建筑结构的设计标准和设计修实用教案

1、第二节 结构的功能(gngnng)要求、作用和抗力第1页/共60页第一页，共61页。第2页/共60页第二页，共61页。 以上三个方面的功能总称为建筑结构的可靠性。 结构的可靠性用可靠度来进行定量描述，即结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率，称为结构的可靠度，结构的可靠度是衡量结构可靠性的重要指标。结构可靠性越高，建设造价投资越大。如何在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计方法要解决(jiju)(jiju)的问题。第3页/共60页第三页，共61页。中荷载和分布荷载，即永久荷载和可变荷载等。4. 间接作用：指引起(ynq)结构外加变形和约束变形的其他作用，如地震作用、基础沉降、混

2、凝土收缩、温度变化、焊接变形等。第4页/共60页第四页，共61页。（二）作用效应、荷载(hzi)效应1、作用效应：指荷载(hzi)、地震、温度、不均匀沉降等因素作用于结构构件上，在结构内所产生的内力和变形（如轴力、弯矩、剪力、扭矩、挠度、转角和裂缝等），当“作用”为“荷载(hzi)”时，其效应也可称荷载(hzi)效应。2、荷载(hzi)效应：由于荷载(hzi)的作用引起的结构或构件的反应。 S = C.Q (荷载(hzi)和荷载(hzi)效应成线性关系） 式中，常数C为荷载(hzi)效应系数。由于结构上的作用是不确定的随机变量，所以作用效应一般说来也是一个随机变量。第5页/共60页第五页，共6

3、1页。（三）荷载的分类1、按荷载随时间的变异性分类：永久(yngji)作用、可变作用和偶然作用。2、按荷载作用的空间位置的变异性分类：固定作用和自由作用。3、按结构的反应特点分类：静态作用和自由作用。第6页/共60页第六页，共61页。第7页/共60页第七页，共61页。第三节第三节 结构的可靠度理论结构的可靠度理论和极限状态和极限状态(zhungti)(zhungti)设计方法设计方法一、结构的可靠性和可靠度（一） 结构的可靠性定义：能力(nngl)（二） 结构的可靠度定义：概率第8页/共60页第八页，共61页。二、可靠度理论（一） 随机变量的分析(fnx)和处理1、随机事件定义：一个事件可能有

4、多种结果，事先不能肯定哪一种结果一定发生，但事后有唯一结果。（如各种可变荷载）第9页/共60页第九页，共61页。nxnii1的个数。ixn第10页/共60页第十页，共61页。(2)标准差 (3)变异系数 1)(12nxnii第11页/共60页第十一页，共61页。3、正态分布曲线 结构的作用、作用效应和抗力的实际分布情况是很复杂的，但统计分析表明，它们有的服从正态分布，有的通过数学变换可以化为当量正态分布。正态分布曲线是数理统计(sh l tn j)中最常用的曲线第12页/共60页第十二页，共61页。222)(21)(xexfx)(xf第13页/共60页第十三页，共61页。x)(fx)(xf第1

5、4页/共60页第十四页，共61页。kf第15页/共60页第十五页，共61页。第16页/共60页第十六页，共61页。第17页/共60页第十七页，共61页。 结构能够结构能够(nnggu)(nnggu)完成预定功能（完成预定功能（RSRS）的概率即为的概率即为“可靠概率可靠概率”。不能完成功能。不能完成功能(RS)(RS)的概率即为的概率即为“失效概率失效概率”。显然二者是互补的。显然二者是互补的。即即 1fsPP第18页/共60页第十八页，共61页。RSSR22SRzSRz第19页/共60页第十九页，共61页。 Z0 Z0 部分的面积就部分的面积就 是失效概率是失效概率PfPf， 即即 Pf=P

6、(Z0) Pf=P(Z0)。 结构的失效概率结构的失效概率PfPf 与功能函数与功能函数Z Z的平均的平均 值值 至原点的距离至原点的距离 有关，令有关，令 。 由图可见由图可见 与与PfPf之间之间 存在着相应的关系，存在着相应的关系， 小小PfPf则大），则大）， 值大则值大则PfPf小。小。因此因此 和和PfPf一样，可作为衡量一样，可作为衡量(hng ling)(hng ling)结构结构可靠性的一个指标，故称可靠性的一个指标，故称 为结构的为结构的“可靠指标可靠指标” 可靠指标与结构失效概率之间有一定的对应关系。可靠指标与结构失效概率之间有一定的对应关系。 f(Z)zzPfZ = R

7、 - Szzz第20页/共60页第二十页，共61页。 表fP第21页/共60页第二十一页，共61页。（三）荷载和材料强度的取值1、永久荷载的标准值2、可变荷载（1）标准值：具有一定概率的最大荷载值。确定方法：荷载标准值为其平均值加上 1.645倍标准差，此时所对应(duyng)的出现概率为95%。（2）组合值：标准值乘以组合值系数c。（3）频遇值：在设计基准期内荷载达到或超过该值的总时间与设计基准期的比值小于0.1的荷载代表值。（4）准永久值：在设计基准期内荷载达到或超过该值的总时间与设计基准期的比值为0.5的荷载代表值。第22页/共60页第二十二页，共61页。3、荷载的代表值（1）永久(yn

8、gji)荷载：标准值（2）可变荷载：标准值，组合值，频遇值，准永久(yngji)值4、材料强度的标准值：材料强度标准值等于其均值减去1.645倍标准差；由概率论知，保证率为95%；(钢筋与砼不同） 第23页/共60页第二十三页，共61页。（四） 按可靠(kko)指标的设计准则1、可靠(kko)指标：2、按可靠(kko)指标的设计准则（1）定义：建筑结构设计时，根据建筑物的安全等级，按规定的可靠(kko)指标进行设计的设计准则，称为按可靠(kko)指标的设计准则。（2）结构的安全等级及相应的可靠(kko)指标、结构的重要性系数 o第24页/共60页第二十四页，共61页。三、概率极限状态设计法（一

9、）极限状态的定义和分类(fn li) 1、极限状态定义 2、极限状态的分类(fn li)（1）承载能力极限状态（2）正常使用极限状态第25页/共60页第二十五页，共61页。1.1.结构的极限状态结构的极限状态 结构在使用期间的工作情况称为结构在使用期间的工作情况称为(chn wi)(chn wi)结构的结构的“工作状态工作状态”，结，结构能够满足功能要求而良好地工作称为构能够满足功能要求而良好地工作称为(chn wi)(chn wi)结构结构“可靠可靠”或或“有效有效”，反之则结构反之则结构“不可靠不可靠”或或“失效失效”，区，区分结构工作状态的可结与失效的标志是分结构工作状态的可结与失效的标

10、志是“极限状态极限状态”。极限状态：极限状态： 若整个结构或结构的一部分超过若整个结构或结构的一部分超过某一特定状态，就不能满足设计的某一某一特定状态，就不能满足设计的某一功 能 要 求 ， 则 此 特 定 的 状 态 就 称 为功 能 要 求 ， 则 此 特 定 的 状 态 就 称 为(chn wi)(chn wi)该功能的极限状态。极限该功能的极限状态。极限状态是结构失效与可靠之间的临界状态。状态是结构失效与可靠之间的临界状态。第26页/共60页第二十六页，共61页。(1)(1)承载能力极限状态承载能力极限状态 这类极限状态对应于结构或结构构件（包括连接）达到最大承载力或达到不能承这类极限

11、状态对应于结构或结构构件（包括连接）达到最大承载力或达到不能承载的过大变形。当结构或结构构件出现下列情况之一时，即认为超过了承载能力极限载的过大变形。当结构或结构构件出现下列情况之一时，即认为超过了承载能力极限状态：状态： 1 1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去了平衡。）整个结构或结构的一部分作为刚体失去了平衡。 2 2）结构构件或其连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），或因过度）结构构件或其连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），或因过度(gud)(gud)的塑性变形而不能继续承载。的塑性变形而不能继续承载。 3 3）结构或构件某些截面发生塑性转动，从而使结构变为机动体系。）结构或

12、构件某些截面发生塑性转动，从而使结构变为机动体系。 4 4）结构或构件丧失稳定。如细长压杆达到稳定临界荷载后压屈失稳破坏。）结构或构件丧失稳定。如细长压杆达到稳定临界荷载后压屈失稳破坏。第27页/共60页第二十七页，共61页。第28页/共60页第二十八页，共61页。(2)(2)正常使用极限状态正常使用极限状态 这类极限状态对于结构或构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值。当结构或结构这类极限状态对于结构或构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值。当结构或结构构件出现下列构件出现下列状态之一时，即认为超过状态之一时，即认为超过(chogu)(chogu)了正常使用极限状态。了正常使用极限状态。 1

13、 1）影响正常使用或有碍观瞻的变形。）影响正常使用或有碍观瞻的变形。 2 2）影响正常使用或耐久性能的局部破坏。）影响正常使用或耐久性能的局部破坏。 3 3）影响正常使用的振动。）影响正常使用的振动。 4 4）影响正常使用的其它特定状态。）影响正常使用的其它特定状态。第29页/共60页第二十九页，共61页。上述两类极限状态中：上述两类极限状态中：承载能力极限状态承载能力极限状态结构的安全性功能结构的安全性功能正常使用极限状态正常使用极限状态结构的适用性功能和耐久性功能结构的适用性功能和耐久性功能 根据上述两类极限状态设计的要求，对于一般结构或构件根据上述两类极限状态设计的要求，对于一般结构或构

14、件(gujin)(gujin)，均应进行，均应进行承载力计算、稳定计算和刚度计算。至于是否还要进行疲劳、倾覆或滑移计算，以及抗承载力计算、稳定计算和刚度计算。至于是否还要进行疲劳、倾覆或滑移计算，以及抗裂度及裂缝宽度验算，则需根据不同的结构，不同的受力特点，不同的使用要求等具体裂度及裂缝宽度验算，则需根据不同的结构，不同的受力特点，不同的使用要求等具体情况而定。情况而定。 第30页/共60页第三十页，共61页。第31页/共60页第三十一页，共61页。1分项系数设计法（1）分项系数 研究表明，目标可靠(kko)度指标 可以通过三个分项系数来表达，这三个分项系数是：结构重要性系数，材料分项系数，荷

15、载分项系数。第32页/共60页第三十二页，共61页。1） 结构重要性系数(xsh) 考虑建筑物破坏后果（危机人的生命、造成经济损失、产生社会影响等）的严重性，在计算结构件截面承载力时引入与建筑物安全等级有关的分项系数(xsh)；即结构重要性系数(xsh)，其取值见下表： 表1.3 结构重要性系数(xsh)第33页/共60页第三十三页，共61页。2）材料分项系数 材料强度的标准值 材料的强度检验指标就是材料强度的标准值，用 表示，强度标准值是材料强度的主要依据，也是生产中对材料强度提出质量(zhling)要求的主要依据。主要用于正常使用极限状态验算。各种材料强度标准值详见附录。 材料分项系数 材

16、料分项系数等于材料强度的标准值与材料强度的设计值之比值，其值大于1。亦即材料强度的设计值等于它的标准值除以材料分项系数，而材料分项系数是大于1的。故材料强度的设计值小于它的标准值。第34页/共60页第三十四页，共61页。混凝土的强度设计(shj)值 钢筋的强度设计(shj)值 砌体的强度设计(shj)值 式中： 混凝土的材料分项系数 ，取为1.4； 钢筋的材料分项系数，其取值与钢筋的种类和级别有关，例如热轧级钢筋，1.15；热轧级钢筋，1.1； 砌体结构的材料性能分项系数，一般情况下，宜 按施工控制等级为B级考虑，取1.6；当为C级时，取1.8；ssksffcckcfffkffcsf第35页/

17、共60页第三十五页，共61页。 3）荷载分项系数 荷载是指结构上的直接作用。荷载的基本分类是按荷载随时间的变异(biny)情况来进行的，有恒荷载、活荷载和偶然荷载三类。 恒荷载，也称永久荷载，用符号G表示；在结构使用期间，其值不随时间变化，或其变化与平均值比可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限制的荷载。例如结构自重、土压力、预应力等 活荷载，也称可变荷载，用符号Q来表示；在结构使用期间，其值随时间变化，且变化与平均值相比不可以忽略不计的荷载。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,在结构使用期间不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载。例如爆

18、炸力、撞击力等。第36页/共60页第三十六页，共61页。 荷载的代表值 荷载的主要代表值有标准值、组合值、频遇值和准永久值。 建筑结构设计(shj)时，对不同荷载采用不同的代表值。 恒荷载标准值； 活荷载根据设计(shj)要求标准值、组合值、频遇值或准永久值； 偶然荷载按建筑结构使用特点确定。第37页/共60页第三十七页，共61页。 荷载标准值加下角码K表示， 、 。是荷载的基本代表值；正常使用极限状态验算结构(jigu)构件短期的变形以及抗裂或裂缝宽度时，都采用荷载的标准值；恒荷载的标准值：对结构(jigu)自重，可按结构(jigu)构件的设计尺寸与材料单位体积的自重计算确定。对于自重变异较

19、大的材料和构件（如现场制作的保温材料、混凝土薄壁构件等），自重的标准值应根据对结构(jigu)的不利状态，取上限值或下限值。常用材料和构件可参考附录。活荷载的标准值：其中楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷的标准值见附录采用。KGKQ第38页/共60页第三十八页，共61页。 风荷载作用于建筑物的外表面，对建筑物的表面形成(xngchng)压力或吸力。风荷载的大小与房屋高度、房屋体型及周围环境等因素有关。作用在房屋上的风荷载标准值按下式计算： 0zszk第39页/共60页第三十九页，共61页。式中：式中： 风荷载标准值，风荷载标准值，kN/kN/； Z Z高度处的风振系数。它是考虑脉动风压对结构产生不

20、利影响的系数。按荷载规范规定取值；高度处的风振系数。它是考虑脉动风压对结构产生不利影响的系数。按荷载规范规定取值； 风载体型系数。它与建筑物的体型、尺寸等几何性质有关，按荷载规范规定的图表确定；风载体型系数。它与建筑物的体型、尺寸等几何性质有关，按荷载规范规定的图表确定； 风压高度变化系数。它与建筑物的高度及建筑场地的地面粗糙程度有关，按荷载规范规定风压高度变化系数。它与建筑物的高度及建筑场地的地面粗糙程度有关，按荷载规范规定表格表格(biog)(biog)确定；确定； 基本风压，基本风压，kN/kN/。按建筑结构荷载规。按建筑结构荷载规范给出的范给出的5050年一遇的风压采用，但不得小于年一

21、遇的风压采用，但不得小于0.3 kN/0.3 kN/。kZSZ0第40页/共60页第四十页，共61页。 雪荷载作用在屋面上，屋面水平投影面上的雪荷载标准值按下式计算：雪荷载作用在屋面上，屋面水平投影面上的雪荷载标准值按下式计算：式中式中 雪荷载标准值，雪荷载标准值，kN/kN/； 屋面积雪分布系数。它与屋面类别有关，按荷载规范规定图表确定；屋面积雪分布系数。它与屋面类别有关，按荷载规范规定图表确定； 基本基本(jbn)(jbn)雪压，雪压，kN/kN/。基本。基本(jbn)(jbn)雪压应按建筑结构荷载规范中给雪压应按建筑结构荷载规范中给出的出的5050年一遇的雪压采用。年一遇的雪压采用。0s

22、Srkksr0s第41页/共60页第四十一页，共61页。 荷载组合值这是对活荷载而言的，当作用(zuyng)在结构上的活荷载不只一个而是两个或两个以上时，各个活荷载都同时达到各自的标准值，其可能性是不大的，因此一般情况下可以减小一些。为了方便，采用荷载组合值系数 乘以活荷载的标准值来表达活荷载的组合值 。 1。荷载组合值 主要用于承载能力极限状态的基本组合中，也用于正常使用极限状态的短期效应组合中。kccQQkccQQkccQQkccQQkccQQ第42页/共60页第四十二页，共61页。 荷载准永久值对活荷载中出现的频率(pnl)比较大，持续时间比较长的那部分活荷载要考虑其荷载长期效应的影响。

23、为了方便，采用准永久值系数 乘以活荷载的标准值来表达上述的那一部分活荷载，称为荷载的准永久值 。 1。各种活荷载的准永久值系数取值详见附录。荷载准永久值 主要用于正常使用极限状态的长期效应组合。kqqQQkqqQQkqqQQkqqQQkqqQQ第43页/共60页第四十三页，共61页。 荷载分项系数荷载分项系数等于荷载的设计(shj)值与荷载的标准值的比值，一般情况下大于1。即荷载的设计(shj)值等于荷载分项系数乘以荷载的标准值，荷载分项系数一般大于1，故一般情况下，荷载的设计(shj)值大于它的标准值。在按第一类极限状态，即承载能力极限状态验算结构构件时，都采用荷载的设计(shj)值。恒荷载

24、的设计(shj)值 活荷载的设计(shj)值KGGGKQQQ第44页/共60页第四十四页，共61页。a恒荷载的分项系数的取值：当其效应对结构(jigu)不利时 对由可变荷载效应控制的组合： =1.2； 对由永久荷载效应控制的组合： =1.35；当其效应对结构(jigu)有利时 =1.0；验算倾覆和滑移时 =0.9。GGGG第45页/共60页第四十五页，共61页。b活荷载的分项 系数的取值一般(ybn)情况下 =1.4楼面活荷载标准值4 时， =1.3。QQQ2/ mKN第46页/共60页第四十六页，共61页。（2）实用设计(shj)表达式1) 承载能力极限状态设计(shj)表达式 式中： 重要

25、性系数： S 荷载效应组合的设计(shj)值； R结构构件抗力的设计(shj)值。RS 00第47页/共60页第四十七页，共61页。对于基本组合，荷载(hzi)效应组合的设计值应从下列组合值中取最不利值确定： 可变荷载(hzi)效应控制的组合 永久荷载(hzi)效应控制的组合 QikciniQiKQQGKGSSSS211QikciniQiGKGSSS1第48页/共60页第四十八页，共61页。对于(duy)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值确定 可变荷载效应控制的组合 永久荷载效应控制的组合 KQQGKGSSS11QikniQiGKGSSS19 . 0Qik

26、ciniQiGKGSSS1第49页/共60页第四十九页，共61页。第50页/共60页第五十页，共61页。2) 正常使用极限状态表达式 对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，采用荷载的标准组合(zh)、频遇组合(zh)或准永久组合(zh)，设计表达式如下： S 式中： C结构或结构构件达到正常使用要求的规定限值，例如变形、裂缝、振幅、加速度、应力 等的限值，应按各有关建筑结构设计规范的规定采用。C第51页/共60页第五十一页，共61页。 三类荷载组合公式(gngsh)：正常使用极限状态的标准组合公式(gngsh) 正常使用极限状态的频遇组合公式(gngsh) 正常使用极限状态的准永久组合公

27、式(gngsh) QikciniKQGKSSSS21QikqiniKQfGKSSSS211QikqiniGKSSS1第52页/共60页第五十二页，共61页。式中 符号含义同上： 可变荷载(hzi)的组合值系数，其值详见附录； 可变荷载(hzi)的频遇值系数，其值详见附录； 可变荷载(hzi)的准永久值系数，其值详见附录。ci1fqi第53页/共60页第五十三页，共61页。 正常使用极限状态的荷载组合直接算式 实际工程中述及的正常使用极限状态，主要用于下列三种情况： 构件的挠度及裂缝宽度计算( j sun)。 高层建筑的层间位移计算( j sun)。 地基土的承载力和沉降缝验算。第54页/共60页第五十四页，共61页。构件的挠度及裂缝宽度计算。计算构件的挠度及裂缝宽度时荷载组合的直接算式钢梁的挠度计算：标准组合 钢筋混凝土梁的挠度及裂缝宽度分别