《建筑结构设计基础》课件

《建筑结构设计基础》本课程旨在为学生提供建筑结构设计的基础知识和技能。我们将从结构设计的基本概念入手，逐步深入到各种结构材料的特性与应用、结构体系的选择、荷载的计算与组合，以及结构抗震、耐久性和防火设计等方面。通过本课程的学习，学生将能够掌握建筑结构设计的基本原理和方法，为未来的工程实践打下坚实的基础。课程简介：目标、内容、考核方式课程目标使学生掌握建筑结构设计的基本理论和方法，了解各种结构材料的性能和应用，熟悉结构设计规范，培养解决实际工程问题的能力。课程内容包括结构设计的基本概念、荷载类型与组合、结构材料、钢结构与混凝土结构设计、地基基础设计、结构体系选择、结构计算方法、抗震设计、耐久性与防火设计等。考核方式平时成绩（作业、课堂参与）+期末考试（理论知识与设计计算）+课程设计（实际工程案例分析）。结构设计的基本概念：结构、荷载、材料1结构结构是指由构件组成的能够承受荷载并保持自身稳定的体系。建筑结构的主要作用是承受建筑物自身的重力以及外部施加的各种荷载，如风荷载、雪荷载、地震作用等，确保建筑物的安全可靠。2荷载荷载是指作用在结构上的各种力，包括永久荷载（如结构自重）、可变荷载（如人群荷载、家具荷载）和偶然荷载（如地震作用、爆炸荷载）。结构设计需要考虑各种荷载的组合，以确保结构在最不利条件下的安全性。3材料结构材料是指用于建造结构的各种材料，如钢材、混凝土、砌体材料等。不同的结构材料具有不同的力学性能，结构设计需要根据材料的特性选择合适的材料，并进行合理的截面设计，以满足结构的强度、刚度和稳定性要求。荷载类型：永久荷载、可变荷载、偶然荷载永久荷载永久荷载是指在结构使用期间始终存在的荷载，如结构自重、固定设备重等。永久荷载的大小和位置相对固定，对结构的影响较为稳定。在结构设计中，永久荷载是必须考虑的重要因素。可变荷载可变荷载是指在结构使用期间大小或位置可能变化的荷载，如人群荷载、家具荷载、风荷载、雪荷载等。可变荷载的变化范围较大，对结构的影响具有不确定性。在结构设计中，需要考虑可变荷载的最不利组合。偶然荷载偶然荷载是指在结构使用期间偶然出现的荷载，如地震作用、爆炸荷载、撞击荷载等。偶然荷载出现的概率较低，但一旦发生，对结构的影响可能非常严重。在结构设计中，需要根据结构的抗震设防等级，考虑偶然荷载的影响。荷载组合：基本组合、偶然组合基本组合基本组合是指在正常使用情况下，结构可能承受的各种荷载的组合。基本组合通常包括永久荷载、可变荷载以及风荷载或雪荷载等。基本组合的目的是确保结构在正常使用条件下的安全性。偶然组合偶然组合是指在偶然事件发生时，结构可能承受的各种荷载的组合。偶然组合通常包括永久荷载、可变荷载以及地震作用或爆炸荷载等。偶然组合的目的是确保结构在偶然事件发生时的安全性，防止结构发生严重破坏或倒塌。结构材料：钢材的特性与应用1高强度钢材具有很高的抗拉强度和抗压强度，能够承受较大的荷载，适用于建造大跨度、高层建筑等结构。2良好的延性钢材具有良好的延性和韧性，能够在受到冲击或震动时吸收能量，防止结构发生脆性破坏。3易于加工钢材易于切割、焊接、弯曲等加工，能够满足各种复杂的结构形式要求。4应用钢结构广泛应用于工业厂房、桥梁、高层建筑、体育场馆等领域。结构材料：混凝土的特性与应用高抗压强度混凝土具有较高的抗压强度，能够承受较大的压力，适用于建造桥墩、基础等结构。良好的耐久性混凝土具有良好的耐久性，能够抵抗自然环境的侵蚀，适用于建造水工建筑物、地下工程等。可模性混凝土具有良好的可模性，能够根据需要制成各种形状的构件。应用混凝土结构广泛应用于房屋建筑、桥梁、水工建筑物、道路等领域。结构材料：砌体材料的特性与应用抗压强度较低1抗拉强度很低2耐久性较好3价格低廉4砌体材料包括砖、石、砌块等，其特点是抗压强度较低，抗拉强度很低，耐久性较好，价格低廉。砌体结构广泛应用于民用建筑、围墙等领域。在砌体结构设计中，需要注意控制砌体的受压应力，避免砌体发生破坏。同时，需要采取措施提高砌体的抗震性能，如设置圈梁、构造柱等。结构材料：其他常用结构材料1木材2玻璃3塑料4复合材料除了钢材、混凝土和砌体材料，还有一些常用的结构材料，如木材、玻璃、塑料和复合材料。木材具有轻质高强的特点，适用于建造木结构房屋。玻璃具有良好的透光性，适用于建造玻璃幕墙。塑料具有耐腐蚀的特点，适用于建造化工建筑物。复合材料具有高强度、轻质的特点，适用于建造航空航天结构。材料的力学性能指标强度材料抵抗破坏的能力，包括抗拉强度、抗压强度、抗剪强度等。刚度材料抵抗变形的能力，用弹性模量表示。塑性材料在受力后产生永久变形而不发生破坏的能力。韧性材料在受冲击荷载作用下吸收能量而不发生破坏的能力。耐久性材料在长期使用过程中抵抗环境侵蚀的能力。钢结构的连接方式：焊接、螺栓连接1焊接焊接是指将两块或多块钢材通过加热熔化并连接在一起的方法。焊接具有连接强度高、密封性好、节省材料等优点，但焊接质量受焊接工艺和操作人员技术水平的影响较大。2螺栓连接螺栓连接是指使用螺栓将两块或多块钢材连接在一起的方法。螺栓连接具有施工方便、易于拆卸、可重复使用等优点，但螺栓连接的强度相对较低，连接部位容易产生松动。钢结构的连接设计要点连接强度连接强度是指连接部位抵抗破坏的能力。在钢结构连接设计中，需要确保连接强度满足结构的安全要求，防止连接部位发生破坏。连接刚度连接刚度是指连接部位抵抗变形的能力。在钢结构连接设计中，需要根据结构的整体刚度要求，选择合适的连接方式和连接参数，以确保连接部位的刚度满足要求。连接耐久性连接耐久性是指连接部位在长期使用过程中抵抗环境侵蚀的能力。在钢结构连接设计中，需要采取防腐措施，提高连接部位的耐久性，延长结构的使用寿命。混凝土结构的配筋原理受拉区配筋混凝土的抗拉强度很低，在受弯构件中，受拉区容易产生裂缝。为了提高混凝土结构的抗拉强度，需要在受拉区配置钢筋，承担拉力。受压区配筋在受压构件中，配置钢筋可以提高混凝土结构的抗压强度和稳定性。此外，在受弯构件的受压区配置钢筋可以减小混凝土的受压应力，提高结构的延性。抗剪配筋在混凝土结构中，剪力会导致斜裂缝的产生。为了提高混凝土结构的抗剪强度，需要配置抗剪钢筋，如箍筋和弯起钢筋，抵抗剪力。混凝土结构的受弯构件设计截面设计根据荷载大小和材料强度，确定构件的截面尺寸和配筋量。强度验算验算构件的抗弯强度是否满足要求，防止构件发生破坏。裂缝控制控制构件的裂缝宽度，保证构件的正常使用和耐久性。挠度验算验算构件的挠度是否满足要求，保证构件的使用功能和美观。混凝土结构的受压构件设计1截面设计根据荷载大小和材料强度，确定构件的截面尺寸和配筋量。2强度验算验算构件的抗压强度是否满足要求，防止构件发生破坏。3稳定性验算验算构件的稳定性是否满足要求，防止构件发生失稳破坏。混凝土结构的抗剪设计确定剪力1配置箍筋2配置弯起钢筋3混凝土结构的抗剪设计是指采取措施提高混凝土结构抵抗剪力的能力，防止结构发生剪切破坏。抗剪设计的主要措施包括配置箍筋和弯起钢筋。箍筋是指垂直于构件轴线的钢筋，主要作用是抵抗剪力引起的斜裂缝的开展。弯起钢筋是指与构件轴线成一定角度的钢筋，主要作用是提高构件的抗剪强度。砌体结构的受压承载力计算fy材料强度砌体材料的强度是影响承载力的重要因素。A截面面积构件的截面面积越大，承载力越高。Ψ稳定系数考虑构件的稳定性影响。砌体结构的受压承载力计算是指计算砌体结构在受压荷载作用下的最大承载能力。砌体结构的受压承载力计算公式为：N≤φ*A*f，其中N为轴向压力，φ为稳定系数，A为截面面积，f为砌体材料的抗压强度。在计算砌体结构的受压承载力时，需要考虑砌体材料的强度、构件的截面尺寸、构件的稳定性和荷载的偏心距等因素。地基基础类型：浅基础、深基础浅基础浅基础是指埋置深度较浅的基础，通常适用于地基承载力较好、土层分布均匀的场地。常见的浅基础类型包括条形基础、独立基础和筏板基础。深基础深基础是指埋置深度较深的基础，通常适用于地基承载力较差、土层分布不均匀或上部结构荷载较大的场地。常见的深基础类型包括桩基础和沉井基础。浅基础的设计要点地基承载力验算验算地基承载力是否满足要求，防止地基发生破坏。基础沉降计算计算基础的沉降量，保证建筑物的正常使用功能。基础稳定验算验算基础的稳定性，防止基础发生倾覆或滑移。深基础的设计要点1单桩承载力计算计算单桩的竖向承载力、水平承载力和抗拔承载力。2桩基沉降计算计算桩基的沉降量，保证建筑物的正常使用功能。3桩基稳定验算验算桩基的稳定性，防止桩基发生倾覆或滑移。结构体系的选择原则安全性结构体系应具有足够的安全性，能够承受各种荷载作用，防止结构发生破坏。经济性结构体系应具有良好的经济性，在满足安全要求的前提下，降低工程造价。耐久性结构体系应具有良好的耐久性，能够抵抗环境侵蚀，延长结构的使用寿命。结构体系：框架结构定义由梁和柱组成的结构体系，梁和柱之间通过刚性连接或铰接连接。特点具有良好的抗弯性能和抗震性能，适用于建造多层或高层建筑。应用广泛应用于民用建筑、办公楼、酒店等领域。结构体系：剪力墙结构1定义由剪力墙组成的结构体系，剪力墙是指竖向布置的墙体，能够承受水平荷载。2特点具有良好的抗剪性能和抗震性能，适用于建造高层建筑。3应用广泛应用于高层住宅、办公楼等领域。结构体系：框架-剪力墙结构结合框架和剪力墙1提高抗震性能2适用于高层建筑3框架-剪力墙结构是指由框架和剪力墙共同组成的结构体系。框架承担竖向荷载，剪力墙承担水平荷载。框架-剪力墙结构结合了框架结构和剪力墙结构的优点，具有良好的抗弯性能、抗剪性能和抗震性能，适用于建造高层建筑。结构体系：筒体结构1外筒2内筒3核心筒筒体结构是指由一个或多个筒体组成的结构体系。筒体是指由密集的柱和梁组成的环形结构，具有很强的抗弯和抗扭能力。筒体结构适用于建造超高层建筑。筒体结构的主要类型包括外筒结构、内筒结构和核心筒结构。结构体系：空间结构网架结构由杆件组成的网格状结构，具有轻质高强的特点，适用于建造大跨度建筑。膜结构由柔性膜材组成的结构，具有造型美观、施工快捷的特点，适用于建造体育场馆、展览馆等。索结构由索组成的结构，具有轻质高强的特点，适用于建造桥梁、屋盖等。结构计算的基本方法：手算、电算手算手算是指使用计算器和公式进行结构计算的方法。手算适用于简单的结构计算，但计算量大，容易出错。电算电算是指使用计算机软件进行结构计算的方法。电算具有计算速度快、精度高、能够处理复杂结构等优点，是现代结构计算的主要方法。结构电算软件介绍1ANSYS通用有限元分析软件，功能强大，适用于各种结构的静力分析、动力分析、稳定性分析和非线性分析。2SAP2000专业的结构分析软件，适用于房屋建筑、桥梁、隧道等结构的分析和设计。3ETABS专门用于高层建筑结构分析和设计的软件，具有强大的建模和分析功能。结构分析：静力分析定义静力分析是指在静力荷载作用下，计算结构的内力、应力和变形的方法。方法静力分析的主要方法包括力法、位移法和有限元法。应用静力分析广泛应用于房屋建筑、桥梁、隧道等结构的分析和设计。结构分析：动力分析1定义动力分析是指在动力荷载作用下，计算结构的内力、应力和变形的方法。2方法动力分析的主要方法包括振型分解反应谱法、时程分析法和随机振动法。3应用动力分析广泛应用于高层建筑、桥梁、核电站等结构的抗震设计。结构稳定性的概念荷载1几何形状2材料3结构稳定性是指结构在荷载作用下保持原有平衡状态的能力。结构的稳定性受荷载、几何形状和材料等因素的影响。当荷载超过一定值时，结构可能发生失稳，导致结构的破坏或丧失使用功能。因此，在结构设计中，需要进行稳定性验算，确保结构具有足够的稳定性。结构稳定性的影响因素1截面形状2边界条件3荷载形式结构稳定性的影响因素包括荷载大小、荷载形式、结构几何形状、材料性能、边界条件等。荷载越大，结构越容易失稳。结构的几何形状对稳定性有很大影响，如细长杆件容易发生弯曲失稳。材料的弹性模量越高，结构越不容易失稳。边界条件对稳定性也有影响，如固定端比铰接端更稳定。结构抗震设计的基本原则1小震不坏在设防烈度下，结构不应损坏或轻微损坏，保证结构能够正常使用。2中震可修在设防烈度以上的地震作用下，结构可能发生损坏，但经过修复后仍能继续使用。3大震不倒在罕遇地震作用下，结构不应倒塌，保证人员生命安全。抗震设防分类甲类特别重要的建筑物，如重要的国家机关、重要的文物保护建筑等。乙类重要的建筑物，如大型的公共建筑、重要的工业建筑等。丙类一般的建筑物，如普通的民用建筑、工业建筑等。丁类次要的建筑物，如临时性建筑、简易建筑等。地震作用计算地震加速度根据地震烈度和场地条件，确定地震加速度。结构自振周期计算结构的自振周期。地震影响系数根据地震加速度和结构自振周期，确定地震影响系数。结构抗震措施：概念设计1规则性结构平面和立面应具有良好的规则性，避免出现突变或不连续。2整体性结构应具有良好的整体性，各构件之间应连接可靠。3延性结构应具有良好的延性，能够在地震作用下吸收能量，防止发生脆性破坏。结构抗震措施：构造措施加强连接1增加延性2设置防震缝3结构抗震构造措施是指在结构设计中采取的提高结构抗震性能的具体措施，包括加强构件连接、增加结构延性、设置防震缝等。加强构件连接可以提高结构的整体性，防止构件在地震作用下脱落。增加结构延性可以使结构在地震作用下吸收更多的能量，减小结构的破坏程度。设置防震缝可以减小地震作用对相邻结构的影响。结构耐久性的概念1长期使用2安全可靠3正常维护结构耐久性是指结构在预定的使用年限内，能够保持安全可靠、正常使用的能力。结构的耐久性受材料性能、环境条件、荷载作用和维护管理等因素的影响。提高结构的耐久性可以延长结构的使用寿命，降低结构的维护成本。结构耐久性的影响因素材料性能材料的强度、抗渗性、耐腐蚀性等都会影响结构的耐久性。环境条件温度、湿度、化学介质等环境因素会加速材料的degradation，降低结构的耐久性。荷载作用长期荷载作用会导致材料疲劳，降低结构的耐久性。提高结构耐久性的措施选择耐久性好的材料选择具有良好抗渗性、耐腐蚀性的材料，如高性能混凝土、耐候钢等。改善结构所处环境采取防腐措施，如涂刷防腐涂料、设置排水系统等，减缓环境对结构的侵蚀。合理设计结构避免结构出现应力集中，减小长期荷载作用的影响。加强维护管理定期检查和维护结构，及时发现和处理问题，防止结构损坏。结构防火设计的基本原则1控制火源采取措施防止火灾发生，如使用不燃或难燃材料、设置防火分隔等。2限制火势蔓延采取措施限制火势蔓延，如设置防火墙、防火门等。3保证人员疏散设置安全疏散通道，保证人员在火灾发生时能够安全疏散。防火等级划分一级耐火极限最高，适用于重要的公共建筑和高层建筑。二级耐火极限较高，适用于一般的公共建筑和多层建筑。三级耐火极限较低，适用于一般的民用建筑和低层建筑。四级耐火极限最低，适用于临时性建筑和简易建筑。防火措施1使用防火材料使用不燃或难燃材料，如防火涂料、防火板等。2设置防火分隔设置防火墙、防火门、防火卷帘等，将建筑物分隔成不同的防火分区。3设置自动灭火系统设置自动喷水灭火系统、气体灭火系统等，及时扑灭火灾。结构的检测与加固：检测方法外观检查1无损检测2荷载试验3结构的检测是指对结构的安全性、耐久性和使用功能进行评估的方法。常见的检测方法包括外观检查、无损检测和荷载试验。外观检查是指通过肉眼观察结构的表面状况，发现结构的缺陷和损伤。无损检测是指不损坏结构的前提下，利用各种仪器设备检测结构的内部状况。荷载试验是指对结构施加一定的荷载，检测结构的变形和应力，评估结构的承载能力。结构的检测与加固：加固方法1增大截面2外包钢3粘贴碳纤维结构的加固是指对已经损坏或承载能力不足的结构采取措施，提高其安全性、耐久性和使用功能的方法。常见的加固方法包括增大截面、外包钢和粘贴碳纤维。增大截面是指通过增加构件的截面尺寸，提高构件的承载能力。外包钢是指在构件的外部包裹钢板，提高构件的承载能力和延性。粘贴碳纤维是指在构件的表面粘贴碳纤维布，提高构件的承载能力和抗裂性能。结构设计规范体系介绍《建筑结构可靠性设计统一标准》规定了建筑结构可靠性设计的总则、基本要求和计算方法。《建筑结构荷载规范》规定了建筑结构设计中各种荷载的取值方法和组合方式。《混凝土结构设计规范》规定了混凝土结构设计的基本原则、计算方法和构造要求。《钢结构设计规范》规定了钢结构设计的基本原则、计算方法和构造要求。《砌体结构设计规范》规定了砌体结构设计的基本原则、计算方法和构造要求。钢结构设计规范详解材料钢材的强度等级、化学成分和力学性能要求。连接焊接、螺栓连接和铆钉连接的设计方法和构造要求。构件钢梁、钢柱、钢桁架等构件的强度、稳定性和刚度计算。混凝土结构设计规范详解材料混凝土的强度等级、配合比和耐久性要求。构件混凝土梁、混凝土柱、混凝土板等构件的强度、裂缝和挠度计算。构造钢筋的配置、保护层厚度和构造措施。砌体结构设计规范详解1材料砖、砌块和砂浆的强度等级和性能要求。2构件砌体墙、砌体柱和砌体拱的设计方法和构造要求。3构造圈梁、构造柱和防震缝的设置要求。高层建筑结构设计要点风荷载高层建筑的风荷载作用较大，需要进行专门的风洞试验。抗震高层建筑的抗震设计要求较高，需要采用先进的抗震技术。沉降高层建筑的沉降控制要求严格，需要进行详细的沉降计算。大跨度结构设计要点稳定性大跨度结构的稳定性是设计的关键，需要进行详细的稳定分析。挠度大跨度结构的挠度控制要求严格，需要采取措施减小挠度。连接大跨度结构的连接设计非常重要，需要确保连接的可靠性。复杂结构设计案例分析1建模建立精确的结构模型，包括构件的几何形状、材料性能和边界条件。2分析进行静力分析、动力分析和稳定性分析