建筑结构原理

建筑结构原理第1页，课件共36页，创作于2023年2月3.1材料的弹性、塑性和延性建筑材料是结构的物质基础。各种材料的强度和变形规律、构件受力时截面上的应力和应变的分布、构件的性能等都与材料的力学性能以及不同材料的相互作用密切相关。各种材料的性能不同，使用要求、荷载和工作条件不同的结构对材料性能的具体要求也应有所区别。反映材料力学性能基本规律的是材料的应力—应变关系，从对应力应变关系的分析中可以得到材料弹性性质、塑性性质和延性等概念。2/35第2页，课件共36页，创作于2023年2月3.1材料的弹性、塑性和延性1、弹性一般材料在应力较小时都具有弹性——应力增大时应变成比例增大，应力下降为零时，应变也可以完全恢复。在弹性范围内，应力和应变成正比，其比值即为弹性模量E，即

E=σ/ε3/35第3页，课件共36页，创作于2023年2月3.1材料的弹性、塑性和延性2、弹塑性、塑性和脆性材料的塑性的特点是，材料受力变形后，即使卸荷，应力降为零，应变将保留下来，不会恢复。一般材料在应力超过弹性阶段后多会表现出一定的塑性。一般材料都会呈现出弹性和塑性，称为弹塑性材料。有的材料的塑性变形很不明显，破坏将在塑性变形还很小的时候发生，这种破坏时突然发生的，称为脆性破坏。这种性质也称为材料的脆性。4/35第4页，课件共36页，创作于2023年2月3.1材料的弹性、塑性和延性3、延性延性是指材料超过弹性极限后直至破坏过程中耐受变形的能力。具有塑性的材料必然具有延性，脆性材料几乎无延性。采用延性较大的材料的结构在破坏前能够耐受较大的变形。在抗震结构中，要求材料具有较好的延性性能，因为结构在发生较大变形的同时吸收了大量的地震能量，结构上的地震作用效应随之减小。而且结构抗震设计的目标是结构不倒塌，允许有较大的变形。5/35第5页，课件共36页，创作于2023年2月3.2材料的基本力学性能指标材料的基本力学性能包括强度和变形性能两方面。1、强度主要包括抗拉强度、抗压强度，主要通过材料的力学试验测定。基本的实验是在实验室内利用标准试件进行测定的。低碳钢拉伸试验的应力应变曲线式结构用钢的典型代表。6/35第6页，课件共36页，创作于2023年2月3.2材料的基本力学性能指标高碳钢的应力应变曲线中没有明显的屈服台阶，对于这类钢材，往往取0.85σb作为条件屈服强度。7/35第7页，课件共36页，创作于2023年2月3.2材料的基本力学性能指标有些材料还可能测定抗剪、抗折等其他强度。8/35第8页，课件共36页，创作于2023年2月3.2材料的基本力学性能指标

2、变形性能主要是弹性模量和剪切弹性模量（切变模量），还包括横向变形系数（泊松比）(教材P47倒数第13行“对所有的钢材取统一的弹性模量值，Es=2.06×105N/mm2。是不确切的）9/35第9页，课件共36页，创作于2023年2月3.2材料的基本力学性能指标钢结构设计规范规定：钢筋混凝土结构规范规定：P72表5.1.4弹性模量E(N/mm2）剪变模量G(N/mm2）线膨胀系数α（以每℃计）质量密度ρ（kg/m3）206×10379×10312×10-6785010/35第10页，课件共36页，创作于2023年2月3.2材料的基本力学性能指标作为建筑材料，塑性性能也是一个重要指标。钢材的伸长率是钢材的主要塑性指标。冷弯性能可以反映钢材的可加工性能，也是反映塑性的一个指标。11/35第11页，课件共36页，创作于2023年2月3.2材料的基本力学性能指标焊接性能是钢材的重要工艺性能。焊接性能好是指焊接安全、可靠，不发生焊接裂缝，焊接接头和焊缝的冲击韧性以及热影响区域的塑性性能和强度都不应低于钢材。12/35第12页，课件共36页，创作于2023年2月3.2材料的基本力学性能指标冲击韧性是判断钢材在承受动力荷载作用时是否出现脆性破坏的主要指标。13/35第13页，课件共36页，创作于2023年2月小结

本章重点复习了材料的一般力学性能指标。同学们应掌握基本概念，理解结构材料的延性和塑性性能的工程意义。本章无书面作业。请完成P48-49思考题。

其中2、3题为重点。

14/35第14页，课件共36页，创作于2023年2月第4章建筑结构设计原则和过程本章介绍建筑结构的概念设计和数值设计，介绍概念设计的重要性；在重申建筑结构的功能要求的基础上，介绍结构的两种极限状态、结构的设计状况和结构设计原则和方法。通过可靠度和极限状态方程，介绍近似概率理论的极限状态设计方法的基本思想。本章学习要求是初步理解承载能力极限状态设计表达式和正常使用极限状态设计表达式，理解和掌握各种情况下荷载效应组合的计算方法。并且了解建筑结构的设计过程。15/35第15页，课件共36页，创作于2023年2月4.1概念设计和数值设计建筑结构设计按是否考虑地震作用分为抗震设计和非抗震设计。对于建筑结构设计工作，长期以来的概念是进行尽量精确的计算，认为只要做好数值计算，再辅以一定的构造措施，就可以保证建筑结构设计的质量。数值设计计算无疑是重要的，因为数值设计所依据的结构计算理论和规范是长期科学研究和工程实践的宝贵总结，在设计工作中不可稍有忽视。16/35第16页，课件共36页，创作于2023年2月4.1概念设计和数值设计上世纪70年代以来，工程界提出了概念设计的思想。所谓概念设计是相对于数值设计而言的。这个问题首先是针对结构抗震设计的。教材上的工程实例，说明了目前的结构设计中的一个关键问题。17/35第17页，课件共36页，创作于2023年2月18/35第18页，课件共36页，创作于2023年2月19/35第19页，课件共36页，创作于2023年2月4.1概念设计和数值设计以上两栋建筑物抗震能力的差异，说明了建筑总体布局和结构体系的合理性在抗震设计中占有首要的地位。在强烈地震作用下，建筑物的破坏过程是十分复杂的，目前对它还没有充分的认识。要进行精确的抗震计算是困难的。随着对地震灾害的不断总结和工程抗震研究的不断深化，人们认识到结构抗震设计的首要问题，是提高结构的总体抗震性能。20/35第20页，课件共36页，创作于2023年2月4.1概念设计和数值设计人们提出了“概念设计”，并认为它比数值计算更为重要，结构的抗震性能在更大程度上取决于良好的“概念设计”。建筑结构抗震的概念设计是指在进行结构设计时，根据地震震害和工程经验等形成的基本设计原则和设计思想，从概念上，特别是从结构总体布置上考虑抗震的工程决策，即正确地解决总体方案、材料使用和细部构造，以达到合理抗震设计目的的过程。21/35第21页，课件共36页，创作于2023年2月4.1概念设计和数值设计强调建筑物总体方案和构造设计在抗震设计中的首要地位，并不是说不需要数值设计，而是出于对结构地震反应（内力与变形）复杂性和不确定性的认识。如果不首先处理好总体方案和构造设计，计算分析就缺乏良好的基础。概念设计并不排斥数值设计，而是为正确的数值设计创造有利的条件，使数值设计的结果尽可能地反映地震时结构的实际受力情况。22/35第22页，课件共36页，创作于2023年2月4.1概念设计和数值设计如果总体设计存在不妥当和错误，即使计算分析再细致，建筑物在地震中也难免发生严重的破坏甚至倒塌。23/35第23页，课件共36页，创作于2023年2月4.1概念设计和数值设计

正确进行概念设计，将有助于明确抗震设计思想，灵活、恰当的运用抗震设计原则，使人们不致陷于盲目的计算工作，做到合理设计，保证结构具有足够的抗震可靠度。24/35第24页，课件共36页，创作于2023年2月4.1概念设计和数值设计在建筑结构静力设计中，同样应强调概念设计。由于地基不均匀沉降、材料收缩、温度变化等间接作用在结构中引起的内力和变形目前还很难计算。数值计算模型也很难避免与实际受力的差异。工程实践表明，如果结构（包括基础）选型和布置、构造设计等概念设计环节处理不合理，即使做了细致的数值设计也可能发生质量事故。25/35第25页，课件共36页，创作于2023年2月26/35第26页，课件共36页，创作于2023年2月4.2结构设计基本原则4.2.1结构的功能要求结构的功能要求主要体现在结构的可靠性上，即结构在规定的结构设计使用年限内，能够满足预定的功能要求。结构的功能要求包括：安全性、适用性、耐久性三个方面。27/35第27页，课件共36页，创作于2023年2月4.2.1结构的功能要求安全性一是指结构在正常施工和正常使用条件下，能够承受可能出现的各种荷载作用，防止建筑物的破坏；二是指在设计限定的偶然事件发生时和发生后仍能保持必需的整体稳定性，结构仅发生局部的损坏而不致发生连续倒塌。依据工程经验和近代可靠性理论，绝对避免建筑物的破坏是不可能的，结构失效的风险始终是存在的。所以，在建筑结构设计计算中，应采用概率理论。28/35第28页，课件共36页，创作于2023年2月4.2.1结构的功能要求根据建筑物的重要性，即结构破坏时可能产生的后果（危及人的生命、造成经济损失、产生社会应相等）的严重性，结构设计时应采用不同的安全等级。如表4.2.1所列。

表4.2.1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

注：1、特殊建筑物的安全等级应根据具体情况另行确定；2、抗震建筑结构及其地基基础的安全等级应符合国家现行有关规范规定。29/35第29页，课件共36页，创作于2023年2月4.2.1结构的功能要求

适用性是指结构在正常使用条件下具有良好的工作性能，如不发生影响正常使用的过大的挠度、永久变形和过大的振幅和显著的震动，不产生使使用者感到不安的裂缝宽度等。耐久性是指结构在正常维护的条件下具有足够的耐久性能，即要求结构在规定的工作环境中、在预定时期内、在正常维护的条件下结构能够被使用到规定的设计使用年限。30/35第30页，课件共36页，创作于2023年2月4.2.2结构的极限状态

上述三项功能要求概括起来称为结构的可靠性，即结构在规定的条件（正常设计、正常施工、正常使用和维修）下完成预定功能的能力。显然，加大结构设计的余量、如提高设计荷载值、加大截面尺寸或提高对材料性能的要求等，总是能够提高或改善结构的安全性、适用性和耐久性的，但无疑将提高结构的造价，不符合经济性要求。结构的可靠性和经济性是对立的两个方面，科学的设计方法应在结构的可靠性和经济性之间选择一种最佳的平衡，把二者统一起来，以比较经济合理的方法保证结构设计所要求的可靠性。31/35第31页，课件共36页，创作于2023年2月4.2.1结构的功能要求

在使用中，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的某一功能要求，此特定状态为结构工作状态的“可靠”和“失效”的临界状态，称为该功能的极限状态。极限状态是区分结构工作状态的可靠和失效的标志。设计中的极限状态以结构的某种荷载效应（如内力、应力、变形、裂缝等）相应规定的标志为依据，故称为极限状态设计法。32/35第32页，课件共36页，创作于2023年2月4.2.1结构的功能要求

结构设计中考虑两种极限状态：

1、承载能力的极限状态——结构或构件达到最大承载力、或达到不适于继续承载的变形的状态。也可以理解为结构或构件发挥允许的最大承载功能的状态。作为达到承载能力极限状态的标志的5种特定状态见教材P55。

33/35第33页，课件共36页，创作于2023年2月4.2