1、 建筑结构基础CONTENTS目 录 建筑结构的荷载建筑结构的设计方法极限状态设计方法1.11.21.3项目1 建筑结构设计概论学习目标项目1 建筑结构设计概论了解建筑结构的功能要求。熟悉建筑结构的极限状态。掌握荷载的代表值、设计值及分项系数。掌握极限状态设计的计算方法。PART1.1建筑结构的荷载1.1.建筑结构的荷载 建筑结构在使用期间和施工过程中要承受各种力的作用。施加在结构上的集中力或分布力（如人群、设备、风、雪、构件自重等）称为直接作用，也称为荷载；引起结构外加变形或约束变形（如温度变化、地基沉降、地面运动等）的原因称为间接作用。1.1.1 荷载的分类 荷载按作用区域的大小可分为集中
2、荷载和分布荷载，按使用是否产生动力效应可分为静力荷载和动力荷载,按时间长短可分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载。（1）永久荷载。永久荷载是指在结构使用期间，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。永久荷载也称为恒荷载，如结构自重、土压力、预应力等。1.1.1 荷载的分类 （2）可变荷载。可变荷载是指在结构使用期间，其值随时间变化，且其变化与平均值相比不可以忽略不计的荷载，如楼面活荷载、屋面活荷载、屋面积灰荷载、起重机荷载、风荷载、雪荷载等。（3）偶然荷载。偶然荷载是指在结构设计使用年限内不一定出现，而一旦出现其量值很大，且持续时间很短的荷载，如地震
3、、爆炸、撞击等。1.1.2 荷载的代表值 设计中用以验算极限状态所采用的荷载量值称为荷载代表值，如标准值、组合值、频遇值和准永久值。在建筑结构设计时，对不同荷载应采用不同的代表值。对永久荷载应采用标准值作为其代表值；对可变荷载应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值；对偶然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表值。1.1.2 荷载的代表值 1.荷载的标准值 荷载的标准值一般是指结构在其设计基准期（50年）内，在正常情况下可能出现具有一定保证率的最大荷载。它是荷载的基本代表值，是设计基准期内最大荷载统计分布的特征值。1.1.2 荷载的代表值 2.可变荷载的组合值 当几种可变荷载
4、进行组合时，其值不一定都同时达到最大，因此需进行适当调整。调整的方法为：除其中最大荷载仍取其标准值外，其他伴随的可变荷载均采用小于1.0的组合值系数乘以相应的标准值来表达其荷载代表值。这种经调整后的可变荷载称为可变荷载的组合值，即 Qc=cQk （1-1）式中，c为荷载组合值系数；Qk为可变荷载的标准值；Qc为可变荷载的组合值。1.1.2 荷载的代表值 可变荷载的组合值是承载能力极限状态设计和正常使用极限状态标准组合设计时荷载的代表值。1.1.2 荷载的代表值 3.可变荷载的频遇值 作用于结构上时而出现、持续时间较短的较大可变荷载值称为可变荷载频遇值。由于频遇值具有较短的时间内可能达到较大的可
5、变荷载值，及较少的发生次数的特性，使结构的破坏性有所减缓。因此，可变荷载的频遇值总是小于其标准值，是可变荷载的标准值与其频遇值系数的乘积。Qf=fQk （1-2）式中，Qf为可变荷载的频遇值；f为频遇值系数。1.1.2 荷载的代表值 4.可变荷载的准永久值 经常作用于结构上的可变荷载称为可变荷载的准永久值。它对结构的影响，在性质上类似于永久荷载，其数值上等于可变荷载的标准值乘以可变荷载的准永久值系数,即 Qq=qQk （1-3）式中，Qq为可变荷载的准永久值；q为准永久值系数。1.1.3 荷载的分项系数及设计值 1.荷载的分项系数 荷载的分项系数是考虑荷载超过标准值的可能性，以及对不同变异性的
6、荷载可能造成结构计算时可靠度严重不致的调整系数。其值应满足在各种荷载标准值已经给定的前提下，使所取的数值在按极限状态设计中得到的各种结构构件所具有的可靠度（或失效概率）与规定的目标可靠度（或允许的失效概率）之间，在总体上误差最小。若以G及Q分别表示永久荷载及可变荷载的分项系数，则应符合建筑结构荷载规范（GB 500092012）的以下规定：1.1.3 荷载的分项系数及设计值 （1)永久荷载的分项系数G。当永久荷载效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合应取1.2，对由永久荷载效应控制的组合应取1.35。当永久荷载效应对结构有利时，不应大于1.0。（2）可变荷载的分项系数Q。对标准值大于4
7、kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载应取1.3。其他情况，应取1.4。1.1.3 荷载的分项系数及设计值 2.荷载的设计值 荷载的标准值与荷载分项系数的乘积称为荷载的设计值，亦称设计荷载。其数值大体相当于结构在正常使用情况下荷载的最大值，它比荷载的标准值具有更高的可靠度。1.1.4 荷载效应 各种作用在结构上的内力（弯矩、剪力、扭矩、压力、拉力等）和变形(挠度、扭转、弯曲、拉伸、压缩、裂缝等)统称为作用效应，用S表示。当作用为荷载时，引起的效应称为荷载效应。一般情况下，荷载效应S与荷载Q之间可近似按线性关系考虑，即 S=CQ（1-4）式中，C为荷载效应系数，通常由力学分析确定；Q为某种荷载的代
8、表值；S为与荷载Q相应的荷载效应。1.1.4 荷载效应 例如，承受均布荷载q作用的简支梁，计算跨度为l，由结构力学方法计算可知，其跨中最大弯矩值为 ，支座处剪力为 。那么，弯矩M和剪力V均相当于荷载效应S，q相当于荷载Q，18l2和12l则相当于荷载效应系数C。PART1.2建筑结构的设计方法1.2.1 结构设计的基本要求 1.设计基准期和设计使用年限 结构设计所采用的荷载统计参数以及与时间有关的材料性能取值都与时间参数有关。时间参数即设计基准期，它是确定设计荷载最大值取值的期限。在建筑结构可靠度设计统一标准（GB 500682001）中，设计基准期为50年。建筑结构的设计使用年限是指按规定指
9、标设计的建筑结构或构件，在正常施工、正常使用和正常维护下，不需要大修即可达到按其预定目的使用的时期，如我国普通房屋的设计使用年限是50年，纪念性的建筑和特别重要的建筑结构的设计使用年限是100年。1.2.1 结构设计的基本要求 2.建筑结构的功能要求 结构设计的目的是使所设计的结构能够完成由其用途所决定的全部功能要求。建筑结构的功能要求包括以下几个方面：1.2.1 结构设计的基本要求1 1）安全性）安全性 建筑结构在预定的使用期限内，应能承受正常施工、正常使用时可能出现的各种荷载、强迫变形（如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束变形（如由于阻止温度及收缩引起的构件趋势而引起的变形）等的作用。在偶
10、然荷载（如地震、强风）作用下或偶然事件（如火灾、爆炸）发生时和发生后，构件仅产生局部损坏，不会发生连续倒塌现象。1.2.1 结构设计的基本要求2 2）适用性）适用性 建筑结构在正常使用的荷载作用下应具有良好的工作性能，如不发生影响正常使用的过大挠度、永久变形与动力效应（过大的振幅和振动），就不会产生令使用者感到不安的裂缝。1.2.1 结构设计的基本要求3 3）耐久性）耐久性 建筑结构在正常使用和正常维护的条件下，在规定的环境中且在预定的使用期限内应有足够的耐久性，如不发生由于混凝土保护层碳化或氯离子的侵入而导致的钢筋锈蚀现象，以致影响结构的使用寿命。上述这些功能要求概括起来可以统称为建筑结构的
11、可靠性，即建筑结构在规定的时间（如设计使用年限为50年）内、规定的条件（正常设计、正常施工、正常使用和维修，不考虑人为过失）、规定的环境下完成其预定功能的能力。1.2.2 结构的极限状态 极限状态是结构或结构构件能够满足设计规定的某一功能要求的临界状态，具有明确的标志及限值。超过这一界限，结构或结构构件就不能再满足设计规定的该项功能要求，而进入失效状态。根据功能要求的不同，建筑结构的极限状态可分为以下两类：1.2.2 结构的极限状态 1.承载能力极限状态 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的极限状态称为承载能力极限状态。当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了承载能力
12、极限状态：（1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、过大的滑移等）。（2）结构构件或连接因超过材料强度而被破坏（包括疲劳破坏）。（3）结构构件或连接因过度变形而不适于继续承载（如受弯构件中的少筋梁）。1.2.2 结构的极限状态 （4）结构转变为机动体系（如超静定结构由于某些截面的屈服而形成塑性铰，使结构成为几何可变体系）。（5）结构或结构构件丧失稳定（如细长柱达到临界荷载，发生压屈）。（6）地基丧失承载能力而被破坏（如地基失稳等）。1.2.2 结构的极限状态 2.正常使用极限状态 结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值的极限状态,称为正常使用极限状态。当结构或结构构件出
13、现下列状态之一时，应认为超过了正常使用极限状态：（1）影响正常使用或外观的变形（如梁产生超过了挠度限值的过大的挠度）。（2）影响正常使用或耐久性能的局部损坏（如不允许出现裂缝的构件开裂，或允许出现裂缝的构件的裂缝宽度超过了允许限值）。（3）影响正常使用的振动。（4）影响正常使用的其他特定状态（如由于钢筋锈蚀而产生的沿钢筋的纵向裂缝）。PART1.3极限状态设计方法1.3 结构的极限状态 在进行建筑结构设计时，应针对上述的两类极限状态，根据结构的特点和使用要求给出具体的标志及限值，以作为结构设计的依据。这种将对应于结构的各种功能要求的极限状态作为结构设计依据的设计方法，称为极限状态设计法。1.3
14、.1 承载能力极限状态计算 （1）在极限状态设计法中，应采用式（1-5）和式（1-6）计算结构构件的承载力。0SR （1-5）R=R（fc，fs，ak，）/Rd （1-6）式中，0为结构重要性系数，在持久设计状况和短暂设计状况下，安全等级为一级的结构构件的0不应小于1.1，安全等级为二级的结构构件的0不应小于1.0，安全等级为三级的结构构件的0不应小于0.9，在地震设计状况下应取1.0；S为承载能力极限状态下作用组合的效应设计值；R为结构构件的抗力设计值；R（）为结构构件的抗力函数；Rd为结构构件的抗力模型不定性系数；fc、fs分别为混凝土、钢筋的强度设计值；ak为几何参数的标准值，当几何参数
15、的变异性对结构性能有明显的不利影响时，应增减一个附加值。1.3.1 承载能力极限状态计算 （2）由可变荷载控制的效应设计值，应按式（1-7）进行计算。（1-7）式中，Gj为第j个永久荷载的分项系数；Qi为第i个可变荷载的分项系数，其中的Q1为主导可变荷载Q1的分项系数；Li为第i个可变荷载考虑设计使用年限的调整系数，其中的L1为主导可变荷载Q1考虑设计使用年限的调整系数；SGjk为按第j个永久荷载标准值Gjk计算的荷载效应值；SQik为按第i个可变荷载标准值Qik计算的荷载效应值，其中的SQ1k为诸多可变荷载效应中起控制作用者；ci为第i个可变荷载Qi的组合值系数；m为参与组合的永久荷载数；n
16、为参与组合的可变荷载数。1.3.1 承载能力极限状态计算 （3）由永久荷载控制的效应设计值，应按式（1-8）进行计算。（1-8）基本组合中的效应设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况。当无法明确判断SQ1k时，应依次以各可变荷载效应作为SQ1k，并选取其中最不利的荷载组合的效应设计值。1.3.2 正常使用极限状态计算 对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，采用荷载的标准组合、频遇组合或准永久组合，并按式（1-9）进行计算。SC （1-9）式中，C为结构或结构构件达到正常使用要求的规定限值，如变形、裂缝、振幅、加速度、应力等的限值，应按各有关建筑结构设计规范的规定采用。正常使用情况下,荷
17、载效应和结构抗力的变异性已经在确定荷载标准值与结构抗力标准值时进行了一定程度的处理，并具有一定的安全储备。考虑到正常使用极限状态设计属于校核验算性质，所要求的安全储备可以略低一些，所以可采用荷载效应及结构抗力标准值进行计算。1.3.2 正常使用极限状态计算 1.荷载标准组合的效应设计值计算 荷载标准组合的效应设计值S应按式（1-10）进行计算（组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况）。（1-10）标准组合是在设计基准期内根据正常使用条件可能出现最大可变荷载时的荷载标准值进行组合而确定的，在一般情况下均采用这种组合值进行正常使用极限状态的验算。1.3.2 正常使用极限状态计算 2.荷载
18、频遇组合的效应设计值计算 荷载频遇组合的效应设计值应按式（1-11）进行计算（组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况）。（1-11）式中，f1为第1个可变荷载的频遇值系数；qi为第i个可变荷载的准永久值系数。1.3.2 正常使用极限状态计算 频遇组合是采用考虑时间影响的频遇值为主导进行组合而确定的。当结构或结构构件允许考虑荷载总持续时间较短或出现次数较少时，应按其相应的最大可变荷载的组合（频遇组合）进行正常使用极限状态的验算。例如，当结构构件考虑疲劳的破坏时，应按所需承受的疲劳次数相应的频遇组合值进行疲劳强度的验算，但如果采用较大的荷载标准组合值进行验算，则结构构件将会超过所需承受的
19、疲劳次数，也即其实际设计使用年限超过了设计基准期，但当设计使用年限为设计基准期的其他结构构件报废时，该结构件也将随着报废。可见按频遇组合值验算是较为经济合理的。1.3.2 正常使用极限状态计算 当结构振动涉及人的舒适性，影响非结构构件的性能和设备的使用功能时，应采用荷载频遇组合进行极限状态的验算。在建筑结构荷载规范（GB 500092012）中首次提出了频遇组合的计算条文，但由于当前所给出的频遇组合值系数和对结构构件达到正常使用要求的相应规定限值尚不够完善，因而也没有明确规定其具体应用场合，当有成熟经验时，可以采用这种组合进行极限状态的验算。1.3.2 正常使用极限状态计算 3.荷载准永久组合的效应设计值计算 荷载准永久组合的效应设计值应按式（1-12）进行计算（组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况）。（1-12）准永久组合是采用设计基准期内持久作用的准永久值进行组合而确定的。它是考虑可变荷载的长期作用并具有独立性的一种组合形式。但混凝土结构设计规范（2015年版）（GB 500102010）中对结构抗力（裂缝、变形）的试验研究结果多数是在荷载短期作用的情况下取得的，因此仅将荷载准永久组合值作为荷载长期作用会降低结构抗力（刚度）的影响因素之一来取用。THANKS
