第二章 建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)方法

1、建筑結(jié)構(gòu),第二章 建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)方法,目錄,2.1設(shè)計(jì)基準(zhǔn)周期和設(shè)計(jì)使用年限,設(shè)計(jì)基準(zhǔn)周期 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所采用的荷載統(tǒng)計(jì)參數(shù)、與時(shí)間有關(guān)的材料性能取值，都需要選定一個(gè)時(shí)間參數(shù)，它就是設(shè)計(jì)基準(zhǔn)周期。我國采用的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)周期為50年。 設(shè)計(jì)使用年限 設(shè)計(jì)使用年限是設(shè)計(jì)規(guī)定的一個(gè)時(shí)期。,2.2結(jié)構(gòu)的功能要求和極限狀態(tài),結(jié)構(gòu)的安全等級(jí) 規(guī)范根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的重要性，規(guī)模大小，破壞后果嚴(yán)重程度而將建筑物劃分3個(gè)設(shè)計(jì)等級(jí)，如表所示。,對(duì)人員比較集中使用頻繁的影劇院、體育館等，安全等級(jí)宜按一級(jí)設(shè)計(jì)，對(duì)特殊的建筑物，其設(shè)計(jì)安全等級(jí)可視具體情況確定。 在近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法中，結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)是用結(jié)構(gòu)重要

2、性系數(shù)來體現(xiàn)的。,2.2結(jié)構(gòu)的功能要求和極限狀態(tài)2.2.1結(jié)構(gòu)的功能要求,安全性:結(jié)構(gòu)在預(yù)定的使用期間內(nèi)(一般為50年)，應(yīng)能承受在正常施工、正常使用情況下可能出現(xiàn)的各種荷載、外加變形(如超靜定結(jié)構(gòu)的支座不均勻沉降時(shí))、約束變形(如溫度和收縮變形受到約束時(shí))等的作用。 在偶然事件(如地震、爆炸)發(fā)生時(shí)和發(fā)生后，結(jié)構(gòu)應(yīng)能保持整體穩(wěn)定性，不應(yīng)發(fā)生倒塌或連續(xù)破壞而造成生命財(cái)產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失。 適用性:結(jié)構(gòu)在正常使用期間，具有良好的工作性能。如不發(fā)生影響正常使用的過大的變形(撓度、側(cè)移)、振動(dòng)(頻率、振幅)，或產(chǎn)生讓使用者感到不安的過大的裂縫寬度等。 耐久性:結(jié)構(gòu)在正常使用和正常維護(hù)的條件下，應(yīng)具有足夠的

3、耐久性，即在各種因素的影響下(混凝土碳化、鋼筋銹蝕)，結(jié)構(gòu)的承載力和剛度不應(yīng)隨時(shí)間有過大的降低，而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在其預(yù)定使用期間內(nèi)喪失安全性和適用性，降低使用壽命。,結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的概念 結(jié)構(gòu)能夠滿足功能要求而良好地工作，則稱結(jié)構(gòu)為“可靠”或“有效”。反之，則結(jié)構(gòu)為“不可靠”或“失效”。區(qū)分結(jié)構(gòu)“可靠”與“失效”的臨界工作狀態(tài)稱為“極限狀態(tài)”，即整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)即為該功能的極限狀態(tài)。舉例如表所示。,表 鋼筋混凝土簡支梁的可靠、失效和極限狀態(tài)概念,2.2結(jié)構(gòu)的功能要求和極限狀態(tài)2.2.2結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài),承載能力極限狀態(tài) 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大

4、承載力，疲勞破壞或不適于繼續(xù)承載的變形狀態(tài)稱為承載能力極限狀態(tài)。超過該極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不能滿足預(yù)定的安全性功能要求，主要包括： 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載力(包括疲勞)。 結(jié)構(gòu)整體或其中一部分作為剛體失去平衡(如傾覆、滑移)。 結(jié)構(gòu)塑性變形過大而不適于繼續(xù)使用。 結(jié)構(gòu)形成幾何可變體系(超靜定結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)足夠多的塑性鉸)。 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定(如細(xì)長受壓構(gòu)件的壓曲失穩(wěn))。,2.2結(jié)構(gòu)的功能要求和極限狀 2.2.2結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài),正常使用極限狀態(tài) 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性的某項(xiàng)限值規(guī)定，稱為正常使用極限狀態(tài)。超過該極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就不能滿足預(yù)定的適用性和耐久性的功能要求。主要包括： 過大的變形、側(cè)移

5、，這往往會(huì)導(dǎo)致非結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力破壞、會(huì)給人不安全感或?qū)е陆Y(jié)構(gòu)不能正常使用(如吊車梁)等。 過大的裂縫，這往往會(huì)導(dǎo)致鋼筋銹蝕、給人不安全感或?qū)е路课萋┧取?過大的振動(dòng)，這往往會(huì)給人不舒適感。 其他正常使用要求。,2.2結(jié)構(gòu)的功能要求和極限狀 2.2.2結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài),2.3結(jié)構(gòu)上的作用、作用效應(yīng)及結(jié)構(gòu)抗力和功能函數(shù)2.3.1結(jié)構(gòu)上的作用與作用效應(yīng),結(jié)構(gòu)上的作用是指施加在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上的力，以及引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因。結(jié)構(gòu)上的作用分為直接作用和間接作用兩種。直接作用是指施加在結(jié)構(gòu)上的荷載，如恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載和雪荷載等。間接作用是指引起結(jié)構(gòu)外加變形和約束變形的其他作用，如地基不均勻沉降

6、、溫度變化、混凝土收縮、焊接變形等。 作用效應(yīng)是指由結(jié)構(gòu)上的作用引起的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的內(nèi)力(如軸力、剪力、彎矩、扭矩等)和變形(如撓度、側(cè)移、裂縫等)。當(dāng)作用為集中力或分布力時(shí)，其效應(yīng)可稱為荷載效應(yīng)。,按隨時(shí)間的變異分類 永久作用：是指在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)其量值不隨時(shí)間變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計(jì)的作用，如結(jié)構(gòu)自重、土壓力、預(yù)加應(yīng)力等。 可變作用：是指在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)其量值隨時(shí)間變化，且其變化與平均值相比不可忽略的作用，如安裝荷載、樓面活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、吊車荷載和溫度變化等。 偶然作用：是指在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)不一定出現(xiàn)，而一旦出現(xiàn)其量很大且持續(xù)時(shí)間很短，如地震、爆炸、撞擊等。,2.3結(jié)構(gòu)上的作

7、用、作用效應(yīng)及結(jié)構(gòu)抗力和功能函數(shù)2.3.1結(jié)構(gòu)上的作用與作用效應(yīng),作用的分類,按空間位置的變異分類 固定作用：是指在結(jié)構(gòu)上具有固定分布的作用，如工業(yè)與民用建筑樓面上的固定設(shè)備荷載、結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重等。 自由作用：是指在結(jié)構(gòu)上一定范圍內(nèi)可以任意分布的作用，如工業(yè)與民用建筑樓面上的人員荷載、吊車荷載等。,2.3結(jié)構(gòu)上的作用、作用效應(yīng)及結(jié)構(gòu)抗力和功能函數(shù)2.3.1結(jié)構(gòu)上的作用與作用效應(yīng),按結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特點(diǎn)分類靜態(tài)作用：是指使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的加速度可以忽略不計(jì)的作用，如結(jié)構(gòu)自重、住宅和辦公樓的樓面活荷載等。動(dòng)態(tài)作用：是指使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的加速度不可忽略不計(jì)的作用，如地震、吊車荷載、設(shè)備振動(dòng)等。,2.3結(jié)構(gòu)上的作用、作用

8、效應(yīng)及結(jié)構(gòu)抗力和功能函數(shù)2.3.1結(jié)構(gòu)上的作用與作用效應(yīng),2.3結(jié)構(gòu)上的作用、作用效應(yīng)及結(jié)構(gòu)抗力和功能函數(shù)2.3.2結(jié)構(gòu)的抗力及功能函數(shù),結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)： Z=R-S 式中，R結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力，它與材料的力學(xué)指標(biāo)及材料用量有關(guān)； S作用(荷載)效應(yīng)及其組合，它與作用的性質(zhì)有關(guān)。 R和S均可視為隨機(jī)變量，Z為復(fù)合隨機(jī)變量，它們之間的運(yùn)算規(guī)則應(yīng)按概率理論進(jìn)行。 當(dāng)時(shí)，結(jié)構(gòu)能夠完成預(yù)定的功能，處于可靠狀態(tài)。 當(dāng)時(shí)，結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定的功能，處于失效狀態(tài)。 當(dāng)=時(shí)，即R=S結(jié)構(gòu)處于臨界的極限狀態(tài)，稱為極限狀態(tài)方程。 保證結(jié)構(gòu)可靠的條件Z=R-S0，是一非確定性的問題。只有用概率來加以解決。,2.4荷載代表值

9、和材料性能標(biāo)準(zhǔn)值2.4.1荷載代表值,結(jié)構(gòu)上的荷載可分為3類，它們分別是：永久荷載，如結(jié)構(gòu)自重、土壓力、預(yù)應(yīng)力等；可變荷載，如樓面活荷載、屋面活荷載、積灰荷載、吊車荷載、風(fēng)荷載和雪荷載等；偶然荷載，如爆炸力、撞擊力等。 荷載代表值是指設(shè)計(jì)中用以驗(yàn)算極限狀態(tài)所采用的荷載量值，如標(biāo)準(zhǔn)值、組合值、頻遇值和準(zhǔn)永久值。 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)不同荷載應(yīng)采用不同的代表值。永久荷載采用標(biāo)準(zhǔn)值作為代表值；可變荷載應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用標(biāo)準(zhǔn)值、組合值、頻遇值或準(zhǔn)永久值作為代表值；偶然荷載應(yīng)按建筑結(jié)構(gòu)使用的特點(diǎn)確定其代表值。,2.4荷載代表值和材料性能標(biāo)準(zhǔn)值2.4.1荷載代表值,荷載標(biāo)準(zhǔn)值是指其在使用期間可能出現(xiàn)的最大荷

10、載值； 荷載組合值是指當(dāng)有兩種或兩種以上的可變荷載作用在結(jié)構(gòu)上要求同時(shí)考慮時(shí)； 荷載準(zhǔn)永久值是指可變荷載在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，其超越的總時(shí)間約為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)一半的荷載值，主要用于考慮荷載長期效應(yīng)的影響； 荷載頻遇值是針對(duì)可變荷載而言的，是指設(shè)計(jì)基準(zhǔn)周期內(nèi)達(dá)到和超過該值的總持續(xù)時(shí)間與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的比值小于0.1的荷載代表值。,頻遇組合是新引進(jìn)的組合模式，可變荷載的頻遇值等于可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以頻遇值系數(shù)（該系數(shù)小于組合值系數(shù)），其值是這樣選取的：考慮了可變荷載在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 基準(zhǔn)期內(nèi)超越其值的次數(shù)或大小的時(shí)間與總的次數(shù)或時(shí)間相比在10左右。頻遇組合目前的應(yīng)用范圍較為窄小，如吊車梁的設(shè)計(jì)等。由于其中的頻遇值系數(shù)許多

11、還 沒有合理地統(tǒng)計(jì)出來，所以在其它方面的應(yīng)用還有一段的時(shí)間。準(zhǔn)永久組合在某種意義上與過去的長期效應(yīng)組合相同，其值等于荷載的標(biāo)準(zhǔn)值乘以準(zhǔn)永久值系數(shù)。它考慮了可變荷載對(duì)結(jié)構(gòu)作用的長期性。在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，可變荷 載超越荷載準(zhǔn)永久值的概率在50左右。準(zhǔn)永久組合常用于考慮荷載長期效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件正常使用狀態(tài)影響的分析中。最為典型的是：對(duì)于裂縫控制等級(jí)為2級(jí)的 構(gòu)件，要求按照標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，構(gòu)件受拉邊緣混凝土的應(yīng)力不超過混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，在按照準(zhǔn)永久組合時(shí)，要求不出現(xiàn)拉應(yīng)力。,2.4荷載代表值和材料性能標(biāo)準(zhǔn)值2.4.分項(xiàng)系數(shù),采用概率極限狀態(tài)方法用可靠指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算可靠指標(biāo)比較復(fù)雜

12、，規(guī)范提出了便于實(shí)際使用的設(shè)計(jì)表達(dá)式，稱為實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式。采用了以荷載和材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值分別與荷載分項(xiàng)系數(shù)和材料強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)相聯(lián)系的荷載設(shè)計(jì)值、材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值來表達(dá)的方式。分項(xiàng)系數(shù)按照目標(biāo)可靠指標(biāo)，并考慮工程經(jīng)驗(yàn)優(yōu)選原則進(jìn)行確定，通過分項(xiàng)系數(shù)將可靠指標(biāo)隱含在設(shè)計(jì)表達(dá)式中。所以，分項(xiàng)系數(shù)已起著考慮目標(biāo)指標(biāo)的等價(jià)作用。,2.4荷載代表值和材料性能標(biāo)準(zhǔn)值2.4.承載能力極限狀態(tài)表達(dá)式,承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式為： 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對(duì)安全等級(jí)為一級(jí)或設(shè)計(jì)使用年限為100年及以上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于1.1；對(duì)安全等級(jí)為二級(jí)或設(shè)計(jì)使用年限為50年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)小于1.0；對(duì)安全等級(jí)為三級(jí)或設(shè)計(jì)使用年限

13、為5年及以下的結(jié)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)件的重要性系數(shù)。 S荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值。 R結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的設(shè)計(jì)值。,由可變荷載效應(yīng)控制的組合： 由永久荷載效應(yīng)控制的組合： 式中，永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)，當(dāng)永久荷載效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力不利時(shí)，由可變荷載控制的組合，取值1.2，由永久荷載控制的組合，取值1.35；當(dāng)永久荷載效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力有利時(shí)，一般情況下取值1.0，對(duì)結(jié)構(gòu)的傾覆、滑移或漂浮驗(yàn)算，取值0.9； , 第1個(gè)和第個(gè)可變荷載分項(xiàng)系數(shù)，當(dāng)可變荷載效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力不利時(shí)，一般情況下限值1.4，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值大于4kN/m的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的活荷載取值1.3； 按永久荷載標(biāo)準(zhǔn)

14、值計(jì)算的荷載效應(yīng)值； 按可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的荷載效應(yīng)值，其中為諸可變荷載效應(yīng)中起控制作用者； 可變荷載的組合值系數(shù)，其值不應(yīng)大于1.0，按規(guī)范有關(guān)規(guī)定取用； 參與組合的可變荷載數(shù)。,2.4荷載代表值和材料性能標(biāo)準(zhǔn)值2.4.承載能力極限狀態(tài)表達(dá)式,2.4荷載代表值和材料性能標(biāo)準(zhǔn)值2.4.承載能力極限狀態(tài)表達(dá)式,對(duì)于工程中常用的一般排架、框架結(jié)構(gòu)，可采用簡化規(guī)則，并應(yīng)按下列組合值中取最不利值確定。 由可變荷載效應(yīng)控制的組合 由永久荷載效應(yīng)控制的組合仍按上頁公式采用。 對(duì)于偶然組合，荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值宜按下列規(guī)定確定：偶然荷載的代表值不乘分項(xiàng)系數(shù)；與偶然荷載同時(shí)出現(xiàn)的其他荷載可根據(jù)觀察資料和工程經(jīng)驗(yàn)采用適當(dāng)?shù)拇碇怠８鞣N情況下荷載效應(yīng)的設(shè)計(jì)公式，可由有關(guān)規(guī)范另行規(guī)定。,2.4荷載代表值和材料性能標(biāo)準(zhǔn)值2.4.4正常使用極限狀態(tài)表達(dá)式,對(duì)于正常使用極