2-建筑结构的设计标准和设计方法

第二章建筑结构的设计标准和设计方法苏州科技学院土木工程学院唐兴荣博士教授二O一二年元月主要内容第一节设计基准期和设计使用年限第二节结构的功能要求、作用和抗力第三节结构可靠度理论和极限状态设计法第四节结构构件设计的一般内容第一节设计基准期和设计使用年限一、设计使用年限(designworkinglife)设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预期目的使用的时期即房屋结构在正常设计、正常施工、正常使用和正常维护下所应达到的使用年限，如达不到这个年限则意味着在设计、施工、使用与维修的某一环节上出现了非正常情况，应查找原因GB50068—2001规定：结构设计使用年限分类类别设计使用年限（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二、设计基准期(designreferenceperiod)~为确定可变作用及时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数《建筑结构荷载规范》（GB50009-2011）所采用的设计基准期为50年设计基准期不等同于建筑结构的设计使用年限。但对于普通房屋和构筑物，设计使用年限和设计基准期均为50年。第二节结构的功能要求、作用和抗力一、结构的功能要求结构在规定的设计使用年限内应满足下列功能要求：在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用在正常使用时具有良好的工作性能在正常维护下具有足够的耐久性在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必要的整体稳定性项、项结构安全性的要求结构在规定的时间（设计使用年限）内，在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用），完成预定功能的能力结构的可靠性，包括结构的安全性、适用性和耐久性项结构适用性的要求项结构耐久性的要求二、作用1、“结构上的作用”的定义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（地震、基础沉降、温度变化、焊接等）的原因的总称action施加在结构上的集中或分布荷载直接作用(directaction)引起结构外加变形或约束变形的原因间接作用(indirectaction)2、“结构上的作用”的分类按随时间的变异分类永久作用在结构使用期间，其值不随时间而变化，或其变化值与平均值相比可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的作用permanentaction【例如】结构自重，土压力、预加力、基础沉降、焊接、水的浮力、混凝土收缩及徐变作用等可变作用在结构使用期间，其值随时间而变化，且其变化值与平均值相比不可以忽略不计的作用variableaction【例如】安装荷载、楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、温度作用等偶然作用在结构使用期间，不一定出现，但一旦出现，其量值很大且持续时间较短的作用accidentalaction【例如】地震作用（地震力和地震加速度等）、爆炸、船舶或漂流物的撞击作用、汽车撞击作用等按随空间位置的变异分类固定作用在结构空间位置上具有固定的分布fixedaction【例如】工业与民用建筑楼面上的固定设备荷载、结构构件自重等可动作用在结构空间位置上的一定范围内可以任意分布freeaction【例如】工业与民用建筑楼面上的人员荷载、吊车荷载等按结构的反应分类静态作用不使结构或结构构件产生加速度，或产生的加速度可以忽略不计staticaction【例如】结构自重、住宅与办公楼的楼面活荷载等动态作用使结构或结构构件产生不可忽略的加速度dynamicaction【例如】地震、吊车荷载、设备振动、作用于高耸结构上的风荷载等3、荷载分类按作用时间的长短和性质永久荷载(permanentload)在结构使用期间，其值不随时间而变化，或虽有变化，但变化不大，且其变化值与平均值相比可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。恒载(deadload)【例如】结构自重，土压力、预应力等可变荷载(variableload)在结构使用期间，其值随时间而变化，且其变化值与平均值相比不可以忽略不计的荷载。活载(liveload)【例如】楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等偶然荷载—accidentalload在结构使用期间不一定出现，但一旦出现，其值很大，作用时间则较短的荷载。【例如】爆炸力、撞击力等三、作用效应（effectofanaction）由作用引起的结构或结构构件的反应（如:内力、变形和裂缝等），称为作用效应由荷载引起的结构或结构构件的内力、变形，称为荷载效应ql81ql81M222lql21ql21V0qEI384l5EI384ql5f442l跨中弯矩支座剪力跨中挠度qCS作用效应作用效应系数荷载作用效应可根据材料力学或结构力学的方法计算作用效应=作用效应系数作用~随机变量作用效应系数~与结构或构件的支承情形、跨度、截面几何特性有关四、抗力1、“结构构件抗力”定义结构构件承受外加作用的各种能力ResistanceR2、结构抗力层次整体结构抗力结构构件抗力构件截面抗力截面各点的抗力3、影响结构构件抗力的因素材料性能f(materialproperty)—结构构件的各种物理力学性能--强度、弹性模量、泊松比等几何参数a(geometricalparameter)—宽度、有效高度、面积、面积矩、抵抗矩、惯性矩等；计算模式p(calculatingmodel)R=f(f,a,p,….)—“第二篇混凝土结构设计”中介绍一、结构的可靠度定义结构在规定的时间（设计使用年限）内，在规定的条件（正常设计、正常施工、正常使用）下，完成预定功能的的概率结构可靠性的概率度量结构可靠度是以正常设计、正常施工、正常使用为条件的，不考虑人为过失的影响。人为过失应通过其他措施予以避免。第三节结构可靠度理论和极限状态设计法（1）极限状态方程基本变量:作用效应S、结构抗力R随机变量结构的功能函数Z=g(R,S)=R-S极限状态方程Z=g(R,S)=R-S=0SRZ=R-S=0Z0可靠区Z0失效区0二、结构可靠度理论简介（2）结构可靠度的度量结构可靠度满足Z0具有相当大的概率或Z0具有相当小的概率结构完成预定功能的概率Ps=P(Z0)可靠概率结构不能完成预定功能的概率Pf=P(Z0)失效概率Ps+Pf=1→Pf=1-Ps采用失效概率Pf来度量结构的可靠度22xe21xf反弯点随机变量x概率密度f（x）O=1标准正态分布曲线N(0,1)反弯点随机变量x概率密度f（x）O正态分布曲线N(,)222xe21xfO概率密度f（Z）随机变量Z=2Z22ZZZe21Zf可靠概率、失效概率和可靠度指标fPfsP1P（3）结构可靠指标若RN(R,R)，SN(S,S)，且R、S相互独立Z=R-S~N(z,z)，z=R-S，2z=2R+2S失效概率dZedZZfZPPZZZZf22100210令ZZdXedxePXXf22122121121=z/zPfPs结构可靠指标22SRSRZZ↑Pf=1-()↓Ps+Pf=1可用结构可靠指标来度量结构的可靠性1（4）建筑结构的安全等级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一级、二级、三级建筑物中各类结构构件的安全等级，宜与整个结构的安全等级相同。对其中部分结构构件的安全等级可进行调整，但不得低于三级。安全等级破坏后果建筑物类型一级很严重重要的房屋二级严重一般的房屋三级不严重次要的房屋表2-4建筑结构的安全等级（GB50068)确定[]考虑的因素：①公众心理→=2.54.0对工程结构，在设计基准期内，Pf510-3结构较安全Pf510-4结构安全Pf510-5结构很安全②结构重要性结构的安全等级（一级、二级、三级）③结构破坏性质脆性结构的[]应高于延性结构的[]延性破坏结构构件在破坏前有明显的变形或其他预兆脆性破坏结构构件在破坏前无明显的变形或其他预兆④社会经济承受力最佳平衡点（5）结构设计可靠指标[]结构可靠——————经济GB50068-2001规定[]值现有结构构件的可靠度分析（采用“校准法”），并考虑使用经验和经济因素等确定。安全等级（一级、二级、三级）破坏类型（延性破坏、脆性破坏）破坏类型安全等级一级二级三级延性破坏3.73.22.7脆性破坏4.23.73.2表2-5结构构件承载力极限状态的可靠指标[]（GB50068）《建筑结构设计统一标准》（GB50068）以建筑结构安全等级为二级时延性破坏的[]值作为基准，其他情况下相应增减0.5可靠指标与失效概率运算值pf的关系2.73.23.74.2pf3.510-36.910-41.110-41.310--5三、极限状态、极限状态方程“极限状态(limitstate)”定义整个结构或结构的一部分超过某一特定状态(达到极限承载力；失稳；变形、裂缝宽度超过某一规定限制等)就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态结构的极限状态结构失效的临界状态“极限状态”分类承载能力极限状态正常使用极限状态承载能力极限状态结构或结构构件达到最大承载力或不适于继续承载的变形承载能力极限状态标志（1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（2）结构构件或连接因超过材料强度而破坏(包括疲劳破坏)，或因过度变形而不适于继续承载（3）结构转变为机动机构（4）结构或结构构件丧失稳定性(5)地基丧失承载力而破坏保证结构或构件的安全性正常使用极限状态结构或结构构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值正常使用极限状态标志（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破坏(包括裂缝)（3）影响正常使用的振动（4）影响正常使用的其它特定状态（例：渗漏、腐蚀、冻害等)保证结构或构件的适用性、耐久性结构的三种设计状态（根据结构在施工和使用中的环境条件和影响）1、持久状况—在结构使用过程中一定出现，其持续期很长(一般与设计使用年限为同一数量级)的状况。2、短暂状况—在结构施工和使用过程中出现概率较大，而与设计使用年限相比，持续期很短的状况。如施工和维修等。3、偶然状况—在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的状况，如火灾、爆炸、撞击等。建筑结构的三种设计状况应分别进行承载力极限状态设计1、对三种状况，均应进行承载力极限状态设计2、对持久状况，尚应进行正常使用极限状态设计3、对短暂状况，可根据需要进行正常使用极限状态设计四、规范设计表达式（一）承载能力设计表达式↓结构重要性系数0SR←结构构件抗力设计值↑作用效应组合设计值结构重要性系数0对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件，不应小于1.1，即0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，即01.0对安全等级为三级或设计使用年限为5年的结构构件，不应小于0.9，即00.9考虑不同投资主体对建筑结构可靠度的要求可能不同，允许01.1、1.0、0.9niQikCiQikQQGkGSSSS211niQikCiQiGkGSSS1结构抗力设计值RR=R（R，fk，ak，….）=Rk/R荷载效应组合设计值S（1）基本组合由可变荷载效应控制的组合由永久荷载效应控制的组合取最不利值注意①当对SQik无法明显判断时，轮次以各可变荷载效应为SQ1k，选其中最不利的荷载组合；②当考虑以竖向的永久荷载效应控制的组合时，参与组合的可变荷载仅