1、项目三 结构荷载与内力分析 任务任务1 了解结构设计原则了解结构设计原则工作任务：工作任务：查阅相关资料，解释下列名词：查阅相关资料，解释下列名词：（1）结构的功能）结构的功能（2）结构极限状态）结构极限状态（3）混凝土结构的耐久性）混凝土结构的耐久性（4）结构安全等级）结构安全等级 (5)结构重要性系数结构重要性系数3.1.5 混凝土结构的耐久性规定混凝土结构的耐久性规定 由于混凝土表面暴露在大气中，特别是长期受到外由于混凝土表面暴露在大气中，特别是长期受到外界温、湿度等不良气候环境的影响，以及长期受到有害界温、湿度等不良气候环境的影响，以及长期受到有害物质的侵蚀，随时间增长而出现混凝土碳化
2、、开裂，钢物质的侵蚀，随时间增长而出现混凝土碳化、开裂，钢筋锈蚀等现象使材料的耐久性降低。因此，混凝土结构筋锈蚀等现象使材料的耐久性降低。因此，混凝土结构在进行承载能力和正常使用极限状态设计的同时还应根在进行承载能力和正常使用极限状态设计的同时还应根据结构所处的环境类别、结构的重要性和使用年限进行据结构所处的环境类别、结构的重要性和使用年限进行耐久性设计。耐久性设计。混凝土结构的耐久性按结构混凝土结构的耐久性按结构所处环境所处环境和设计和设计使用年使用年限限进行设计。进行设计。表表1-1 1-1 混凝土结构的使用环境类别混凝土结构的使用环境类别 环境类别环境类别说说 明明一室内正常环境：无侵蚀
3、性介质、无高温高湿影响、不与土层直接接触的环境二a室内潮湿环境：非严寒和非寒冷地区的露天环境、与无侵蚀性得水或土直接接触的环境b严寒和寒冷地区得露天环境、与无侵蚀性得水或土壤直接接触的环境三使用除冰盐的环境：严寒及寒冷地区冬季水位变动的环境；滨海室外环境四海水环境五受人或自然的侵蚀性物质影响得环境混凝土结构的耐久性应符合下列要求：混凝土结构的耐久性应符合下列要求：(1)一类、二类和三类环境中，设计使用年限为一类、二类和三类环境中，设计使用年限为50年的结构，年的结构，其混凝土应符合其混凝土应符合表表1-2的规定。的规定。(2)一类环境中，设计使用年限为一类环境中，设计使用年限为100年的结构混
4、凝土应符年的结构混凝土应符合下列规定：合下列规定：1)混凝土强度等级不应低于混凝土强度等级不应低于C30；预应力混凝土结构的最；预应力混凝土结构的最低混凝土强度等级为低混凝土强度等级为C40；2)混凝土中氯离子含量不得超过水泥重量的混凝土中氯离子含量不得超过水泥重量的0.06；3)宜使用非碱活性骨料，当使用碱活性骨料时，混凝土中宜使用非碱活性骨料，当使用碱活性骨料时，混凝土中的碱含量不得超过的碱含量不得超过3.0kgm3；4)混凝土保护层厚度应按相应的规定增加混凝土保护层厚度应按相应的规定增加40；当采取有；当采取有效的表面防护措施时，混凝土保护层厚度可适当减少；效的表面防护措施时，混凝土保护
5、层厚度可适当减少；5)在使用过程中应有定期维护措施。在使用过程中应有定期维护措施。(3)对于设计寿命为对于设计寿命为100年且处于二类和三类环境中的混凝年且处于二类和三类环境中的混凝土结构应采取专门有效的措施。土结构应采取专门有效的措施。(4)严寒及寒冷地区的潮湿环境中，结构混凝土应满足抗严寒及寒冷地区的潮湿环境中，结构混凝土应满足抗冻要求，混凝土抗冻等级应符合有关标准的要求。冻要求，混凝土抗冻等级应符合有关标准的要求。(5)有抗渗要求的混凝土结构，混凝土的抗渗等级应符合有抗渗要求的混凝土结构，混凝土的抗渗等级应符合有关标准的要求。有关标准的要求。(6)三类环境中的结构构件，其受力钢筋宜采用环
6、氧涂层三类环境中的结构构件，其受力钢筋宜采用环氧涂层带肋钢筋；对预应力锚具及连接器应有专门防护措施。带肋钢筋；对预应力锚具及连接器应有专门防护措施。(7)四类和五类环境中的混凝土结构，其耐久性要求应符四类和五类环境中的混凝土结构，其耐久性要求应符合有关标准的规定。合有关标准的规定。对临时性混凝土结构，可不考虑混凝土的耐久性要求。对临时性混凝土结构，可不考虑混凝土的耐久性要求。表表1-2 1-2 结构混凝土耐久性的基本规定结构混凝土耐久性的基本规定环境类别环境类别最大水灰最大水灰比比最小水泥最小水泥用量（用量（/m/m）混凝土强混凝土强度等级不度等级不小于小于氯离子含氯离子含量不大于量不大于（%
7、）碱含量不碱含量不大于（大于（/m/m）一0.65225C201.0不限制二ab0.600.55250275C25C300.30.23.03.0三0.5300C300.13.0 3.1.6 任务任务2 了解荷载的类型及荷载传递路径了解荷载的类型及荷载传递路径工作任务：工作任务：根据项目2所做的人本草结构模型，分析该结构有哪些基本构件组成；分析各结构构件所受荷载及其受力特征，完成结构基本构件组成分析表并分析该结构荷载的传递路线。人本草结构模型的结构荷载的传递路线为：屋面荷载的传递路线为：楼梯荷载的传递路线为：表表2-1 2-1 结构基本构件组成分析表结构基本构件组成分析表构件名称所在位置所受荷载
8、受力特征 建筑中由梁、板、柱、墙、基础等构件连接而成的能建筑中由梁、板、柱、墙、基础等构件连接而成的能承受承受“作用作用”的空间体系称为建筑结构，简称结构。这里的空间体系称为建筑结构，简称结构。这里所说的所说的“作用作用”，是使结构产生效应，是使结构产生效应(如结构或构件的内如结构或构件的内力、应力、位移、应变、裂缝等力、应力、位移、应变、裂缝等)的各种原因的统称。作的各种原因的统称。作用分为用分为直接作用和间接作用直接作用和间接作用。直接作用习惯上称为。直接作用习惯上称为荷载荷载，系指施加在结构上的集中力或分布力系，如结构的自重、系指施加在结构上的集中力或分布力系，如结构的自重、楼面荷载、雪
9、荷载、风荷载等。间接作用指引起结构外加楼面荷载、雪荷载、风荷载等。间接作用指引起结构外加变形或约束变形的原因，如地基变形、混凝土收缩、温度变形或约束变形的原因，如地基变形、混凝土收缩、温度变化、地震作用等。变化、地震作用等。基本概念：基本概念：荷载的基本代表值，是指结构在其使用期荷载的基本代表值，是指结构在其使用期间间,正常情况下可能出现的最大荷载值。正常情况下可能出现的最大荷载值。v 是正常使用极限状态按频遇组合设计采用是正常使用极限状态按频遇组合设计采用的一种可的一种可 变荷载代表值变荷载代表值是正常使用极限状态按准永久组合和频是正常使用极限状态按准永久组合和频遇组合设计采用的一种可变荷载
10、代表值。遇组合设计采用的一种可变荷载代表值。是当结构承受两种或两种以上可变荷载时，是当结构承受两种或两种以上可变荷载时，承载能力极限状态按基本组合设计和正常使用极限状态按承载能力极限状态按基本组合设计和正常使用极限状态按标准组合设计采用的可变荷载代表值。标准组合设计采用的可变荷载代表值。3.2.3 材料强度标准值材料强度标准值v具有不小于具有不小于95的保证率的材料强度值称为材料强度标准的保证率的材料强度值称为材料强度标准值值 1.钢材的强度标准值钢材的强度标准值 规范规范将热轧钢筋的强度标准值取为将热轧钢筋的强度标准值取为冶金部门颁布的屈服强度废品限值冶金部门颁布的屈服强度废品限值，其保证率
11、为，其保证率为97.73。2.混凝土的强度标准值混凝土的强度标准值 取保证率为取保证率为95%的强度值为混凝土强的强度值为混凝土强度标准值度标准值 3.2.4 结构上竖向荷载的传递路经结构上竖向荷载的传递路经 结构竖向荷载的传递路线，根据结构类型和结构体结构竖向荷载的传递路线，根据结构类型和结构体系的不同而不同。系的不同而不同。一般来说，框架结构竖向荷载的传递路线为：一般来说，框架结构竖向荷载的传递路线为：板板梁梁柱柱基础基础地基地基 剪力墙结构竖向荷载的传递路线为：剪力墙结构竖向荷载的传递路线为：板板墙墙基础基础地基地基 框架框架剪力墙竖向结构荷载的传递路线为：剪力墙竖向结构荷载的传递路线为
12、：板板梁或墙梁或墙柱柱基础基础地基。地基。图2-1 结构基本组成构件及传力路径 任务任务3 统计结构上的荷载并计算内力设计值统计结构上的荷载并计算内力设计值工作任务：工作任务：某办公楼屋面结构施工图如图某办公楼屋面结构施工图如图4-1，屋面为不上人，屋面为不上人屋面，钢筋混凝土板厚为屋面，钢筋混凝土板厚为100mm，屋面做法如图，屋面做法如图4-2，砼，砼强度等级为强度等级为C20。试计算梁。试计算梁L7上的荷载（线荷载），并上的荷载（线荷载），并确定梁确定梁L7的跨中弯矩设计值（基本组合，按简支梁计的跨中弯矩设计值（基本组合，按简支梁计算）。算）。图图4-1 屋面结构施工图图4-2 屋面建筑
13、做法混凝土结构采用以混凝土结构采用以概率理论为基础的极限状态设计法概率理论为基础的极限状态设计法 按承载力极限状态计算按承载力极限状态计算混凝土规范设计表达式混凝土规范设计表达式 RS 0)(02110，hbAffRSSSsskccknikQiQiQikQQkGGg0 结构重要性系数结构重要性系数。根据建筑结构的重要性将结构。根据建筑结构的重要性将结构分为三个安全等级，采用结构重要性系数来体现。一级分为三个安全等级，采用结构重要性系数来体现。一级，g01.1；二级，二级，g01.0；三级，三级，g00.9S承载能力极限状态的荷载效应承载能力极限状态的荷载效应(内力内力)组合的设组合的设计值计值
14、（可按建筑力学的方法计算，手算或机算）。（可按建筑力学的方法计算，手算或机算）。对于承载能力极限状态，结构构件应按荷载效应的基对于承载能力极限状态，结构构件应按荷载效应的基本组合进行计算，必要时尚应按荷载效应的偶然组合本组合进行计算，必要时尚应按荷载效应的偶然组合进行计算。进行计算。R 结构抗力结构抗力,结构或结构构件承受内力和变形的结构或结构构件承受内力和变形的能力能力(如构件的承载能力、刚度等如构件的承载能力、刚度等)。G G永久荷载的分项系数，一般永久荷载的分项系数，一般情况下情况下取取1.21.2；QiQi第第i i个可变荷载分项系数，其中个可变荷载分项系数，其中Q1为可变荷载为可变荷
15、载Q1的的 分项系数。一般情况下取值分项系数。一般情况下取值1.4；SGk按永久荷载标准值按永久荷载标准值Gk计算的荷载效应值；计算的荷载效应值；SQik按可变荷载标准值按可变荷载标准值Qik计算的荷载效应值，其中计算的荷载效应值，其中SQ1k 为诸可变荷载效应中起控制作用者；为诸可变荷载效应中起控制作用者；ci可变荷载可变荷载Qi的组合值系数，其值不应大于的组合值系数，其值不应大于1.0，按，按 荷载规范荷载规范有关规定取用；有关规定取用；可变荷载控制组合时可变荷载控制组合时永久荷载控制组合时永久荷载控制组合时niQikciQikQQGkGSSSS211niQikciQiGkGSSS1一般不
16、能确定谁起决定作用，应通过试算确定一般不能确定谁起决定作用，应通过试算确定2.1G35.1G2按正常使用极限状态计算 短期荷载作用下，考虑采用荷短期荷载作用下，考虑采用荷载的载的标准组合标准组合长期荷载作用下，考虑采用荷载的长期荷载作用下，考虑采用荷载的频遇组合频遇组合或或准永久组合准永久组合niQikcikQGkSSSS21niQikqiGkSSS1niQikqikQfGkSSSS211正常使用极限状态正常使用极限状态，可靠度要求可适当降低，所有分项系数取，可靠度要求可适当降低，所有分项系数取1.0混凝土规范设计表达式混凝土规范设计表达式 CS 3.3.2 设计思路设计思路确定荷载及荷载效应
17、初步选定构件尺寸确定结构计算简图RS0按照构造规定配筋max构件设计完成例题：例题：下图是一个跨度为下图是一个跨度为6m的简支梁，安全等级为二级，的简支梁，安全等级为二级，分别计算基本组合时的弯矩设计值和标准组合时的弯矩分别计算基本组合时的弯矩设计值和标准组合时的弯矩设计值。设计值。任务任务4 计算结构构件内力设计值并绘制计算结构构件内力设计值并绘制结构内力示意图结构内力示意图工作任务：工作任务：查阅建筑力学及相关资料，分别绘制人本草别墅1轴框架、A轴框架、B轴框架在竖向荷载作用下的弯矩图。一、框架结构的计算简图一、框架结构的计算简图1.计算单元的确定计算单元的确定图8-5 框架结构的计算单元
18、2.作用于框架上的荷载计算作用于框架上的荷载计算 作用于框架结构上的荷载有竖向荷载和水平荷载作用于框架结构上的荷载有竖向荷载和水平荷载(风荷载，风荷载，地震作用等地震作用等,本节不做介绍）。竖向荷载一般为均布荷载，有时本节不做介绍）。竖向荷载一般为均布荷载，有时也有集中力；而水平作用一般均简化为作用于框架节点处的集也有集中力；而水平作用一般均简化为作用于框架节点处的集中力。中力。二、竖向荷载作用下的内力近似计算法二、竖向荷载作用下的内力近似计算法 由力学分析结果可知，多跨框架在竖向荷载作用下的由力学分析结果可知，多跨框架在竖向荷载作用下的侧移很小，而且各层梁上的荷载对其他层杆件的内力基本没侧移
19、很小，而且各层梁上的荷载对其他层杆件的内力基本没有影响，因而可采用分层法进行近似计算。有影响，因而可采用分层法进行近似计算。分层法计算的基本思路是：将多层框架分成多榀单层分层法计算的基本思路是：将多层框架分成多榀单层框架框架(图图8-6)，以每层梁及上、下柱组成计算单元，柱远端为，以每层梁及上、下柱组成计算单元，柱远端为固定端。用力矩分配法分别计算每个计算单元的内力固定端。用力矩分配法分别计算每个计算单元的内力。图8-6 多层框架的分层法示意图图8-11竖向荷载作用下的弯矩图三、水平荷载作用下的内力近似计算法三、水平荷载作用下的内力近似计算法 当考虑风荷载和地震作用时，结构设计时应计入由此产生的内力（即参与内力组合，详见建筑抗震设计规范（GB 50011-2001 2008版）。水平荷载作用下的内力近似计算法有反弯点法和D值法，此处不做介绍。四、计算机辅助内力分析方法四、计算机辅助内力分析方法 结构有限元分析
