建筑结构概论课件

第三讲

荷载与结构设计方法李文雄第三讲

荷载与结构设计方法李文雄1内容1.建筑结构上的荷载与作用2.设计基准期和设计使用年限3.结构构件的抗力3.结构的可靠度与极限设计方法4.举例内容1.建筑结构上的荷载与作用2建筑结构上的荷载与作用1.“结构上的作用”的定义

施加在结构上的集中或分布荷载，以及引起结构外加变形或约束变形（地震、基础沉降、温度变化、焊接等）的原因的总称。（1）施加在结构上的集中或分布荷载

直接作用（2）引起结构外加变形或约束变形的原因

间接作用

2.“结构上的作用”的分类

按时间的变异分类：（1）永久作用；（2）可变作用；（3）偶然作用按空间位置的变异分类：（1）固定作用；（2）自由作用按结构的反映特点分类：（1）静态作用；（2）动态作用建筑结构上的荷载与作用1.“结构上的作用”的定义3建筑结构上的荷载与作用3.荷载的分类

按时间的长短和性质：（1）永久荷载【例如】结构自重，土压力、预应力等。

（2）可变荷载【例如】楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等。（3）偶然荷载【例如】爆炸力、撞击力等。建筑结构上的荷载与作用3.荷载的分类4建筑结构上的荷载与作用4.荷载的代表值（1）标准值荷载基本代表值，设计基准期内荷载最大值概率分布的某一分位值确定。一般恒载：0.5；活载：0.95。（2）准永久值根据在设计基准期内荷载达到和超过该值的总持续时间与设计基准期的比值确定准永久系数。（3）组合值根据两个或两个以上可变荷载在设计基准期内相遇的情况及其组合的最大效应概率分布的原则确定组合系数。

（4）频遇值指在设计基准期T内，其超越的总时间为规定的较小比率或超越频数为规定频率的荷载值。建筑结构上的荷载与作用4.荷载的代表值5建筑结构上的荷载与作用5.恒载结构的自重＝重度×体积形式：1.集中荷载2.线荷载3.面荷载注：各种结构材料的重度可以丛建筑结构荷载规范查出。建筑结构上的荷载与作用5.恒载6建筑结构上的荷载与作用6.活载（1）楼面活荷载

持久性活荷载—家具等设备产生的荷载临时性活荷载—人员的聚汇荷载根据房间的使用功能，参照建筑结构荷载规范确定，例如住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院病房、托儿所、幼儿园的建筑楼面均布活荷载的标准值为2.0kN/m2。

（2）屋面活荷载屋面均布活荷载包括施工检修人员、工具等自重，上人屋面还包括人员临时聚汇的荷载。建筑结构荷载规范根据屋面是否上人取不同的值。（3）雪荷载、积灰荷载、检修荷载等建筑结构上的荷载与作用6.活载7建筑结构上的荷载与作用7.风荷载风荷载的影响因素：（1）建筑所在的位置（2）建筑的高度（3）建筑的体型（4）建筑所在地的地貌

计算公式：w=z

sz

w0z：风振系数s

：体型系数z

：风压高度变化系数W0

：基本风压建筑结构上的荷载与作用7.风荷载z：风振系数s：体型8建筑结构上的荷载与作用建筑物体型系数举例

150300600s-0.60+0.8风载体型系数s【例1】封闭式双坡屋面【例2】封闭式房屋和构筑物(正多边形)+0.8-0.5-0.5s+0.8-0.5-0.7-0.7注：中间值按插入法计算+0.8-0.5-0.7-0.7建筑结构上的荷载与作用建筑物体型系数举例15039建筑结构上的荷载与作用8.地震作用地震作用的影响因素：（1）建筑所在的场地情况（2）地震的强弱程度（3）建筑结构的特性及其重力代表值建筑结构上的荷载与作用8.地震作用10建筑结构上的荷载与作用9.其它作用（1）温度作用

温度变化引起材料自由膨胀、收缩（2）变形作用

指外界因素的影响使结构被迫发生变形地基变形混凝土徐变、收缩受内部或外部约束制造误差等（3）预加力建筑结构上的荷载与作用9.其它作用11设计基准期和设计使用年限1.设计基准期

——结构设计中与荷载取值有关的参数。2.设计使用年限

——设计规定的一个时期。在该时期内，房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用和维护下不需要进行大修就能按其预定目的使用。设计基准期和设计使用年限1.设计基准期12结构构件的抗力1.抗力及其不定因素

抗力：抵抗作用效应的能力

抗力不定性主要因素：材料性能的不定性几参数的不定性计算模式的不定性

2.材料强度的标准值(1)实质：以确定值（标准值）表达不确定值，便于应用。(2)标准值取值：根据材料强度概率分布的0.05分位值，即95%保证率的要求确定。（参照附表）结构构件的抗力1.抗力及其不定因素2.材料强度的标准值（参照13结构的可靠度与极限设计方法1.结构可靠度荷载效应--S

结构构件抗力--R

承载能力极限状态函数Z=R-S当Z=R-S>0可靠状态Z=R-S=0

极限状态Z=R-S<0失效状态结构的可靠度与极限设计方法1.结构可靠度荷载效应--S

14结构的可靠度与极限设计方法结构可靠度理论破坏类型安全等级一级二级三级延性破坏3.73.22.7脆性破坏4.23.73.2结构构件承载能力极限状态的目标可靠指标β结构的可靠度与极限设计方法结构可靠度理论安全等级一级二级三级15结构的可靠度与极限设计方法2.概率极限状态设计法整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计指定的某一功能要求，这个特定状态称为该功能的极限状态。(1)承载能力极限状态结构或构件达到最大承载能力或者达到不适于继续承载的变形状态，称为承载能力极限状态。(2)正常使用极限状态

结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项规定限度的状态称为正常使用极限状态。

结构的可靠度与极限设计方法2.概率极限状态设计法16结构的可靠度与极限设计方法一、承载能力极限状态设计方法设计表达式：基本组合的荷载效应组合设计值：（1）由可变荷载效应控制的组合：（2）由永久荷载效应控制的组合：结构的可靠度与极限设计方法一、承载能力极限状态设计方法设17结构的可靠度与极限设计方法二、正常使用极限状态设计方法

考虑变形、裂缝、振幅等情况设计表达式：根据不同的设计要求，采用不同的荷载效应组合：（1）标准组合：（2）频遇组合：（3）准永久组合：结构的可靠度与极限设计方法二、正常使用极限状态设计方法设18举例－温室的结构设计举例－温室的结构设计19建筑结构概论课件20建筑结构概论课件21计算简图的建立结构基本条件

脊高5.5米，肩高3.0米，柱距3.0米，屋面材料：塑料薄膜钢结构：矩形钢管

计算简图的建立结构基本条件22荷载取值（1）恒载

恒载主要考虑结构自重以及覆盖材料的自重。经计算:骨架约0.12kN/m薄膜按0.3kg/m2，折算成约0.01kN/m共：0.13kN/m0.13kN/m荷载取值0.13kN/m23荷载取值（2）风荷载

取基本风压0.5kN/m2，风压高度变化系数取1，体型系数根据规范取值风振系数取1，则各面的风荷载如下：

W1＝0.5*0.8*3＝1.2KN/m，W2=0.5*0.05*3=0.075KN/m

W3=-0.5*0.5*3=-0.75KN/m，W4=-0.5*0.5*3=-0.75KN/m

1.2kN/m0.75kN/m0.075kN/m0.75kN/m荷载取值1.2kN/m0.75kN/m0.075kN/m0.24荷载取值（3）检修荷载

可考虑1个人的重量，偏于安全考虑取1kN,加于屋脊和肩处。1kN1kN1kN荷载取值1kN1kN1kN25荷载取值（4）天沟积水荷载

天沟积水荷载按均布作用于天沟的线荷载计算，从该荷载变异的可能性考虑，按满布于天沟的积水荷载标准值计算。经计算后折算成集中荷载：1.05KN。1.05kN1.05kN1.05kN荷载取值经计算后折算成集中荷载：1.05KN。1.05kN126荷载效应组合

对于线弹性结构，荷载与荷载效应成线性关系，因此可以直接考虑荷载的组合，再分析得到内力；也可先分别计算出各工况的内力，再进行组合。承载能力极限状态设计基本组合形式如下：组合1：1.0*恒载+1.4*风荷载

组合2：1.2*恒载+1.0*检修荷载

组合3：1.0*恒载+1.0*天沟水载+1.4*风荷载以下列出三种组合下的弯矩图作为举例，实际设计还需要考虑轴力、剪力图的情况。

荷载效应组合组合1：1.0*恒载+1.4*风荷载

组合2：27第1种组合弯距M3图(单位：kN.m)第1种组合弯距M3图(单位：kN.m)28第2种组合弯距M3图(单位：kN.m)第2种组合弯距M3图(单位：kN.m)29第3种组合弯距M3图(单位：kN.m)第3种组合弯距M3图(单位：kN.m)30思考题1.极限状态的定义和分类如何？2.结构构件的承载力与什么因素有关？思考题1.极限状态的定义和分类如何？31第三讲

荷载与结构设计方法李文雄第三讲

荷载与结构设计方法李文雄32内容1.建筑结构上的荷载与作用2.设计基准期和设计使用年限3.结构构件的抗力3.结构的可靠度与极限设计方法4.举例内容1.建筑结构上的荷载与作用33建筑结构上的荷载与作用1.“结构上的作用”的定义

施加在结构上的集中或分布荷载，以及引起结构外加变形或约束变形（地震、基础沉降、温度变化、焊接等）的原因的总称。（1）施加在结构上的集中或分布荷载

直接作用（2）引起结构外加变形或约束变形的原因

间接作用

2.“结构上的作用”的分类

按时间的变异分类：（1）永久作用；（2）可变作用；（3）偶然作用按空间位置的变异分类：（1）固定作用；（2）自由作用按结构的反映特点分类：（1）静态作用；（2）动态作用建筑结构上的荷载与作用1.“结构上的作用”的定义34建筑结构上的荷载与作用3.荷载的分类

按时间的长短和性质：（1）永久荷载【例如】结构自重，土压力、预应力等。

（2）可变荷载【例如】楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等。（3）偶然荷载【例如】爆炸力、撞击力等。建筑结构上的荷载与作用3.荷载的分类35建筑结构上的荷载与作用4.荷载的代表值（1）标准值荷载基本代表值，设计基准期内荷载最大值概率分布的某一分位值确定。一般恒载：0.5；活载：0.95。（2）准永久值根据在设计基准期内荷载达到和超过该值的总持续时间与设计基准期的比值确定准永久系数。（3）组合值根据两个或两个以上可变荷载在设计基准期内相遇的情况及其组合的最大效应概率分布的原则确定组合系数。

（4）频遇值指在设计基准期T内，其超越的总时间为规定的较小比率或超越频数为规定频率的荷载值。建筑结构上的荷载与作用4.荷载的代表值36建筑结构上的荷载与作用5.恒载结构的自重＝重度×体积形式：1.集中荷载2.线荷载3.面荷载注：各种结构材料的重度可以丛建筑结构荷载规范查出。建筑结构上的荷载与作用5.恒载37建筑结构上的荷载与作用6.活载（1）楼面活荷载

持久性活荷载—家具等设备产生的荷载临时性活荷载—人员的聚汇荷载根据房间的使用功能，参照建筑结构荷载规范确定，例如住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院病房、托儿所、幼儿园的建筑楼面均布活荷载的标准值为2.0kN/m2。

（2）屋面活荷载屋面均布活荷载包括施工检修人员、工具等自重，上人屋面还包括人员临时聚汇的荷载。建筑结构荷载规范根据屋面是否上人取不同的值。（3）雪荷载、积灰荷载、检修荷载等建筑结构上的荷载与作用6.活载38建筑结构上的荷载与作用7.风荷载风荷载的影响因素：（1）建筑所在的位置（2）建筑的高度（3）建筑的体型（4）建筑所在地的地貌

计算公式：w=z

sz

w0z：风振系数s

：体型系数z

：风压高度变化系数W0

：基本风压建筑结构上的荷载与作用7.风荷载z：风振系数s：体型39建筑结构上的荷载与作用建筑物体型系数举例

150300600s-0.60+0.8风载体型系数s【例1】封闭式双坡屋面【例2】封闭式房屋和构筑物(正多边形)+0.8-0.5-0.5s+0.8-0.5-0.7-0.7注：中间值按插入法计算+0.8-0.5-0.7-0.7建筑结构上的荷载与作用建筑物体型系数举例150340建筑结构上的荷载与作用8.地震作用地震作用的影响因素：（1）建筑所在的场地情况（2）地震的强弱程度（3）建筑结构的特性及其重力代表值建筑结构上的荷载与作用8.地震作用41建筑结构上的荷载与作用9.其它作用（1）温度作用

温度变化引起材料自由膨胀、收缩（2）变形作用

指外界因素的影响使结构被迫发生变形地基变形混凝土徐变、收缩受内部或外部约束制造误差等（3）预加力建筑结构上的荷载与作用9.其它作用42设计基准期和设计使用年限1.设计基准期

——结构设计中与荷载取值有关的参数。2.设计使用年限

——设计规定的一个时期。在该时期内，房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用和维护下不需要进行大修就能按其预定目的使用。设计基准期和设计使用年限1.设计基准期43结构构件的抗力1.抗力及其不定因素

抗力：抵抗作用效应的能力

抗力不定性主要因素：材料性能的不定性几参数的不定性计算模式的不定性

2.材料强度的标准值(1)实质：以确定值（标准值）表达不确定值，便于应用。(2)标准值取值：根据材料强度概率分布的0.05分位值，即95%保证率的要求确定。（参照附表）结构构件的抗力1.抗力及其不定因素2.材料强度的标准值（参照44结构的可靠度与极限设计方法1.结构可靠度荷载效应--S

结构构件抗力--R

承载能力极限状态函数Z=R-S当Z=R-S>0可靠状态Z=R-S=0

极限状态Z=R-S<0失效状态结构的可靠度与极限设计方法1.结构可靠度荷载效应--S

45结构的可靠度与极限设计方法结构可靠度理论破坏类型安全等级一级二级三级延性破坏3.73.22.7脆性破坏4.23.73.2结构构件承载能力极限状态的目标可靠指标β结构的可靠度与极限设计方法结构可靠度理论安全等级一级二级三级46结构的可靠度与极限设计方法2.概率极限状态设计法整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计指定的某一功能要求，这个特定状态称为该功能的极限状态。(1)承载能力极限状态结构或构件达到最大承载能力或者达到不适于继续承载的变形状态，称为承载能力极限状态。(2)正常使用极限状态

结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项规定限度的状态称为正常使用极限状态。

结构的可靠度与极限设计方法2.概率极限状态设计法47结构的可靠度与极限设计方法一、承载能力极限状态设计方法设计表达式：基本组合的荷载效应组合设计值：（1）由可变荷载效应控制的组合：（2）由永久荷载效应控制的组合：结构的可靠度与极限设计方法一、承载能力极限状态设计方法设48结构的可靠度与极限设计方法二、正常使用极限状态设计方法

考虑变形、裂缝、振幅等情况设计表达式：根据不同的设计要求，采用不同的荷载效应组合：（1）标准组合：（2）频遇组合：（3）准永久组合：结构的可靠度与极限设计方法二、正常使用极限状态设计方法设49举例－温室的结构设计举例－温室的结构设计50建筑结构概论课件51建筑结构概论课件52计算简图的建立结构基本条件

脊高5.5米，肩高3.0米，柱距3.0米，屋面材料：塑料薄膜钢结构：矩形钢管

计算简图的建立结构基本条件53荷载取值（1）恒载

恒载主要考虑结构自重以及覆盖材料的自重。经计算:骨架约0.12kN/m薄膜按0.3kg/m2，折算成约0.01kN/m共：0.13kN/m0