建筑结构计算基本原则

CH.2建筑结构设计基本原则1.建筑物结构的荷载2.概率极限状态设计法1.荷载分类；2.荷载代表值；3.结构的功能；4.结构功能的极限状态；5.结构上的作用、作用效应和结构抗力；6.概率极限状态设计法实用设计表达式。主要内容1.了解掌握荷载分类、荷载代表值的概念及种类；2.理解结构的功能及其极限状态的含义；3.能确定永久荷载、可变荷载的代表值。教学目标：重点1、荷载分类；荷载代表值；2、结构的功能；结构功能的极限状态；3、结构上的作用、作用效应和结构抗力。难点结构上的作用、作用效应和结构抗力。4.能正确应用极限状态实用设计表达式。CH.2建筑结构设计基本原则2.1建筑物结构的荷载作用（S）（或荷载）作用效应施加在结构上的集中力或分布力，称为作用——直接作用引起结构外加变形或约束变形的原因——间接作用——由作用引起的结构或构件的反应结构抗力（R）——结构或结构构件承受效应的能力qVM2.1.1基本概念建筑结构的作用的种类楼（屋）面可变荷载风荷载吊车荷载永久荷载（重力荷载、土压力等）可变荷载偶然作用（如爆炸、撞击）直接作用间接作用（如地震作用、地基变形、材料收缩、焊接应力、温度变化等。）作用——在结构使用期间，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。也称恒荷载或恒载。比如结构自重或土压力等。——在结构使用期间，其值随时间变化，或其变化与平均值相比不可以忽略不计的荷载。也称活荷载或活载。比如楼面活载、屋面活载、雪荷载、风荷载、吊车荷载等。——在结构使用期间不一定出现，而一旦出现,其量值很大而持续时间较短的荷载。比如爆炸力、撞击力等。a.永久荷载b.可变荷载c.偶然荷载2.1.2荷载分类按时间变异分类永久荷载永久荷载亦称恒荷载，是指在结构使用期间，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。如结构自重、土压力、预应力等。可变荷载可变荷载也称为活荷载，是指在结构使用期间，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。偶然荷载在结构使用期间不一定出现，而一旦出现，其量值很大且持续时间很短的荷载称为偶然荷载。按空间变异分类a.固定荷载——在结构空间位置上具有固定的分布；b.可动荷载——在结构空间位置一定范围内可以任意分布。a.静态荷载——对结构不产生动力效应，或小的可以忽略；b.动态荷载——对结构产生动力效应，且不可以忽略。按照结构的反应分类——结构计算时，需根据不同的设计要求采用不同的荷载数值。——荷载基本代表值。指在结构使用期间，在正常情况下出现具有一定保证率的最大荷载。——当结构同时承受两种或两种以上可变荷载时，除主导荷载（产生荷载效应最大的荷载）取标准值，其他伴随荷载取小于其标准值的组合值为代表值。——在设计基准期内经常作用在结构上的可变荷载。kccQQkqqQQkkorQG——作用于结构上时而出现，持续时间较短的较大可变荷载。kffQQa.荷载标准值b.可变荷载组合值c.可变荷载准永久值d.可变荷载频遇值2.1.3荷载的代表值荷载代表值1.荷载代表值定义：结构设计时，对于不同的荷载和不同的设计情况，应赋予荷载不同的量值，该量值即荷载代表值。2.荷载标准值定义：荷载标准值就是结构在设计基准期内具有一定概率的最大荷载值,它是荷载的基本代表值。设计基准期——为确定可变荷载代表值而选定的时间参数，一般取为50年。恒荷载按构件或材料单位体积（或单位面积）自重平均值确定。见荷载规范楼面及屋面活荷载1.民用建筑楼面活载见《规范》。对多、高层，荷载满布且达到最大值可能性很小，应适当折减。2.屋面均布活载分“上人”和“不上人”两类。3.雪荷载orkSS——基本雪压。见《规范》kS——雪荷载标准值oSr——屋面积雪分布系数，即基本雪压换算为屋面水平投影面上的雪荷载的换算系数。4.风荷载ozszkkzosz——风荷载标准值——基本风压，见《规范》——风压高度变化系数——风荷载体型系数，+为压力，-为吸力——高度z处风振系数（1）永久荷载标准值永久荷载主要是结构自重及粉刷、装修，固定设备的重量。一般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。对于自重变异性较大的材料，在设计中应根据其对结构有利或不利的情况，分别取其自重的下限值或上限值。[例]取钢筋混凝土单位体积自重标准值为25kN/m3，则截面尺寸为200×500mm的钢筋混凝土矩形截面梁的自重标准值为0.2×0.5×25=2.5kN/m。（2）可变荷载标准值民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频偶值和永久值系数按附表采用。1）可变荷载准永久值定义：在设计基准期内经常达到或超过的那部份荷载值（总的持续时间不低于25年），称为可变荷载准永久值。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值见附表。2）可变荷载组合值定义：两种或两种以上可变荷载同时作用于结构上时，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，其值按附表查取。3）可变荷载频遇值定义：对可变荷载，在设计基准期内，其超越的总时间为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值（总的持续时间不低于50年），称为可变荷载频遇值。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，其值按附表查取。楼面和屋面活荷载楼面和屋面活荷载本表各项荷载不包括隔墙自重和二次装修荷载。对固定隔墙的自重应按恒载考虑，当隔墙位置可灵活自由布置时，非固定隔墙的自重应取每延米长墙重(kN/m)的1/3作为楼面活荷载的附加值(kN/㎡)计入，附加值不小于1.0kN/㎡。注：1不上人的屋面,当施工或维修荷载较大时,应按实际情况采用；对不同结构应按有关设计规范的规定,将标准值作0.2kN/m2的增减。2上人的屋面，当兼作其他用途时，应按相应楼面活荷载采用。3对于因屋面排水不畅、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面活荷载。4屋顶花园活荷载不包括花圃土石等材料自重。注：1表中的积灰均布荷载,仅应用于屋面坡度α≤25°；当α≥45°时，可不考虑积灰荷载；当25°＜α＜45°时，可按插值法取值。积灰荷载应与雪荷载或不上人的屋面均布活荷载两者中的较大值同时考虑。•施工和检修荷载及栏杆水平荷载设计屋面板、檩条、钢筋混凝土挑檐、雨篷和预制小梁时,施工或检修集中荷载(人和小工具的自重)应取1.0kN，并应在最不利位置处进行验算。注:1对于轻型构件或较宽构件,当施工荷载超过上述荷载时，应按实际情况验算，或采用加垫板、支撑等临时设施承受。2当计算挑檐、雨篷承载力时,应沿板宽每隔1.0m取一个集中荷载；3在验算挑檐,雨篷倾覆时,应沿板宽每隔2.5～3.0m取一个集中荷载。屋面均布活载不与雪荷载同时考虑，设计时取其中较大值。注：1第2项单跨双坡屋面仅当20°≤α≤30°时，可采用不均匀分布情况。2第4、5项只适用于坡度α≤25°的一般工业厂房屋面。3第7项双跨双坡或拱形屋面，当α≤25°或f/l≤0.1时，只采用均匀分布情况。基本雪压应按本规范附录D.4中附表D.4给出的50年一遇的雪压采用。雪荷载的组合值系数可取0.7；频遇值系数可取0.6；准永久值系数应按雪荷载分区Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的不同，分别取0.5、0.2和0；风荷载的组合值、频遇值和准永久值系数可分别取0.6、0.4和0。基本风压，根据当地空旷平坦地面离地高10米10分钟平均风速，50年一遇最大值（基本风速）换算而来；风压高度系数在梯度风高度范围内，任意高度z的风速与H高度风速的关系为HzvvHzz为地面粗糙指数，对于A、B、C、D类，分别为0.12、0.16、0.22、0.3。0501001502002503003504004500.30.40.50.60.70.80.91A类B类C类D类(1-12)基本风速是B类地面上空10m高度处的风速，因而B类地面任意高度处的风速为016.016.00692.010vzzvvBz(1-13)s建筑物表面的实际压力与其形状有关，与来流风压的比值用表示，见表1-11。风载体型系数由风速换算得到的风压是所谓来流风压。房屋将对气流形成某种干挠。s为正时代表风压，即靠近表面；为负时代表风吸，即离开表面。s风向0s5.0s风压垂直于建筑物表面。风振系数z时间风压长周期风振系数定义为考虑脉动效应的总风压与静风压（平均风压）之比。风的长周期比一般结构的自振周期大得多，因而对结构的作用相当于静力作用；而风脉动周期只有几秒，与高层和高耸结构的的自振周期相当。所以，规范规定：对于高度大于30m且高宽比H/B大于1.5的房屋结构，以及自振周期T1大于0.25s高耸结构必须考虑脉动效应。地面粗糙度可分为A、B、C、D四类：——A类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；——B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；——C类指有密集建筑群的城市市区；——D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。2.2极限状态设计法2.2.1结构功能要求在设计基准期（一般50年，也有100和25年）内，满足功能要求，即安全性(SR)，适用性，耐久性。安全性：满足特定的与建筑物功能相适应的承载力极限状态适用性：保证结构在日常使用中满足要求耐久性：保证结构的承载力的持续时间与环境适应度功能函数：Z=R-S=g(X1,X2,X3….Xn)结果分析Z=R-S0：Z=R-S0：Z=R-S=0：处于可靠状态；处于不可靠状态，即失效；处于极限状态，此方程称极限状态方程2.2.3结构可靠度理论——在规定的时间内（一般为50年），在规定的条件下（正常设计、正常施工和正常使用），完成预定功能的概率，称为结构的可靠度，即可靠概率。以Ps表示安全性、适用性、耐久性a.结构的可靠度b.失效概率强度/荷载值出现概率γ0[S]μSσSσS[R]μRσRσR失效可靠00dzzfPdzzfPsf)()(1sfPP——结构不能完成预定功能的概率，以Pf表示。2.2.3建筑物的重要度与基准期我国将建筑物的重要程度分为三级，不同级别在计算中取不同的重要度系数γ0：一级，破坏后果极其严重，属于重要的建筑物；γ0=1.1二级，破坏后果比较严重，属于一般的建筑物；γ0=1.0三级，破坏后果相对不严重，属于比较次要的建筑物。γ0=0.9结构的设计基准期1.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；2.设计基准期是测算最大荷载重现期的基本期限；3.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；4.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；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。结构的功能要求结构的可靠性和可靠度的概念结构可靠性——结构的