铁塔标准化设计宣贯-3建筑结构设计方法及风荷载简介

1、中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司中国移动基站铁塔标准化中国移动基站铁塔标准化施工图宣贯施工图宣贯3 建筑结构设计方法及风荷载简介建筑结构设计方法及风荷载简介2007年4月23日1 1概述概述2设计方法简介设计方法简介3概率极限设计方法概率极限设计方法目录4风荷载简介风荷载简介 结构设计准则：结构设计准则：结构由各种作用所产生的结构由各种作用所产生的效应效应（内力和（内力和变形）变形）不大于不大于结构（包括连接）由材料性能和几何因素结构（包括连接）由材料性能和几何因素等所确定的等所确定的抗力或规定限值抗力或规定限值 问题及矛盾：问题及矛盾：荷载大小、材料强度、截面尺寸

2、、计算模荷载大小、材料强度、截面尺寸、计算模式、施工质量等因素均为随机变量（或随机过程）不确式、施工质量等因素均为随机变量（或随机过程）不确定，导致定，导致结构效应结构效应与与抗力抗力均为随机变量，不可能保证百均为随机变量，不可能保证百分之百保证结构效应小于抗力或规定限值，只能作一定分之百保证结构效应小于抗力或规定限值，只能作一定的概率保证的概率保证1 1概述概述建国初建国初19571957年，年，把钢材可以使用的最大强度，除以一个笼统的安全系把钢材可以使用的最大强度，除以一个笼统的安全系数作为结构设计计算时构件容许达到的最大应力，即允许应力法数作为结构设计计算时构件容许达到的最大应力，即允许

3、应力法 N构件的内力； S截面几何特性； s钢材屈服强度； K总安全系数； 构件的计算应力式中： 优点：简单、明确缺点：太笼统。各构件的可靠程度各不相同，而整个结构取决于可靠度最小的构件 2-12-1容许应力法容许应力法 三个系数的极限状态计算方法三个系数的极限状态计算方法（19571957年年19741974年）年） 以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一设计安全系数的容许应力以结构极限状态为依据，多系数分析后用单一设计安全系数的容许应力计算方法计算方法（19741974年年19881988年）年）kffffkQQ QQ 材料强度概率：荷载概率：kfkQ材料强度和荷载的标准值kQ材料强度和

4、荷载的平均值kQ材料强度和荷载的标准差kQ材料强度和荷载的保证系数2-22-2半概率法半概率法以结构极限状态（强度、稳定、疲劳、变形等）为依据，对影响结构安全度的诸因素以数理统计，并结合工作实践经验进行分析。其实质是半概率、半经验的极限状态计算方法优点：对结构可靠性的处理有所改进缺点：对荷载、材料性能等的处理都取一个经验定值，因为这对结构可靠度的研究仅处于以经验为基础的定性分析阶段 根据标准荷载求得的内力； 屈服强度； 构件几何特性； 分别为荷载系数、材料系数和调整系数式中： 安全系数； 钢材的允许应力2-22-2半概率法半概率法19881988年发展中年发展中 概率论为基础概率论为基础 概率

5、极限状态设计方法概率极限状态设计方法 结构可靠度研究由经验为基础的定性分析阶段推进以概率论结构可靠度研究由经验为基础的定性分析阶段推进以概率论和数理统计为基础的定量分析阶段和数理统计为基础的定量分析阶段 近似的概率设计法近似的概率设计法 （分析中忽略和简化了基本变量随时间（分析中忽略和简化了基本变量随时间变化的关系，所以确定基本变量分布时有相当程度的近似性，变化的关系，所以确定基本变量分布时有相当程度的近似性，且进行了线性化简化计算且进行了线性化简化计算 ） 2-32-3一次二阶矩极限状态设计法一次二阶矩极限状态设计法 极限状态：极限状态：实质上是结构可靠与不可靠的界限，故也可称为实质上是结构

6、可靠与不可靠的界限，故也可称为“界限状态界限状态”；对于结构的各种极限状态，均应规定明确的标；对于结构的各种极限状态，均应规定明确的标志或限值志或限值 两类极限状态：两类极限状态： （1 1）承载能力极限状态）承载能力极限状态 包括：构件和连接的强度破坏、包括：构件和连接的强度破坏、疲劳破坏和因过度变形而不适于继续承载，结构和构件丧失稳疲劳破坏和因过度变形而不适于继续承载，结构和构件丧失稳定，结构转变为机动体系和结构倾覆定，结构转变为机动体系和结构倾覆 （2 2）正常使用极限状态）正常使用极限状态 包括：影响结构、构件和非结构包括：影响结构、构件和非结构构件正常使用或耐久性能的局部损坏（包括组

7、合结构中混凝土构件正常使用或耐久性能的局部损坏（包括组合结构中混凝土裂缝）裂缝） 3 3 概率极限设计方法概率极限设计方法3.13.1功能函数功能函数 式中 Z=g() 结构的功能函数； xi(i=1,2,n) 影响结构或构件可靠度的基本变量仅有作用效应S和结构抗力R两个基本变量时结构的功能函数可表为： 荷载效应S：取决于各种荷载（恒载、活载、风、地震作用、 温度变化等） 结构或构件的承载力或抗力R：取决于材料、构件的几何特性等 3 3 概率极限设计方法概率极限设计方法由于R和S都是随机变量，其函数Z也是一个随机变量。功能函数Z存在三种可能状态： 结构可靠度：结构可靠度：结构在规定时间内，在规

8、定的条件下，结构在规定时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率完成预定功能的概率 若以ps表示结构的可靠度 则： 若以pf表示结构的失效概率 则： 3 3 概率极限设计方法概率极限设计方法Z Z的概率密度的概率密度f fZ Z（Z Z）曲线：曲线：正态分布概率密度曲线中Z的平均值和标准差存在下述关系： 3 3 概率极限设计方法概率极限设计方法3.23.2可靠指标可靠指标 与与p pf f存在一一对应关系，存在一一对应关系， 与与p pf f变化相反变化相反 若若Z Z为正态分布：为正态分布：由：有：由于的计算只采用分布的特征值，即一阶原点矩（均值）Z和二阶中心矩（方差）Z2，对非线性函数只取

9、线性项，而不考虑Z的全分布，故称此法为一次二阶矩法3 3 概率极限设计方法概率极限设计方法与pf对应表格不同结构构件承载能力极限状态的可靠指标3 3 概率极限设计方法概率极限设计方法3.33.3设计表达式设计表达式建筑结构可靠度设计统一标准(GB50068)规定结构构件的极限状态设计表达式，应根据各种极限状态的设计要求，采用有关的荷载代表值、材料性能标准值、几何参数标准值以及各种分项系数等表达。 KGGKQQKRRSS简单荷载分项系数设计式：RK 抗力标准值SGK按标准值计算的永久荷载（G）效应值SQK按标准值计算的可变荷载（Q）效应值 分项系数式中： 3 概率极限设计方法概率极限设计方法 一

10、般情况下荷载分项系数：一般情况下荷载分项系数： G G1.2 1.2 ； Q Q1.41.4 永久荷载效应与可变荷载效应异号时：永久荷载效应与可变荷载效应异号时： G G1.0 1.0 ； Q Q1.4 1.4 抗力分项系数：抗力分项系数： Q235Q235钢：钢： R R1.0871.087； Q345Q345、Q390Q390；Q420Q420钢：钢： R R1.1111.111钢材强度设计值钢材强度设计值f f钢材强度除以对应的抗力分项系数钢材强度除以对应的抗力分项系数 对应于对应于分项系数 以可靠指标为基础用概率设计法求出KRR3 概率极限设计方法概率极限设计方法可变荷载效应控制的组合

11、：0112nGGKQQ KQiciQiKif 可变荷载效应控制的组合：01nGGKQiciQiKif 承载能力极限状态荷载效应的基本组合3 概率极限设计方法概率极限设计方法正常使用极限状态荷载效应的标准组合 12nGKQ KciQiKi vGK 永久荷载标准值产生的变形值vQ1K 起控制作用的第一个可变荷载标准值产生的变形值vQiK 其他第i个可变荷载标准值产生的变形值v 结构或结构构件的容许变形值式中： 3 概率极限设计方法概率极限设计方法4 4风荷载简介风荷载简介 4.14.1概述概述铁塔上的荷载铁塔上的荷载相应也分下列两类:永久荷载永久荷载：铁塔塔身自重、固定设备自重等。可变荷载可变荷载

12、：风荷载、平台活荷载、裹冰荷载、地震作用等。而起控制作用的是风荷载。 空气流动形成的风遇到建筑物时气流受阻，风速改变，则在阻挡气流运动的建筑物表面上形成了风压（压力和吸力），这种风力作用称为风荷载风荷载。 风的作用是不规则的，风压随着风速、风向的变化而不停的改变，是随机性的，即是一种随着时间而波动的动力荷载。为了便于分析，在设计中一般把风压看成静荷载。将实际的风压分解为稳定风压与脉动风压。 4.24.2风荷载标准值风荷载标准值垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，应按下述公式计算：Wk= zszWo式中： wk风荷载标准值(kN/m2)； z高度z 处的风振系数；s风荷载体型系数；z风压高度变化系

13、数；Wo基本风压(kN/)。 4 4风荷载简介风荷载简介 4.34.3风压高度变化系数风压高度变化系数风压高度变化系数反映了风压随高度变化的规律。对于平坦或稍有起伏的地形，风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别按规范中表7.2.2确定。地面粗糙度可分为A、B、C、D 四类：A 类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B 类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；C 类指有密集建筑群的城市市区；D 类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。风压高度变化系数修正：风压高度变化系数修正：对于特殊地形，比如较高的山峰、山坡、山间盆地、谷地、海岛等，规范中提出按要求对风压高度变化系数进行修

14、正。 4风荷载简介风荷载简介 4.44.4风荷载体型系数风荷载体型系数 风荷载体型系数即建筑物表面受到的风压与大气中的气流风压之比。它描述了房屋表面在稳定风压作用下的静态压力的分布规律，主要与房屋的体型和尺度有关，也与周围环境和地面粗糙度有关。风荷载体型系数应按规范中表7.3.1确定。4风荷载简介风荷载简介 4.54.5风阵系数风阵系数风振是脉动风压对结构所产生的动力现象。在脉动风压作用下，结构不仅会发生顺风向风振，而且会伴随着产生横风向振动，甚至还会出现扭转振动，但对于结构的影响，主要是顺风向风振。 规范规定对于基本自振周期T1大于0.25s 的工程结构，如房屋、屋盖及各种高耸结构,以及对于高度大于30m 且高宽比大于1.5 的高柔房屋，均应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响。风振计算应按随机振动理论进行，结构的自振周