第10章混凝土结构设计的一般原则和方法

1第10章混凝土结构设计的一般原则和方法基本要求：1.了解结构的组成及类型、结构设计的阶段和内容、结构设计的一般原则。2.了解结构上的作用、作用效应、荷载的分类，掌握荷载代表值、竖向荷载（包括雪荷载）、风荷载的确定方法3.掌握结构的功能要求、结构功能的极限状态；4.了解概率极限状态设计方法，理解可靠度、可靠指标的概念以及可靠指标与失效概率的关系；5.掌握概率极限状态设计实用表达式；掌握荷载各种代表值和强度值的取法，并能够根据不同设计要求进行相应的荷载组合。2§10.1建筑结构设计的一般原则10.1.1建筑结构的组成和类型一、组成：1.上部结构：包括水平结构体系（楼、屋盖）和竖向结构体系（墙、柱等）。2.下部结构：地下室、基础二、类型：1.按结构材料：砌体结构、混凝土结构、钢结构、组合结构和混合结构。2.按竖向结构体系：排架结构、框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构等。310.1.2建筑结构的设计的阶段和内容一、初步设计（方案设计）：提出设计方案，对关键问题提出技术措施。二.技术设计：进行结构平面布置和竖向布置，对整体进行荷载效应分析，确定主要构造措施及重要部位和薄弱部位的技术措施。三.施工图设计：给出完整的结构施工图10.1.3建筑结构设计的一般原则安全、适用、耐久和经济合理4§10.2建筑结构荷载10.2.1结构上的作用与作用效应一、作用：使结构产生内力或变形的原因，即施加在结构上的集中或分布荷载以及引起结构外加变形或约束变形的原因。直接作用：集中或分布荷载；间接作用：地震、地基沉降、混凝土收缩、温度变化、焊接等因素。二、作用效应：结构上的作用使结构产生的内力（如弯矩、剪力、轴力、扭矩等）、变形（如挠度、侧移、转角等）、裂缝等的统称。510.2.2荷载的分类一、按作用时间长短和性质：1.永久荷载：在设计基准期内，其值不随时间变化或其变化与平均值相比可以忽略不计的荷载或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。如结构自重、土压力、预加应力、焊接等。2.可变荷载：在设计基准期内，其值随时间变化且其变化与平均值相比不可忽略的荷载。如安装荷载、楼面上人群及家具等产生的活载、风荷载、雪荷载、吊车荷载等。3.偶然荷载：在结构设计基准期内不一定出现，但一旦出现其值很大且持续时间很短的荷载。如爆炸力、撞击力等。二.按空间位置的变异：1.固定荷载2.移动荷载6三、按结构对荷载的反应性质：1.静力荷载：结构自重、楼面活荷载、雪荷载等。2.动力荷载：风荷载、设备振动、吊车荷载等。设计基准期：《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）统一采用一般结构的设计使用年限50年作为规定荷载最大值的时域，称为设计基准期。10.2.3荷载代表值标准值、组合值、频遇值、准永久值，其中标准值是基本代表值。标准值：其在结构的使用年限可能出现的最大荷载值。7一、永久荷载代表值：标准值1.对结构自重，可按结构构件的设计尺寸与材料单位体积（或单位面积）的自重计算确定。2.对自重变异较大的材料和构件（如现场制作的保温材料、薄壁构件等），在设计中应根据该荷载对结构有利或不利，分别取其自重的下限值或上限值。二、可变荷载代表值：标准值、组合值、频遇值、准永久值1.标准值：根据最大荷载的统计分布按一定保证率取其上限分位值；统计有困难时，可根据工程经验确定一协议值作为其标准值。我国根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）中表5.1.1取值。82.荷载组合值：对于有两种或两种以上可变荷载同时作用时，使组合后的荷载效应在设计基准期内的超越概率与荷载单独作用时相应的超越概率趋于一致的荷载值。组合值=标准值（Qk)×组合值系数(ψc)3.频遇值：在设计基准期内，其超越的时间为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值。频遇值=标准值(Qk)频遇值系数(ψf)4.准永久值：设计基准期内，其超越的总时间为设计基准期一半的荷载值。准永久值=标准值(Qk)准永久值系数(ψq)准永久值与频遇值的区别：准永久值的持续时间较长，约为设计基准期的一半，一般与永久荷载组合用于结构长期变形和裂缝宽度的计算；频遇值总持续时间较短，9一般与永久荷载组合用于结构振动变形的计算。10.2.4竖向荷载一、楼、屋面的荷载1.竖向恒荷载：（1）结构的自重：按构件的设计尺寸与材料表观密度确定。（2）附加在结构上的恒荷载：门窗自重、设备自重等2.竖向活荷载（1）民用建筑楼面均布活荷载：《荷载规范》按等效均布荷载方法给出，并考虑折减，详见规范5.1。（2）工业建筑楼面均布活荷载：详见规范5.2。10（3）屋面活荷载：标准值、组合值、频遇值、准永久值按表5.3.1采用，详见规范5.3。注意：屋面均布活荷载不应与雪荷载同时组合。二、雪荷载屋面水平投影面上的雪荷载标准值，应按下式计算基本雪压：以一般空旷平坦地面上统计的50年一遇重现期的最大积雪自重给出。参见规范附录E.5屋面积雪分布系数：屋面水平投影面积上的雪荷载基本雪压屋面积雪分布系数雪荷载标准值式中：00ssssrkrk11与基本雪压的比值，与屋面形式、朝向及风力有关，见规范7.2。雪荷载的组合值系数可取0.7，频遇值系数可取0.6，准永久值系数按雪荷载分区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的不同，分别取0.5、0.2、0，分区图见规范附录E.5。《规范》7.2.2规定，设计建筑结构及屋面的承重构件时，应按下列规定采用积雪的分布情况：（1）屋面板和檩条按积雪不均匀分布的最不利情况采用；（2）屋架和拱壳可分别按积雪全跨均匀分布情况、不均匀分布的情况和半跨均匀分布的情况采用；（3）框架和柱可按积雪全跨均匀分布情况采用。1210.2.5风荷载：使结构产生变形和振动一、风荷载的特点迎风面-压力背风面-吸力构成风荷载两侧-横风向干扰力风荷载包括由顺风向的平均风引起的静力风荷载、与平均风方向一致的顺风向脉动风荷载和与平均风方向垂直的横风向脉动风荷载。工程中一般只考虑结构在顺风向风荷载作用下的响应。二、风荷载的标准值：与风荷载时程有关可近似按静力风荷载并用动力放大系数考虑脉动风的动力效应13主要承重结构，垂直于建筑物表面上的风荷载标准值应按下式计算：1.基本风压ω0：以当地空旷平坦地面上10m高处10min的平均风速观测数据，经概率统计得到的50年一遇的最大处的风振系数高度风压高度变化系数风荷载体型系数基本风压风荷载标准值式中：zzzskzszk0014风速v0，按下式计算：《荷载规范》规定，基本风压应按规范附录E.5中的中给出的50年重现期的风压采用，并不得小于0.3KN/m2。对高层建筑、高耸结构以及对风荷载比较敏感的其他结构，基本风压应适当提高，并应由有关的结构设计规范具体规定。风荷载的组合值、頻遇值和准永久值系数分别取为0.6、0.4和0空气密度式中：--160012120200vv152.风压高度变化系数：风速增大规律主要取决于地面粗糙度（分为四类）A类：近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类：田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；C类：有密集建筑群的城市市区；D类：有密集建筑群且房屋较高的城市市区。《荷载规范》规定：风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别按规范表8.2.1确定。如表10-43.风荷载体型系数：风作用在建筑物表面所引起的实际压力（或吸力）与基本风压的比值。与建筑物的体型、尺度、周围环境和地面粗糙度有关。详见《荷载规范》表8.3.1zs162.风振系数：考虑脉动风对结构产生动力效应的放大系数，与建筑物的自振周期、结构的阻尼特性以及风的脉动性能等有关。详见《荷载规范》z17§10.3结构的功能要求和极限状态10.3.1结构的功能要求1.结构的安全等级（1）确定原则：根据破坏后果的严重性；（2）等级标准：三级安全等级破坏后的影响程度建筑物的类型一级很严重重要的建筑物二级严重一般的建筑物三级不严重次要的建筑物纪念性建筑物及其他有特殊要求的建筑，其安全等级可按具体情况另行确定。182.结构的设计使用年限设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其目的使用的时期。设计年限可按《建筑结构可靠度设计统一标准》确定，也可经过主管部门的批准按业主的要求确定。注意：设计使用年限与使用寿命的区别3.结构的功能要求类别设计使用年限（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19工程结构设计的基本目的：在一定的经济条件下，结构在预定的使用期限内满足设计所预期的各项功能。（1）安全性：结构应能承受正常施工和使用时可能出现的各种荷载和变形，在偶然事件发生时及发生后能保持必需的整体稳定性，不致发生倒塌。如M≤Mu（2）适用性；结构在正常使用时有良好的工作性能，不产生过大的变形或振幅、过宽的裂缝等。如f≤[f]（3）耐久性：结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀），结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低，而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。2010.3.2结构功能的极限状态1.概念：整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计指定的某一功能要求（安全、适用、耐久），此特定状态称为该功能的极限状态。2.极限状态的物理意义：未达到极限状态则处于有效状态；超过极限状态则处于失效状态。3.分类：211．承载力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力或者不适于继续承载的变形状态。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极限状态：（1）结构构件或连接因超过材料强度而破坏，或因过度变形而不适于继续承载；（2）整个结构或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移）；（3）结构转变为机动体系（如超静定结构由于某些截面的屈服，使结构成为几何可变体系）；（4）结构或结构构件丧失稳定（如细长构件的压屈失稳）；（5）结构因局部破坏而发生连续倒塌；（6）地基丧失承载力而破坏（如失稳）；（7）结构或结构构件的疲劳破坏。22（2）正常使用极限状态：结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项规定限度的状态。（1）影响正常使用或外观的变形（如过大的挠度、侧移）；（2）影响正常使用或耐久性能的局部损坏（如过大的裂缝）；（3）影响正常使用的振动（如过低的楼盖竖向自振频率）；（4）影响正常使用的其他特定状态（如侵蚀性环境下产生严重腐蚀）。（3）两种极限状态之间的关系：结构或构件必须进行承载力极限状态计算，必要时进行正常使用极限状态验算。2310.3.3极限状态方程1.极限状态函数：Z=R-S上式中，R表示结构构件抗力，如受弯承载力Mu、受剪承载力Vu、容许挠度[f]、容许裂缝宽度[w]，它与材料的力学指标及材料用量有关；S表示结构上的各种作用（如荷载、不均匀沉降、温度变形、收缩变形、地震等）产生的效应总和（如弯矩M、轴力N、剪力V、扭矩T、挠度f、裂缝宽度w等）（1）极限状态函数中各量的数学意义：R和S均可视为随机变量，Z为复合随机变量，它们24之间的运算规则应按概率理论进行。（2）极限状态函数的物理意义：Z=R-S0，结构处于可靠状态；Z=R-S=0，结构处于极限状态；Z=R-S0，结构处于失效状态；2.极限状态方程：),,,(21nxxxgZ式中，g(…)是函数记号，在这里称为功能函数。g(…)由所研究的结构功能而定，可以是承载能力，也可以是变形或裂缝宽度等。x1,x2,…,xn为影响该结构功能的各种荷载效应以及材料强度、构件的几何尺寸等。25§10.4按近似概率的极限状态设计法10.4.1结构的可靠度1.传统方法存在的问题：缺乏科学性★由于结构抗力和荷载效应的随机性，安全可靠应该属于概率的范畴，应当用结构完成其预定功能的可能性（概率的大小）来衡量，而不是一个定值来衡量。2.结构的可靠性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称为可靠性。规定时间是指设计使用年限。规定的条件为正常设计、正常施工、正常使用、正常维护的条件。26预定功能：结构的安