建筑结构设计基本原理和结构

1、建筑结构设计基本原理和结构 建筑结构设计基本规定 建筑结构上的荷载及其分类 永久荷载代表值 可变荷载代表值第二章 结构上的荷载及其取值2.1 建筑结构设计基本规定2.1.1 结构的设计使用年限 设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。 正常设计正常施工正常使用正常维护必要的检测、防护和维修表2-1 设计使用年限分类2.1.2 建筑结构的安全等级 根据结构破坏可能产生后果的严重性来划分。 即危及人的生命、造成的经济损失、产生社会影响等的严重程度确定。安全等级一级破坏后果很严重重要的房屋二级破坏后果严重一般的房屋三级破坏后果不严重次要房屋表2-2 建筑结构的安全等级建筑物中

2、各类结构构件的安全等级宜与整个结构的安全等级相同，但允许对部分结构构件根据其重要程度和综合效益进行适当的调整，但不得低于三级。安全等级在设计中体现结构重要性系数 0 重要性系数取值安全等级一级：0；安全等级二级：0；安全等级三级：0。钢结构设计规范(GB50017-2003)规定：一般工业与民用建筑钢结构的安全等级应取为二级，其它特殊建筑钢结构的安全等级应根据具体情况另行确定；对设计使用年限为25年的结构构件， 0不应小于； 木结构设计规范(GB50005-2003)规定：对安全等级为一级且设计使用年限又超过100的，0不应小于。 2.1.3 结构设计基准期 在计算结构可靠度时考虑各项基本变量

3、与时间关系所取用的基准时间。 为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数。 我国建筑结构设计基准期为50年。 如：50年一遇的风雪荷载 我国桥梁结构设计基准期为100年。 如：100年一遇的风、雪、洪水结构的设计基准期与结构设计使用年限有什么异同？设计基准期考虑持久设计状况下各项基本变量与时间关系所采用的基准时间参数。 设计使用年限为结构或构件在正常维护条件下，不需要大修即可按其设计规定的目的正常使用的时间。 结构的使用年限超过设计使用年限时，表明它的失效概率可能会增大，不能保证其目标可靠指标，但不等于结构丧失所有要求功能甚至报废，通常结构实际使用寿命大于设计使用年限。2.2

4、建筑结构上的荷载及其分类2.2.1 作用与荷载 所有能使结构产生内力、变形、开裂等效应的原因统称为“作用”。梁在荷载作用下，会产生绕度，截面上会有弯矩和剪力，我们将这些由荷载产生的效应(内力、变形、裂缝等)称为荷载效应。“作用”“间接作用”“直接作用” 直接作用在结构上的集中力或分布力称为“荷载”。因此，“荷载”是作用的一种，并且是“直接作用”。 “间接作用”是指引起结构外加变形或约束变形的其他作用，如砼的收缩、温度的变化、地基的沉降，还有地震等。地震作用，是地面运动在结构上产生的惯性力。因此，地震作用是一种“间接作用”，不能叫“地震荷载”。构造地震 由于地壳运动、推挤地壳岩层使其薄弱部位发生

5、断裂、错动而引起的地震。地震作用地震反应 地震时由地面运动引起的结构振动，也即地震作用效应(位移、速度、加速度、内力等)。结构上受哪些作用？ 自然界：重力、风、雪、裹冰、温差、地震、撞击、火灾、水灾、化学、微生物、射线、土压力、温度、地基沉降 人类：活荷载，吊车荷载、积灰、爆炸、撞击、预应力本课程主要针对荷载对结构的影响，作用荷载。 荷载的分类(按作用时间)永久荷载可变荷载偶然荷载(恒载)(活载)(按空间位置)固定荷载自由荷载(按结构的反应特点)静态荷载动态荷载荷 载 永久荷载：在结构使用期间，荷载值不随时间变化，或其变化值与平均值相比可以忽略不计的荷载称为永久荷载。永久荷载又称为恒载。2.2

6、.2 按随时间的变异分类 荷载的基本分类方法 国家标准采用的分类方法统计规律与时间参数无关采用随机变量概率模型描述 结构的自重、土重、水重等都属于永久荷载。 可变荷载 在结构使用期间，荷载值随时间变化，或其变化值与平均值相比不能忽略的荷载称为可变荷载。统计规律与时间参数有关采用随机过程概率模型描述 如楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等都属于可变荷载。 偶然荷载 在结构使用期间，不一定出现，但一旦出现，其值很大，并且持续时间极短的荷载称为偶然荷载。 如爆炸力、撞击力等都属于偶然荷载。采用随机过程概率模型描述 2011年4月12号乌鲁木齐八钢四管区一居民住宅楼，发生煤气爆炸。 因爆炸损毁的六栋

7、楼200多户人家的门窗、设施、玻璃，室内家具物品。 2.2.3 按空间位置的变异分类 固定荷载 在结构上具有固定分布的荷载。其特点是在结构上出现的空间位置固定不变，但其量值可能具有随机性。 如房屋建筑楼面上位置固定的设备荷载、屋盖上的水箱等都属于固定荷载。 自由荷载 在结构上一定范围内可以任意分布的荷载。其特点是可以在结构一定的空间上任意分布，出现的位置和量值都可能是随机的。 如楼面的人员荷载、厂房的吊车荷载等都属于自由荷载。2.2.4 按结构的反应特点分类 关键： 此种分类方法的依据不在于荷载本身是否具有动力特性，主要在于它是否能使结构引起不可忽略的加速度。 静态荷载 使结构产生的加速度可以

8、忽略不计的荷载称为静态荷载。 如结构自重、住宅或办公楼的楼面活荷载等都属于静态荷载。 动态荷载 如吊车荷载、大型动力设备的作用、高耸结构上的风荷载等都属于动态荷载。 使结构产生的加速度不可忽略不计的荷载称为动态荷载。在结构分析时一般均应考虑其动力效应。动态荷载需用结构动力学进行分析可按静态荷载处理的动态荷载（乘系数）吊车制动荷载预制构件的吊装搬运风荷载2.3 永久荷载代表值 荷载代表值 指在结构设计中根据不同的工作状态，取用的荷载量值。 确定荷载代表值是将其作为随即变量，按照概率统计的方法来处理。 荷载代表值是具有一定保证率的统计特征值。永久荷载对结构不利取上限取标准值为代表值一般取平均值为标

9、准值变异较大时对结构有利取下限分布线荷载用 表示；集中荷载用 表示。 表示方法 永久荷载代表值自重线荷载标准值gk=单位体积自重截面面积gk=单位面积自重荷载宽度构件自重面积荷载标准值单位面积自重=单位体积自重厚度自重合力标准值Gk=单位体积自重体积Gk=单位面积自重荷载面积 由表2-3可知，钢筋砼自重介于2425kN/m3之间，该荷载对梁的承载力是不利荷载，所以取上限值25kN/m3，混合砂浆自重17kN/m3。因此： 解 自重线荷载 = 重度 截面面积 例题2-1 钢筋砼矩形梁截面尺寸300mm 500mm,梁的底面和侧面用20mm厚的混合砂浆抹灰，试求梁的自重标准值 。 例题2-2楼面做

10、法为：硬木地板，20mm厚水泥砂浆找平层，80mm厚钢筋混凝土现浇楼板，钢丝网抹灰吊顶。试求板的恒载标准值（面积荷载）。 解自重面积荷载标准值 = 0.2 + 20 = 3.05 kN/m2 2.4 可变荷载代表值2.4.1 可变荷载代表值 可变荷载的代表值按结构所处的工作状态分为四种： 可变荷载标准值 可变荷载组合值 可变荷载准永久值 可变荷载频遇值 具有足够的概率保证率指结构或构件在正常使用期间可能出现的最大荷载值。 可变荷载标准值可变荷载标准值可变荷载的基本代表值表示方法 一般情况下取95%即在使用期间内，95%的情况下，荷载出现的值都小于标准值。分布线荷载用 表示集中荷载用 表示我国荷

11、载规范提供了常用的楼面使用荷载、风荷载、雪荷载等可变荷载的数值，设计时可以直接查用。对于有足够资料的可变荷载，取最大荷载统计分布特征值；风、雪荷载，习惯上以平均重现期来定义标准值（50年一遇、100年一遇）；对于资料不充分的可变荷载，根据工程经验确定。可变荷载标准值取值可变荷载组合值 对可变作用，使组合后的作用效应在设计基准期内的超越概率与该作用单独出现时的相应概率趋于一致的作用值；或组合后使结构具有统一规定的可靠指标的作用值。 可变荷载组合值组合值系数 (1)可变荷载标准值可变荷载准永久值 指可变荷载在结构设计基准期内，其超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值。它对结构的影响类似于永久荷载。

12、作用在建筑物上的可变荷载(如住宅楼面上的均布活荷载为20kN/m2)，其中有部分是长期作用在结构上面的(在设计基准期50年内，不少于25年) 。可变荷载准永久值准永久值系数 (1)可变荷载标准值可变荷载频遇值对可变荷载，在设计基准期内，其超越的总时间为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值。(一般在10%以内) 目前我国现行规范中建筑结构荷载规范根据分析判断列出了各类可变荷载的频遇值系数，但是在其他的结构规范中均未在正常使用极限状态验算中采用频遇组合荷载效应组合设计表达式。可变荷载准永久值频遇值系数 (1)可变荷载标准值2.4.2 可变荷载取值 民用建筑楼面均布活荷载楼面活荷载标准值（kN

13、/m2）按表2-4采用： 住宅、医院、办公楼、教室 礼堂、剧院、公共洗衣房 健身房、舞台、舞厅 活荷载可按楼层折减 组合值系数、频遇值系数、准永久值系数见表2-4 屋面活荷载屋面类型不上人屋面上人屋面屋顶花园活荷载包括：施工荷载、检修荷载 屋面活载标准值 不上人屋面： 上人屋面： 屋顶花园： 组合值系数、频遇值系数、准永久值系数见表2-6吊车竖向荷载标准值：采用最大轮压和最小轮压以出厂规格为准吊车水平荷载制动惯性力取重量乘系数横向有左右之分纵向有前后之别组合值、频遇值和准永久值系数见表2-7 吊车荷载 雪荷载属于屋面荷载，按照屋面水平投影面积计算。 雪荷载标准值面积荷载 雪荷载标准值，kN/m

14、2 基本雪压，kN/m2 屋面积雪分布系数，与屋面形式有关，如单跨单坡屋面，坡度不超过25时， =1.0，坡度为30时， =0.8 雪荷载的基本雪压是根据全国672个地点的气象台站建站以来记录到的最大雪压或积雪深度资料，经统计得出的50年一遇的最大雪压，即重现期为50年的最大雪压，以此规定当地的基本雪压。 雪荷载组合值系数为； 频遇值系数为； 准永久值系数按雪荷载分区I、II和III的不同，分别取、和0。北京，南京成都，沈阳 风荷载动态荷载设计时可采取乘以系数的方式按静态荷载处理空气的流动对建筑物表明产生的压力或者吸力近地风的性质、风速、风向建筑物所在场地的地貌和周围环境建筑物本身的高度、形状

15、和表面状况 风的形成与危害风是由于大气层的温度差、气压差等大气现象导致的空气流动现象。建筑物会对风形成阻挡，因此风会对于建筑物形成反作用。风是极其复杂的气流现象，是随机性的动荷载，巨大的风力作用会致使建筑物水平侧移、振动甚至垮塌。在风的作用下，建筑物会发生以下破坏： 1）主体结构变形导致内墙裂缝； 2）长时间的风振效应使结构受到往复应力作用而发生局部疲劳破坏； 3）外装饰，受风力作用而脱落； 4）轻屋面，受风的作用会像上浮起甚至破坏。风荷载的基本理论气体的流动速度与压力成反比，迎风面受到压力作用，其他面由于风的流动而受到吸力。基本风压基本风压是指某一地区，风力在迎风面产生作用的标准值。平坦空旷

16、的地面，距地面10米高处，年最大风速发生时10分钟内的风速平均值所形成的，并考虑该风速的历史重现期（50年为标准期限）而确定的迎风面风力作用。特别重要的建筑，考虑重现期为100年。标准空气密度，可取 3基本风压、雪压取值 建筑形体与风的作用迎风面风力为压力，侧风面随着与风的夹角的变化，风力逐渐有压力转变为吸力；矩形、圆形、三角形等不同的平面形状的建筑物，各个侧面所受的风力作用差异很大。建筑物表面粗糙会加大风力的作用。 建筑形体风作用系数举例0.8-0.6-0.6-(0.48+0.03H/B)1.0-0.71.0-0.5-0.5-0.5-0.5-0.5-0.70.8-0.6-0.60.60.6-0.5-0.5-0.50.8-0.5-0.5高度与风的作用随着风力测试点的高度增加，所受风力作用也随之加大。风的振动效应阵风会产生强烈的风阵效应，并且具有极大的不稳定性。阵风会产生顺风的振动效应与侧风的振动效应。北东西南风振系数风对建筑物的作用是动力荷载风的基本周期一般远大于多层钢筋砼结构的自振周期短周期成分对高层建筑结构有影响城市中心区高层建筑的综合效应常规理解，地面粗糙度大，风速减缓。这个概念仅在城市多为多层建筑或高层建筑不多、分布不密集