建筑结构基础与识图-单元讲解课件讲解

《建筑结构基础与识图》单元2结构设计方法与荷载第2章结构设计方法与荷载§2-1荷载效应与结构抗力§2-2建筑结构的设计方法§2-3建筑结构抗震基本知识2.1.1荷载与荷载效应

建筑结构在施工和使用期间，要承受其自身和外加的各种作用，这些作用在结构中产生不同的效应（内力或变形）。这些能使结构产生效应（结构或构件的内力、应力、位移、应变裂缝等）的各种原因通称为结构上的作用。按出现的方式不用，可将结构上的作用分为直接作用和间接作用。§2–1荷载效应与结构抗力1.直接作用与间接作用直接作用是指直接以力的形式（集中力或均匀分布力）施加在结构上的作用，通常也称为结构的荷载。例如结构的自重、楼面人群及物品重量、土压力、风压力、雪压力、积灰、积水等。间接作用是指能够引起结构外加变形、约束变形或振动的各种原因。间接作用并不是直接以力的形式施加在结构上，例如地基的不均匀沉降、温度变化、地震作用、材料的收缩和膨胀变形等。2.作用效应与荷载效应作用在结构上的直接作用或间接作用，将引起结构或结构构件产生内力（如轴力、弯矩、剪力、扭矩等）和变形（如挠度、转角、侧移、裂缝等），这些内力和变形总称为作用效应，用S表示。其中由荷载产生的作用效应称为荷载效应。3、荷载的分类（1）按随时间的变异分类1)永久荷载（永久作用、恒荷载）永久荷载是指结构在设计使用期间，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。例如结构自重、土压力等。

永久荷载作用时间长，会引起结构的徐变，致使结构构件的变形和裂缝加大，引起结构的内力重分布。在预应力混凝土结构中，由于混凝土的徐变，钢筋的预应力会有相应的损失。2)可变荷载（可变作用、活荷载）可变荷载是指结构在设计使用期间，其值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的荷载。例如楼面活荷载、积灰荷载、屋面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等。

荷载值的大小和作用位置等经常变化，对结构构件的作用时有时无。荷载对构件作用位置的变化，可能引起结构各部分产生不同影响，甚至产生完全相反的效应。所以，在内力计算中等都要考虑活荷载作用位置的不利组合，找出构件各部分最大内力值，以求构件的安全。3)偶然荷载（偶然作用、特殊荷载）偶然荷载是指结构在设计使用期间可能出现，但不一定出现，而一旦出现，其持续时间很短但量值很大的荷载。例如地震、爆炸力、撞击力等。

地震力是地震时，地面运动加速度引起的建筑质量的惯性力。地震力的大小与建筑质量的大小成正比。所以，抗震建筑的材料最好选用轻质高强的材料。（2）按荷载的作用面大小分类1)集中荷载集中荷载是指荷载的作用面积与结构的尺寸相比很小，可将其简化为作用于一点的荷载，单位是kN或N。例如梁传给柱子的力、次梁传给主梁的力都可看作集中荷载。2)均布面荷载建筑物楼面上均布荷载，如铺设的基层、面层重量。3)线荷载各种面荷载传到梁或条形基础时，可将面荷载简化为单位长度上的分布荷载。（3）按结构的反应分类1)静态作用或静力作用不使结构或结构构件产生加速度或者加速度可以忽略不计，如结构自重、楼面活荷载、雪荷载等。2)动态作用或动力作用使结构或结构构件产生不可忽略的加速度，如地震作用、吊车设备振动、高空坠物冲击作用等。4、荷载的代表值由于各种荷载都具有一定的变异性，在结构设计时，对荷载应赋予一个规定的量值，称为荷载代表值。设计时对于不同的荷载应采用不同的代表值。永久荷载采用标准值为代表值，可变荷载应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值为代表值。（1）荷载标准值荷载标准值是指在设计基准期内可能出现的最大荷载值。永久荷载标准值，对结构自重，可按结构构件的设计尺寸与材料单位体积的自重计算确定。对常用材料和构件可参《建筑结构荷载规范》采用。可变荷载标准值，是根据观测资料和实验数据，并考虑工程实践经验而确定，可由《荷载规范》的规定确定。（2）可变荷载组合值当结构上同时作用两种或两种以上可变荷载时，可变荷载同时达到其标准值的可能性较小，因此要考虑其组合值。除其中产生最大效应的荷载（主导荷载）仍取其标准值外，其他伴随的可变荷载均采用小于其标准值的组合值为代表值。《荷载规范》规定，可变荷载组合值用可变荷载的组合系数Ψc（Ψc≤1）与相应的可变荷载标准值Qk的乘积来确定，即Ψc

Qk。（3）可变荷载频遇值可变荷载频遇值是指可变荷载在设计基准期内，其超越的总时间仅为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值。可变荷载频遇值是针对结构上偶尔出现的较大荷载，具有较短的总持续时间或较少的发生次数的特性。《荷载规范》规定，可变荷载频遇值应取可变荷载标准值Qk乘以荷载频遇值系数Ψf（Ψf≤1），即Ψf

Qk。（4）可变荷载准永久值可变荷载准永久值是指可变荷载在设计基准期内，其超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值。可变荷载准永久值对结构的影响类似于永久荷载。《荷载规范》规定，可变荷载准永久值应取可变荷载标准值Qk乘以荷载准永久值系数Ψq，即Ψq

Qk。5．荷载分项系数及荷载设计值

考虑荷载有超过荷载标准值的可能性，以及不同变异性的荷载可能造成计算时可靠度不一致的不利影响，为了保证结构的安全可靠，将标准值乘以一个调整系数，此系数即为荷载分项系数。荷载分项系数又分为永久荷载分项系数和可变荷载分项系数。荷载标准值与荷载分项系数的乘积称为荷载设计值。荷载设计值大体上相当于结构在非正常使用情况下荷载的最大值，比荷载标准值的具有更大的可靠度。2.1.2结构抗力与材料强度1、结构抗力结构抗力是指结构或构件承受内力和变形的能力，结构抗力与结构构件的几何参数、计算模型的精确度及材料性能（如材料强度）等因素有关。

2、材料强度

材料强度有强度标准值和强度设计值两种。材料强度标准值是指标准试件用标准试验方法测得的具有95%以上保证率的强度值。

由于材料材质的不均匀性，实验室环境与实际工程的差别以及施工中不可避免的偏差等因素，导致材料强度不稳定，即有变异性。材料的变异性可能导致材料的实际强度低于其强度标准值，故设计时将材料强度标准值除以一个大于1的系数，此系数成为材料分项系数。

材料强度标准值÷材料分项系数＝材料强度设计值。在承载能力极限状态设计中，应采用材料强度设计值。§2–2建筑结构的设计方法结构设计是指在预定的作用及材料性能等条件下，确定结构构件按功能要求所需要的截面尺寸、材料、构造措施等。应用我国现行设计规范进行结构设计时，采用的是以概率理论为基础的极限状态设计方法。2.2.1结构的功能要求结构设计的主要目的保证所建造的结构安全适用，能在规定的期限内满足各种预期的功能要求，并且要经济合理。（1）安全性在正常施工和正常使用条件下，能承受可能出现的各种荷载作用和变形而不发生破坏，在偶然事件发生后，结构仍能保持必要的整体稳定性。例如，厂房结构平时受自重、吊车、风和积雪等荷载作用时，均应坚固不坏，而在遇到强烈地震、爆炸等偶然事件时，容许有局部的损伤，但应保持结构的整体稳定而不发生倒塌。（2）适用性

在正常使用时，结构应具有良好的工作性能。

例如吊车梁变形过大会使吊车无法正常运行，水池现裂缝便不能蓄水等，都影响正常使用，需要对变形、裂缝等进行必要的控制。（3）耐久性在正常维护条件下，结构应能在预计的使用年限内满足各项功能要求，也即应具有足够的耐久性。例如，不致因混凝土的老化、腐蚀或钢筋的锈蚀等影响结构的使用寿命。安全性、适用性和耐久性概括称为结构的可靠性。2.2.2两种极限状态如图，荷载效应是外荷载在构件内产生的轴向拉力S，构件对轴向拉力的抵抗能力R。

如果结构或构件超过某一特定状态就不能满足上述某项规定的功能要求时，称这一状态为极限状态。极限状态可分为承载力极限状态与正常使用极限状态。承载能力极限状态是对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。结构构件或连接因超过承载能力而破坏；结构或其一部分作为刚体而失去平衡（如倾覆、滑移）；在反复荷载下构件或连接发生疲劳破坏……这一极限状态关系到结构全部或部分的破坏或倒塌，会导致人员的伤亡或严重的经济损失，所以对所有结构和构件都必须按承载力极限状态进行计算，施工时应严格保证施工质量，以满足结构的安全性。建筑构除了要保证安全外，还应满足适用性的要求，在设计中称为正常使用极限状态。这种极限状态对应于结构或构件达到了正常使用或耐久性能的某项规定限值。如：构件在正常使用条件下产生过度变形，影响正常使用或建筑外观；构件过早产生裂缝或裂缝发展过宽；在动力荷载作用下结构或构件产生过大的振幅等。超出这种极限状态会使结构不能正常工作，影响结构的耐久性。结构的极限状态正常使用极限状态承载能力极限状态结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形安全性结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值适用性耐久性极限状态设计的实用表达式：1）对承载能力极限状态和正常使用极限状态，在确定其荷载效应时，应根据使用过程中在结构上所有可能存在的荷载，分别进行效应组合，并在所有可能组合中取最不利的效应组合进行设计。2）在计算杆件内力时，取荷载设计值，即对荷载标准值乘以大于1的荷载分项系数3）在计算结构抗力时，取材料强度设计值，即将材料的标准值除以大于1的材料分项系数4）对安全等级不同的建筑结构，采用一个重要性系数进行调整§2–3建筑结构抗震基本知识一、地震基本知识地震是由于某种原因引起的强烈地动，是一种自然现象。地震的成因有三种：火山地震、塌陷地震和构造地震。构造地震是地壳运动推挤岩层，造成地下岩层的薄弱部位突然发生错动、断裂而引起的地动。此种地震破坏性大，影响面广，而且发生频繁，约占破坏性地震总量的95%以上。房屋结构抗震主要是研究构造地震。震源:地震发生时岩层断裂或错动产生振动的部位；震源深度:震源至地面的垂直距离；震中:震源在地表的垂直投影点；震中区:地震发生时震动和破坏最大的地区；震中距:受地震影响地区至震中的距离；等震线:在同一地震中，具有相同地震烈度地点的连线。地震震级是按照地震本身强度而定的等级标度，震级的大小是地震释放能量多少的尺度。国际上通用的是里氏震级，用符号M表示。地震发生后，各地区的影响程度不同，通过用地震烈度来描述。地震烈度是指某一区域内的地表和建筑物遭受一次地震影响的强弱程度。地震造成的灾害包括地表破坏、建筑物破坏和次生灾害。二、建筑结构的抗震设防1、抗震设防的依据一个地区基本烈度是指该地区今后一定时间内，在一般场地条件下可能遭遇的最大地震烈度。基本烈度大体为在设计基准期超越概率为10%的地震烈度。按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防的地震烈度称为抗震设防烈度。抗震设防烈度采用中国地震动参数区划图的地震基本烈度。抗震设防烈度6度及以上地区的建筑物，必须进行抗震设计。2、抗震设防的目标现行抗震设计规范适用于抗震设防烈度为6、7、8、9度地区建筑工程的抗震设计、隔震、消能减震设计。抗震设防是以现有的科技水平和经济条件为前提的。规范基本的抗震设防目标为“小震不坏、中震可修、大震不倒”，即采用“三水准”的设防要求。“三个水准”的抗震设防目标是：1）当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，建筑物一般不受损坏或不需修理仍可继续使用；2）当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用；3）当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时，不会倒塌或发生危及生命的严重破坏。3、建筑抗震设防分类甲类，特殊设防类乙类，重点设防类丙类，标准设防类丁类，适度设防类4、抗震等级房屋应根据烈度、结构类型和房屋高度采用不同的抗震等级。抗震等级体现了不同的抗震要求，共分为一、二、三、四级，其中一级抗震要求最高。P80三、抗震结构的概念设计在强烈地震作用下，建筑物的破坏机理和过程是十分复杂的。对一个建筑物要进行精确的抗震计算也是非常困难的。因此，在对建筑物进行抗震设防的设计时，根据以往地震灾害的经验和科学研究的成果首先进行“概念设计”。概念设计可以提高建筑物总体上的抗震能力。数值设计是对地震作用效应进行定量计算。概念设计是根据地震灾害和工程经验所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。概念设计要考虑以下因素：1)选择对抗震有利的场地，避开不利的场地。开阔、平坦、密实、均匀的中硬土地段是有利场地，不利场地一般是指软弱土、易液化土、山嘴孤丘、陡坡河岸、采空区和土质不均匀的场地。2)建筑物形状力求简单、规则，平面上的质量中心和刚度中心尽可能靠近，以避免地震时发生扭转和应力集中而形成薄弱部位。3)选择技术先进又经济合理的抗震结构体系，地震力的传递路线合理明确，并有多道抗震防线。4)保证结构的整体性，并使结构和连接部位具有较好的延性。5)选择抗震性能比较好的建筑材料。6)非结构构件应与承重结构有可靠的连接以满足抗震要求。（2017年一级建造师）不利于提高框架结构抗震性能的措施是()。A.加强角柱B.强梁弱柱C.加长钢筋锚固D.增强梁柱节点B（2017年一级建造师）不利于提高框架结构抗震性能的措施是()。A.加强角柱B.强梁弱柱C.加长钢筋锚固D.增强梁柱节点B（2017年一、二级建造师，多选）建筑结构的可靠性包括()。A.安全性B.适用性C.经济性D.耐久性E.美观性ABD建筑方针：适用、安全、经济、美观（2018年二级建造师）属于永久荷载的是（

）。A.固定设备B.活动隔墙C.风荷载D.雪荷载A（2018年二级建造师）在室内装饰装修过程中，属于集中荷载的是（

）。A.石柱B.吊灯C.局部假山D.盆景E.室内隔墙ABCD（2017年二级建造师）下列装饰装修施工事项中，所增加的荷