1、第二章第二章 建筑结构建筑结构设计原理设计原理 第一节第一节 结构上的荷载结构上的荷载 什么是荷载什么是荷载 一、结构上的作用、作用效应、结构抗力及其一、结构上的作用、作用效应、结构抗力及其随机性随机性 1.作用作用actionv定义：定义：作用作用施加在结构上的施加在结构上的集中或分布荷载集中或分布荷载以及引起结构以及引起结构外加变形外加变形或或约束变形约束变形因素的总称。因素的总称。结构产生各种效应的原因，统称为结构产生各种效应的原因，统称为结构上的作用结构上的作用。v分类分类直接作用直接作用 间接作用间接作用 1.结构上的作用结构上的作用v直接作用直接作用直接施加直接施加在结构上的在结构
2、上的集中集中或或分布荷载分布荷载，使它产，使它产生内力效应。即通常所说的生内力效应。即通常所说的荷载荷载。v例如：例如：结构构件结构构件自重自重构件上构造层（如地面）的构件上构造层（如地面）的重力荷载重力荷载楼（屋）面上的人群、设备等的楼（屋）面上的人群、设备等的使用荷载使用荷载，雪荷载雪荷载和施工荷载和施工荷载施加在外墙上的施加在外墙上的风荷载风荷载1.结构上的作用结构上的作用v间接作用间接作用引起结构引起结构外加变形外加变形或或约束变形约束变形从而产生内力效从而产生内力效应因素，即通常所说的应因素，即通常所说的作用作用，用（，用（Q）表示。）表示。v例如：例如：由地基不均匀沉降的外加变形引
3、起的由地基不均匀沉降的外加变形引起的沉降作用沉降作用温度或材料体积变化，但结构的变形却受到约束而引起温度或材料体积变化，但结构的变形却受到约束而引起的的温差（或收缩）作用温差（或收缩）作用因钢材焊接引起的因钢材焊接引起的热效应作用热效应作用等等地震时地面运动和质点加速度反应引起的地震时地面运动和质点加速度反应引起的惯性作用惯性作用2 荷载效应（作用效应）荷载效应（作用效应）effects of actionv作用效应作用效应由作用引起的结构或构件的由作用引起的结构或构件的反应反应（内力和变内力和变形形），用），用“S”表示。表示。S=CQvS 作用效应作用效应 vC作用效应系数作用效应系数vQ
4、 间接作用间接作用v可以认为可以认为作用作用和和作用效应作用效应之间呈之间呈线性关系线性关系。v反应：反应：内力：内力：轴力、弯矩、剪力、扭矩等轴力、弯矩、剪力、扭矩等变形：变形：挠度、转角、侧移、裂缝等挠度、转角、侧移、裂缝等3 结构抗力结构抗力structure reactance v结构抗力结构抗力结构或结构构件承受作用效应（内力和变形）的结构或结构构件承受作用效应（内力和变形）的能力，如构件的承载能力、刚度等。能力，如构件的承载能力、刚度等。v影响抗力的主要因素：影响抗力的主要因素：材料性能材料性能（强度、变形模量等）（强度、变形模量等）几何参数几何参数（构件尺寸（构件尺寸截面尺寸、截
5、面形状等）截面尺寸、截面形状等）计算模式计算模式的精确性（抗力计算所采用的基本假设和计算公的精确性（抗力计算所采用的基本假设和计算公式不够精确等）式不够精确等）v随机变量随机变量 v随时间变化随时间变化 结构上的作用（特别是可变作用）与时间有关结构上的作用（特别是可变作用）与时间有关设计基准期为设计基准期为50年年 二、荷载的分类二、荷载的分类 1.按按时间的变异时间的变异分类分类A.永久荷载永久荷载（恒载或永久作用）（恒载或永久作用）permanent load B.可变荷载可变荷载（活载或可变作用）（活载或可变作用）variable load C.偶然荷载偶然荷载（偶然作用）（偶然作用）a
6、ccidental load A.永久荷载永久荷载 permanent load v永久荷载（恒载或永久作用）永久荷载（恒载或永久作用）permanent load建筑物建筑物中每一构配件的质量所引起的地心引力，它们在设计基准中每一构配件的质量所引起的地心引力，它们在设计基准期（一般为期（一般为50年）内的量值年）内的量值不随时间变化不随时间变化，或其，或其变化与平变化与平均值相比均值相比可以可以忽略不计忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。的荷载。v包括：包括：结构构件、楼地面、墙面、固定设备等的结构构件、楼地面、墙面、固定设备等的自重自重，土土压力压力
7、，预加应力，地基沉降以及焊接等。，预加应力，地基沉降以及焊接等。v注注:自重是指材料自身重量产生的荷载自重是指材料自身重量产生的荷载(重力重力)。B.可变荷载可变荷载 variable loadv可变荷载（活载或可变作用）可变荷载（活载或可变作用）variable load建筑物使建筑物使用过程中所施加的用过程中所施加的可移动可移动荷载，它们在设计基准期内的量荷载，它们在设计基准期内的量值值随时间变化随时间变化，且其变化与平均值相比不可以忽略不计。，且其变化与平均值相比不可以忽略不计。v例如例如楼面活荷载楼面活荷载实际是人体和家具加于楼面很小面积上的可实际是人体和家具加于楼面很小面积上的可移动
8、荷载，在设计时利用等效原理将它们化算成全楼面移动荷载，在设计时利用等效原理将它们化算成全楼面的等效均布荷载。的等效均布荷载。屋面活荷载屋面活荷载和和积灰荷载积灰荷载安装荷载、风荷载、雪荷载、吊车荷载、温度变化等。安装荷载、风荷载、雪荷载、吊车荷载、温度变化等。C.偶然荷载偶然荷载 accidental loadv偶然荷载（偶然作用）偶然荷载（偶然作用）accidental load在设计基准期在设计基准期内不一定出现，一旦出现它的量值很大，持续时间很短的内不一定出现，一旦出现它的量值很大，持续时间很短的荷载。荷载。v例如：例如：地震荷载、爆炸荷载、撞击荷载等。地震荷载、爆炸荷载、撞击荷载等。u
9、 作用作用v自然现象自然现象重力重力v构件自重构件自重v使用荷载使用荷载v施工荷载施工荷载气象气象v雪荷载雪荷载v风荷载风荷载v冰荷载冰荷载v温差作用温差作用v湿度变化湿度变化材料材料v体积变化（收缩、徐变等）体积变化（收缩、徐变等）地质水力地质水力v沉降差沉降差v水位差水位差v地震作用地震作用v人为现象人为现象内应力内应力v预加力预加力v施工安装施工安装v钢材焊接钢材焊接动力动力v振动荷载振动荷载v冲击荷载冲击荷载v车辆荷载车辆荷载v吊车荷载吊车荷载u 作用作用v自然现象自然现象重力重力v构件自重构件自重直接、永久荷载直接、永久荷载v使用荷载使用荷载直接、可变荷载直接、可变荷载v施工荷载施工
10、荷载直接、可变荷载直接、可变荷载气象气象v雪荷载雪荷载直接、可变荷载直接、可变荷载v风荷载风荷载直接、可变荷载直接、可变荷载v冰荷载冰荷载直接、可变荷载直接、可变荷载v温差作用温差作用间接、可变荷载间接、可变荷载v湿度变化湿度变化间接、可变荷载间接、可变荷载材料材料v体积变化（收缩、徐变等）体积变化（收缩、徐变等）间接、可变荷载间接、可变荷载地质水力地质水力v沉降差沉降差间接、永久荷载间接、永久荷载v水位差水位差间接、永久荷载间接、永久荷载v地震作用地震作用间接、偶然荷载间接、偶然荷载v人为现象人为现象内应力内应力v预加力预加力直接、永久荷载直接、永久荷载v施工安装施工安装直接、可变荷载直接、
11、可变荷载v钢材焊接钢材焊接间接、永久荷载间接、永久荷载动力动力v振动荷载振动荷载直接、可变荷载直接、可变荷载v冲击荷载冲击荷载直接、可变荷载直接、可变荷载v车辆荷载车辆荷载直接、可变直接、可变荷载荷载v吊车荷载吊车荷载直接、可变直接、可变荷载荷载二、荷载的分类二、荷载的分类2.按按空间位置空间位置的变异分类的变异分类v固定荷载固定荷载在结构空间位置上具有在结构空间位置上具有固定分布固定分布的荷载。的荷载。例如：结构构件自重，工业与民用建筑楼面上的固定设例如：结构构件自重，工业与民用建筑楼面上的固定设备荷载等。备荷载等。v可动荷载可动荷载在结构空间位置上的一定范围内可以在结构空间位置上的一定范围
12、内可以任意分任意分布布的荷载。的荷载。例如：工业与民用建筑楼面上的人群荷载、吊车荷载等。例如：工业与民用建筑楼面上的人群荷载、吊车荷载等。二、荷载的分类二、荷载的分类3.按按结构的反应结构的反应分类分类v静态荷载静态荷载对结构或构件对结构或构件不产生加速度不产生加速度，或其加速度可以，或其加速度可以忽略不计的荷载。也称为忽略不计的荷载。也称为静态作用静态作用，估算时无需考虑动态系，估算时无需考虑动态系数。数。例如：例如：结构自重、住宅与办公楼的楼面活荷载、土压力、结构自重、住宅与办公楼的楼面活荷载、土压力、积灰荷载等。积灰荷载等。v动态荷载动态荷载对结构或构件产生对结构或构件产生不可忽略的加速
13、度不可忽略的加速度的荷载。的荷载。也成也成动态作用动态作用，估算时要考虑动态系数。，估算时要考虑动态系数。例如：例如：吊车荷载、地震、设备振动、吊车荷载、地震、设备振动、作用在高耸结构上作用在高耸结构上的风荷载的风荷载等。等。注：风荷载注：风荷载对于一般的对于一般的低层建筑低层建筑来说是静载，而对于来说是静载，而对于高层建筑高层建筑来说来说则是动载，因为后者的自振周期较长。则是动载，因为后者的自振周期较长。下列荷载各属于哪种类型？下列荷载各属于哪种类型？v土压力土压力v自重自重v风压力风压力v积灰荷载积灰荷载v吊车荷载吊车荷载v地震、撞击力地震、撞击力v静态荷载、永久荷载静态荷载、永久荷载v静
14、态荷载、永久荷载静态荷载、永久荷载v动态荷载、可变荷载动态荷载、可变荷载v静态荷载、可变荷载静态荷载、可变荷载v动态荷载、可变荷载动态荷载、可变荷载v动态荷载、偶然荷载动态荷载、偶然荷载（一）永久荷载（恒载）（一）永久荷载（恒载）1.重力荷载重力荷载 v地球表面的所有结构都地球表面的所有结构都必须抵抗重力。必须抵抗重力。v通过物体指向地球中心通过物体指向地球中心 v荷载的第一来源是重力荷载的第一来源是重力荷载。荷载。v几种常见材料的自重：几种常见材料的自重：素混凝土素混凝土 2224 kN/m3普通钢筋混凝土普通钢筋混凝土24-25kN/m3砖砌体砖砌体19kN/m3钢材钢材78.5kN/m3
15、木材木材4-9kN/m3水泥砂浆水泥砂浆20 kN/m3石灰砂浆石灰砂浆17 kN/m3（一）永久荷载（恒载）（一）永久荷载（恒载）2.土压土压v当改变地面的局部形状来修建建筑物时，该建筑物的某些当改变地面的局部形状来修建建筑物时，该建筑物的某些部分和它的结构可能会承受土压力。部分和它的结构可能会承受土压力。天然地面天然地面垂直面的砂丘垂直面的砂丘需要力来维持沙堆的非自然形状需要力来维持沙堆的非自然形状 挡土墙挡土墙（一）永久荷载（恒载）（一）永久荷载（恒载）2.土压土压v地下室的建筑地下室的建筑v建造在斜面地基上的建筑建造在斜面地基上的建筑（一）永久荷载（恒载）（一）永久荷载（恒载）3.水压
16、水压v地下水位地下水位水的顶层水的顶层v建筑物的定位建筑物的定位穿越了穿越了天然地下水位，天然地下水位，非天然的地下水位非天然的地下水位就就会出现在建筑物的四周和下方。会出现在建筑物的四周和下方。（一）永久荷载（恒载）（一）永久荷载（恒载）3.水压水压v水平向水平向v竖向（向上）竖向（向上）建筑的漂浮趋势建筑的漂浮趋势（二）可变荷载（活载）（二）可变荷载（活载）1.使用中造成的活载使用中造成的活载v永久荷载永久荷载不能避免而必须承受不能避免而必须承受v可变荷载可变荷载建筑使用功能导致的建筑使用功能导致的永久荷载永久荷载 可变荷载可变荷载（二）可变荷载（活载）（二）可变荷载（活载）1.使用中造成
17、的活载使用中造成的活载v可变荷载可变荷载有选择的有选择的 v永久荷载永久荷载没有选择的没有选择的v实际工程中往往将实际工程中往往将可变荷载可变荷载定为定为可能出现可能出现的的最大荷载最大荷载。v楼面活荷载楼面活荷载实际是实际是人体和家具人体和家具加于楼面加于楼面很小面积很小面积上的上的可移可移动动荷载，在设计时利用荷载，在设计时利用等效原理等效原理将它们化算成全楼面的将它们化算成全楼面的等等效均布荷载效均布荷载。l屋面活荷载屋面活荷载项项次次类别类别标准值标准值(kN/m2)组合值组合值系数系数c频遇值频遇值系数系数f准永久值准永久值系数系数q1不上人的屋面不上人的屋面 0.50.70.502
18、上人的屋面上人的屋面 2.00.70.50.43屋顶花园屋顶花园 3.00.70.60.5注：注：1 不上人的屋面不上人的屋面,当施工或维修荷载较大时当施工或维修荷载较大时,应按实际情况采用；对应按实际情况采用；对不同不同结构结构应按有关设计规范的规定应按有关设计规范的规定,将标准值作将标准值作0.2kN/m2 的增减的增减。2 上人的屋面上人的屋面，当兼作其他用途时，应按相应，当兼作其他用途时，应按相应楼面活荷载楼面活荷载采用。采用。3 对于因对于因屋面排水不畅屋面排水不畅、堵塞等引起的积水荷载，应采取构造措施加、堵塞等引起的积水荷载，应采取构造措施加以防止；必要时，应按积水的可能深度确定屋
19、面活荷载。以防止；必要时，应按积水的可能深度确定屋面活荷载。4 屋顶花园活荷载屋顶花园活荷载不包括不包括花圃土石等材料自重。花圃土石等材料自重。l 屋面活荷载屋面活荷载v一般一般上人屋面上人屋面的活载标准值的活载标准值2.0kN/m2不上人屋面不上人屋面的活载标准值的活载标准值0.5kN/m2 屋顶花园屋顶花园3.0kN/m2（不包括池墙）（不包括池墙）v屋面活荷载屋面活荷载不应于不应于雪荷载雪荷载同时考虑，取其同时考虑，取其较大者较大者v屋面活荷载标准值与屋面活荷载标准值与是否上人是否上人、屋面的结构形式屋面的结构形式有关；与有关；与面面积大小积大小、排水方式排水方式无关无关（二）可变荷载（
20、活载）（二）可变荷载（活载）1.使用中造成的活载使用中造成的活载v荷载方向荷载方向竖直向下：大多数情况竖直向下：大多数情况水平：少数情况水平：少数情况（二）可变荷载（活载）（二）可变荷载（活载）2.风荷载风荷载v地球表面上建造的所有结构都必须抵抗风力。地球表面上建造的所有结构都必须抵抗风力。v在在地表附近地表附近，可认为风是，可认为风是沿着地面流动沿着地面流动的。的。v风从障碍物的风从障碍物的旁边旁边和和上方上方吹过。吹过。（二）可变荷载（活载）（二）可变荷载（活载）2.风荷载风荷载v风荷载风荷载空气流动形成的风遇到建筑物时，在建筑物表空气流动形成的风遇到建筑物时，在建筑物表面形成的面形成的压
21、力压力或或吸力吸力。v实际上，实际上，风荷载风荷载是随时间而波动的是随时间而波动的动力荷载动力荷载，v但房屋设计中把它看作是但房屋设计中把它看作是静态荷载静态荷载。v在高度较大的建筑中要考虑在高度较大的建筑中要考虑动力效应动力效应影响，适当加大风荷影响，适当加大风荷载数值。载数值。（二）可变荷载（活载）（二）可变荷载（活载）2.风荷载风荷载v风是风是如何如何从固定物体的旁边和上方吹过取决于：从固定物体的旁边和上方吹过取决于：风速风速物体的形状物体的形状风流动模式的改变风流动模式的改变 力或风荷载力或风荷载（二）可变荷载（活载）（二）可变荷载（活载）2.风荷载风荷载v作用在建筑物表面单位面积上的
22、作用在建筑物表面单位面积上的风荷载标准值风荷载标准值wk：v式中：式中：w0基本风压值基本风压值，单位，单位kN/m2z 风压高度变化系数风压高度变化系数s 风载体型系数风载体型系数z 高度处的风震系数高度处的风震系数)/(20mkNwwzszk（二）可变荷载（活载）（二）可变荷载（活载）2.风荷载风荷载v风速与风压的关系风速与风压的关系自由气流的风速产生的单位面积上的风压力为：自由气流的风速产生的单位面积上的风压力为：w0单位面积上的风压力单位面积上的风压力(kN/m2)；空气密度空气密度(kg/m3)；v0风速风速(m/s)。空气单位体积重力空气单位体积重力(kN/m3)；g重力加速度重力
23、加速度(m/s2)；20200221vgvw（二）可变荷载（活载）（二）可变荷载（活载）2.风荷载风荷载v风速风速与与风压风压的关系的关系在标准大气压情况下，在标准大气压情况下，=0.012018kN/m3，g=9.80m/s2：v在不同的地理位置，大气条件是不同的，在不同的地理位置，大气条件是不同的，和和 g值值也不相同。也不相同。v重力加速度重力加速度 g随随高度高度变化，也与变化，也与纬度纬度有关；有关；v空气重度空气重度 是气压、气温和湿度的函数，因此，各地的是气压、气温和湿度的函数，因此，各地的/g的值的值均不相均不相同。同。v为了比较不同地区风压的大小，必须对为了比较不同地区风压的
24、大小，必须对地貌、测量高度地貌、测量高度进行进行统一规定统一规定。2202020200/163080.92012018.0221mKNvvvgvw2.风荷载风荷载v基本风压基本风压reference wind pressurev风荷载的基准压力风荷载的基准压力，一般按当地，一般按当地空旷平坦空旷平坦地面上地面上10m高度处高度处10min平均的风速观测数据，经概率统计得出平均的风速观测数据，经概率统计得出50年年一遇最大一遇最大值确定的风速，再考虑相应的空气密度，按公式确定的风压值确定的风速，再考虑相应的空气密度，按公式确定的风压值。值。v标准地貌标准地貌的规定：地貌粗糙程度的规定：地貌粗糙程
25、度 地面粗糙程度地面粗糙程度，风能消耗，风能消耗，风速，风速。v标准高度标准高度的影响：距地面的高度的影响：距地面的高度，风速，风速，风压，风压。但当离地面。但当离地面450m以以上上时，风速即时，风速即不受地面粗糙程度的影响不受地面粗糙程度的影响 220200/160021mKNvvw2.风荷载风荷载v地面粗糙度地面粗糙度是指风在到达结构物是指风在到达结构物以前以前吹越过吹越过2km范围范围内的地内的地面时，描述该地面上面时，描述该地面上不规则障碍物分布状况的等级不规则障碍物分布状况的等级。规范将。规范将地面粗糙度分为地面粗糙度分为A、B、C、D四类四类。A类类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及
26、沙漠地区；指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；乡镇和城市郊区；C类类指有密集建筑群的城市市区；指有密集建筑群的城市市区；D类类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。2.风荷载风荷载基本风压基本风压v公称风速的时距公称风速的时距：一定时间间隔内：一定时间间隔内(称为时距称为时距)的的平均风速平均风速。风速记录表。风速记录表明，明，10min的的平均风速已趋于稳定平均风速已趋于稳定。v最大风速的样本时间：最大风速的样本时间：气候的重复性，风有着自然周期，每
27、年季节性气候的重复性，风有着自然周期，每年季节性地重复一次。地重复一次。年最大风速年最大风速最有代表性。最有代表性。v基本风速基本风速的的重现期重现期：取：取年最大风速年最大风速为样本，可获得为样本，可获得各年的最大风速各年的最大风速。每年的最大风速值是每年的最大风速值是不同不同的。的。工程设计时，一般应考虑结构在工程设计时，一般应考虑结构在使用过程中几十年使用过程中几十年时间范围内，可时间范围内，可能遭遇到的能遭遇到的最大风速最大风速。该最大风速不是经常出现，而是间隔一段时。该最大风速不是经常出现，而是间隔一段时间后再出现，这个间后再出现，这个间隔时间间隔时间称为称为重现期重现期。（二）可变
28、荷载（活载）（二）可变荷载（活载）2.风荷载风荷载v风流动模式的改变风流动模式的改变所产生的所产生的荷载荷载与建筑物的表面明显成与建筑物的表面明显成直直角角。（物体的形状）（物体的形状）2.风荷载风荷载v风荷载体型系数风荷载体型系数s风作用在建筑物表面上所引起的风作用在建筑物表面上所引起的实际压力（或吸力）实际压力（或吸力）与与来流风压来流风压的的比值比值，它描述的是建筑物表面在稳定风压作用，它描述的是建筑物表面在稳定风压作用下的下的静态压力的分布规律静态压力的分布规律，主要与，主要与建筑物的体型和尺度建筑物的体型和尺度有关，有关，也与也与周围环境周围环境和和地面粗糙度地面粗糙度有关。有关。2
29、.风荷载风荷载v单体风载体型系数单体风载体型系数s v图中风荷载体型系数为图中风荷载体型系数为正值正值，代表风对结构产生，代表风对结构产生压力作用压力作用，其方向指向建筑物表面；其方向指向建筑物表面；v风荷载体型系数为风荷载体型系数为负值负值，代表风对结构产生，代表风对结构产生吸力作用吸力作用，其方，其方向离开建筑物表面。向离开建筑物表面。封闭式双坡屋面风荷载体型系数封闭式双坡屋面风荷载体型系数2.风荷载风荷载v风压的基准期是风压的基准期是50年年（离地（离地10M，10min最大风速，平方除最大风速，平方除1600确定风压确定风压w0）v一般一般多层住宅多层住宅设计设计不考虑不考虑撞击力和龙
30、卷风；撞击力和龙卷风；必须考虑必须考虑风载和风载和活荷载活荷载v我国我国基本风压取值范围基本风压取值范围在在0.30.9kN/m2v高处高处的面积大其的面积大其风压风压大，其风荷载总值也大大，其风荷载总值也大v建筑物越高，受到的风荷载越大，但超过建筑物越高，受到的风荷载越大，但超过450M后趋于稳定后趋于稳定v风压高度变化系数与建筑物所处风压高度变化系数与建筑物所处地面的粗糙度地面的粗糙度有关；有关；地面的地面的粗糙度类别粗糙度类别分四类分四类（二）可变荷载（活载）（二）可变荷载（活载）3.雪荷载：雪荷载：作用在屋面上的由作用在屋面上的由积雪积雪而产生的荷载。而产生的荷载。v基本雪压基本雪压r
31、eference snow pressure雪荷载的基准压力雪荷载的基准压力,一般按当地空旷平坦地面上积雪自重的观测数据，经概率一般按当地空旷平坦地面上积雪自重的观测数据，经概率统计得出统计得出50 年一遇最大值确定。年一遇最大值确定。v屋面活荷载屋面活荷载不应于不应于雪荷载雪荷载同时考虑，取其同时考虑，取其较大者较大者（二）可变荷载（活载）（二）可变荷载（活载）4.温度变化温度变化（三）偶然荷载（三）偶然荷载v在设计基准期内在设计基准期内不一定出现不一定出现，一旦出现它的，一旦出现它的量值很大量值很大，持续，持续时间很短时间很短的荷载。的荷载。v例如：地震荷载、爆炸荷载、撞击荷载等。例如：地
32、震荷载、爆炸荷载、撞击荷载等。（三）偶然荷载（三）偶然荷载地震荷载地震荷载1.地震荷载地震荷载v垂直震动垂直震动v水平震动水平震动v垂直震动水平震动垂直震动水平震动（三）偶然荷载（三）偶然荷载v撞击荷载撞击荷载 栏杆应满足一般的碰撞，栏杆应满足一般的碰撞，停车场、火车站、船舶码头停车场、火车站、船舶码头U.C.parking structure A.University of California第二节第二节 极限状态极限状态设计法设计法第二节第二节 极限状态设计法极限状态设计法v结构设计的目的：结构设计的目的：用用最经济的方法最经济的方法设计出足够设计出足够安全可靠安全可靠的结的结构。构。v
33、结构的可靠度：结构的可靠度：结构可靠性的结构可靠性的概率度量概率度量。在规定的时间内，。在规定的时间内，规定的条件下，结构完成预定功能的概率。规定的条件下，结构完成预定功能的概率。在规定的时间内在规定的时间内（即设计基准期（即设计基准期50年），年），在规定的条件下在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用、正（正常设计、正常施工、正常使用、正常维修），不包括非正常的情况，例如人为的错误等。常维修），不包括非正常的情况，例如人为的错误等。v现在研究现在研究结构失效概率结构失效概率的计算方法。的计算方法。一一 结构的可靠度理论结构的可靠度理论1.1.结构的可靠概率结构的可靠概率Ps与与失效概率
34、失效概率Pfv结构的功能函数结构的功能函数Z用以描述结构工作状态。用以描述结构工作状态。ZRSv其中：其中：R结构抗力结构抗力S作用效应作用效应v当当ZRS0，结构抗力大于作用效应（，结构抗力大于作用效应（RS），结构可靠；），结构可靠；v当当ZRS0，结构抗力小于作用效应（，结构抗力小于作用效应（RS），结构失效；），结构失效；v当当ZRS0，结构抗力等于作用效应（，结构抗力等于作用效应（RS），结构处于极限状态。），结构处于极限状态。1.1.结构的可靠概率结构的可靠概率Ps与与失效概率失效概率Pf 结构可靠的基本条件：结构可靠的基本条件：Z0 或或 RSv极限状态方程极限状态方程ZRS0v
35、当方程成立时，结构正当方程成立时，结构正处于极限状态处于极限状态这一分界。这一分界。v超过这一界限，就超过这一界限，就不能满足不能满足设计规定的某一功能要求。设计规定的某一功能要求。v结构抗力结构抗力R，是一个广义的概念，包括，是一个广义的概念，包括抵抗抵抗荷载、变形、裂荷载、变形、裂缝开展等的缝开展等的能力能力。1.1.结构的可靠概率结构的可靠概率Ps与与失效概率失效概率Pf结构可靠的基本条件：结构可靠的基本条件：Z0 或或 RSv结构抗力结构抗力R属于属于概率概率范畴。范畴。v作用效应作用效应S，由，由作用引起作用引起的结构或构件的的结构或构件的反应反应（内力和变（内力和变形），属于形），
36、属于概率概率范畴。范畴。v结构的功能函数结构的功能函数ZRS，属于，属于概率概率范畴。范畴。u失效概率失效概率Pf为图中阴影部分的面积为图中阴影部分的面积面积越小，面积越小，失效概率越低，失效概率越低，结构构件的可靠程度越高。结构构件的可靠程度越高。1.1.结构的可靠概率结构的可靠概率Ps与与失效概率失效概率Pfv失效概率失效概率Pf图中阴影部分的面积图中阴影部分的面积面积越小，面积越小，失效概率越低，失效概率越低，结构构件的可靠程度越高。结构构件的可靠程度越高。v可靠概率可靠概率PsvPf Ps 12.可靠指标可靠指标vZ：平均值：平均值，算术平均值算术平均值，中轴线的位置，中轴线的位置，Z
37、越大，曲线越远离越大，曲线越远离y轴。轴。vZ：标准差：标准差，均方根，正态曲线的高矮与狭窄程度，均方根，正态曲线的高矮与狭窄程度，Z越小，曲线高而狭窄越小，曲线高而狭窄v增大增大Z，曲线，曲线右移右移，阴影部分面积将减少；，阴影部分面积将减少；v减小减小Z，曲线，曲线变高变窄变高变窄，阴影面积也将减少。，阴影面积也将减少。vZ越大，越大，Z越小，越小，均可以使得均可以使得失效概率失效概率Pf越低越低。一一 结构的可靠度理论结构的可靠度理论2.可靠指标可靠指标v现在将曲线对称轴至纵轴的距离表示成现在将曲线对称轴至纵轴的距离表示成Z的倍数，即令：的倍数，即令：ZZ则则Z/Zv可靠指标可靠指标越大
38、，越大，失效概率失效概率Pf越小越小v可靠指标可靠指标越小，越小，失效概率失效概率Pf越大越大v因此因此可靠指标可靠指标和和失效概率失效概率Pf一样，可以作为衡量一样，可以作为衡量结构可靠度结构可靠度的一个指的一个指标。标。v可靠指标可靠指标用以具体度量用以具体度量结构可靠性结构可靠性建筑物的安全等级建筑物的安全等级v建筑的安全等级建筑的安全等级是根据结是根据结构破坏可能产生的后果构破坏可能产生的后果的严重程度进行划分的，的严重程度进行划分的，共分为三级。共分为三级。v在建筑结构设计时，应根据在建筑结构设计时，应根据建筑物的安全等级建筑物的安全等级进行，按规定的进行，按规定的可靠指标可靠指标进
39、行设计的设计准则，称为进行设计的设计准则，称为按可靠指标的设计准则按可靠指标的设计准则。安全等级安全等级破坏后果破坏后果建筑物类型建筑物类型一级一级很严重很严重重要的房屋重要的房屋二级二级严重严重一般的房屋一般的房屋三级三级不严重不严重次要的房屋次要的房屋二二 概率极限状态设计法概率极限状态设计法v目前我国规范是以：目前我国规范是以：v可靠度理论可靠度理论设计的理论基础设计的理论基础v极限状态法极限状态法具体设计方法具体设计方法二二 概率极限状态设计法概率极限状态设计法1.极限状态法的分类极限状态法的分类v整个结构或其中一部分，整个结构或其中一部分，超过超过某一特定状态就某一特定状态就不能满足
40、不能满足设设计规定的某一功能（安全、适用、耐久）要求，此特定状计规定的某一功能（安全、适用、耐久）要求，此特定状态称为态称为该功能的极限状态该功能的极限状态。v我国规范将混凝土结构的极限状态分为：我国规范将混凝土结构的极限状态分为：1.承载能力极限状态承载能力极限状态2.正常使用极限状态正常使用极限状态承载能力极限状态承载能力极限状态v承载能力极限状态承载能力极限状态结构或构件达到结构或构件达到最大承载能力最大承载能力或或不不适于适于继续承载的继续承载的变形变形状态，称该结构或构件达到了承载能状态，称该结构或构件达到了承载能力极限状态。力极限状态。v承载能力极限状态承载能力极限状态的的表现：（
41、设计计算）表现：（设计计算）1.整个结构或构件的一部分作为刚体整个结构或构件的一部分作为刚体失去平衡失去平衡（如倾覆等）（如倾覆等）2.结构构件或连接因为结构构件或连接因为材料强度被超过材料强度被超过而破坏或因为而破坏或因为过度的过度的塑性变形塑性变形而而不适于继续承载不适于继续承载3.结构转变为结构转变为机动体系机动体系4.结构或结构构件结构或结构构件丧失稳定丧失稳定。正常使用极限状态正常使用极限状态v正常使用极限状态正常使用极限状态结构或结构构件达到结构或结构构件达到正常使用正常使用或或耐耐久性能久性能的某项规定的某项规定限制额限制额状态。状态。v正常使用极限状态正常使用极限状态的的表现：
42、（检验）表现：（检验）1.影响正常使用或外观的影响正常使用或外观的变形变形2.影响正常使用或耐久性能的影响正常使用或耐久性能的局部损坏局部损坏3.影响正常使用的影响正常使用的振动振动4.影响正常使用的影响正常使用的其它特定状态其它特定状态正常使用极限状态正常使用极限状态v混凝土结构混凝土结构的的正常使用极限状态正常使用极限状态的的表现表现：1.结构结构变形变形或或振幅振幅大达到了正常使用及外观要求所规定的限值大达到了正常使用及外观要求所规定的限值2.对于对于不允许出现裂缝不允许出现裂缝的结构，其混凝土的结构，其混凝土拉应力拉应力达到了规定的达到了规定的限值限值3.对于对于允许出现裂缝允许出现裂
43、缝的结构，其的结构，其裂缝宽度裂缝宽度达到了保证结构耐久达到了保证结构耐久性要求的允许限值性要求的允许限值二二 概率极限状态设计法概率极限状态设计法2.按承载能力极限状态设计的方法按承载能力极限状态设计的方法v荷载效应设计值：荷载效应设计值：SS SKv令令SK 为荷载效应的为荷载效应的标准值标准值（脚标（脚标k意指标准值）意指标准值）S荷载分项系数（荷载分项系数（1）S荷载效应荷载效应设计值设计值v荷载效应设计值荷载效应设计值相当于把荷载效应相当于把荷载效应增大一个倍数增大一个倍数结构可靠的基结构可靠的基本条件：本条件：SR或或 Z0二二 概率极限状态设计法概率极限状态设计法2.按承载能力极
44、限状态设计的方法按承载能力极限状态设计的方法v抗力的设计值：抗力的设计值：RRK/Rv令令RK 结构抗力的结构抗力的标准值标准值R抗力的分项系数（抗力的分项系数（1）R抗力的抗力的设计值设计值 v抗力的设计值抗力的设计值，相当于把抗力，相当于把抗力缩小了一个倍数缩小了一个倍数结构可靠的基结构可靠的基本条件：本条件：SR或或 Z02.按承载能力极限状态设计的方法按承载能力极限状态设计的方法v承载能力极限状态设计承载能力极限状态设计的表达式：的表达式：0 SRvS荷载效应组合荷载效应组合的的设计值设计值vR结构构件抗力结构构件抗力的的设计值设计值v0结构构件的重要性系数结构构件的重要性系数对安全等
45、级为对安全等级为一级一级或设计年限为或设计年限为100年及以上的结构构件，年及以上的结构构件，0 1.1对安全等级为对安全等级为二级二级或设计年限为或设计年限为50年的结构构件，年的结构构件，0 1.0对安全等级为对安全等级为三级三级或设计年限为或设计年限为5年的结构构件，年的结构构件，0 0.9结构可靠的基结构可靠的基本条件：本条件：SR或或 Z0承载能力极限状态设计的表达式承载能力极限状态设计的表达式v承载能力极限状态设计承载能力极限状态设计的表达式：的表达式：0 SRvSSKSvRRK/R0 S SKRK/RvS荷载效应组合的设计值荷载效应组合的设计值vSK荷载效应组合的标准值荷载效应组
46、合的标准值vS（1）荷载分项系数）荷载分项系数v0结构构件的重要性系数结构构件的重要性系数荷载（效应）组合荷载（效应）组合v每种或每组荷载可以每种或每组荷载可以认为认为是是独立作用独立作用的，建筑物常常承受的，建筑物常常承受各各种不同荷载组合种不同荷载组合。v荷载组合：各种不同的荷载（荷载组合：各种不同的荷载（永久荷载永久荷载与与可变荷载可变荷载）共同作共同作用用的组合范围的组合范围v建筑结构设计建筑结构设计应应v根据使用过程中在结构上可能根据使用过程中在结构上可能同时出现同时出现的荷载，的荷载，v按按承载力极限状态承载力极限状态和和正常使用极限状态正常使用极限状态分别进行分别进行荷载（效应）
47、荷载（效应）组合组合，v并应取各自的并应取各自的最不利最不利的的效应组合效应组合进行设计。进行设计。荷载（效应）组合荷载（效应）组合v在各种荷载组合中在各种荷载组合中总是出现的唯一荷载总是出现的唯一荷载组合是组合是永久重力荷载永久重力荷载。v荷载组合荷载组合1：永久重力荷载所有楼板上的可变荷载：永久重力荷载所有楼板上的可变荷载v荷载组合荷载组合2：永久重力荷载特定方向上的风荷载：永久重力荷载特定方向上的风荷载v荷载组合荷载组合3：永久重力荷载某些楼板上可变荷载地震作：永久重力荷载某些楼板上可变荷载地震作用用v注意注意：最不利荷载组合最不利荷载组合 荷载标准值荷载标准值 v荷载标准值荷载标准值指
48、结构在指结构在设计基准期设计基准期(50年年)内，正常情况下内，正常情况下可能出现的可能出现的最大最大荷载值，它是结构设计时采用的荷载值，它是结构设计时采用的荷载基本荷载基本代表值代表值。通常要求通常要求荷载标准值荷载标准值应具有应具有95%的保证率。的保证率。荷载代表值荷载代表值都可由都可由标准值标准值乘以相应的乘以相应的系数系数后得出。后得出。荷载的标准值荷载的标准值QK 荷载是随机变量荷载是随机变量，任，任何一种荷载的大小都具何一种荷载的大小都具有程度不同的变异性。有程度不同的变异性。荷载的代表值荷载的代表值v荷载代表值荷载代表值结构设计时，根据结构设计时，根据各种极限状态的各种极限状态
49、的设计要求设计要求所采用的不同的荷载数值。所采用的不同的荷载数值。对于对于永久荷载永久荷载以标准值作为以标准值作为代表值代表值；对于对于可变荷载可变荷载根据不同的设计要求采用根据不同的设计要求采用不同的代表值不同的代表值，如如标准值、组合值、频遇值、准永久值标准值、组合值、频遇值、准永久值。v对于对于承载能力极限状态承载能力极限状态，应按荷载效应的，应按荷载效应的基本组合基本组合；v对于对于正常使用极限状态正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，采用荷载，应根据不同的设计要求，采用荷载的的标准组合标准组合、频遇组合频遇组合或或准永久组合准永久组合。2.按承载能力极限状态设计的方法按承载能力极限
50、状态设计的方法1.荷载荷载基本组合基本组合由由可变荷载效应控制可变荷载效应控制的组合：的组合：SSSKGSGKQ1SQ1KQiCiSQiK0 S0 S SK0（G SGKQ1 SQ1KQiCi SQiK）v0结构构件的结构构件的重要性系数重要性系数vG永久荷载（恒荷载）的分项系数永久荷载（恒荷载）的分项系数，当其对结构不利时（一般情，当其对结构不利时（一般情况）取况）取1.2，当其对结构有利时取，当其对结构有利时取1.0，对结构倾覆、滑移等取，对结构倾覆、滑移等取0.9；vSGK永久荷载标准值的永久荷载标准值的效应效应 SGKCGGkGk永久荷载标准值永久荷载标准值（G表示恒载）表示恒载）CG
