第10章混凝土结构设计的一般原则和方法PPT学习教案

1、会计学1第第10章混凝土结构设计的一般原则和方章混凝土结构设计的一般原则和方法法(1)按结构材料分：按结构材料分：砌体结构、砌体结构、混凝土结构、钢结构、组合结混凝土结构、钢结构、组合结构和混合结构等。构和混合结构等。（2）按竖向结构体系分：）按竖向结构体系分：排排架结构、框架结构、剪力墙结架结构、框架结构、剪力墙结构、框架构、框架剪力墙结构和筒体剪力墙结构和筒体结构等。结构等。第1页/共60页2.建筑结构设计的三个阶段建筑结构设计的三个阶段(1)初步设计（方案设计）：初步设计（方案设计）：(2)技术设计：技术设计：(3)施工图设计：施工图设计：第2页/共60页混凝土结构设计规范混凝土结构设计

2、规范（GB500102010），中国建筑工业出版社。），中国建筑工业出版社。建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范（GB50009-2012），中国建筑工业出版社。），中国建筑工业出版社。砌体设计规范砌体设计规范（GB5000320011），中国建筑工业出版社。），中国建筑工业出版社。建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范（GB50011-2010），中国建筑工业出版社。），中国建筑工业出版社。高层建筑混凝土结构技术规程高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2010), 中国建筑工业出版社。中国建筑工业出版社。建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范(GB50007-2011), 中国建筑工业出版社。中国

3、建筑工业出版社。第3页/共60页例如，地震对结构物的作用，不例如，地震对结构物的作用，不仅与地震加速度有关，还与结构仅与地震加速度有关，还与结构自身的动力特性有关，所以不能自身的动力特性有关，所以不能把地震作用称为把地震作用称为“地震荷载地震荷载”。2.作用效应作用效应S结构上的作用使结构产生的内结构上的作用使结构产生的内力力（如弯矩、剪力、轴向力、扭如弯矩、剪力、轴向力、扭矩等）、变形、裂缝等统称为作矩等）、变形、裂缝等统称为作用效应或荷载效应。荷载与荷载用效应或荷载效应。荷载与荷载效应之间通常按某种关系相联系。效应之间通常按某种关系相联系。第4页/共60页2)可变荷载可变荷载 在结构设计使

4、用在结构设计使用期内其值随时间而变化，其变期内其值随时间而变化，其变化与平均值相比不可忽略的荷化与平均值相比不可忽略的荷载。例如，楼面活荷载、吊车载。例如，楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等，可荷载、风荷载、雪荷载等，可变荷载又称活荷载。变荷载又称活荷载。3)偶然荷载偶然荷载 在结构设计使用在结构设计使用期内不一定出现，一旦出现，期内不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷其值很大且持续时间很短的荷载。例如，爆炸力、撞击力等。载。例如，爆炸力、撞击力等。第5页/共60页荷载、雪荷载等荷载、雪荷载等2)动力荷载动力荷载 设备振动、吊车荷设备振动、吊车荷载、风荷载、车辆刹车、撞击力载、

5、风荷载、车辆刹车、撞击力和爆炸力等和爆炸力等建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范“设计基设计基准期准期”的规定的规定“设计基准期设计基准期”、“设计使用年设计使用年限限”、“建筑寿命建筑寿命”概念的区别概念的区别第6页/共60页寸和材料的重力密度确定；寸和材料的重力密度确定；可变荷载标准值由设计使用可变荷载标准值由设计使用年限内最大荷载概率分布的年限内最大荷载概率分布的某个分位值确定。某个分位值确定。10.2.3 10.2.3 荷载代表值荷载代表值建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范给出了四种荷载代表值：给出了四种荷载代表值： 标准值、组合值、频遇值和准永久值。标准值、组合值、频遇值和准永久值。第7页

6、/共60页第8页/共60页第9页/共60页10.2.4 10.2.4 竖向荷载竖向荷载1.楼、屋面的荷载：楼、屋面的荷载：竖向恒荷载和竖向活荷载两种类型竖向恒荷载和竖向活荷载两种类型（1）民用建筑楼面均布活荷载（表）民用建筑楼面均布活荷载（表10-1）（2）工业建筑楼面活荷载）工业建筑楼面活荷载（3）屋面活荷载（表）屋面活荷载（表10-2）2.雪荷载：雪荷载： 基本雪压基本雪压的规定：是以一般空旷平坦地面上统计的的规定：是以一般空旷平坦地面上统计的5050年一遇重现期的最大积雪自重给出的。年一遇重现期的最大积雪自重给出的。 组合值系数组合值系数0.70.7，频遇值系数，频遇值系数0.60.6，

7、准永久值系数按，准永久值系数按、分区的不同，分别取分区的不同，分别取0.50.5、0.20.2和和0 0。 第10页/共60页10.2.5 10.2.5 风荷载风荷载1.风荷载的特点：风荷载的特点：压力、吸力和横风向干扰力及其合力压力、吸力和横风向干扰力及其合力构成了建筑物上的风荷载。构成了建筑物上的风荷载。2.风荷载的标准值：风荷载的标准值：zS z 基本风压基本风压的规定：以当地空旷地面上的规定：以当地空旷地面上10m10m高处高处10min10min的平均风速观测数据，经概率统计得到的的平均风速观测数据，经概率统计得到的5050年一遇的最大风速计算得到。组合值系数年一遇的最大风速计算得到

8、。组合值系数0.60.6，频遇值系数，频遇值系数0.40.4，准永久值系数，准永久值系数0 0。基本风压不小于。基本风压不小于0.3KN/m0.3KN/m2 23.3.风压高度变化系数风压高度变化系数4.4.风荷载体型系数风荷载体型系数5.5.风振系数风振系数例题例题12-212-2 第11页/共60页般的建筑物；般的建筑物；三级三级破坏后果不严重、破坏后果不严重、次要建筑物。次要建筑物。对人员比较集中使用频繁的对人员比较集中使用频繁的影剧院、体育馆等，安全等级影剧院、体育馆等，安全等级宜按一级设计；建筑物中梁、宜按一级设计；建筑物中梁、柱等各类构件的安全等级一般柱等各类构件的安全等级一般应与

9、整个建筑物的安全等级相应与整个建筑物的安全等级相同。同。结构的安全等级是用结构重结构的安全等级是用结构重要性系数来体现。要性系数来体现。 10.3 10.3 结构的功能要求和极限状态结构的功能要求和极限状态第12页/共60页用年限更长。用年限更长。注意：注意：结构的设计使用年限虽结构的设计使用年限虽与其使用寿命有联系，但不等与其使用寿命有联系，但不等同。超过设计使用年限的结构同。超过设计使用年限的结构并不是不能使用，而是指它的并不是不能使用，而是指它的可靠度降低了。可靠度降低了。各类建筑结构的设计使用年限各类建筑结构的设计使用年限见表见表10-7。第13页/共60页现的各种荷载和变形，在偶然现

10、的各种荷载和变形，在偶然事件（如地震、爆炸等）发生事件（如地震、爆炸等）发生时和发生后保持必需的整体稳时和发生后保持必需的整体稳定性，不致发生倒塌。定性，不致发生倒塌。第14页/共60页好使用到设计规定的年限，即好使用到设计规定的年限，即设计使用年限。例如，混凝土设计使用年限。例如，混凝土不发生严重风化、腐蚀、脱落，不发生严重风化、腐蚀、脱落，钢筋不发生锈蚀等。钢筋不发生锈蚀等。第15页/共60页有效状态和失效状态的分界，有效状态和失效状态的分界，称为极限状态，是结构开始失称为极限状态，是结构开始失效的标志。极限状态可分为二效的标志。极限状态可分为二类。类。1.承载能力极限状态承载能力极限状态

11、结构或构件达到结构或构件达到最大承载能力最大承载能力或者或者达到不适于继续承载的变达到不适于继续承载的变形状态形状态，称为承载能力极限状，称为承载能力极限状态。超过承载能力极限状态后，态。超过承载能力极限状态后，结构或构件就不能满足安全性结构或构件就不能满足安全性的要求。的要求。第16页/共60页(4)结构或构件丧失稳定；结构或构件丧失稳定；(5)结构转变为机动体系。结构转变为机动体系。第17页/共60页响正常使用的过大变形、过宽响正常使用的过大变形、过宽裂缝、局部损坏和振动。裂缝、局部损坏和振动。结构或构件按承载能力极结构或构件按承载能力极限状态进行计算后，还应该按限状态进行计算后，还应该按

12、正常使用极限状态进行验算。正常使用极限状态进行验算。第18页/共60页式中式中 S 表示荷载效应，它表示荷载效应，它代表由各种荷载分别产生的荷代表由各种荷载分别产生的荷载效应的总和；载效应的总和；R 表示结构构件抗表示结构构件抗力。力。2. 结构状态结构状态根据根据S、R的取值不同，的取值不同，Z值可能出现三种情况（图值可能出现三种情况（图3-1）：）：第19页/共60页图图3-1 极限状态方程取值示意图极限状态方程取值示意图 Z = R-S 0 时时, 结构处于可靠状态结构处于可靠状态； Z = R-S 0 时时, 结构处于极限状态结构处于极限状态； Z = R-S 0 时时, 结构处于失效

13、状态结构处于失效状态。第20页/共60页（3-2）式中，式中，g()是函数记号，在这是函数记号，在这里称为功能函数。里称为功能函数。g()由所研究的结构功能而定，可由所研究的结构功能而定，可以是承载能力，也可以以是承载能力，也可以 是变是变形或裂缝宽度等。形或裂缝宽度等。 x1，x2，xn为影响该结构为影响该结构 功能的各种功能的各种荷载效应以及材料强度、构件荷载效应以及材料强度、构件的几何尺寸等。的几何尺寸等。第21页/共60页条件，不包括条件，不包括非正常的，例如非正常的，例如人为的错误等）。人为的错误等）。结构的可靠度结构的可靠度是结构可靠是结构可靠性的概率度量，即结构在设计性的概率度量

14、，即结构在设计工作寿命内，在正常工作寿命内，在正常条件下，条件下，完成预定功能的概率。因此，完成预定功能的概率。因此，结构的可靠度是用可靠概率结构的可靠度是用可靠概率Ps来来描述的。描述的。第22页/共60页R，都是服从正态分布的随机变，都是服从正态分布的随机变量且二者为线性关系。量且二者为线性关系。S、R的的平均值分别为平均值分别为S、R，标准差，标准差分别为分别为S、R， S和和R的概率密的概率密度曲线如图度曲线如图3一一2所示。所示。第23页/共60页图图3-2 R、S的概率密度分布曲线的概率密度分布曲线第24页/共60页构件的抗力构件的抗力R小于荷载效应小于荷载效应S的的情况。重叠区的

15、大小与情况。重叠区的大小与S、R以及以及S、R有关。所以，有关。所以，加大加大平均值之差平均值之差R-S，减小标准差，减小标准差S和和R可以使重叠的范围减小，可以使重叠的范围减小，失效概率降低。失效概率降低。第25页/共60页图图3-3 可靠指标与失效概率关系示意图可靠指标与失效概率关系示意图第26页/共60页则则22/ )(/SRSRzzzz.第27页/共60页第28页/共60页靠指标可定得稍低些。脆性破靠指标可定得稍低些。脆性破坏常常是突发性破坏，破坏前坏常常是突发性破坏，破坏前没有明显的预兆，所以目标可没有明显的预兆，所以目标可靠指标就应该定得高一些。靠指标就应该定得高一些。用可靠指标用

16、可靠指标进行结构设计进行结构设计和可靠度校核，可以较全面地和可靠度校核，可以较全面地考虑可靠度影响因素的客观变考虑可靠度影响因素的客观变异性，使结构满足预期的可靠异性，使结构满足预期的可靠度要求。度要求。 第29页/共60页 第30页/共60页(1)抗力分项系数抗力分项系数 R (2)永久荷载分项系数永久荷载分项系数 G (3)可变荷载分项系数可变荷载分项系数 QQQGGRR第31页/共60页第32页/共60页抗力抗力标准值标准值设计值设计值组合值组合值设计值设计值设计值设计值标准值标准值式中式中 0结构构件的重要结构构件的重要性系数。性系数。第33页/共60页出现的可能性较小，引入荷载出现的

17、可能性较小，引入荷载组合值系数对其标准值折减。组合值系数对其标准值折减。按承载能力极限状态设计时，按承载能力极限状态设计时，应考虑作用效应的基本组合，应考虑作用效应的基本组合，必要时尚应考虑作用效应的偶必要时尚应考虑作用效应的偶然组合。然组合。第34页/共60页.),(.211100kcsQikLjciniQiKQLQiKGGiffRSSSS）（第35页/共60页.),(.100kcsniQiKciQiLiKGGiffRSSS）（第36页/共60页中，不考虑结构构件的重要性系中，不考虑结构构件的重要性系数；数；G永久荷载的分项系数永久荷载的分项系数 ，当永久荷载效应对结构不利时，当永久荷载效应

18、对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合对由可变荷载效应控制的组合G = 1.2； 由永久荷载效应控制的组由永久荷载效应控制的组合合G = 1.35。当永久荷载效应对。当永久荷载效应对结构有利时，结构有利时， 取取G 1.0；第37页/共60页值值 （fck、fsk）、分项系数（）、分项系数（c、s）、几何尺寸标准值（）、几何尺寸标准值（ak）以）以及其他参数的函数。及其他参数的函数。第38页/共60页对由对由永久荷载效应控制的组合永久荷载效应控制的组合，其承载力极限状态设计表达式其承载力极限状态设计表达式仍为前面公式。仍为前面公式。KQQKGGSSS11niQiKQiKGGSSS1.9 .

19、0第39页/共60页对可靠度的要求。对可靠度的要求。计算时取荷计算时取荷载标准值，载标准值，不需乘分项系数，不需乘分项系数，也也不考虑结构重要性系数不考虑结构重要性系数0。1. 正常使用极限状态设计正常使用极限状态设计简单表达式简单表达式S C第40页/共60页准准采用一个小于采用一个小于1的准永久值的准永久值系数和频遇值系数来考虑这种系数和频遇值系数来考虑这种折减。折减。(1)准永久值系数，准永久值系数， 是根据在是根据在设计基准期内荷载达到和超过设计基准期内荷载达到和超过该值的总持续时间与设计基准该值的总持续时间与设计基准期内总持续时间的比值而确定。期内总持续时间的比值而确定。(2)频遇值

20、系数，频遇值系数，是根据在设计是根据在设计基准期间可变荷载超越的总时基准期间可变荷载超越的总时间或超越的次数来确定的。间或超越的次数来确定的。第41页/共60页遇值。遇值。其中其中标准值称为基本代标准值称为基本代表值表值，其他代表值可由基本代，其他代表值可由基本代表值乘以相应的系数得到。各表值乘以相应的系数得到。各类可变荷载和相应的组合值系类可变荷载和相应的组合值系数、准永久值系数、频遇值系数、准永久值系数、频遇值系数可在荷载规范中查到。数可在荷载规范中查到。第42页/共60页(1)荷载的标准组合荷载的标准组合标准组合主要用于当一个极限标准组合主要用于当一个极限状态被超越时将产生严重的永久状态

21、被超越时将产生严重的永久性损害的情况。按荷载的标准组性损害的情况。按荷载的标准组合时，荷载效应组合的设计值合时，荷载效应组合的设计值 S 应按下式计算：应按下式计算：n2iQikciQ1kkGSSSS第43页/共60页按荷载的准永久组合时，荷载效按荷载的准永久组合时，荷载效应组合的设计值应组合的设计值 S应按应按下式计算：下式计算：niQiKqiKQfKGSSSS211Qikn1iqikGSSS第44页/共60页300N/mm2限值大体能满足保证率为限值大体能满足保证率为97.73，即平均值减去二倍的标准，即平均值减去二倍的标准差。这一保证率已高于差。这一保证率已高于建筑建筑结构设计统一标准结

22、构设计统一标准规定的保规定的保证率证率95的要求，因而的要求，因而混凝混凝土结构设计规范土结构设计规范中取国家冶中取国家冶金局标准规定的废品限值作为金局标准规定的废品限值作为钢筋强度的标准值。钢筋强度的标准值。第45页/共60页图图3-5 钢筋屈服强度频率分布图钢筋屈服强度频率分布图第46页/共60页N /mm2）；）；fcu混凝土立方体抗压强度混凝土立方体抗压强度的平均值（的平均值（N /mm2）；）；混凝土立方体抗压强度的混凝土立方体抗压强度的标准差。标准差。f第47页/共60页f图图3-6 混凝土立方体强度的统计资料混凝土立方体强度的统计资料第48页/共60页材料的强度设计值材料的强度设计值 = 材料强度标材料强度标准值准值 / 材料的分项系数。材料的分项系数。混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范中同中同时给出了钢筋和混凝土强度的标时给出了钢筋和混凝土强度的标准值和设计值。准值和设计值。第49页/共60页第50页/共60页第51页/共60页第52页/共60页第53页/共60页第54页/共60页用荷载设计值进行计算。用荷载设计值进行计算。荷载设计值荷载的标准