建筑结构的设计标准和设计方法

1、第二章第二章 建筑结构的设计标准和设计方法建筑结构的设计标准和设计方法本本 章章 的的 主主 要要 内内 容：容：l设计基准期和设计使用年限设计基准期和设计使用年限l结构的功能要求结构的功能要求 、作用和抗力、作用和抗力l结构可靠度理论和极限状态设计法结构可靠度理论和极限状态设计法 l结构构件设计的一般内容结构构件设计的一般内容规范及设计理论常用的规范混凝土结构设计规范建筑结构荷载规范建筑地基基础设计规范建筑抗震设计规范高层建筑混凝土结构技术规程荷载大小确定结构的功能要求结构抗力确定制定标准设计基准期设计基准期 进行结构可靠性分析时，所采用的荷载进行结构可靠性分析时，所采用的荷载的统计参数、与

2、时间有关的材料性能取值，都需要选定的统计参数、与时间有关的材料性能取值，都需要选定一个时间参数，称之为设计基准期。一个时间参数，称之为设计基准期。 一般桥梁结构的设计基准期为一般桥梁结构的设计基准期为100年年 建筑结构的设计基准期为建筑结构的设计基准期为50年年一一. 设计基准期设计基准期 二、设计使用年限二、设计使用年限 设计规定的结构或结构构件设计规定的结构或结构构件不需进行不需进行即可按其预定目即可按其预定目的使用的时期。的使用的时期。建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068）明确提出，）明确提出，将结构的设计使用年限分为四个类别。一般钢筋混凝土结构将结构的

3、设计使用年限分为四个类别。一般钢筋混凝土结构的设计使用年限为的设计使用年限为50年。年。 v结构设计的目的结构设计的目的是要使所设计的结构在是要使所设计的结构在规定的设计使用年限内能完成预期的全规定的设计使用年限内能完成预期的全部功能要求。部功能要求。一、结构的功能要求一、结构的功能要求 v建筑结构在规定的设计使用年限内应满足建筑结构在规定的设计使用年限内应满足安全性、适用性和耐久性安全性、适用性和耐久性三项功能要求。三项功能要求。安全性安全性 结构在预定的使用期间内，应能承受在正常施工、正常结构在预定的使用期间内，应能承受在正常施工、正常使用情况下可能出现的各种作用。使用情况下可能出现的各种

4、作用。荷载、外加变形（如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束荷载、外加变形（如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）等的作用。变形（如温度和收缩变形受到约束时）等的作用。 在偶然事件（如地震、爆炸）发生时和发生后，结构应在偶然事件（如地震、爆炸）发生时和发生后，结构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。产的严重损失。第三章 混凝土结构基本设计原则适用性适用性 结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。耐久性耐久性 结构在正常使用和正常维护条件下，应

5、具有足够的耐久性。结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。耐久性设计包括的内容：1、确定结构所处的环境类别2、提出材料的耐久性质量要求3、确定构件中钢筋的混凝土保护层厚度4、在不利环境下应采取的措施5、满足耐久性要求的相应的技术措施6、提出结构使用阶段的维护与检测要求间接作用间接作用 直接作用直接作用 施加在结构上的荷载，如施加在结构上的荷载，如结构自重、汽车荷载等。结构自重、汽车荷载等。引起结构引起结构外加变形外加变形和和约束变形约束变形的原因的原因作作 用用二、作用和作用效应二、作用和作用效应作作 用用 直接作用：直接作用： 间接作用：间接作用：二、作用和作用效应二、作用和作用

6、效应作作 用用 的的 分分 类类 二、作用和作用效应二、作用和作用效应二、作用和作用效应二、作用和作用效应一、可靠性与可靠度一、可靠性与可靠度功能要求功能要求安全性、适用性和耐久性安全性、适用性和耐久性可靠性可靠性可靠度可靠度结构在规定的时间内，规定的条件下完成预定功能的概率概率概率度量度量 结构在规定的时间内，规定的条件下完成预定功能的能力一、结构的可靠性和可靠度一、结构的可靠性和可靠度（一）（一） 结构的可靠性定义结构的可靠性定义：能力：能力（二）（二） 结构的可靠结构的可靠度度定义定义：概率：概率二、可靠度理论二、可靠度理论 结构的可靠概率和失效概率结构的可靠概率和失效概率1、结构的功能

7、函数：、结构的功能函数：Z=R-SR结构抗力结构抗力S作用效应作用效应结构处于可靠状态结构处于极限状态结构处于失效状态000SRZ 可靠的基本条件：可靠的基本条件：结构的功能函数：结构的功能函数：Z=R-S0可靠度可靠度失效概率失效概率v（二）（二） 结构的可靠概率和失效概率结构的可靠概率和失效概率v2、可靠概率和失效概率、可靠概率和失效概率 22SRZSRZSRZ失效概率失效概率Pf可靠概率可靠概率Ps Pf + PS = 1可靠概率可靠概率失效概率失效概率（三）（三） 按可靠指标的设计准则按可靠指标的设计准则1、可靠指标、可靠指标 ：失效概率衡量可靠度计算很复杂，故：失效概率衡量可靠度计算

8、很复杂，故引入可靠指标，具体度量结构的可靠性。引入可靠指标，具体度量结构的可靠性。ffSRSRZZPP22与与Pf关系关系2.73.23.74.2Pf3.510-36.910-41.110-41.310-5（三）（三） 按可靠指标的设计准则按可靠指标的设计准则2、按可靠指标的设计准则、按可靠指标的设计准则定义：定义：建筑结构设计时，根据建筑结构设计时，根据建筑物的安全等级建筑物的安全等级，按规定的可靠指标进行设计的设计准则，称为按规定的可靠指标进行设计的设计准则，称为按可靠指标的设计准则。按可靠指标的设计准则。建筑结构的安全等级 一一 级级建筑类型建筑类型破坏后果破坏后果 二二 级级 安全等级

9、安全等级很严重很严重 三三 级级严重严重不严重不严重重要的房屋重要的房屋一般的房屋一般的房屋次要的房屋次要的房屋（三）（三） 按可靠指标的设计准则按可靠指标的设计准则2、按可靠指标的设计准则、按可靠指标的设计准则延性破坏延性破坏 指结构构件在破切前有明显的变形或其他预兆。指结构构件在破切前有明显的变形或其他预兆。脆性破坏脆性破坏 指结构构件在破切前无明显的变形或其他预兆。指结构构件在破切前无明显的变形或其他预兆。 延性破坏延性破坏三三 级级二二 级级一一 级级 脆性破坏脆性破坏 安全等级安全等级破坏类型破坏类型3.73.22.74.23.73.2建筑结构目标可靠指标建筑结构可靠度设计统一标准建

10、筑结构可靠度设计统一标准（GB50068-2001）三、概率极限状态设计法三、概率极限状态设计法 一极限状态：一极限状态： 当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态而不当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态而不能满足设计规定的某一功能要求时，则此特定状态称能满足设计规定的某一功能要求时，则此特定状态称为该结构的极限状态。为该结构的极限状态。 结构的极限状态也是结构处于可靠状态与失效结构的极限状态也是结构处于可靠状态与失效状态的状态的临界状态临界状态。 正常使用正常使用极限状态极限状态 承载能力承载能力极限状态极限状态 极限状态极限状态 2 2、极限状态的分类、极限状态的分类 承载能力极限状态

11、承载能力极限状态 对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。继续承载的变形。承载能力承载能力 极限状态极限状态结构构件或连接处因结构构件或连接处因超过材料强度超过材料强度而破坏而破坏结构转变结构转变 成成机动体系机动体系 整个结构或结构的一部整个结构或结构的一部分作为刚体分作为刚体失去平衡失去平衡 （滑动、倒塌）（滑动、倒塌）结构或结构构件结构或结构构件丧丧失稳定失稳定（柱的压曲（柱的压曲失稳）失稳）43215地基地基丧失承载能丧失承载能力稳定力稳定（失稳）（失稳） 正常使用极限状态正常使用极限状态 对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的

12、对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值某项规定限值。影响正常使用或外观的影响正常使用或外观的变形变形影响正常使用或耐久性能的影响正常使用或耐久性能的局部损坏局部损坏影响正常使用的影响正常使用的振动振动影响正常使用的其它影响正常使用的其它特定状态特定状态1、设计原则、设计原则：作用效应最不利组合作用效应最不利组合(基本组合基本组合)设计值必须小设计值必须小于或等于结构抗力的设计值。于或等于结构抗力的设计值。 抗力的设计值荷载效应组合的设计值。RS9 . 0, 0 . 1, 1 . 10级、三级分别取级、三级分别取设计安全等级一级、二设计安全等级一级、二，对应于，对应于结构设计安全等

13、级采用结构设计安全等级采用结构的重要性系数，按结构的重要性系数，按式中：式中：（以塑性理论为基础）：（以塑性理论为基础）：RS 02、基本表达式、基本表达式:二、承载能力极限状态状态设计二、承载能力极限状态状态设计荷载效应基本组合设计值荷载效应基本组合设计值 用永久荷载效应起控制作用可变荷载效应起控制作maxSTVMNS、 可变荷载效应起控制作用的组合可变荷载效应起控制作用的组合QiKciniLiQiKQLQGKGSSSS2111刚体整定等 砌体时对结构有利 时对结构不利 8.09.00.12.1G永久荷载效应分项系数永久荷载效应分项系数2/43.14.13 , 2, 1mKNqnikQi工业

14、楼面一般情况下可变荷载效应分项系数可变荷载效应分项系数1ci 住宅、宿舍、商店住宅、宿舍、商店等绝大多数楼面活载等绝大多数楼面活载0.7 书库、档案库、电梯机房书库、档案库、电梯机房0.9 高炉邻近建筑屋面积灰荷载高炉邻近建筑屋面积灰荷载1.0可变荷载可变荷载Qi的组合值系数的组合值系数由永久荷载效应起控制作用的组合由永久荷载效应起控制作用的组合 QiKciniLiQiGKGSSS135. 1G式中 当以竖向永久荷载效应起控制作用的组合时，可变荷载只考虑竖向荷载。由可变荷载效应控制的组合由可变荷载效应控制的组合QiKniLiQiGKGKQLQGKGSSSSS11119 . 0max 基本组合简

15、化基本组合简化v由永久荷载效应控制的组合 仍按原式计算例题1 1 一一钢筋砼钢筋砼屋面简支梁，跨度为屋面简支梁，跨度为6m，截面尺寸，截面尺寸为为250mm500mm，梁的负荷宽度为，梁的负荷宽度为3.6m，已知屋面，已知屋面板自重标准值为板自重标准值为3kN/m2，上人屋面活荷载标准值为，上人屋面活荷载标准值为2kN/m2，雪荷载标准值为，雪荷载标准值为0.5kN/m2，可变荷载组合系，可变荷载组合系数数0.7, 试求梁跨中弯矩设计值和支座边缘截面剪力设试求梁跨中弯矩设计值和支座边缘截面剪力设计值。计值。m6m6kq1kq2kg梁计算简图梁计算简图屋面平面简图屋面平面简图m6 . 3m6 .

16、 3m6 . 3m6 . 3m6 . 3负荷宽度解：解：lq282qlVqlM ，计算计算gk梁自重梁自重0.250.525=3.125kN/m板自重板自重 33.6=10.8 kN/m gk=13.93kN/mq1k=23.6=7.2 kN/mq2k=0.53.6=1.8 kN/mmkNlqMmkNlqMmkNlgMkkQkkQkGk1 . 8868 . 184 .32862 . 787 .628693.1382222221122跨中弯矩设计值mkNMMMMQikcQkQQGkG54.1281 . 87 . 04 . 14 .324 . 17 .622 . 122111mkNMMMQikci

17、QiGkG34.1241 . 84 .327 . 04 . 17 .6235. 12mkNMM54.1281支座边缘截面剪力设计值同理kNV68.85等、裂缝宽度挠度wfSdC结构或结构构件达到正常使用要求的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、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。建筑结构设计规范的规定采用。 三三 正常使用极限状态正常使用极限状态CSd可靠度要求低于承载能力极限状态。v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、准永久组合进行设计，使变形

18、、裂缝、振幅、基底应力等荷载效应的组合值符合下式的要求：vSC v（1） 对于标准组合，荷载效应组合的设计值S按下式计算：2.3.2.2 正常使用极限状态设计表达式正常使用极限状态设计表达式12nGkQ kciQikiSSSSv（2） 对于准永久组合，荷载效应组合的设计值S按下式计算： 1nGkciQikiSSSv【例2.1】已知由永久荷载产生的弯矩标准值Mgk=11kNm，起控制作用的可变荷载产生的弯矩标准值Mqk=16kNm，安全等级为二级，求弯矩设计值。v【解】本例中，G=1.2,Q1=1.4vSGk=Mgk=11kNmvSQ1k=Mqk=16kNmv则弯矩设计值vM=GSGk+Q1SQ

19、1kv=1.211+1.416=35.6kNmv弯矩设计值为35.6kNm。 v【例2.2】某教学楼楼面采用预制板，计算跨度l0=5.70m，板宽0.9m，板自重2.2kN/m2。楼面采用水磨石地面（10mm厚面层，20mm厚水泥砂浆打底），板底20mm厚抹灰。楼面活荷载标准值为2.0kN/m2。试求： 板的跨中截面弯矩设计值M;荷载效应标准组合设计值M；荷载效应准永久组合设计值M。v【解】 (1) 荷载标准值v 永久荷载v水磨石地面0.65kN/m2v20mm板底抹灰170.02=0.34kN/m2v板自重2.2kN/m2v作用在板上的永久荷载线荷载标准值为vgk=(0.65+0.34+2.

20、2)0.9=2.871kN/mv 可变活荷载vqk=2.00.9=1.8kN/mv(2) 板的跨中截面弯矩设计值v永久荷载产生的弯矩标准值vMgk=1/8 gk l02=11.66kNmv可变荷载产生的弯矩标准值vMqk=1/8qkl02=7.31kNmvG=1.2，Q=1.4vM=GMgk+QMqk=24.22kNmvv(2) 标准组合荷载效应组合的设计值MvM=Mgk+Mqk=11.66+7.31=18.97kNmvv(3) 准永久组合荷载效应组合的设计值Mvq1=0.5vM=SGk+q1SQ1k=Mgk+q1Mqk15.32kNm2、具体设计内容具体设计内容（1）裂缝控制验算）裂缝控制验算根据所处环境类别和结