97结构设计原理

4.结构设计原理4.1结构设计的极限状态与设计要求4.2建筑物的重要度与基准期4.3荷载作用与结构抗力4.4多种荷载作用的最不利组合4.5结构的荷载最不利分布与组合地点功能结构简图与材料选用荷载的确定与组合内力图与截面应力分析截面应力——材料的设计强度小于，截面选择过大可以进一步减少截面大于，截面选择过小必须进一步加大截面等于，截面选择适当截面处于临界状态设计图纸弯矩产生的截面正应力分布图剪力产生的截面剪应力分布图2结构功能的极限状态极限状态——整个结构或结构的一部分超过某一特定状态,或不能满足设计规定的某一功能要求的特定状态。A、承载能力极限状态——结构或构件达到最大承载力或产生不适于继续承载的变形。如倾覆、疲劳破坏、压屈等。B、正常使用极限状态——结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。如过大变形、开裂、振动等我国结构设计是以概率理论为基础的极限状态设计法。（3）结构的功能要求1）结构的功能要求功能要求适用性耐久性安全性安全性——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——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动；不会产生使使用者感到不安的裂缝宽度等。耐久性——结构在正常维护条件下具有足够的耐久性能，即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。2）结构的可靠性和可靠度的概念结构可靠性——结构的安全性、适用性和耐久性的总称。结构可靠度——结构在规定时间内，在规定条件下，完成预定功能的概率。规定时间指设计使用年限；规定条件指正常设计、正常施工、正常使用和正常维护，不包括错误设计、错误施工和违反原来规定的使用情况。•结构的可靠性:即结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。(结构的安全性、适用性和耐久性)•可靠度：“结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。”故结构可靠度是可靠性的概率度量。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。注意1：结构可靠度与结构使用年限长短有关。《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。注意2：结构的设计使用年限虽与结构使用寿命有联系，但不等同。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。2.3概率极限状态设计法2.3.1结构的极限状态◆极限状态:所谓结构的极限状态就是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。极限状态是区分结构工作状态的可靠或失效的标志。极限状态可分为两类：承载能力极限状态和正常使用极限状态。当结构整体或其中的组成部分达到或超过某一确定的状态时，就不能够继续满足设计所确定的功能，此特定的状态就是该结构或部分的极限状态。2.结构功能的极限状态（1）定义整个结构或结构的一部份，超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能（安全性、适用性、耐久性）要求，该特定状态称为该功能的极限状态。极限状态承载力极限状态正常使用极限状态（2）分类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。承载能力极限状态主要考虑关于结构安全性的功能。当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态：●结构构件或连接因材料强度不够而破坏；●整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；●结构转变为机动体系；●结构或结构构件丧失稳定（如柱子被压曲等）。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。这一状态对应于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：●影响正常使用或外观的变形；●影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；●影响正常使用的振动；●影响正常使用的其他特定状态等。结构设计的极限状态与设计要求•结构设计的基本要求对于结构设计，其基本要求在于：1.满足特定的与建筑物的功能相适应的承载力极限状态，即安全；2.保证结构在日常使用中满足要求，即适用；3.保证结构的承载力的持续时间与环境适应度，即耐久。•结构满足这几方面要求的程度被称为结构的可靠度。•相同地区、相同功能、相同设计标准的建筑物的可靠度指标相同，与所使用的材料的强度及性能无关。•结构设计的内容对于承载力极限状态：截面强度验算、稳定验算、抗倾覆与滑移验算；对于正常使用极限状态：变形验算、抗裂与裂缝宽度的验算。4.2建筑物的重要度与基准期结构的安全等级建筑结构设计时，应根据结构破坏可能产生的后果（危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等）的严重性，采用不同的安全等级。根据建筑物的重要性的不同、一旦发生破坏对人民生命财产的危害程度以及对社会的影响的不同，《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）将建筑结构分为三级。◆一级建筑破坏后果很严重的重要建筑物γ0=1.1◆二级建筑破坏后果严重的一般建筑物γ0=1.0◆三级建筑破坏后果不严重的次要建筑物：γ0=0.9见《建筑结构可靠度设计统一标准》1.0.9条表1.2.1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（医院、通讯中心、交通枢纽、重要政府办公楼、危险品仓库二级严重一般的房屋（普通住宅、宾馆、办公楼、普通厂房三级不严重次要的房屋（临建）（2）结构的设计使用年限定义：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下表采用。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•结构的设计使用年限–结构保证其设计可靠度指标的时间期限成为设计基准期，即在基准期内，结构的可靠度指标完全满足设计要求；–设计基准期是测算最大荷载重现期的基本期限；–在超过设计基准期后，并非意味着结构的失效，而是其可靠度有所降低，因此基准期不能等同于建筑物的使用寿命；–我国对于多数建筑物的设计基准期均为50年，特殊建筑物可以除外；•投资与建设方可以根据需要自行设定其投资建设的设计基准期与建筑物的重要度，在没有资方特殊要求的前提下，设计施工执行相关国家标准。4.3荷载效应与结构抗力•结构荷载的确定结构上的荷载作用可以按照工程设计的标准分为：永久作用、可变作用于偶然作用三类。•荷载效应荷载在结构上产生的内力与变形，如弯矩、剪力、轴力、扭矩、挠度、转角、裂缝等，以S来表示；由于荷载位置与方向差异，不同荷载对于结构产生的效果不同；S=CQ，C：荷载效应系数；特定结构或构件对于特定荷载的荷载效应系数确定的。常见的荷载效应系数举例：o简支梁在均布荷载作用下，最大弯矩的荷载效应系数为：C=L2/8；o简支梁在集中荷载作用下，最大弯矩的荷载效应系数为：C=L/4。4.3荷载效应与结构抗力•结构抗力–结构或构件抵抗各种力学作用与变形的能力，即强度、刚度、稳定性、抗倾覆能力等，以R来表示；–结构抗力与结构所选择的材料、截面的形式相关。–结构的抗力结构或构件承受作用效应的能力，用“R”表示。构件制作完成后，结构的抗力是一定的，而作用效应可能是变化的，结构抗力的大小取决于材料的力学性能、构件的几何参数及计算模式的精确性。（2）结构的功能函数SRRSgZ),((1.2.1)“功能函数”:结构抗力与荷载效应之差，Z=g(S,R)=R-S结果分析•Z=R-S0：处于可靠状态•Z=R-S0：处于不可靠状态，即失效；•Z=R-S=0：处于极限状态，此方程称极限状态方程2.结构的功能函数实际工程中，可能出现以下三种情况（１）实用表达式S≤RS:荷载效应设计值R:结构抗力设计值(2)荷载效应基本组合设计值S考虑永久性荷载和可变荷载共同作用所得的结构内力值称为结构的内力组合值。1）由可变荷载效应控制的组合：二.实用设计表达式1承载能力极限状态设计表达式γ0:结构重要性系数1.1(一级)、1.0(二级)、0.9(三级).γG：恒荷载分项系数1.2，γQ:活荷载分项系数1.4.SGk：恒载效应标准值，SQ1k:最大的活载的效应标准值.ψ：其他活荷载的组合系数.SQik：其他活载效应标准值.γGSGk::恒载效应设计值.γQSQ1k:活载的效应设计值.0112()nGGkQQkQiciQikiSrSSS(2)由永久荷载效应控制的组合：γG：恒荷载分项系数1.35S取两公式计算的最大值（1.2.4）01()nGGkQiciQikiSrSS4.4多种荷载作用的最不利组合•实际结构的荷载确定——荷载的最不利组合对于实际结构，并非仅承担单一的荷载作用，而可能同时承担多种荷载的组合作用；在实际设计中，要根据建筑物的实际状况考虑多种不同荷载的组合；荷载组合要考虑结构可能面临的最不利状态；荷载组合基本原则是：o结构自重是不能忽略的，是在各种状况中均存在的；o活荷载的出现是随机的，少数活荷载同时出现的是可能的，但同时达到设计荷载的特征指标的概率较小的；o最大的活荷载的组合系数为1，不进行折减；o其他活荷载要根据同时出现的可能性进行相加，并考虑这种可能性的概率分别进行折减；o考虑不同荷载的性质，对于设计荷载采用何在分项系数，调整标准值的量值。4.4多种荷载作用的最不利组合•经过荷载的不利组合后，确定地区、确定功能、确定结构、确定构件上的设计荷载效应（承载力极限状态）为：S=（CGγGG+CQ1γQ1Q1k+ΣψiCQiγQiQik）•经过荷载的不利组合后，验算结构正常使用极限状态（裂缝与变形）的荷载效应为：S=（CGG+CQ1Q1k+ΣψiCQiQik）式中：S：荷载效应，C：恒荷载的荷载效应系数，γ：荷载分项系数，Gk：恒荷载标准值，Q1k：最大的活荷载的标准值，Ψ：其他活荷载的组合系数Qik：其他活荷载的标准值4.4多种荷载作用的最不利组合•对于荷载分项系数，永久荷载的分项系数：o当其效应对结构不利时，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；其效应对结构有利时一般情况下应取1.0；对结构的倾覆，滑移或漂浮验算，应取0.9；可变荷载的分项系数：o一般情况下应取1.4；o对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载应取1.3；o对于某些特殊情况，可按建筑结构有关设计规范的规定确定4.5结构的荷载最不利分布与组合•结构的荷载最不利分布与组合原则对于具体结构，可变荷载作用的位置与方向的变化会在结构中的不同构件上产生不同的作用；由于可变荷载的多变性，对于具体结构要考虑多种不同的荷载分布与组合；对于各种可能荷载组合与分布，均需要求解出相应的结构内力，从而考虑设计截面最大可能的内力的量值与方向。•结构的荷载最不利分布与组合举例以连续梁为例，说明该结构的荷载分布的不利组合。连续梁所承担的恒荷载为梁以及相关的自重；设其承担的活荷载仅为竖向均布作用；结构的上的活荷载的不利组合形成的不利内力仅考虑剪力与弯矩。4.5结构的荷载最不利分布与组合•连续梁如图，由于恒荷载作用确定，因此在不利组合中暂时忽略恒荷载的存在。当活荷载作用于1跨时，梁的变形如当活荷载作用于2跨时，梁的变形如当活荷载作用于3跨时，梁的变形如当活荷载作用于4跨时，梁的变形如1234567894.5结构的荷载最不利分布与组合当求某一跨中的最大正弯矩时，应考虑在该跨布置活荷载，相邻跨隔跨布置；当求某一跨中的最大负弯矩时，应考虑在该跨不布置活荷载，而两侧相邻跨布置，并继续在相邻跨的隔跨布置；当求某一支座的最大负弯矩时，应考虑在该支座相邻两跨布置活荷载，并继续