第二章建筑结构计算基本原则

2建筑结构计算基本原则本章主要介绍建筑结构荷载及其代表值、建筑结构设计方法、建筑结构材料及其设计指标。要求掌握三类荷载的定义及其代表值的确定方法，建筑结构应满足的功能要求及功能极限状态的概念；理解极限状态设计表达式，建筑结构材料的种类及规格，影响砌体抗压强度的因素，混凝土结构的耐久性规定，混凝土与钢筋共同工作的原因及保证粘结力的措施；能正确查取材料设计指标。本章提要本章内容2.1荷载分类及荷载代表值2.2建筑结构设计方法2.3建筑结构材料及其设计指标2.1荷载分类及荷载代表值（1）永久荷载在设计基准期内，其值不随时间变化，或者其变化与平均值相比可忽略不计的荷载称为永久荷载。永久荷载也称为恒荷载。（2）可变荷载在设计基准期内，其值随时间变化，且其变化值与平均值相比不可忽略的荷载称为可变荷载。可变荷载也称为活荷载。2.1.1荷载分类（3）偶然荷载偶然荷载是指在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，如爆炸力、撞击力等。进行结构设计时，对荷载应赋予一个规定的量值，该量值即所谓荷载代表值。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、频遇值或准永久值为代表值。2.1.2荷载代表值作用于结构上荷载的大小具有变异性。荷载标准值就是结构在正常使用期间可能出现的最大荷载值,它是荷载的基本代表值。（1）永久荷载主要是结构自重及粉刷、装修、固定设备的重量。由于结构或非承重构件的自重的变异性不大，一般以其平均值作为荷载标准值，即可按结构构件的设计尺寸和材料或结构构件单位体积（或面积）的自重标准值确定。2.1.2.1荷载标准值（2）可变荷载标准值民用建筑楼面均布活荷载标准值见表2.1（详见P32）。设计楼面梁、墙、柱及基础时，表中活荷载标准值应按规定折减，详见《荷载规范》。工业与民用建筑的屋面均布活荷载按水平投影面计算，其标准值按表2.2（详见P33）采用。可变荷载准永久值是指在设计基准期内经常达到或超过的荷载值，它对结构的影响类似于永久荷载。可变荷载准永久值可表示为ψqＱk，其中Ｑk为可变荷载标准值，ψq为可变荷载准永久值系数。ψq的值见表2.1、表2.2。例如，住宅的楼面活荷载标准值为2kN/m2，准永久值系数ψq=0.4，则活荷载准永久值为2×0.4=0.8kN/m2。2.1.2.2可变荷载永久值两种或两种以上可变荷载同时作用于结构上时，所有可变荷载同时达到其单独出现时可能达到的最大值的概率极小，因此，除主导荷载（产生最大效应的荷载）仍可以其标准值为代表值外，其他伴随荷载均应以小于标准值的荷载值为代表值，此即可变荷载组合值。可变荷载组合值可表示为ψcＱk。其中ψc为可变荷载组合值系数，其值按表2.1、表2.2查取。2.1.2.3可变荷载组合值可变荷载频遇值是指在设计基准期内被超越的可变荷载频遇值可表示为ψfＱk。其中ψf为可变荷载频遇值系数，其值按表2.1、表2.2查取。2.1.2.4可变荷载频遇值2.2建筑结构设计方法结构设计的目的是要使所设计的结构在规定的设计使用年限内能完成预期的全部功能要求。所谓设计使用年限，是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。换言之，设计使用年限就是房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用和维护下所应达到的持久年限。结构的设计使用年限应按表2.32.2.1结构的功能及其极限状态2.2.1.1结构的功能要求建筑结构在规定的设计使用年限内应满足安全性、适用性和耐久性三项功能要求。安全性指结构在正常施工和正常使用的条件下，能承受可能出现的各种作用；在设计规定的偶然事件（如强烈地震、爆炸、车辆撞击等）发生时和发生后，仍能保持必需的整体稳定性，即结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。适用性指结构在正常使用时具有良好的工作性能。例如，不会出现影响正常使用的过大变形或振耐久性指在正常维护条件下结构能够正常使用到规定的设计使用年限。例如，结构材料不致出现影响功能的损坏，钢筋混凝土构件的钢筋不致因保护层过薄或裂缝过宽而锈蚀等。结构的安全性、适用性和耐久性概括起来称为结构的可靠性，它是结构在规定时间内和规定条件下完成预定功能的能力。但在各种随机因素的影响下，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。为此，我们引入结构可靠度的概念，即结构在规定时间内和规定条件下完成预定功能的概率。结构的可靠度是结构可靠性的概率度量，即对结构可靠性的定量描述。结构可靠度与结构使用年限长短有关。《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068—2001）（以下简称《统一标准》）以结构的设计使用年限为计算结构可靠度的时间基准。当结构的使用年限超过设计使用年限后，并不意味着结构就要报废，但其可靠度将逐渐降低。还应说明，结构的设计使用年限不等同于设计基准期。所谓设计基准期，是为确定可变作用及与时间有关的材料性能取值而选用的时间参数，它不等同于设计使用年限。建筑结构设计所考虑的荷载统计参数，都是按设计基准期为50年确定的，如设计时所采用其他设计基准期，则必须另行确定在该基准期内最大荷载的概率分布及相应的统计参数。可见，设计基准期是一个基准参数，它的确定不仅涉及可变作用（荷载），还涉及材料性能，是在对大量实测数据进行统计的基础上提出来的，一般情况下不能随意更改。例如我国规范所采用的设计地震动参数（包括反映谱和地震最大加速度）的基准期为50年，如果要求采用基准期为100年的设计地震动参数，则不但要对地震动的概率分布进行专门研究，还要对建筑材料乃至设备的性能参数进行专门的统计研究。对于普通房屋和构筑物，在设计文件的总说明中应明确结构（含基础）的设计使用年限为50年；纪念性建筑和特别重要的建筑结构应为100年。设计文件中，不需要给出设计基准期。表2.3结构的设计使用年限分类类别设计使用年限（年）示例15临时性结构225易于替换的结构构件350普通房屋和构筑物4100纪念性建筑和特别重要的建筑结构标准规范是广大工程建设者必须遵守的准则和规定，在提高工程建设科学管理水平，保证工程质量和安全，降低工程造价，缩短工期，节能、节水、节材、节地，促进技术进步，建设资源友好型社会等方面起到了显著的作用。1．《城乡规划规范》2．《工程勘察测量规范》3．《城镇道路桥梁设计规范》4．《城镇道路桥梁施工规范》5．《城镇给水排水工程规范》6．《建筑给水排水工程规范》7．《城镇燃气与供热工程规范》8．《城镇市容环境卫生工程规范》9．《建筑设计规范》10．《建筑地基基础规范》11．《建筑结构设计规范》12．《建筑施工技术规范》13．《建筑施工质量验收规范》14．《建筑施工安全规范》城市用地分类与规划建设用地标准GBJ137—90城市居住区规划设计规范GB50180—93（2002年版）城市规划基本术语标准GB/T50280—98城市抗震防灾规划标准GB50413—2007城市给水工程规划规范GB50282—98城市工程管线综合规划规范GB50289—98城市电力规划规范GB50293—1999城市排水工程规划规范GB50318—2000城市用地分类代码CJJ46—91城市用地竖向规划规范CJJ83—99城市规划制图标准CJJ/T97—2003乡镇集贸市场规划设计标准CJJ/T87—2000风景名胜区规划规范GB50298—1999历史文化名城保护规划规范GB50357—2005城市道路交通规划设计规范GB50220—95城市道路绿化规划与设计规范CJJ75—97公园设计规范CJJ48—92镇规划标准GB50188—2007城市居民生活用水量标准GB/T50331—2002城市用水分类标准CJ/T3070—1999城市容貌标准CJ/T12—1999城市绿地分类标准CJJ/T85—2002风景园林图例图示标准CJJ67—95园林基本术语标准CJJ/T91—2002环境卫生设施与设备图形符号CJ/T13～15—1999城市环境卫生设施规划规范GB50337—2003城镇环境卫生设施设置标准CJJ27—2005市容环境卫生术语标准CIJ/T65—2004民用建筑设计通则住宅设计规范住宅建筑规范商业建筑设计规范建筑设计防火规范，高层民用建筑设计防火规范建筑面积计算规范公共建筑节能规范（省标）住宅建筑节能规范（省标）汽车库建筑设计规范汽车库、修车库、停车场设计防火规范结构能满足功能要求，称结构“可靠”或“有效”，否则称结构“不可靠”或“失效”。区分结构工作状态“可靠”与“失效”的界限是“极限状态”。所谓结构的极限状态，是指结构或构件满足结构安全性、适用性、耐久性三项功能中某一功能要求的临界状态。超过这一界限，结构或其构件就不能满足设计规定的该功能要求，而进入失效状态。2.2.1.2结构功能的极限状态（1）承载能力极限状态这种极限状态对应于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。当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态：①结构构件或连接因材料强度不够而破坏；②整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；③结构转变为机动体系；④结构或结构构件丧失稳定（柱子被压曲等）。（2）正常使用极限状态正常使用极限状态对应于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，超过这一状态便不能满足适用性或耐久性的功能。当结构或结构构件出现下列状态之一时，即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；②影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；③影响正常使用的振动；④影响正常使用的其他特定状态等。作用效应是指结构上的各种作用，在结构内产生的内力（轴力、弯矩、剪力、扭矩等）和变形（如挠度、转角、裂缝等）的总称，用S表示。由直接作用产生的效应，通常称为荷载效应。结构抗力是结构或构件承受作用效应的能力，如构件的承载力、刚度、抗裂度等，用R表示。结构抗力是结构内部固有的，其大小主要取决于材料性能、构件几何参数及计算模式的精确性等。2.2.1.3结构的功能函数结构的工作性能可用结构功能函数Z来描述。为简化起见，仅以荷载效应S和结构抗力R两个基本变量来表达结构的功能函数，则有Z=g(S,R)=R-S（2.1）实际工程中，可能出现以下三种情况：当Ｚ＞0时，结构处于可靠状态；当Ｚ＜0时，结构处于失效状态；当Ｚ＝0时，结构处于极限状态。关系式ｇ（S，R）＝R－S＝0称为极限状态方程。结构构件的承载力设计应采用下列极限状态设计表达式：S≤R（2.2）（1）由可变荷载效应控制的组合建筑结构的安全等级见表2.4。2.2.2概率极限状态设计法的实用表达式2.2.2.1按承载能力极限状态设计的实用表达式n0GGkQ1Q1kQiciQiki=2S=(S+S+S)（2）由永久荷载效应控制的组合应当注意，当考虑以竖向的永久荷载效应控制的组合时，参与组合的可变荷载仅限于竖向荷载。以上各式中，γGSＧk和γQSＱk分别称为恒荷载效应设计值和活荷载效应设计值。相应地，γGＧk和γQＱk分别称为恒荷载设计值和活荷载设计值，它们是荷载代表值与荷载分项系数的乘积。n0GGkQiciQiki=2S=(S+S)【例2.1】某办公楼钢筋混凝土矩形截面简支梁，安全等级为二级，截面尺寸b×h=200mm×400mm，计算跨度l0=5m。承受均布线荷载：活荷载标准值7kN/m，恒荷载标准值10kN/m（不包括自重）。求跨中最大弯矩设计值。【解】活荷载组合值系数ψc=0.7，结构重要性系数γ0=1.0。钢筋混凝土的重度标准值为25kN/m3，故梁自重标准值为25×0.2×0.4=2kN/m。总恒荷载标准值gk=10+2=12kN/mMgk=1/8gkl02=37.5kN·mMqk=1/8qkl02=21.875kN·m由恒载弯矩控制的跨中弯矩设计值为：γ0(γGMgk+ψcγQMqk)=72.063kN·m由活载弯矩控制的跨中弯矩设计值为：γ0(γGMgk+γQMqk)=75.625kN·m取较大值得跨中弯矩设计值M=75.625kN·m。表2.4建筑结构的安全等级安全等级破坏后果建筑物类型一级很严重重要的房屋二级严