结构选型第二章-结构设计基本原理

第二章建筑结构设计基本原理第一节结构上的荷载第二节极限状态设计法第一节结构上的荷载1.结构上的作用、作用效应、抗力及其随机性1.1作用作用是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因素的总和。分为：直接作用、间接作用直接作用：即荷载，如自重、楼面荷载、雪荷载等；间接作用：引起结构外加变形或约束的原因称为间接荷载，如地震、地基沉降、混凝土收缩及温度等因素。1.2作用效应由作用引起的结构或构件的反应（结构变形和内力）称为作用效应。变形：裂缝、挠度；内力：M、V、N。第一节结构上的荷载1.3结构抗力结构抗力是结构或构件承受作用效应的能力，如极限内力(Nu、Mu、Vu、扭矩Tu)、抗裂度、挠度[f]及裂缝限值[w]等。1.4随机性随机性：指数值分布的不规则性。结构上的作用、作用效应及抗力均具有随机性质。第一节结构上的荷载2.荷载代表值结构设计应对不同荷载应采用不同的代表值。（1）对永久荷载应采用标准值作为代表值。（2）对可变荷载应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值。（3）对偶然荷载按建筑结构使用的特点确定其代表值。2.1可变荷载代表值（1）标准值：见书P11表2-1。可变荷载的标准值是可变荷载的基本代表值。第一节结构上的荷载（2）组合值当结构承受两种以上的可变荷载，且承载能力极限状态按基本组合设计或正常使用极限状态荷载标准值组合设计时，考虑到这两种荷载或两种以上荷载同时达到最大值的可能性较小，因此将它们的标准值乘以一个小于或等于1.0的荷载组合系数。可变荷载的组合值是当结构承受两种或两种以上荷载时的代表值。（3）频遇值设计基准期一般为50年，对可变荷载，在设计基准期内，其超越概率仅为设计基准期的一小步分的作用值，或在设计基准期内其超越频率为某一给定频率的作用值，称为可变荷载的频遇值。第一节结构上的荷载（4）准永久值：见书P11表2-1不同的可变荷载在结构上的变化情况不一样。例如：住宅楼面的活荷载中：人群荷载流动性大，而家具荷载的流动性较小。因此，可变荷载中在整个设计基准期内出现的时间较长（可理解为不低于25年）的那部分荷载称为可变荷载的准永久值。可变荷载准永久值为可变荷载标准值乘以准永久值系数（小于或等于1.0）。第二节极限状态设计法2.2结构的可靠概率与失效概率设结构的抗力R，作用效应S，则定义结构的功能函数Z＝R—S来描述工作状态：当Z0时，结构抗力大于作用效应，结构可靠；当Z0时，结构抗力小于作用效应，结构失效；当Z＝0时，结构抗力等于作用效应，结构处于极限状态；因此，结构可靠的基本条件是Z≥0（R≥S）第二节极限状态设计法R、S是随机函数，因此Z也是随机函数。假设R、S服从正态分布，功能函数Z也服从正态分布：平均值：μZ＝μR－μS标准差（均方差）：变异系数：δZ＝σZ/μZ22ZRSf(Z)bszmzPfZ=R-S第二节极限状态设计法结构失效概率Pf：结构可靠概率Ps：且Pf+Ps＝1我国规范对一般性工业与民用建筑的失效概率规定不得超过以下值：延性破坏的结构：[Pf]=6.9×10-4；脆性破坏的结构：[Pf]=1.1×10-4；0s()Pfzdzs0()Pfzdz第二节极限状态设计法2可靠指标β用失效概率Pf来衡量结构的可靠性数学计算上相当复杂，为此引入可靠指标β来代替失效概率Pf。β与Pf存在一一对应关系：β愈大，则失效概率Pf越小；反之β愈小，则失效概率Pf越大。RSZ22ZRS值2.73.23.74.2失效概率Pf3.5×10-36.9×10-41.1×10-41.3×10-5b—可靠指标比较：1.钢、砼2.钢:塑性、脆性第二节极限状态设计法2.3目标可靠指标、安全等级在建筑结构设计时，应根据建筑物的安全等级，按规定的可靠指标进行设计的设计标准，称为按可靠指标的设计原则。《建筑结构设计统一标准》规定了一般工业与民用建筑作为设计依据的可靠指标，称为目标可靠指标。当结构构件属延性破坏时，取β=3.2；属脆性破坏时，取β=3.7,原因：脆性破坏比较突然，缺乏足够的预兆，目标可靠指标应取得高一些。第二节极限状态设计法根据建筑物的重要性不同，即一旦结构发生破坏,对生命财产的危害程度及社会影响不同，《建筑结构设计统一标准》将建筑结构分为三个安全等级，并对其目标可靠指标作适当调整：一级——破坏后果很严重的重要建筑物；二级——破坏后果严重的一般工业与民用建筑物；三级——破坏后果不严重的次要建筑物。破坏类型安全等级一级二级三级延性破坏脆性破坏3.74.23.23.72.73.2第二节极限状态设计法一些说明：根据统计，触电的年死亡率为6×10-6b=3.7时，Pf=1.1×10-4，按设计基准期50年考虑，年失效概率为1.1×10-4/50=2.2×10-650年后并不是结构就失效，而是失效概率增加。同时，结构失效也并不表示结构倒塌。我国对于一般工程结构，当为延性破坏时，其可靠指标取b=3.2，对脆性破坏取b=3.7。对于重要的工程结构，应提高可靠指标。第二节极限状态设计法2.4极限状态的分类承载能力极限状态和正常使用极限状态承载能力极限状态：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，应认为超过了承载能力极限状态：（1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移等）；（2）结构构件或连接因材料强度被超过而破坏（包括疲劳破坏），或因过度变形而不适于继续承载；（3）结构转变为机动体系；（4）结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）。第二节极限状态设计法正常使用极限状态：这种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。当结构或结构构件出现下列状态之一时，应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的局部损坏（裂缝等）；（3）影响正常使用的振动；（4）影响正常使用的其它特定状态第二节极限状态设计法2.5按承载力极限状态设计的方法结构承载力极限状态表达式：式中：γ0—结构重要性系数；对安全等级为一级或设计使用年限为50年以上结构构件，不应小于1.1；对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件，不应小于1.0；对安全等级为三级或设计使用年限为1～5年的结构构件，不应小于0.9；S—荷载效应组合的设计值；R—结构构件抗力的设计值，应按各有关0SR第二节极限状态设计法对于基本组合，荷载效应组合的设计值S1)可变荷载效应控制的组合2)永久荷载效应控制的组合式中：γG—永久荷载的分项系数；γQi—第i个可变荷载的分项系数。GGkQ1Qk1QiciQk2niSSSSGGkQiciQk1niSSS第二节极限状态设计法SGK—按永久荷载标准值Gk计算的荷载效应值；SQik—按可变荷载标准值Qik计算的荷载效应值,SQ1k—诸可变荷载效应中起控制作用者；Ψci—可变荷载Qi的组合值系数；n—参与组合的可变荷载数。注: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。SGK/SQ1k≥2.8，选永久荷载效应控制的组合第二节极限状态设计法3.2.5基本组合的荷载分项系数γ，应按下列规定采用：1永久荷载的分项系数γG：1)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；2)当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。2可变荷载的分项系数γQi：—一般情况下应取1.4；—对标准值大于4KN/m2工业房屋楼面取1.3。第二节极限状态设计法2.6正常使用极限状态基本表达式：（1）要求分别采用荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合，并使变形等不超过相应的规定限值。GkQ1kciQik2Gkf1Q1kciQik2GkQ1kqiQik2(213)(214)(215)nininiSSSSSSSSSSSC