建筑结构设计基本原理PPT36

第3章建建筑筑结结构构设设计计基基本本原原理理本章章内内容容3.1荷载载分分类类及及荷荷载载代代表表值值3.2概率率极极限限状状态态设设计计法法作用用于于结结构构或或结结构构构构件件上上的的各各种种荷荷载载使使结结构构或或结结构构构构件件产产生生的的内内力力（（N、M、V、T）和和变变形形、、应应力力等等，，称称为为荷载载效效应应。荷荷载载效效应应可可由由力力学学方方法法求求得得。。例如如，一简简支支梁梁梁梁长长为为l0，承承受受的的垂垂直直均均布布线线荷荷载载为为q（已已包包括括梁梁自自重重）），，梁梁的的抗抗弯弯刚刚度度为为B。则则梁梁跨跨中中由由荷荷载载q产生生的的弯弯矩矩为为M=1/8ql02，跨跨中中挠挠度度f=5ql04/(384B)，支支座座处处剪剪力力V=1/2ql0。荷载载效效应应与与结结构构上上的的荷荷载载密密切切相相关关，，并并且且是是一一种种因因果果关关系系，，即即没没有有荷荷载载作作用用就就没没有有荷荷载载效效应应。。3.1.1荷载载效效应应与与结结构构抗抗力力1荷载载效效应应S结构构或或结结构构构构件件抵抵抗抗作作用用效效应应（（本本书书仅仅指指荷荷载载效效应应））的的能能力力，，也也即即结结构构或或构构件件承承受受内内力力、、变变形形和和抗抗裂裂等等的的能能力力，，称称为为结构构的的抗抗力力。影响响结结构构抗抗力力的的主主要要因因素素是是结结构构所所用用材材料料的的性性能能和和结结构构的的几几何何参参数数。。2结构构抗抗力力R3.2荷载载分分类类及及荷荷载载代代表表值值1）永永久久荷荷载载永久久荷荷载载亦亦称称恒恒荷荷载载，，是是指指在在结结构构使使用用期期间间，，其其值值不不随随时时间间变变化化，，或或者者其其变变化化与与平平均均值值相相比比可可忽忽略略不不计计的的荷荷载载，，如如结结构构自自重重、、土土压压力力、、预预应应力力等等。。2）可变荷载可变荷载也称称为活荷载，，是指在结构构使用期间，，其值随时间间变化，且其其变化值与平平均值相比不不可忽略的荷荷载，如楼面面活荷载、屋屋面活荷载、、风荷载、雪雪荷载、吊车车荷载等。3）偶然荷载在结构使用期期间不一定出出现，而一旦旦出现，其量量值很大且持持续时间很短短的荷载称为为偶然荷载，，如爆炸力、、撞击力等。。1荷载分类荷载代表值2荷载代表值定义：结构设设计时，对于于不同的荷载载和不同的设设计情况，应应赋予荷载不不同的量值，，该量值即荷荷载代表值。。定义：荷载标标准值就是结结构在设计基基准期内具有有一定概率的的最大荷载值值,它是荷载的基基本代表值。。设计基准期——为确定可变荷荷载代表值而而选定的时间间参数，一般般取为50年。1）荷载标准值值常用材料单位位体积的自重重（单位kN/m3）

混凝土22-24，

钢筋混凝凝土24-25，

水泥砂浆浆20，

石灰砂浆浆、混合砂浆浆17，

普通砖18，

普通砖（（机器制）19，

浆砌普通通砖砌体18，

浆砌机砖砖砌体19。1)荷载标准值（1）永久荷载标标准值按构件尺寸和和构件单位体体积自重的标标准值来确定定。（2）可变荷载标标准值（民用楼面均布活荷荷载标准值按按下表采用））民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频偶值和永久值系数项次类别标准值(kN/m2)组合值系Ψc频偶值系Ψf准永久值系数Ψq1（1）住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院病房、托儿所、幼儿园（2）教室、实验室、阅览室、会议室、医院门诊室2.00.70.50.60.40.52食堂、办公楼中的一般资料档案室2.50.70.60.53（1）礼堂、剧场、影院、有固定座位的看台（2）公共洗衣房3.03.00.70.70.50.60.30.54（1）商店、展览厅、车站、港口、机场大厅及其旅客等候室（2）无固定座位的看台3.53.50.70.70.60.50.50.35（1）健身房、演出舞台（2）舞厅4.04.00.70.70.60.60.50.36（1）书库、档案室、储藏室（2）密集柜书库5.012.00.90.90.87通风机房、电梯机房7.00.90.90.88汽车通道及停车库（1）单向板楼盖（板跨不小于2m）客车消防车（2）双向板楼盖和无梁楼盖（柱网尺寸不小于6m×6m）客车消防车4.035.02.520.00.70.70.70.70.70.70.70.70.60.60.60.6（2）可变荷载标标准值（民用楼面均布活荷荷载标准值按按下表采用））9厨房（1）一般的（2）餐厅2.04.00.70.70.60.70.50.710浴室、厕所、盥洗室：（1）第1项中的民用建筑（2）其他民用建筑2.02.50.70.70.50.60.40.511走廊、门厅、楼梯：（1）宿舍、旅馆、医院病房、托儿所、幼儿园、住宅（2）办公楼、教室、餐厅、医院门诊部（3）消防疏散楼梯、其他民用建筑2.02.53.50.70.70.70.50.60.50.40.50.312阳台：（1）一般情况（2）当人群有可能密集时2.53.50.70.60.5注：①本表所所列各项活荷荷载适用于一一般使用条件件，当使用荷荷载大时，应应按实际情况况采用。②本表各项荷荷载不包括隔隔墙自重和二二次装修荷载载。（2）可变荷载标标准值（民用楼面均布活荷荷载标准值按按下表采用））注：①不上人人的屋面，当当使用荷载大大时，应按实实际情况采用用。②上人的屋面面，当兼作其其他用途时，，应按相应楼楼面活荷载采采用；③对于因屋面面排水不畅、、堵塞等引起起积水荷载，，应采取构造造措施加加以防止，必要时应应按积水的可可能深度确定定屋面活荷载载。②屋顶花园活活荷载不包括括花圃土石等等材料自重。。（2）可变荷载标标准值（民用屋面均布活荷荷载标准值按按下表采用））民用建筑屋面均布活荷载标准值及其组合值、频偶值和永久值系数项次类别标准值(kN/m2)组合值系Ψc频偶值系Ψf准永久值系数Ψq1不上人的屋面0.50.70.502上人的屋面2.00.70.50.43屋顶花园3.00.70.60.52）可变荷载准准永久值在设计基准期期内经常达到到或超过的那那部份荷载值值（总的持续续时间不低于于25年），称为可可变荷载准永永久值。可变荷载准永永久值可表示示为ψqＱk，其中Ｑk为可变荷载标标准值，ψq为可变荷载准准永久值系数数。ψq值见前表。3）可变荷载组合合值两种或两种以以上可变荷载载同时作用于于结构上时，，除主导荷载载（产生最大大效应的荷载载）仍可以其其标准值为代代表值外，其其他伴随荷载载均应以小于于标准值的荷荷载值为代表表值，此即可可变荷载组合合值。可变荷载组合合值可表示为为ψcＱk。其中ψc为可变荷载组组合值系数，，其值按前表表查取。4）可变荷载频遇遇值对可变荷载，，在设计基准准期内，其超超越的总时间间为规定的较较小比率或超超越频率为规规定频率的荷荷载值（总的的持续时间不不低于50年），称为可可变荷载频遇遇值。可变荷载频遇遇值可表示为为ψfＱk。其中ψf为可变荷载频频遇值系数，，其值按前表表查取。3.2概率极限状态态设计法（1）结构的安全全等级《建筑结构可靠靠度设计统一一标准》GB50068-2001（以下简称《统一标准》）规定，建筑筑结构设计时时，应根据结结构破坏可能能产生的后果果（危及人的的生命、造成成经济损失、、产生社会影影响等）的严严重性，采用用不同的安全全等级。1极限状态建筑结构的安全等级安全等级破坏后果建筑物类型一级很严重重要的房屋二级严重一般的房屋三级不严重次要的房屋结构的设计使用年限分类设计使用年限示例5临时性结构25易于替换的结构构件50普通房屋和构筑物100纪念性建筑和特别重要的建筑结构（2）设计使用年年限，是指设设计规定的结结构或结构构构件不需进行行大修即可按按其预定目的的使用的时期期。（3）结构的功能能要求能承受正常施施工和使用时时的各种作用用，以及偶然然事件发生时时，仍能保持持整体稳定性性。在正常使用时时，能保证具具有良好的工工作性能，不不出现过大的的变形和裂缝缝。在正常使用及及维护下，具具有足够的耐耐久性能，不不发生锈蚀和和风化现象。。＊安全性＊适用性＊耐久性例如，不会出出现影响正常常使用的过大大变形或振动动；不会产生生使使用者感感到不安的裂裂缝宽度等。。例如，结构材材料不致出现现影响功能的的损坏，钢筋筋混凝土构件件的钢筋不致致因保护层过过薄或裂缝过过宽而锈蚀等等。即结构仅产生生局部的损坏坏而不致发生生连续倒塌。。结构的安全性性、适用性和和耐久性是结结构可靠的标标志，总称为为结构的可靠靠性。结构的可靠度度是结构可靠靠性的概率度度量，即对结结构可靠性的的定量描述。。结构可靠性的的定义是，结结构在规定时时间内，规定定条件下，完完成预定功能能的能力。注意：1、结构可靠度度与结构使用用年限长短有有关。《统一标准》以结构的设计计使用年限为计计算结构可靠靠度的时间基基准。2、当结构的使使用年限超过过设计使用年年限后，并不不意味着结构构就要报废，但其可靠靠度将逐渐降降低。（3）结构的功能能要求2.结构功能的极限状态（1）承载能力极限状态针对安全性如：整个结构构或结构的一一部分作为刚刚体失去稳定；结构构件或连连接因材料强强度不够而坏坏；结构转变为机机动体系；结构或结构构构件丧失稳定定等。定义：整个结结构或结构的的一部份，超超过某一特定定状态就不能能满足设计规规定的某一功功能（安全性性、适用性、、耐久性）要要求，该特定定状态称为该该功能的极限限状态。结构构极限状态分分为以下两类类：结构超过承载载能力极限状状态的示例2.结构功能的极限状态（2）正常使用极限状态针对适用性和和耐久性如：出现影响响正常使用或或外观的变形形；影响正常使用用或耐久性的的局部损坏；；影响正常使用用的振动。工程设计时，，一般先按承承载力极限状状态设计结构构构件，再按正常使用用极限状态验验算。3.结构的功能函函数（1）作用效应S作用（荷载））对结构产生生的各种效应应，

如弯矩矩、剪力、轴轴力、变形、、裂缝等MVNfw结构构件抵抗抗各种作用效效应的能力。。

如抗弯、、抗剪、抗压压、抗拉、抗抗扭承载力以以及抗变形形、抗裂缝的的能力。（2）结构抗力R3.结构的功能函函数当Ｚ＞0即R＞S时，结构处于于可靠状态；；

当Ｚ＜0即R＜S时，结构处于于失效状态；；

当Ｚ=0即R=S时，结结构处处于极极限状状态。。关系式式ｇ(S，R)＝R－S＝0称为极极限状状态方方程。。4实用设设计表表达式式（1）实用用表达达式：：S≤RR—结构构构件的的承载载力设设计值值，即即抗力力设计计值S—荷载效效应基基本组组合或或偶然然组合合的设设计值值（2）荷载载效应应基本本组合合设计计值S对于基基本组组合，，荷载载效应应组合合的设设计值值S应从由由可变变荷载载效应应控制制的组组合和和由永永久荷荷载效效应控控制的的组合合中取取最不不利值值确定定。：结构构构件件的重重要性性系数数，对对安全全等级级为一一级或或设计计使用用年限限为100年及以以上的的结构构构件件，不不应小小于1.1；对安安全等等级为为二级级或设设计使使用年年限为为50年的结结构构构件，，不应应小于于1.0；对安安全等等级为为三级级或设设计使使用年年限为为5年及以以下的的结构构构件件，不不应小小于0.9；在抗抗震设设计中中，不不考虑虑结构构构件件的重重要性性系数数。1）由可可变荷荷载效效应控控制的的组合合γG：永久荷荷载分分项系系数；；SGk：永久荷荷载标标准值值Gk计算的的荷载载效应应值；；γQi：第i个可变变荷载载的分分项系系数；；SQik：按可变变荷载载标准准值Qi计算的的荷载载效应应值;ψci：可变荷荷载Qi的组合值值系数数，民民用建建筑楼楼面均均布活活荷载、、屋面面均布布活荷荷载的的组合合值系系数；；荷载分项系数的取值荷载特性荷载分项系数永久荷载永久荷载效应对结构不利由可变荷载效应控制的组合1.2由永久荷载效应控制的组合1.35永久荷载效应对结构有利1.0倾覆、滑移或飘浮验算0.9可变荷载一般情况1.4对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载取1.3应用以以上两两个公公式时时应注注意以以下问问题：：当考虑虑以竖竖向的的永久久荷载载效应应控制制的组组合时时，参参与组组合的的可变变荷载载仅限限于竖竖向荷荷载。。2）由永永久荷荷载效效应控控制的的组合合荷载分项系数的取值荷载特性分项系数永久

荷载永久荷载效应对结构不利由可变荷载效应控制的组合1.2由永久荷载效应控制的组合1.35永久荷载效应对结构有利1.0倾覆、滑移或飘浮验算0.9可变

荷载一般情况1.4对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载取1.3【例】某办公公楼钢钢筋混混凝土土矩形形截面面简支支梁，，安全全等级级为二二级，，截面面尺寸寸b×h=200mm×400mm，计算跨跨度ln=5m，净跨度度l0=4.86m。承受均均布线线荷载载：活活荷载载标准准值7kN/m，恒荷载载标准准值10kN/m（不包括括自重重）。。试计计算按按承载载能力力极限限状态态设计计时的的跨中中弯矩矩设计计值和和支座座边缘缘截面面剪力力设计计值。。【解】由表1.1.1查得活活荷载载组合合值系系数=0.7。安全全等级级为二二级，，则结结构重重要性性系数数=1.0。钢筋混混凝土土的重重度标标准值值为25kN/m3，故梁自自重标标准值值为25××0.2××0.4=2kN/m。总恒荷荷载标标准值值gk=10+2=12kN/m恒载产产生的的跨中中弯矩矩标准准值和和支座座边缘缘截面面剪力力标准准值分分别为为：Mgk=gkl02/8=12××52/8=37.5kN·mVgk=gkln/2=12××4.86/2=29.16kN活荷载载产生生的跨跨中弯弯矩标标准值值和支支座边边缘截截面剪剪力标标准值值分别别为：：Mqk=qkl02/8=7×52/8=21.875kN·mVgk=qkln/2=7×4.86/2=17.01kN本例只有一一个活荷载载，即为第第一可变荷荷载。故计计算由活载载弯矩控制制的跨中弯弯矩设计值值时，γG=1.2，γQ=γQ1=1.4。由式（1.2.3）得由活荷荷载弯矩控控制的跨中中弯矩设计计值和支座座边缘截面面剪力设计计值分别为为：γ0(γGMgk+γQ1Mq1k)=γ0(γGMgk+γQMqk)=1.0×(1.2×37.5+1.4××21.875)=75.625kN·mγ0(γGVgk+γQ1Vq1k)=γ0(γGVgk+γQVqk)=1.0×(1.2×29.16+1.4×17.01)=75.625kN·m取较大值得得跨中弯矩矩设计值M=75.625kN··m，支座边缘截截面剪力设设计值V=58.806kN计算由恒载载弯矩控制制的跨中弯弯矩设计值值时，γG=1.35，γQ=1.4，Ψc=0.7。由式（1.2.4）得由恒载载弯矩控制制的跨中弯弯矩设计