结构设计通论

建筑结构分析与力学模型补充章节结构工程师的任务在技术经济许可的前提下，尽可能的满足建筑师的总体设计，设计出安全、经济、耐久及可施工型好的土木工程结构。保证结构承载力、刚度和稳定性；提高结构的耐久性、延性及抗火防灾能力准确的荷载计算、恰当的计算简图、正确的分析方法、合理的构造措施1.1建筑结构的类型按用途工业建筑民用建筑按层数单层多层高层超高层按结构材料木结构砌体结构砼结构钢结构组合结构按结构形式排架结构框架结构剪力墙结构筒体结构大跨结构框架—剪力墙结构高规以8层作为界限防火规范10层住宅和24米作为界限结构选型上部结构选型下部结构（基础）选型结构布置定位轴线－确定构件水平位置构件布置设置变形缝一、方案设计（初步设计）主要构件截面尺寸估算变形条件、稳定条件平面位置－定位轴线竖向位置－标高伸缩缝－温度应力沉降缝－不均匀沉降防震缝－碰撞1.2.1结构设计过程：方案设计结构分析构件设计绘施工图（科学、先进、经济、可实施）定位轴线①②③④⑤⑥⑦⑧DCBA①②③④⑤DCBA250120D封闭结合非封闭结合计算简图二、结构分析简化三原则（注意适用条件）尽可能反映实际受力特性→分析影响因素偏于安全→保证结构可靠度简单→满足工程精度数学方法解析解→简单模型→理论解数值解→复杂模型→近似解→电算计算理论线弹→假定材料和构件均为线弹性塑性→考虑材料的塑性性能非线性材料非线性→材料、截面或构件的非线性本构关系几何非线性→结构变形对其内力的二阶效应计算结构在各种作用下的效应三、构件设计四、绘制施工图正确规范简洁美观两项工作内容包括截面设计

节点设计计算

构造在结构设计中，一部分内容根据计算确定，另一部分内容则根据构造规定确定。构造是计算的重要补充，二者同等重要。构造处理的原因：

作为计算假定的保证作为计算中忽略某个因素或某项内容的弥补和补充1.2.2结构设计的一般要求当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态，而不能满足设计规定的某一功能要求时，称此特定状态为结构对该功能的极限状态。根据设计中要求考虑的结构功能，其极限状态在总体上可分为两大类:承载能力极限状态；正常使用极限状态。设计中的极限状态往往以结构的某种荷载效应，如内力、应力、变形、裂缝等超过相应规定的标志为依据。1、计算内容承载能力极限状态计算正常使用极限状态计算承载力(强度、稳定）倾覆滑移漂浮变形抗裂和裂缝宽度耐久性疲劳计算内容2、荷载效应组合

由可变荷载效应控制

由永久荷载效应控制承载能力极限状态的基本组合：效应最大的一项可变荷载以标准值为代表值其余可变荷载（伴随荷载）以组合值为代表值所有的可变荷载均以组合值为代表值结构上数种作用效应同时发生时，应通过结构分析分别求出每一种作用下的效应后，考虑其可能的最不利组合，作为该极限状态的设计依据。基本组合荷载分项系数：1.永久荷载分项系数：（1）当其效应对结构不利时，由可变荷载效应控制的组合，取1.2；由永久荷载效应控制的组合，取1.35；（2）当其效应对结构有利时，一般情况取1.0；结构倾覆、滑移、漂浮验算，取0.9。2.可变荷载分项系数一般取1.4；标准值大于4KN/m2工业楼面活载取1.3。注：1、基本组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况；2、当对SQ1k无法明显判断时，轮次以各可变荷载效应为SQ1k，选其中最不利的荷载效应组合；3、当考虑以竖向的永久荷载效应控制的组合时，参与组合的可变荷载仅限于竖向荷载。仅考虑荷载效应最大的一项可变荷载，以标准值为代表值

所有可变荷载以组合值为代表值，组合系数取0.9

承载能力极限状态的简化组合（排架、框架结构）：

由可变荷载效应控制

由永久荷载效应控制的组合同基本组合

准永久组合：

标准组合：

频遇组合：

正常使用极限状态的组合荷载效应最大的一项可变荷载取标准值，其余可变荷载取组合值主导可变荷载取频遇值，伴随可变荷载取准永久值所有可变荷载均以准永久值为代表值3内力组合水平构件竖向构件最大弯矩（扭矩）及相应的剪力最大剪力及相应的弯矩（扭矩）最大轴力及相应的弯矩和剪力（最小轴力及相应的弯矩和剪力）最大弯矩及相应的剪力和轴力1.2.3抗震设计1、我国的抗震设防烈度为6~9度，称为基本烈度。2、抗震设防有三个水准目标：“小震不坏、中震可修、大震不倒”第一水准烈度：众值烈度，比基本烈度约低一度半，50年超越概率约为63%，结构处于正常使用状态；第二水准烈度：基本烈度，50年超越概率约为10%，结构进入非弹性工作阶段；第三水准烈度：罕遇地震，50年超越概率约为2~3%，结构有较大的非弹性变形，但在一定的控制范围内，不致倒塌。3、抗震设计内容抗震构造；多遇地震下的承载力计算和变形验算；罕遇地震下的薄弱层弹塑性变形计算。4、抗震承载力计算公式5、抗震等级的划分钢筋混凝土结构根据设防烈度、结构类型和房屋高度划分为一～四级抗震等级，抗震计算和抗震构造均与抗震等级有关。混凝土结构的抗震等级1.3建筑结构的作用1.3.1建筑作用的种类楼（屋）面可变荷载风荷载吊车荷载永久荷载（重力荷载、土压力等）可变荷载偶然荷载（如爆炸、撞击）直接作用间接作用（如地震作用、地基变形、材料收缩、焊接应力、温度变化等。）作用使结构产生效应的各种原因的总称。1.3.2荷载代表值任何荷载都具有不同性能的变异性，但在设计中不可能直接引用反映荷载变异性的各种统计参数，通过复杂的概率运算进行具体设计。故在设计时，除了采用能便于设计者使用的设计表达式外，对荷载仍应赋予一个规定的量值，称为荷载代表值。载荷可根据不同的设计要求，规定不同的代表值，使之能更确切反映其在设计中的特点。

1、永久荷载：

标准值

组合值2、可变荷载使组合后的荷载效应在设计基准期内的超越概率与该荷载单独出现时相应的概率一致的荷载值。可变荷载的组合值取标准值乘以组合值系数标准值（特征值）－结构使用期间可能出现的最大荷载值主导荷载仍以其标准值为代表值

频遇值准永久值可变荷载的频遇值取标准值乘以频遇值系数可变荷载的准永久值取标准值乘以准永久值系数可见，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，可变荷载的标准值称为基本代表值。在结构上时而出现的较大荷载值具有较长的总持续时间，对结构的影响有如永久荷载3、偶然荷载按结构使用特点确定其代表值1.3.3可变荷载的一般特性对于可变荷载需要用随机过程概率模型进行描述1.3.4楼面和屋面可变荷载1.楼面均布可变荷载楼面均布活荷载可分为持久性可变荷载和临时性可变荷载。2.屋面可变荷载

雪荷载

屋面均布可变荷载（表1-7）

屋面积灰荷载（表1-8）屋面可变荷载均按水平投影面积计算；屋面均布可变荷载与雪荷载不同时考虑。—雪荷载标准值；—屋面积雪分布系数，与屋面形状有关；—基本雪压，根据当地空旷平坦地面统计所得50年一遇最大积雪的自重确定。雪荷载的组合值系数取0.7，频遇值系数取0.6，确定准永久值系数时全国分为三个地区。雪荷载计算1.3.5风荷载对于主要承重结构，风载标准值的表达可有两种形式：（1）平均风压加上由脉动风引起导致结构风振的等效风压；（2）平均风压乘以风振系数。因结构风振计算中，一般第1振型起主要作用，故我国与大多数国家一样，采用第（2）种表达形式，即采用风振系数（综合考虑结构在风载作用下的动力响应，包括风速随时间、空间的变异性和结构的阻尼特性等因素）。风荷载标准值计算公式——基本风压。——风压高度系数；——风载体形系数；——风振系数；——重现期调整系数；式中风荷载的组合值系数取0.6，频遇值系数取0.4，准永久值系数为0。2.风压高度系数基本风压是建立在空旷平坦地面离地高10米处的风速基础上，对于不同的高度和地貌情况，需要对风压进行修正，故用风压高度系数来反映。1.基本风压根据当地空旷平坦地面离地高10米10分钟平均风速，经统计确定重现期为50年的最大风速，作为当地基本风速，再按贝努利公式确定基本风压。3.风载体型系数由风速换算得到的风压是所谓风速压，不能直接作为建筑设计的结构荷载，建筑本身并不是理想地使原自由气流停滞，而是让气流以不同方式在其表面绕过，对气流形成某种干挠。建筑物表面的实际压力与其形状有关，与来流风压的比值用表示，见表1-11。风载体型系数指风作用在建筑表面上所引起的实际压力（或吸力）与来流风的速度压的比值。其描述的是建筑表面在稳定风压作用下的静态压力的分布规律，主要与建筑物体型和尺度有关，也与周边环境及地面粗糙度有关。风向风压垂直于建筑物表面。对于，新荷载规范7.3.2条提出：对建筑群体要考虑建筑物相互干扰的影响；可将单独建筑乘以相互干扰增大系数或通过风洞试验得出。为正时代表风压，即靠近表面；为负时代表风吸，即离开表面。4.风振系数时间风压长周期风压的变化可以分成两部分：一个是长周期部分；另一个是短周期部分。为便于分析，可以把实际风压分解为平均风压与脉动风压。规范规定：对于高度大于30m且高宽比H/B大于1.5的房屋结构，以及自振周期T1大于0.25s高耸结构必须考虑脉动效应。风压时程曲线风的长周期比一般结构的自振周期大得多，因而对结构的作用相当于静力作用；而风脉动周期只有几秒，与高层和高耸结构的的自振周期相当。（1-15）——脉动增大系数，按表1-12取用；——脉动影响系数，对于均匀结构可按表1-13取用；——结构振型系数,对于规则结构可取z/H。zH对于多高层房屋，通常将分布风荷载转换成作用在每层楼面处的集中风荷载。风振系数定义为考虑脉动效应的总风压与静风压（平均风压）之比。经近似简化，得到5.横风向风振当建筑物受到风力作用时，不但顺风向可能发生风振，且在一定条件下，也能发生横风向的风振。横风向风振由不稳定空气动力形成，性质复杂，包括旋涡脱落、驰振、颤振、扰振等空气动力现象。如对圆截面柱体结构，当发生旋涡脱落时，若脱落频率与结构自振频率相近，将出现共振。

对重要的柔性结构，应在风洞试验基础上进行设计。

[例题1-1]一高层钢筋混凝土结构，平面形状为正六边形，边长为20m。房屋共20层，除底层层高为5m外，其余层高为3.6m。该房屋的第一自振周期T1=1.2S，所在地区的基本风压地面粗糙度为C类。试计算各楼层处与风向一致方向总的风荷载标准值。34.64m风向[解]1确定体形系数0-0.5+0.8-0.50-0.5①②③④该房屋共有6个面，查表1-11得到各个面的风荷载体形系数，如图所示，不为零的4个面分别用①②③④表示。20m2计算各层的风压高度系数近似假定室内外地面相同，则二层楼面离室外地面高度为5m，查表1-10，对于C类地面粗糙度，同理可求得其余各层楼面标高处的风压高度系数。3计算风振系数查表1-12房屋高宽比H/B=(5+3.6×19)/34.64=2.1查表1-13，对于质量和刚度沿高度比较均匀的房屋，结构振型系数可以取对于C类地面，乘0.62根据0.62×1.01=0.634计算各个面不同高度的分布风荷载5计算各个面各楼层处的集中风荷载6计算各楼层处总的风荷载风荷载计算结果1.4结构的耐火设计不燃烧体：在空气中受到火烧或高温作用时，不起火、不燃烧、不碳化。1.4.1结构构件的耐火性能一、构件的燃烧性能难燃烧体：在空气中受到火烧或高温作用时，难起火、难燃烧、难碳化，当火源移走后，燃烧或微燃立即停止。燃烧体：在明火或高温作用时，能立即着火燃烧，且火源移走后，仍能继续燃烧或微燃。目的：为了保证火灾发生时以及发生后结构的整体稳定性，不至于整体倒塌。衡量结构耐火性能的指标：燃烧性能和耐火极限

是指在标准的耐火试验中，从构件受到火的作用，到失去稳定性或完整性或绝热性为止的时间，以小时计。二、结构构件的耐火极限

火灾标准升温曲线（试验炉内温度随时间变化曲线）最早