建筑结构 02 第二章 建筑结构基本设计原理

建筑结构与选型Ⅰ2023年2月6日第一部分建筑结构概论第二章建筑结构设计基本原理§2.1结构上的荷载§2.2极限状态设计法内容框架3上节课概念复习“作用”——能使结构或构件产生效应（内力、变形、裂缝等）的各种因素的总称。作用分为：（1）直接作用即荷载：如结构自重、人群荷载、风荷载等；（2）间接作用：如地震、基础沉降、温度变化等。“建筑结构”——由若干构件连接而成的能承受荷载和其他间接作用的体系。4——在结构使用期间，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的荷载。也称恒荷载或恒载。比如结构自重或土压力等。——在结构使用期间，其值随时间变化，或其变化与平均值相比不可以忽略不计的荷载。也称活荷载或活载。比如楼面活载、屋面活载、雪荷载、风荷载、吊车荷载等。——在结构使用期间不一定出现，而一旦出现,其量值很大而持续时间较短的荷载。比如爆炸力、撞击力等。永久荷载可变荷载偶然荷载（二）荷载分类按时间变异分类三建筑结构的作用按空间变异分类固定荷载——在结构空间位置上具有固定的分布可动荷载——在结构空间位置一定范围内可以任意分布。7静态荷载——对结构不产生动力效应，或小的可以忽略；动态荷载——对结构产生动力效应，且不可以忽略。按照结构的反应分类北京植物园展览温室1、结构的自重—

永久荷载2、结构自重标准值Gk应根据结构的设计尺寸和材料的容重标准值确定一、结构自重3、材料容重标准值按《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)确定

常用材料和构件的自重(GB50009-2001附录A表A.1)①砖

普通砖（240mm×115mm×53mm） 18kN/m3

普通砖（机制） 19kN/m3②灰浆

水泥砂浆 20kN/m3

石灰砂浆、混合砂浆 17kN/m3③混凝土

素混凝土

（2224）kN/m3

泡沫混凝土

（46）kN/m3

钢筋混凝土（R.C.）

（2425）kN/m3⑤墙面贴瓷砖墙面（25mm厚（包括水泥砂浆打底）） 0.5kN/m2水泥粉饰墙面（20mm厚，水泥粗砂） 0.36kN/m2石灰粗砂粉饰墙面（20mm厚）

0.34kN/m2⑥屋顶

小青瓦屋面

（0.91.1）kN/m2

粘土平瓦屋面 0.55kN/m2

油毡防水层一层油毡刷油两层 0.05kN/m2

一毡二油上铺小石子

（0.250.30）kN/m2

二毡三油上铺

（0.300.35）kN/m2

三毡四油上铺

（0.350.40）kN/m24、结构设计时，将结构自重转化为平均楼面恒载

1.982.48kN/m2

木结构;

4.957.43kN/m2

钢筋砼结构

2.48

3.96kN/m2

钢结构;

3.465.94kN/m2

预应力砼结构5、例题[例1]双面水泥粉刷厚220墙的自重（20mm厚水泥砂浆面)[解]gk=0.22m19kN/m3+20.36kN/m2=4.90kN/m2例20.02m20kN/m3=0.4kN/m280mm厚现浇钢筋混凝土板0.08m25kN/m3=2.0kN/m212mm厚纸筋石灰泥粉底0.012m16kN/m3=0.192kN/m2gk=∑gki=2.592kN/m2[例3]计算某现浇楼面结构自重的标准值gk[解]20mm厚水泥砂浆面层二、楼面和屋面活荷载1、民用建筑楼面活荷载民用建筑楼面活荷载

持久性活荷载设计基准期内经常出现—家具等设备产生的荷载

临时性活荷载设计基准期内短暂出现—人员的聚汇荷载民用建筑楼面均布活荷载的标准值

《规范》（GB50009-2001）表2.1取用

【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。3、屋面均布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《规范》（GB50009-2001）规定了工业与民用建筑房屋的屋面其水平投影面上的均布活荷载的标准值：

上人屋面的均布活荷载的标准值：2.0kN/m2

不上人的屋面均布活荷载标准值：0.5kN/m2

屋顶花园均布活荷载标准值：3.0kN/m2

三、雪荷载1、基本雪压S0单位水平面积上积雪的自重(kN/m2)

系指以当地一般空旷平坦地面上统计所得重现期为50年的最大积雪的自重确定。↓积雪密度（t/m3）

S0=.h.g

→重力加速度(9.8m/s2)

积雪深度（m）

S0=.h.g

积雪密度

积雪深度、积雪时间、当地的地理气候条件等因素有关我国按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001)全国基本雪压分布图的规定采用

请同学们查全国基本雪压分布图北京地区基本雪压S0

？202、屋面雪压

屋面雪压---（不同）----地面雪压

主要原因：风、屋面形式、屋面散热等3、屋面雪荷载标准值（GB50009-2001）

屋面水平投影面上雪荷载标准值应按下式计算：↓屋面积雪分布系数↑基本雪压（kN/m2

）雪荷载标准值（kN/m2）sk=rs0屋面均布活载不与雪荷载同时考虑，设计时取其中较大值。垂直作用于建筑物侧面的风荷载标准值：四、风荷载βz—高度z处的风振系数；μs—风荷载体形系数W0—基本风压μZ—风压高度变化系数例题某实验楼中----典型实验室平面布置图如下图所示。该建筑物为一多层钢筋混凝土楼（屋）面，板厚120mm，梁L1300*800mm、砖墙的砌体结构，层高3.6m。外墙为水刷石（25mm厚，20kN/m3），内墙为砂子抹灰（20mm厚，17kN/m3）墙面，地面为水磨石（20mm厚水泥砂浆打底、10mm厚面层，0.65kN/m2），顶棚为砂子抹灰板条吊顶（平均灰厚25mm，0.55kN/m2吊木在内），木门（0.2kN/m2）1800*2400mm，钢窗（0.45kN/m2）2000*2200mm。求各种作用力参数。外墙为水刷石（25mm厚,20kN/m3），内墙为砂子抹灰（20mm厚,17kN/m3）墙面，地面为水磨石（0.65kN/m2），顶棚为砂子抹灰板条吊顶（0.55kN/m2）木门（0.2kN/m2）1800*2400mm，钢窗（0.45kN/m2）2000*2200mm1.作用于板的恒载标准值:2.作用于梁的恒载标准值：3.横墙（无门部分）自重标准值（240mm）：4.横墙（有门部分）自重标准值（240mm）：5.外纵墙自重标准值：6.算至横墙中线的每层典型实验室总恒载标准值和每平方米建筑面积恒载标准值（估计）7.楼面使用活荷载标准值8.雪荷载（1）永久荷载代表值，只有一个代表值就是标准值。（2）可变荷载的标准值，是可变荷载的基本代表值。——荷载基本代表值。指在结构使用期间，在正常情况下出现具有一定保证率的最大荷载。荷载标准值（三）荷载代表值——当结构同时承受两种或两种以上可变荷载时，除主导荷载（产生荷载效应最大的荷载）取标准值，其他伴随荷载取小于其标准值的组合值为代表值。可变荷载组合值28——经常作用在结构上的可变荷载,具有较长总持续时间，对结构的影响有如永久荷载。可变荷载准永久值可变荷载频遇值可见，可变荷载的四个代表值，除标准值外，其余三项均是在标准值的基础上乘以某个系数，。——作用于结构上时而出现，持续时间较短的较大可变荷载。有一农夫，能肩挑300斤

当给他300斤的担子时，效应刚好等于抗力；

当给他100斤的担子时，效应小于抗力；当给他400斤的担子时，效应大于抗力。挑担子与结构功能函数§2.2极限状态设计法S——作用产生的效应包括内力、变形等；R——结构抗力影响抗力的主要因素有：30材料性能的不确定性——强度、变形模量等几何参数的不确定性——构建尺寸计算模式的不确定性——抗力计算采用的基本假设和

计算公式的不够精确1结构功能要求在设计基准期（一般50年，也有100和25年）内，满足功能要求，即安全性，适用性，耐久性。安全性：满足特定的与建筑物功能相适应的承载力极限状态适用性：保证结构在日常使用中满足要求耐久性：保证结构的承载力的持续时间与环境适应度功能函数：Z=R-S结果分析Z=R-S>0：Z=R-S<0：Z=R-S=0：结构处于可靠状态；结构处于不可靠状态，即失效；结构处于极限状态，此方程称极限状态方程2、结构功能的极限状态（limitstate）

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规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。极限状态实质上是区分结构可靠与失效的界限。

极限状态分为两类：

承载能力极限状态

正常使用极限状态——安全性——适用性、耐久性

通常对结构构件先按承载能力极限状态进行承载能力计算，然后根据使用要求按正常使用极限状态进行变形、裂缝宽度或抗裂等验算。当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态：结构构件或连接因材料强度不够而破坏；整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；结构转变为机动体系；结构或结构构件丧失稳定（如柱子被压曲等）。34影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；影响正常使用的振动；影响正常使用的其他特定状态等。当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态：3、

结构的功能函数(performancefunction)和极限状态方程(limitstateequation)

按极限状态方法设计建筑结构时，要求所设计的结构具有一定的预定功能，这可用包括各有关变量在内的结构功能函数来表达，即——极限状态方程

当功能函数中仅包括作用效应R和结构抗力S两个基本变量时，可得

当Z＞0时，结构处于可靠状态

当Z＜0时，

当Z＝0时，结构处于失效状态结构处于极限状态——功能函数（1）结构可靠度理论规定时间——一般为50年规定条件——正常设计、正常施工和正常使用4、极限状态设计法结构的安全性、适用性和耐久性的总称——结构可靠性结构在规定时间内，在规定条件下，完成预定功能的概率。——可靠概率，以Ps表示在规定时间内，在规定条件下，不能完成预定功能的概率。——失效概率，以Pf表示显然，可以得到图3-2R、S的概率密度分布曲线R、S都是随机的重叠的范围越小，结构越可靠！如何使重叠的范围变小？两种方法两点说明结构可靠性越高，建设造价投资越大如何在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计方法要解决的问题结构可靠度与结构使用年限长短有关当结构的使用年限超过设计使用年限后，并不意味着结构就要报废，但其可靠度将逐渐降低。38

以内力和承载力的设计值来表达

（2）极限状态实用设计表达式（a）承载能力极限状态设计表达式γ0S≤R——结构构件的重要性系数

重要的建筑物，γ0=1.1一般的建筑物，γ0=1.0次要的建筑物，γ0=0.9按永久荷载标准值计算的荷载效应值按可变荷载标准值

计算的荷载效应值可变荷载效应

中的最大值永久荷载分项系数第i个可变荷载

的分项系数第1个可变荷载

的分项系数可变荷载的组合值系数

1）由可变荷载效应控制的组合：S的确定2）由永久荷载效应控制的组合恒荷载

效应设计值

活荷载

效应设计值

【例2.2】

某办公楼钢筋混凝土矩形截面简支梁，安全等级为二级，截面尺寸b×h=200mm×400mm，计算跨度ln=

5m，净跨度l0=4.86m。承受均布线荷载：活荷载标准值7kN/m，恒荷载标准值10kN/m（不包括自重）。试计算按承载能力极限状态设计时的跨中弯矩设计值和支座边缘截面剪力设计值。【解】查得活荷载组合值系数=0.7。安全等级为二级，则结构重要性系数=1.0。钢筋混凝土的重度标准值为25kN/m3，故梁自重标准值为25×0.2×0.4=2kN/m。总恒荷载标准值gk=10+2=12kN/m

恒载产生的跨中弯矩标准值和支座边缘截面剪力标准值分别为：Mgk=gkl02/8

=12×52/8=37.5kN·

m

Vgk=gkln/2=

12×4.86/2=29.16kN

活荷载产生的跨中弯矩标准值和支座边缘截面剪力标准值分别为：

Mqk=qkl02/8

=7×52/8=21.875kN·mVgk=qkln/2=7×4.86/2=17.01kN

本例只有一个活荷载，即为第一可变荷载。故计算由活载弯矩控制的跨中弯矩设计值时，γG=1.2，γQ=γQ1=1.4。得由活荷载弯矩控制的跨中弯矩设计值和支座边缘截面剪力标准值分别为：

==1.0×（1.2×37.5+1.4×21.875）=75.625kN·m=1.0×（1.2×29.16+1.4×17.01）=58.806kN=计算由恒载弯矩控制的跨中弯矩设计值时，γG=1.35，

γQ

=1.4，ψc=0.7。得由恒载弯矩控制的跨中弯矩设计值和支座边缘截面剪力标准值分别为：

=1.0×（1.35×37.5+0.7×1.4×21.875）=72.063kN·m