建筑结构第五版 第2章_设计标准和设计方法

1、本章主要内容本章主要内容v设计基准期和设计使用年限设计基准期和设计使用年限v结构的功能要求、作用和抗力结构的功能要求、作用和抗力v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；v结构设计方法及设计内容结构设计方法及设计内容v设计基准期设计基准期结构设计时以及对与时间有关的材结构设计时以及对与时间有关的材料性能取值时所采用的时间参数。料性能取值时所采用的时间参数。 我国的设计基准期为我国的设计基准期为5050年。年。v设计使用年限设计使用年限设计规定的一个时期。该规定时设计规定的一个时期。该规定时期内，房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用期内，房屋建筑在正常设计、正常施工、正

2、常使用和维护下不需要进行大修就能按其预定目的使用。和维护下不需要进行大修就能按其预定目的使用。设计使用年限分类表设计使用年限分类表2.1 设计基准期和设计使用年限类别类别1 12 23 34 4设计使用设计使用年限年限5 525255050100100 示例示例临时性建筑临时性建筑易于替换易于替换的结构构件的结构构件普通房屋普通房屋和构筑物和构筑物纪念性和特纪念性和特别重要建筑别重要建筑2.22.2 结构的功能要求结构的功能要求、作用和抗力、作用和抗力（一）结构的功能要求（一）结构的功能要求适用性适用性耐久性耐久性安全性安全性功能要求功能要求 结构在正常使用时具有良好的工作结构在正常使用时具有

3、良好的工作性能。例如，不会出现影响正常使用性能。例如，不会出现影响正常使用的过大变形或振动；不产生使使用者的过大变形或振动；不产生使使用者感到不安的裂缝宽度等。感到不安的裂缝宽度等。结构在正常施工和正常使用的条件下，结构在正常施工和正常使用的条件下，能承受可能出现的各种作用；在设计能承受可能出现的各种作用；在设计规定的偶然事件（如强烈地震、爆炸、规定的偶然事件（如强烈地震、爆炸、车辆撞击等）发生时和发生后，仍能车辆撞击等）发生时和发生后，仍能保持必需的整体稳定性，即不致发生保持必需的整体稳定性，即不致发生连续倒塌。连续倒塌。结构在正常维护条件下具有足够的结构在正常维护条件下具有足够的耐久性能，

4、即在正常维护条件下结构耐久性能，即在正常维护条件下结构能够正常使用到规定的设计使用年限。能够正常使用到规定的设计使用年限。例如，结构材料不致出现影响功能的例如，结构材料不致出现影响功能的损坏，钢筋混凝土构件的钢筋不致因损坏，钢筋混凝土构件的钢筋不致因保护层过薄或裂缝过宽而锈蚀等。保护层过薄或裂缝过宽而锈蚀等。结构上的作用结构上的作用按时间的变异分布按时间的变异分布：永久作用、可变作用、偶然作用 按随空间位置的变异分类：按随空间位置的变异分类：固定作用、自由作用 按结构的反应分类按结构的反应分类：静态作用、动态作用（二）作用和抗力（二）作用和抗力作用的随机性质作用的随机性质 作用可能出现，也可能

5、不出现；数值可能较大，作用可能出现，也可能不出现；数值可能较大，也可能较小；方向可能变化，也可能不变等等。也可能较小；方向可能变化，也可能不变等等。作用效应作用效应S S 结构由于各种原因，引起内力和变形称为作结构由于各种原因，引起内力和变形称为作用效应，用用效应，用S 表示。由直接作用产生的效应，表示。由直接作用产生的效应，通常称为荷载效应。通常称为荷载效应。内力：轴力、弯矩、剪力、扭矩；内力：轴力、弯矩、剪力、扭矩；变形：挠度、转角、裂缝。变形：挠度、转角、裂缝。 作用效应取决于作用的方式及结构或构件的几何尺寸作用效应取决于作用的方式及结构或构件的几何尺寸及支承条件。及支承条件。简支梁在跨

6、中一集中荷载作用下跨中弯矩简支梁在跨中一集中荷载作用下跨中弯矩lPM41 例：例：简支梁在均布荷载作用下跨中弯矩简支梁在均布荷载作用下跨中弯矩S = cQc 荷载效应系数荷载效应系数Q 荷载荷载qlM281281ll41c第二章 设计标准和方法结构的抗力结构的抗力R R 结构抗力是指结构或构件承受作用效应的能力。结构抗力是指结构或构件承受作用效应的能力。如构件的承载力、刚度、抗裂度等，用如构件的承载力、刚度、抗裂度等，用R表示。表示。 结构抗结构抗力力的影响因素：的影响因素：材料性能的不确定性材料性能的不确定性材料几何参数的不确定性材料几何参数的不确定性计算模式的不确定性计算模式的不确定性 结

7、构的抗力具有随机性结构的抗力具有随机性。2.3 结构可靠理论和极限状态设计法结构可靠理论和极限状态设计法一、结构的可靠性和可靠度一、结构的可靠性和可靠度l 结构的可靠性结构的可靠性l 结构的可靠度结构的可靠度 结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能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。即可靠性的概率度量。的概率。即可靠性的概率度量。结构的安全性、适用性和耐久性的总结构的安全性、适用性和耐久性的总 称称v规定时间指设计使用年限；规定条件指正常设计、正常施规定时间指设计使用年限；规定条件指正常设计、正常施工、正常使用和正常维护，不包括错误设计、错误施工和违工、正常使用和

8、正常维护，不包括错误设计、错误施工和违反原来规定的使用情况。反原来规定的使用情况。二、结构可靠度理论二、结构可靠度理论l随机变量的分析和处理随机变量的分析和处理nxnii1222)(exp21)(xxf平均值平均值标准差标准差112nxnii变异系数变异系数正态分布曲线方程正态分布曲线方程正态分布曲线的特征正态分布曲线的特征结构或构件能否完成预定功能与结构的荷载效结构或构件能否完成预定功能与结构的荷载效应应S与结构的抗力与结构的抗力R有关有关。Z = R S因抗力因抗力R和和S均具有随机性，所以可采用结构的功均具有随机性，所以可采用结构的功能函数能函数 来描述结构完成预定功能的状况。来描述结构

9、完成预定功能的状况。第二章 设计标准和方法l 结构的功能函数结构的功能函数Z 0，即即RS 结构可靠结构可靠Z = 0，即即R=S 结构处于极限状态。结构处于极限状态。 即即RS 结构失效结构失效Z 0，实际工程中，可能出现以下三种情况实际工程中，可能出现以下三种情况v结构所处的状态结构所处的状态结构的效应结构的效应S及结构的抗力及结构的抗力R均符合正态分布，因此均符合正态分布，因此结构的功能函数也符合正态分布。如图：结构的功能函数也符合正态分布。如图：图中Z1.0所得。fc 混凝土材料强度设计值混凝土材料强度设计值。fck是由数理统计分析且具有95%的保证率的材料强度。是由钢材强度的标准值f

10、sk除以材料分项系数(s 1.0)求得。 结构构件的抗力应根据截面的受力状态不同结构构件的抗力应根据截面的受力状态不同用相应的计算模型确定。用相应的计算模型确定。fs 钢材强度设计值。钢材强度设计值。fsk是由数理统计且具有95%保证率的材料强度。 结构或构件超过正常使用极限状态时所造成的财产和生命损失要小于超过承载力极限状态的后果，故其可靠度指标要低一些。在荷载效应及结构抗力计算中均 。采用标准值采用标准值 结构或构件在持荷作用下，其裂缝和变形会随时间的推移而发展，因此讨论其荷载组合时应考虑 和 的组合。短期效应短期效应长期效应长期效应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 变

11、形及裂缝宽度的验算1、变形验算、变形验算(挠度）挠度）式中 f 受弯构件按荷载短期效应组合并考虑长期效应组合影响计算的最大挠度。flim 规范允许挠度 f flim 2、裂缝验算、裂缝验算规范规范按使用阶段对结构构件裂缝的不按使用阶段对结构构件裂缝的不同要求，将裂缝控制等级分为三级：同要求，将裂缝控制等级分为三级：一级：严格要求不裂，使用阶段不允许出现一级：严格要求不裂，使用阶段不允许出现拉应力。拉应力。二级：一般要求不裂，使用阶段允许出现拉二级：一般要求不裂，使用阶段允许出现拉应力，但应作限制。应力，但应作限制。三级：允许开裂，应验算裂缝宽度三级：允许开裂，应验算裂缝宽度wmax wlim第

12、二章 设计标准和方法 3、荷载的标准组合、荷载的标准组合 S：niiciSSSS2kQQ1kGk 4、荷载的准永久组合、荷载的准永久组合 S：niiqiSSS1kQGk式中，qi 第i个可变荷载的准永久值系数可变荷载标准值可变荷载的准永久值qi第二章 设计标准和方法例：一简支梁，跨度为：一简支梁，跨度为6米，作用于上的均布荷载，米，作用于上的均布荷载，恒载标准值恒载标准值 gk=3kN/m，分项系数，分项系数 G=1.2，活，活荷载标准值荷载标准值qk=6kN/m，分布系数，分布系数 Q=1.4，分，分别计算梁跨中截面弯矩的基本效应组合、短别计算梁跨中截面弯矩的基本效应组合、短期效应组合和长期

13、效应组合期效应组合和长期效应组合(活荷载准永久系活荷载准永久系数数 qi = 0.4)1、荷载代表值取值的前提范围荷载代表值取值的前提范围 功能范围：功能范围：住宅、办公、商用、仓库住宅、办公、商用、仓库。 时间范围：时间范围：几十年一遇、几百年一遇。几十年一遇、几百年一遇。 空间范围：空间范围：建筑物所在地区地震、雪压、风力与风压建筑物所在地区地震、雪压、风力与风压2、 荷载特征值的确定荷载特征值的确定 设计基准期设计基准期-结构的荷载最短测算期结构的荷载最短测算期 是具体地区、具体使用功能的结构在确定的时期内的统计是具体地区、具体使用功能的结构在确定的时期内的统计结果；统计时期一般结果；统

14、计时期一般50年，称为设计基准期。年，称为设计基准期。 荷载代表值荷载代表值 结构或构件设计时，需针对不同设计目的对荷载赋予一个规定的量值，该量值即为荷载代表值。 永久荷载永久荷载: :采用标准值为代表值。 可变荷载可变荷载: :采用标准值、组合值、频遇值和 准永久值为代表值。 偶然荷载偶然荷载: :按使用的特点确定代表值。 其中荷载标准值为基本代表值。 荷载标准值荷载标准值荷载标准值是指在结构使荷载标准值是指在结构使用期间，在正常情况下可用期间，在正常情况下可能出现的具有一定保证率能出现的具有一定保证率的较大荷载值。的较大荷载值。 永久荷载标准值永久荷载标准值G Gk k可按结构构件可按结构构件的设计尺寸和材料重力密度计算确定，的设计尺寸和材料重力密度计算确定，荷载规范荷载规范中给出了常用材料和构中给出了常用材料和构件的自重。件的自重。可变荷载标准值可变荷载标准值Q Qk k可直接查可直接查荷荷载规范载规范得出。得出。 可变荷载组合值可变荷载组合值当结构承受两种或两种以上可变荷载时，当结构承受两种或两种以上可变荷载时，考虑它们同时达到各自最大值的可能性很小，考虑它们同时达到各自最大值的可能性很小，故除主导的可变荷载外，其他可变荷载均乘以故除主