特別是危險(xiǎn)事件的認(rèn)識更為科學(xué)。降水概率41%北京2008年8月8日晚〔1〕世界各國建筑業(yè)年死亡人數(shù)美國建筑業(yè)1992-2002年英國建筑業(yè)1992-2004年日本建筑業(yè)1992-2002年中國建筑業(yè)1991-2004美國建筑業(yè)1992-2002年事故死亡人數(shù)英國建筑業(yè)1992-2004年事故死亡人數(shù)日本建筑業(yè)1992-2002年事故死亡人數(shù)中國建筑業(yè)1991-2004年事故死亡人數(shù)各國建筑業(yè)1991-2004年事故死亡人數(shù)〔2〕世界各國10萬人死亡率美國建筑業(yè)1992-2003年十萬人死亡率1998年各國建筑業(yè)十萬人死亡率美國建筑業(yè)1992-2003年十萬人死亡率1998年各國建筑業(yè)十萬人死亡率1.作用與荷載直接荷載:

直接作用于結(jié)構(gòu)上的力(集中力或分布力),如自重、風(fēng)壓力、車輛制動力等間接荷載：引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的其它因素，如地震、根底沉降、溫度變化、混凝土收縮、焊接變形等直接荷載、間接荷載統(tǒng)稱作用2.2建筑結(jié)構(gòu)上的作用〔荷載〕2.荷載來源自重結(jié)構(gòu)(Structure)是建筑物的根本受力骨架

外部荷載作用

變形作用環(huán)境作用

結(jié)構(gòu)自身的重量，如梁、板、柱及構(gòu)造層重等

活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、地震作用等

溫度變化引起的變形、地基沉降、結(jié)構(gòu)材料的收縮和徐變變形等

陽光、雷雨、海水、大氣污染作用等結(jié)構(gòu)失效將帶來生命和財(cái)產(chǎn)的巨大損失,因此在設(shè)計(jì)中對結(jié)構(gòu)有最根本的功能要求。3.分類可變作用荷載大小可變對建筑物的作用偶然作用作用時(shí)間極短荷載值極大塑性變形來不及發(fā)展永久作用作用位置可變荷載大小的變化較小作用位置不變2025/2/2423樓面活荷載沉降作用

溫差作用

永久作用定義：在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，量值不隨時(shí)間變化，或變化的幅值與平均值相比可以忽略的作用.tQ6.水位不變的水壓力7.由于支座沉降和地基沉降形成的間接作用8.預(yù)加應(yīng)力9.其它1.結(jié)構(gòu)的自重；2.非承重結(jié)構(gòu)的全部自重3.由于自重產(chǎn)生的最終土壓力；4.由結(jié)構(gòu)施工方式引起的最終變形5.由混凝土收縮、鋼材焊接產(chǎn)生的間接作用包括：可變作用定義：在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，量值隨時(shí)間變化，且變化的幅值與平均值相比不可忽略的作用.tQ6.小于本地區(qū)根本烈度的多遇地震；7.水位變化的水壓力；8.冰壓力或凍脹力；9波浪力；10其它1.機(jī)車車輛荷載及其它移動荷載；2.某些施工階段結(jié)構(gòu)的某些局部的自重；3.安裝荷載；4.風(fēng)、雪荷載；5.溫度變化及溫差產(chǎn)生的約束作用；包括：偶然作用定義：在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)其量值很大，且持續(xù)時(shí)間很短的作用tQ1.船舶撞擊；2.機(jī)車車輛脫軌3.等于或大于本地區(qū)根本烈度的罕見地震；4.火災(zāi)；5.爆炸；6.罕遇洪水、滑坡、泥石流7.龍卷風(fēng)防范措施包括：4.荷載標(biāo)準(zhǔn)值恒載樣本TtG1TtG2樓面活荷載樣本tTQ(t)10y10y10y10y10y風(fēng)荷載樣本tTQ(t)標(biāo)準(zhǔn)值取值方法恒載GK：根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸和材料的標(biāo)準(zhǔn)容重確定。活荷載QK：a:設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期最大值隨機(jī)變量的均值＋假設(shè)干倍的標(biāo)準(zhǔn)差如：辦公樓面活荷載新標(biāo)準(zhǔn)：LK=200Kg/m2又如：住宅樓面活荷載新標(biāo)準(zhǔn)：LK=200Kg/m2常見荷載的標(biāo)準(zhǔn)值可以從我國現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載標(biāo)準(zhǔn)》(GB5009—2012)中查到。在房屋設(shè)計(jì)的方案階段，總體估算時(shí)通常需要考慮豎向作用的荷載水平作用的荷載2.3建筑結(jié)構(gòu)上作用力估算只是估算不必精確樓面與屋面2025/2/2439框架體系2025/2/2440荷載傳遞路線2.3建筑結(jié)構(gòu)上作用力估算1.豎向作用荷載估算砌體結(jié)構(gòu)2025/2/2441荷載傳遞路線2.3建筑結(jié)構(gòu)上作用力估算1.豎向作用荷載估算剪力墻2025/2/2442荷載傳遞路線2.3建筑結(jié)構(gòu)上作用力估算1.豎向作用荷載估算2025/2/2443豎向荷載(樓(屋)面自重及活載)梁或屋架

柱或墻

根底

地基2.3建筑結(jié)構(gòu)上作用力估算1.豎向作用荷載估算

在一般工業(yè)與民用建筑中，豎向作用力主要是重力荷載，而且主要是房屋的自重。在方案階段的近似估算中通?？筛鶕?jù)房屋類型、結(jié)構(gòu)形式統(tǒng)計(jì)出某類房屋單位面積的折算荷載qi(包括樓面自重、墻柱及設(shè)備重以及樓面活荷等)，進(jìn)行近似估算。

W=qi

Aimi

式中：Ai

—

相同荷載qi的樓層面積;

mi

—

相同荷載qi的樓層層數(shù);

qi

—

由統(tǒng)計(jì)資料提供的某類房屋的樓面折算荷載值2.3建筑結(jié)構(gòu)上作用力估算1.豎向作用荷載估算〔1〕房屋總重W國內(nèi)高層建筑qi值約為12～16

kN/m2(其中活荷約占1.5～2.5

kN/m2)

剪力墻和筒體結(jié)構(gòu)房屋約為14～16

kN/m2

框架及框架——結(jié)構(gòu)墻體系房屋約為12～14

kN/m2

混合結(jié)構(gòu)房屋約為16kN/m2

，東北地區(qū)外墻很厚，有時(shí)可能更大一些(2)總重W與地基承載力

當(dāng)房屋總重不大而地基承載力較高時(shí)獨(dú)立根底或條形根底假設(shè)地基承載力較低或荷載較大時(shí)擴(kuò)大根底底面積筏片根底假設(shè)地基上層土質(zhì)較差樁根底2.3建筑結(jié)構(gòu)上的作用力估算1.豎向作用荷載估算墻、柱及根底荷載估算時(shí)，通?？山频夭豢紤]上部結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，即把上部結(jié)構(gòu)都認(rèn)為是簡支梁板，墻、柱只承受每側(cè)跨度一半傳來的荷載。估算時(shí)可按跨度的一半劃分墻柱的承荷面積，再根據(jù)上述樓面荷載估算墻、柱及根底的荷載N。(3)墻、柱及根底荷載估算

設(shè)計(jì)中需要根據(jù)墻、柱荷載和軸壓比來確定墻柱的截面尺寸。

N=qi×m×A

式中：N

——

墻、柱荷載設(shè)計(jì)值;qi

——

相應(yīng)房屋的樓層折算荷載;

m

——

墻、柱的承荷樓層數(shù);

A

——不考慮結(jié)構(gòu)連續(xù)性的墻、柱的承荷面積。邊柱中柱角柱承荷面積2.3建筑結(jié)構(gòu)上的作用力估算1.豎向作用荷載估算例如一幢平面尺寸為16mX24m的10層建筑物，樓層平面的板，梁、柱布置如下圖．假設(shè)施加在每一樓層上的平均恒、活載標(biāo)準(zhǔn)值分別為10.0kN／m2和2.0kN／m2，那么整個(gè)建筑物總重力荷載G為:(10.0+2.0)×16×24×10=46080kN，每個(gè)單位面積上的豎向力：46080／32=1440kN。一個(gè)底層中柱(4個(gè)單位面積)承受的豎向力=1440X4=5760kN一個(gè)底層邊柱(2個(gè)單位面積)承受的豎向力=1440X2=2880kN一個(gè)底層角柱(1個(gè)單位面積)承受的豎向力=1440kN

軸壓比μN(yùn)是指荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下柱的軸力設(shè)計(jì)值N與柱截面面積和混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘積之比。

軸壓比μN(yùn)標(biāo)準(zhǔn)要求：μN(yùn)=N/(Acfc)≤[μN(yùn)]式中：μN(yùn)——框架柱的軸壓比；Ac——柱截面面積；fc——混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。2.3建筑結(jié)構(gòu)上的作用力估算1.豎向作用荷載估算軸壓比直接影響墻、柱破壞時(shí)的延性性質(zhì)。以現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為例，按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，柱軸壓比限值[μN(yùn)]與地震烈度、結(jié)構(gòu)形式、房屋高度有關(guān)。

地震烈度7度8度9度框架房屋高度

m≤35

＞35≤35

＞35≤25

抗震等級

三級

二級

二級

一級

一級軸壓比限值

[μN(yùn)

]0.90.80.80.70.7軸壓比限值[μN(yùn)

]2.3建筑結(jié)構(gòu)上的作用力估算1.豎向作用荷載估算砌體結(jié)構(gòu)2025/2/2450荷載傳遞路線2.3建筑結(jié)構(gòu)上作用力估算2.水平作用荷載估算剪力墻2025/2/2451荷載傳遞路線2.3建筑結(jié)構(gòu)上作用力估算2.水平作用荷載估算2025/2/2452荷載傳遞路線連梁圈梁兼過梁基礎(chǔ)梁抗風(fēng)柱牛腿實(shí)腹式屋架屋面板排架柱2.3建筑結(jié)構(gòu)上的作用力估算

2、水平作用荷載估算托架柱間支撐格構(gòu)式屋架吊車梁屋蓋支撐水平荷載傳力路線吊車橫向荷載吊車縱向荷載柱間支撐縱墻山墻風(fēng)荷載排架柱抗風(fēng)柱基礎(chǔ)縱墻風(fēng)荷載吊車梁山墻屋架柱間支撐2.3建筑結(jié)構(gòu)上的作用力估算

2、水平作用荷載估算在非地震區(qū)，風(fēng)荷載是房屋主要的水平力，在方案階段的總體分析中，一般只需考慮作用在房屋上風(fēng)荷載的合力Hω，它是作用在房屋迎風(fēng)面及背風(fēng)面Aω上風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值ωk的合力：Hω=ωk×Aω根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載標(biāo)準(zhǔn)》(GB50009-2012)

風(fēng)荷載(WindLoad)

ωk=βZ(μS1

-μS2)μZ

W0

βZ——

Z高度處的風(fēng)振系數(shù)，它考慮了高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)壓脈動的影響。

W0——基本風(fēng)壓，它是氣象部門以當(dāng)?shù)乜諘缙教沟孛嫔?離地10

m高處所得的10分鐘平均最大風(fēng)速VO為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同年限按具體公式確定的風(fēng)壓值。北京(10年、50年、100年）=（0.30、0.45、0.50）kN/m2μZ

——風(fēng)壓沿高度的變化系數(shù)，與周圍環(huán)境有關(guān)μS——風(fēng)荷載體型系數(shù)。房屋體型不同將直接影響風(fēng)的方向和流速，改變風(fēng)壓大小。一般迎風(fēng)面的風(fēng)荷載為壓力，背風(fēng)面的風(fēng)荷載為吸力(μS

為負(fù)值)，房屋受到的總的風(fēng)荷載應(yīng)為迎風(fēng)面風(fēng)荷載和背風(fēng)面風(fēng)荷載的疊加，即式中(μS1

-μS2)。2.3建筑結(jié)構(gòu)上的作用力估算

2、水平作用荷載估算+—————+(a)(b)+0.8-0.5-0.7-0.7-0.50+0.8-0.6μSμS風(fēng)荷載體型系數(shù)μS常見坡屋面一般坡度α＜30°,可見屋面在風(fēng)荷載作用下通常承受吸力。在平屋頂上后加的輕型坡屋面自重很輕，假設(shè)沒有和墻體拉結(jié)好，在風(fēng)荷吸力作用下會被掀起。

風(fēng)荷載除了引起房屋的傾覆以外，局部吸力也是引起房屋破壞的重要原因，尤其是對坡屋頂?shù)钠茐摹?0.5+0.8被掀翻的輕屋蓋

要重視風(fēng)荷載吸力的破壞作用！2.3建筑結(jié)構(gòu)上的作用力估算

2、水平作用荷載估算

地震力是地震時(shí)地面運(yùn)動加速度引起的，它是房屋質(zhì)量的慣性力。設(shè)計(jì)中可近似認(rèn)為建筑物的質(zhì)量都集中在各層樓面標(biāo)高處，地震力的大小與地震烈度、建筑物的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)的自振周期以及場地土的情況等許多因素有關(guān)。地震時(shí)既有水平震動又有豎向震動，但房屋結(jié)構(gòu)對豎向地震力有較大的承受能力，通常水平地震力是引起結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。3.地震力Heq

(EarthquakeLoad)m(a)(b)(c)2.3建筑結(jié)構(gòu)上的作用力估算

3.地震荷載估算〔1〕地震的危害地球與地震并存抗震防災(zāi)是有效的back地震是人類所面臨的最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一地震的成因地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)back六大板塊地下薄弱巖層破裂或地球板塊相互擠壓和沖撞引起振動，并以波的形式傳遞地表，引起地面運(yùn)動地震可以發(fā)生在板塊邊緣，也可發(fā)生在板塊內(nèi)部

其它原因火山爆發(fā)人類的活動：修建水庫、地下資源的開挖

世界上最早發(fā)生水庫地震的是在美國，1935年美國在科羅拉多河上建成胡佛壩，米德湖開始蓄水，次年9月即發(fā)生5級地震。

迄今為止，全世界發(fā)生的水庫誘發(fā)地震約有120例，分布于29個(gè)國家，其中中國22例，美國18例，印度12例。大于6.0級的水庫誘發(fā)地震有4起：分別是中國新豐江、贊比亞-津巴布韋邊界kariba、希臘Kremasta和印度Koyna。水庫地震我國舉世矚目的水利樞紐工程長江三峽水庫蓄水后,在水位上升過程中,2003年6月7日突然發(fā)生2000屢次的小地震。丹江口水庫作為南水北調(diào)工程中線的源頭，初期工程于1973年建成，水庫蓄水后地震活動加強(qiáng)，并于1973年11月29日在宋灣觸發(fā)了4.7級地震。其續(xù)建工程方案提高水位至170米，水位提高后，新的地震活動又可能出現(xiàn)。這些地震活動均對水利工程造成了不同程度的損失。我國水庫誘發(fā)地震實(shí)例地震的危害back漢旺鎮(zhèn)倒塌房屋山體滑坡地震裂縫土耳其地震中國地震帶〔２〕地震的度量back震源

震中

震源深度

震源距

震中距Input

System

Output地震波體波縱波——壓縮波——P波較快橫波——剪切波——S波較慢面波瑞雷波——R波樂夫波——L波瑞利波：質(zhì)點(diǎn)作滾動運(yùn)動。樂普波：質(zhì)點(diǎn)作蛇行運(yùn)動。強(qiáng)震記錄地震震級含義——一次地震釋放能量大小的度量里氏震級：6級地震的能量＝2萬噸TNT炸藥，震級每提高１級，釋放的能量增大32倍2.5級以上為有感地震５級以上為破壞性地震７～８級為大地震大于８級的為特大地震地震烈度定義評價(jià)指標(biāo)地震烈度表地震對地表及工程結(jié)構(gòu)影響的強(qiáng)弱程度人的感覺物體反響結(jié)構(gòu)破壞自然現(xiàn)象多指標(biāo)分等級Ⅰ度；無感，僅儀器能記錄到；Ⅱ度；微有感，個(gè)別敏感的人在完全靜止中有感；Ⅲ度；少有感，室內(nèi)少數(shù)人在靜止中有感，懸掛物輕微擺動；Ⅳ度；多有感，室內(nèi)大多數(shù)人，室外少數(shù)人有感，懸掛物擺動；Ⅴ度；驚醒，室外大多數(shù)人有感，門窗作響，屋頂灰土掉落Ⅵ度；驚慌，人站立不穩(wěn)，個(gè)別房屋磚瓦掉落，墻體有細(xì)微裂縫；Ⅶ度；倉皇出逃房屋損壞，房屋輕度損壞，但不阻礙使用；Ⅷ度；行走困難，建筑物中度破壞，結(jié)構(gòu)受損，需要修理；地震烈度Ⅸ度；坐立不穩(wěn)，建筑物嚴(yán)重破壞，房屋局部倒塌，修復(fù)困難；Ⅹ度；房屋大部倒塌，無法修復(fù)；Ⅺ度；消滅，山崩地裂；ⅩⅡ度；山川易景－一切建筑物普遍毀壞。震級和烈度的區(qū)別？大震、中震和小震back地震影響50年超越概率地震重現(xiàn)期多遇地震對應(yīng)的烈度——眾值烈度小震63.2%50年設(shè)防烈度中震10%475年罕遇地震對應(yīng)的烈度大震2-3%1642-2475年設(shè)計(jì)根本地震加速度值2025/2/2485抗震設(shè)防烈度６７８９設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.05g0.10g(0.15g)0.20g(0.30g)0.40g兩階段設(shè)計(jì)back階段目標(biāo)地震作用性質(zhì)受力狀態(tài)第一階段小震不壞可變作用彈性第二階段大震不倒偶然作用彈塑性說明：第一階段為彈性分析，包括截面設(shè)計(jì)和變形計(jì)算；大局部建筑的第二階段設(shè)計(jì)主要由概念設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施來保證?！?〕建筑類別與設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)back甲類建筑——重大建筑工程和地震時(shí)可能發(fā)生嚴(yán)重次生災(zāi)害的建筑；乙類建筑——國家重點(diǎn)抗震城市的生命線工程的建筑〔如消防、急救、供水、供電等〕或其他重要建筑；丙類建筑——甲、乙、丁類以外的建筑。如一般工業(yè)與民用建筑〔公共建筑、住宅、旅館、廠房等〕。丁類建筑——次要建筑，如與地震破壞不易造成人員傷亡和較大的經(jīng)濟(jì)損失的建筑如一般倉庫、人員較少的輔助性建筑〕。建筑類別抗震措施地震作用計(jì)算甲類特殊考慮特殊考慮乙類提高一度(9度時(shí)適當(dāng)提高)原設(shè)防烈度丙類原設(shè)防烈度原設(shè)防烈度丁類降低一度(6度時(shí)不降)原設(shè)防烈度設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)(4)地震作用的計(jì)算范圍和方法計(jì)算范圍水平地震作用back6度區(qū)〔除甲類建筑和IV類場地上的較高房屋外〕可不算7-9度區(qū)8、9度大跨度結(jié)構(gòu)和長懸臂結(jié)構(gòu)9度的高層建筑豎向地震作用

一般正交布置抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，可沿縱橫主軸方向分別計(jì)算back結(jié)構(gòu)抗震簡化計(jì)算例如計(jì)算模型——集中質(zhì)量模型back單質(zhì)點(diǎn)體系等高單層廠房、水塔等；該結(jié)構(gòu)中參與振動的所有質(zhì)量全部折算至頂部；墻、柱視作一無重的彈性桿；該體系只作單向振動，為一個(gè)單自由度體系。FiFEkΔFn

多質(zhì)點(diǎn)體系一般把各層質(zhì)量集中在樓層處，n個(gè)樓層即形成n個(gè)質(zhì)點(diǎn)。根本計(jì)算數(shù)據(jù)重力荷載代表值結(jié)構(gòu)自振周期back一般把各層質(zhì)量集中在樓層處，n個(gè)樓層即形成n個(gè)質(zhì)點(diǎn)。每一樓面標(biāo)高位置的重量〔稱重力荷載代表值〕由以下幾局部組成：①恒荷載〔本層樓面結(jié)構(gòu)及上、下各半層墻、柱〕的全部；②雪荷載的50％；③一般樓面活荷載的50％，藏書庫、檔案庫活荷載的80％；簡化后的計(jì)算簡圖重力荷載代表值的計(jì)算重力荷載代表值永久荷載〔建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)配件自重〕標(biāo)準(zhǔn)值+可變荷載〔雪、樓面活荷載等〕組合值back永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值組合值系數(shù)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值結(jié)構(gòu)自振周期理論計(jì)算方法：有限元計(jì)算近似計(jì)算方法經(jīng)驗(yàn)方法back水平地震作用的計(jì)算水平地震作用的計(jì)算水平地震作用在各樓層的分配方法backα—地震影響系數(shù)；αmax—地震影響系數(shù)最大值；

T—結(jié)構(gòu)自振周期；Tg—特征周期；

γ—曲線下降段衰減指數(shù)；η1—直線下降段下降斜率調(diào)整系數(shù)；η2—阻尼調(diào)整系數(shù)水平地震影響系數(shù)地震影響系數(shù)曲線設(shè)計(jì)地震分組場地類IIIIIIIV第一組0.250.350.450.65第二組0.300.400.550.75第三組0.350.450.650.90back特征周期地震影響6度7度8度9度多遇地震0.040.08(0.12)0.16(0.24)0.32罕遇地震------0.50(0.72)0.90(1.20)1.40水平地震影響系數(shù)最大值注：括號中數(shù)值分別對應(yīng)根本地震加速度為0.15g和0.30g的地區(qū)γ—曲線下降段衰減指數(shù),為阻