土木建筑荷载与结构设计方法

第1章绪论1.1一、结构上的作用结构上的作用是指施加在结构上的集中或分布力，以及引起结构外加变形或约束变形的原因。1、作用就其形式而言，可分为以下两类。(1)直接作用。当以力的形式作用于结构上时，称为直接作用，习惯上称为荷载。(2)间接作用。当以变形的形式作用于结构上时，称为间接作用。2、作用按时间不同可分为以下3类。(1)永久作用。在结构使用年限内，其值不随时间变化，或其变化的量值相对于平均值而言可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的作用。(2)可变作用。在结构使用年限内，其值随时间变化，且其变化的量值与平均值不可忽略不计的作用。结构上的作用及作用效应第1章绪论1.2(3)偶然作用。在结构使用年限内不一定出现，但一旦出现，其值很大且持续时间很短的作用。3、作用按空间位置不同可分为以下两类。(1)固定作用。在结构空间位置上具有固定不变的分布，但其量值可能具有随机性。(2)自由作用。在结构空间位置上一定范围内可以任意分布，出现的位置和量值都可能是随机的。4、作用按结构反应不同可分为以下两类。(1)静态作用。不使结构或结构构件产生加速或产生的加速度很小可以忽略不计的作用。(2)动态作用。使结构或结构构件产生不可忽略的加速度的作用。结构上的作用及作用效应第1章绪论1.3二、作用效应S由于直接作用或间接作用于结构构件上，在结构内产生的内力(如轴力、弯矩、剪力、扭矩等)和变形(如挠度、转角、裂缝等)，被称为“作用效应”，用S表示。当作用为直接作用(荷载)时，其效应也被称为“荷载效应”。荷载Q与荷载效应之间，一般近似按线性关系考虑：（1-1）常数C为荷载效应系数如简支梁受均布荷载，其跨中弯矩2M=ql/8其中即为荷载效应系数结构上的作用及作用效应S=CQ第1章绪论1.4一、容许应力设计法容许应力设计法是建立在弹性理论基础上的设计方法。其表达式为：（1-2）式中，－构件在使用阶段(使用荷载作用下)截面上的最大应力；－材料的容许应力。容许应力设计法计算简单，但其有许多问题：①没有考虑材料塑性性质。②没有对作用阶段给出明确的定义，也就是使用期间荷载的取值原则规定得不明确。③把影响结构可靠的各种因素(荷载的变异、施工的缺陷、计算公式的误差等)统统归结在反映材料性质的容许应力上，显然不够合理。④的取值无科学根据，纯属经验的，历史上曾多次提高过材料的容许应力值。⑤按容许应力法设计的构件是否安全可靠，无法用实验来验证。工程结构设计理论演变简况≤[][]我国的工程结构设计方法经历了容许应力设计法、破损阶段设计法、多系数极限状态设计法和概率极限状态设计法4个阶段。第1章绪论1.5工程结构设计理论演变简况二、破损阶段设计法1、针对容许应力设计法存在的缺陷，之后出现了假定材料均已达到塑性状态，依据截面所能抵抗的破损内力建立的计算公式。其设计表达式为：（1-3）式中，——构件最终破坏时的承载能力；——安全系数，用来考虑影响结构安全的所有因素。优点为：①它可以反映材料的塑性性质，结束了长期以来假定混凝土为弹性体的局面。②采用一个安全系数，使构件有了总的安全度的概念。③它以承载能力值(如)为依据，其计算值是否正确可由实验检验。MMKu≤/uMk第1章绪论1.6工程结构设计理论演变简况破损阶段理论仍存在一些重大缺点：①破损阶段计算，构件的承载力是得以保证，但却无法了解构件在正常使用时能否满足正常使用要求。②安全系数K的取值仍须经验确定，并无严格的科学依据。③采用笼统的单一安全系数，无法就不同荷载、不同材料结构件安全的影响加以区别对待，不能正确地度量结构的安全度。④荷载的取值仍然也是经验值；⑤表达式中采用的材料强度是平均值，它不能正确反映材料强度的变异程度，显然也是不够合理的。第1章绪论1.7工程结构设计理论演变简况三、多系数极限状态设计法由于破损阶段理论仍有许多缺点，进一步发展的极限状态理论便应运而生。极限状态的主要概念是明确结构或构件进入某种状态后就丧失其原有功能，这种状态被称为极限状态。当时曾提出了3种极限状态：承载力极限状态、挠度极限状态、裂缝开展宽度极限状态。其表达式分别为：M≤Mu(1-4)maxlimf≤f(1-5)maxlimW≤W(1-6)这样，它就克服了破损阶段理论无法了解构件在正常使用时能否满足正常使用要求的缺陷。第1章绪论1.8四、概率极限状态设计法概率极限状态设计法是以概率理论为基础，将作用效应和影响结构抗力的主要因素作为随机变量，根据统计分析确定可靠概率来度量结构可靠性的结构设计方法。国际上把处理可靠度的精确程度分为3个水准。(1)水准I——半概率方法。对荷载效应和结构抗力的基本变量部分地进行数理统计分析，并与工程经验结合引入某些经验系数，所以尚不能定量地估计结构的可靠性。(2)水准II——近似概率法。该法对结构可靠性赋予概率定义，以结构的失效概率或可靠指标来度量结构可靠性，并建立了结构可靠度与结构极限状态方程之间的数学关系，在计算可靠指标时考虑了基本变量的概率分布型，工程结构设计理论演变简况第1章绪论1.9工程结构设计理论演变简况并采用了线性化的近似手段，在设计截面时一般采用分项系数的实用设计表达式。目前我国的《工程结构可靠度设计统一标准》(GB50153—1992)、《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068—2001)都采用了这种近似概率法，在此基础上颁布了各种结构设计的规范。(3)水准III——全概率法。这是完全基于概率论的结构整体优化设计方法，要求对整个结构采用精确的概率分析，求得结构最优失效概率作为可靠度的直接度量，由于这种方法无论在基础数据的统计方面还是在可靠度计算方面都不成熟，目前尚处于研究探索阶段。第1章绪论1.10术语和概率极限状态的实用设计表达式一、术语（据GB50009-2001)第1章绪论1.11术语和概率极限状态的实用设计表达式第1章绪论1.12二、概率极限状态的实用设计表达式（按GB50009-2001)Ⅰ、承载能力极限状态设计表达式：结构构件的承载力计算，应采用如下承载力极限状态设计表达式：r0S≤R（1）R=R(γR，fk，ak，…)（2）式中，r0——结构重要系数；S——承载能力极限状态的荷载效应组合的设计值；R(•)——结构构件的抗力函数；R——结构构件的抗力设计值；γR——结构构件抗力的分项系数；fk——材料性能的标准值；ak——几何参数的标准值，当其变异性对结构性能有明显影响时，可另增减一个附加值。术语和概率极限状态的实用设计表达式第1章绪论1.13承载能力极限状态的荷载效应组合的设计值S的确定：1.基本组合对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从下列组合值中取最不利值确定。(1)由可变荷载效应控制的组合：(3)(2)由永久荷载效应控制的组合：(4)在具体应用时，对于一般排架、框架结构，基本组合可采用简化规则，并应按下列组合值中取最不利的值确定。(1)由可变荷载效应控制的组合：(5)(6)1112KKiiKnGGQQQcQiSSSS1KiiiKnGGQcQiSSS11KKGGQQSSS110.9KiKnGGQQiSSS术语和概率极限状态的实用设计表达式第1章绪论1.14(2)由永久荷载效应控制的组合仍按式(4)采用。式中，——永久荷载的分项系数，当其效应对结构不利时，对式(3)、式(5)和式(6)，取1.2；对式(4)取1.35；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；——第1个和第i个可变荷载的分项系数，当其效应对结构构件不利时，一般情况下取1.4，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；——永久荷载标准值的效应值；——第1个可变荷载标准值的效应，在基本组合中该效应大于其他任何第i个可变荷载标准值的效应；——第i个可变荷载标准值的效应；——第i个可变荷载的组合值系数：其值不应大于1.0，具体按《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)有关规定取用；n——参与组合的可变荷载数。G1,iQQKGS1KQSiKQSiC术语和概率极限状态的实用设计表达式第1章绪论1.152.偶然组合术语和概率极限状态的实用设计表达式第1章绪论1.16Ⅱ、正常使用极限状态设计表达式建筑结构可靠度设计统一标准GB50068—2001规定，对于正常使用极限状态，结构构件应根据不同的设计要求，分别采用荷载效应的标准组合、频遇组合和准永久组合或考虑荷载长期作用影响来进行设计，使变形、抗裂度和裂缝宽度等荷载效应的设计值Sd不超过相应的规定限值C，其表达式为：(9)式中，Sd——正常使用极限状态的荷载效应组合值；C——结构或结构构件达到正常使用要求(裂缝宽度、挠度)的规定限值。对于荷载效应标准组合(短期效应组合)的设计值Sd应按下式采用(10)对于荷载效应频遇组合的设计值Sd应按下式采用：(11)对于荷载效应准永久组合(长期效应组合)的设计值Sd应按下式采用：(12)dSC12KKiiKndGQcQiSSSS112KKiiKndGfQqQiSSSS1KiiKndGqQiSSS术语和概率极限状态的实用设计表达式第1章绪论1.17思考题1.工程结构设计的目的是什么？2.什么是施加于工程结构上的作用？荷载与作用的概念有什么不同？3.工程结构设计中，如何对结构上的作用进行分类？4.作用(荷载)有哪些类型？5.什么是概率极限状态设计法？为什么目前采用的方法称为近似概率设计法？