建筑结构设计基本原则

'项目4建筑结构的基本设计原则掌握1荷载和材料各代表值；2结构的功能及极限状态的含义3极限状态设计表达式及各符号含义一.学习目标二.能力目标学会1荷载和材料各代表值的取用2荷载效应设计值计算 结构上的“作用”使结构或构件产生效应(内力、变形等)的各种原因的总称直接作用间接作用是指直接以力的不同集结形式（集中力或均布力）施加在结构上的作用，通常也称为荷载。是指能够引起结构外加变形和约束变形，从而产生内力效应的各种原因。 可变荷载(活荷载)永久荷载(恒荷载)在结构设计基准期内，其作用量值随时间而变化，其变化幅度与平均值相比不可忽略不计的荷载在结构设计基准期内，其作用量值不随时间变化，或其变化幅度与平均值相比可以忽略不计的荷载.(随时间的变异性分类)荷载的分类偶然荷载在结构设计基准期内不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短的荷载， 荷载代表值结构或构件设计时，需针对不同设计目的对荷载赋予一个规定的量值，该量值即为荷载代表值。永久荷载采用标准值为代表值。可变荷载采用标准值、组合值、频遇值和准永久值为代表值。偶然荷载按使用的特点确定代表值。其中荷载标准值为基本代表值。 荷载标准值荷载标准值是指在结构使用期间，在正常情况下可能出现的最大荷载值。永久荷载标准值Gk可按结构构件的设计尺寸和材料重力密度计算确定，《荷载规范》中给出了常用材料和构件的自重。可变荷载标准值Qk可直接查《荷载规范》得出。 可变荷载组合值当结构承受两种或两种以上可变荷载时，考虑它们同时达到各自最大值的可能性很小，故除主导的可变荷载外，其他可变荷载均乘以小于1.0的组合系数作为可变荷载组合值。可变荷载组合值＝可变荷载标准值×荷载组合值系数ψC荷载组合值系数可由《荷载规范》查得 可变荷载频遇值可变荷载在设计基准期内在结构上偶而出现的较大荷载，称为可变荷载频遇值。其具有持续时间较短或发生次数较少的特点。可变荷载频遇值＝可变荷载标准值×荷载频遇值系数ψf荷载频遇值系数可由《荷载规范》查得 可变荷载准永久值在设计基准期内经常作用的可变荷载，称可变荷载准永久值。其具有总持续时间较长的的特点，对结构的影响类似于永久荷载。可变荷载准永久值＝可变荷载标准值×荷载准永久值系数ψｑ荷载准永久值系数可由《荷载规范》查得 荷载效应S荷载效应是指由荷载在结构上产生的各种内力（弯矩、剪力等）和变形（挠度、裂缝等）的统称。一般情况:S=CQ[例]简支梁承受均布荷载q作用，计算跨度为l，由力学计算可知其跨中弯矩M＝，支座剪力V＝。M与VSqQ与C 荷载设计值及荷载分项系数荷载设计值＝荷载分项系数×荷载标准值由于荷载是随机变量，考虑其有超过荷载标准值的可能性，设计时将荷载标准值乘以一个大于1的调整系数。它比荷载的标准值具有更大的可靠度。荷载类别荷载特征荷载分项系数永久荷载当其效应对结构不利时对由可变荷载效应控制的组合对由永久荷载效应控制的组合1.21.35当其效应对结构有利时一般情况下对结构的倾覆、滑移或漂浮验算1.00.9可变荷载一般情况下对标准值＞4kN／m2的工业房屋楼面活荷载1.41.3 结构抗力R结构抗力是指结构或构件承受各种荷载效应的能力，即承载能力和抗变形能力。R=R(fc,fs,αk…)结构抗力也是一个随机变量，影响因素主要有材料性能（强度、变形模量等物理力学性能）、构件几何参数、配筋情况以及计算模式的精确性等。 材料强度的取值材料强度设计值＝材料强度标准值/材料分项系数考虑由于材料强度的变异以及几何参数和设计模式的不定性可能使结构抗力进一步降低的不利影响。根据标准试件用标准试验方法测得的具有95％以上保证率的强度值，材料分项系数根据结构可靠度分析，并考虑材料质量的分布规律和一定的保证率确定。由规范或附录直接查用 适用性安全性结构在正常使用期间应具有良好的工作性能。例如，不发生过大的变形、振幅、过宽的裂缝等，以免影响正常使用。结构应能承受在正常施工和正常使用的情况下可能出现的各种作用，在设计规定的偶然事件发生时及发生后，结构仍能保持必需的整体稳定性，不致发生倒塌。结构的功能要求耐久性结构在正常使用和正常维护条件下应具有足够的耐久性能，以保证结构能够正常使用到预定的设计使用期限。结构设计的目的就是使所设计的结构在规定的设计使用年限内，用最经济的手段获得预定条件下满足设计所预期的各种功能的要求。 结构的可靠性在规定的时间内（设计使用年限），在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维修），结构完成预定功能（安全性、适用性、耐久性）的能力是指结构在设计使用年限内，在正常设计、施工、使用和维护的条件下完成预定功能的概率。安全性、适用性、耐久性的统称结构的可靠度结构完成预定功能的能力不能事先确定，只能用概率来描述。 设计基准期和设计使用年限是为确定荷载代表值及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数（我国取用的设计基准期为50年）。必须说明：当结构的使用年限达到或超过设计基准期后，并不意味结构立即报废，而只意味结构的可靠度将逐步降低。类别设计使用年限（年）示例11～5临时性建筑225易于替换的结构构件350普通房屋和构筑物4100及以上纪念性建筑和特别重要的建筑结构是设计规定的一个期限，是指按规定指标设计的建筑结构或构件，在正常施工、正常使用和维护下，不需进行大修即可达到其预定功能要求的使用年限。 结构功能的极限状态能够满足功能要求不能满足功能要求特定状态可靠度可靠失效极限状态承载能力极限状态正常使用极限状态结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形时的状态结构或结构构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值时的状态 适用性安全性Z＜0,即R＜S耐久性Z＞0,即R＞S承载能力极限状态正常使用极限状态Z=g(R,S)=R-S功能函数结构抗力荷载效应Z=0,即R=S可靠状态极限状态失效状态结构可靠工作的基本条件为:Z≥0或R≥S 承载能力极限状态实用设计表达式γ0S≤R结构重要性系数结构构件抗力设计值R＝R（fc，fs，αk…）荷载效应组合设计值一般排架、框架结构，可采用简化公式：安全等级为三级（或５年）γ0≥０.９安全等级为一级（或100年及以上）γ0≥1.1安全等级为二级（或５０年）γ0≥1.０由永久荷载效应控制的组合：由可变荷载效应控制的组合： 由永久荷载效应控制的组合：由可变荷载效应控制的组合：S 【例1】已知由永久荷载产生的弯矩标准值Mgk=11kN·m，起控制作用的可变荷载产生的弯矩标准值Mqk=16kN·m，安全等级为二级，求弯矩设计值。【解】本例中，γ0=1.0，γG=1.2,γQ1=1.4SGk=Mgk=11kN·mSQ1k=Mqk=16kN·m则弯矩设计值M=γ0(γGSGk+γQ1SQ1k）=1.0×(1.2×11+1.4×16)kN·m=35.6kN·m弯矩设计值为35.6kN·m。 【例2】某教学楼楼面采用预制板，计算跨度l0=5.70m，板宽0.9m，板自重2.2kN/m2。楼面采用水磨石地面（10mm厚面层，20mm厚水泥砂浆打底），板底20mm厚抹灰。楼面活荷载标准值为2.0kN/m2。试求：①板的跨中截面弯矩设计值M。【解】(1)荷载标准值①永久荷载水磨石地面0.65kN/m220mm板底抹灰17×0.02=0.34kN/m2 板自重2.2kN/m2作用在板上的永久荷载线荷载标准值为gk=(0.65+0.34+2.2)×0.9=2.871kN/m②可变活荷载qk=2.0×0.9=1.8kN/m(2)板的跨中截面弯矩设计值永久荷载产生的弯矩标准值Mgk=1/8gkl02=11.66kN·m可变荷载产生的弯矩标准值Mqk=1/8qkl02=7.31kN·m 由可变荷载效应控制的组合γG=1.2，γQ=1.4M=γGMgk+γQMqk=24.22kN·m由永久荷载效应控制的组合γG=1.35，γQ=1.4,ψci=0.7M=γGMgk+γQψciMqk=22.90kN·m由计算知，楼板荷载效应组合值由可变荷载效应控制。故板跨中截面的弯矩设计值为24.22kN·m。 正常使用极限状态实用设计表达式《统一标准》规定：计算时荷载及材料强度均取标准值，不再考虑荷载和材料分项系数，也不考虑结构的重要性系数γ0。设计表达式S≤C荷载效应组合值S，应根据不同的设计目的，分别按荷载效应的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计。结构构件达到正常使用要求的规定限值C，例如变形限值、裂缝宽度限值等。 地震的基本概念常用术语震源震源深度震中距震中地面地面某处浅源地震(震源深度＜60km)中源地震(震源深度60~300km)深源地震(震源深度＞300km) 地震波地震时振动以波的形式从震源向各个方向传播并释放能量，这就是地震波。地震波体波面波纵波横波由震源向外传递的压缩波,这种波质点振动的方向与波的前进方向一致,其特点是周期短、振幅小、传播速度快,能引起地面上下颠簸（竖向振动）。由震源向外传递的剪切波,其质点振动的方向与波的前进方向垂直,其特点是周期长、振幅大、传播速度较慢,能引起地面水平摇晃。体波经地层界面多次反射传播到地面后,又沿地面传播的次生波,其特点是周期长、振幅大、衰减较体波慢，能引起地面建筑的水平振动。地震波的传播以纵波最快，横波次之，面波最慢。 地震震级地震震级是衡量一次地震本身强弱程度的指标。震级每增加一级，地震所释放出的能量约增加30倍。一般地说，2级以下的地震，人们是感觉不到的，因此称为微震；2～4级的地震，在震中附近地区的人就有感觉，称为有感地震；5级以上的地震，会对地面上的建筑物造成不同程度的破坏，称为破坏性地震；7级以上的地震，则称为强烈地震；8级以上的地震，称为特大地震。 地震烈度地震烈度是指某一地区的地表和建筑物在一次地震时受到影响的强弱程度。一次地震只有一个震级，然而同一次地震对不同地区的影响却不同，随着距离震中的远近不同会出现多种不同的烈度。一般来说，距震中距离越近，地震烈度越高。我国采用12度地震烈度区划，6～9度需设防。抗震设防烈度是按国家批准权限审批或颁布的作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。 房屋结构的抗震设防房屋结构的抗震设防，是指通过对地震区的房屋进行抗震设计和采取构造措施，达到在地震发生时减轻地震灾害的目的。抗震设防的依据是抗震设防烈度。我国《抗震规范》将建筑物按其用途的重要性分为四类：甲类建筑：指重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑。乙类建筑：指地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑。丙类建筑：除甲、乙、丁类建筑以外的一般工业与民用建筑。丁类建筑：指次要建筑。 抗震设防标准甲类建筑在6～8度设防区应本地区按设防烈度提高一度计算地震作用和采取抗震构造措施，当为9度区时，应作专门研究。乙类建筑按本地区设防烈度进行抗震计算，抗震构造措施提高一度考虑。丙类建筑的抗震计算与构造措施均按本地区设防烈度考虑。丁类建筑按本地区设防烈度进行抗震计算，抗震构造措施可适当降低要求（设防烈度为6度时不再降低）。抗震设防烈度为6度时，除另有规定外，对乙、丙、丁类建筑可不进行地震作用计算。 抗震设防目标我国《抗震规范》明确提出了三个水准的抗震设防要求：第一水准：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，建筑物一般不受损坏或不需修理可继续使用。第二水准：当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，建筑物可能损坏，但经一般修理或不修理仍可继续使用。第三水准：当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏。概括为“小震不坏，中震可修，大震不倒”'