混凝土结构设计的一般原则和方法

1、第十章 混凝土结构设计的一般原则与方法,课件制作与审查：张卫东,本章的主要内容 1.建筑结构设计的一般原则； 2.建筑结构荷载； 3.结构的功能要求和极限状态； 4.按近似概率的极限状态设计法； 5.实用设计表达式,10.1 建筑结构设计的一般原则,建筑结构的组成和类型 组成：建筑结构是建筑物的受力主体，以室外地面为界，分为上部结构和下部结构两部分。 上部结构：水平结构体系和竖向结构体系组成。 下部结构：主要由地下室和基础组成。 类型：以上部结构的结构类型命名。 结构材料：砌体、混凝土、钢、组合和混合结构 竖向结构体系：排架、框架、剪力墙、框剪和筒体结构等,二 建筑结构设计的阶段和内容 1工程

2、建设三环节:工程勘察、工程设计和工程施工。 2. 建筑结构设计是工程设计的重要组成部分，一般分为三个阶段：初步设计、技术设计和施工图设计。,10.1 建筑结构设计的一般原则,三 建筑结构设计的一般原则 安全、适用、耐久和经济合理 具体设计原则见P2。,一、作用： 作用是使结构产生内力、变形或应力、应变的所有原因。 直接作用：施加在结构上的集中和分布荷载，简称荷载 间接作用：引起结构外加变形和约束变形的其他作用（如混凝土收缩，地基沉降，温度变化、地震等）。,10.2 建筑结构荷载,二、荷载的分类 按作用时间长短：永久荷载、可变荷载、偶然荷载 永久荷载：在结构使用期间，其值不随时间变化，或其变 化

3、与平均值相比可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于 限值的荷载。例如结构自重、土压力、预应力等。 可变荷载：在结构使用期间，其值随时间变化，且变化与 平均值相比不可以忽略不计的荷载。例如楼面活荷载、屋面 活荷载和积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等。 偶然荷载：在结构使用期间不一定出现，一旦出现，其 值很大且持续时间很短的荷载。例如爆炸力、撞击力等 按空间位置变异：固定荷载、移动荷载 按结构对荷载的反应性质：静力荷载、动力荷载,10.2 建筑结构荷载,三、荷载的代表值 建筑结构荷载规范给出了自重荷载代表值，即标准值、 组合值、频遇值和准永久值。荷载的标准值是荷载的基本代 表值。指结构在使用期间

4、可能出现的最大荷载值。荷载标准 值统一由设计基准期（50年）最大荷载概率分布的某个分位 值来确定，有永久荷载标准值（Gk)和可变荷载标准值（Qk）。 荷载规范规定： 对永久荷载应采用标准值作为代表值。 对可变荷载应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值。 对偶然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表值。,10.2 建筑结构荷载,可变荷载组合值：当结构同时承受两种或两种以上的可变荷 载时，考虑到荷载同时达到最大值的可能性较小，因此除主 导荷载（产生最大荷载效应的荷载）仍以其标准值为代表值 外， 对其它伴随荷载，可以将它们的标准值乘以一个小于 或等于1的荷载组合系数作为代表值，称

5、为可变荷载组合值。 可变荷载频遇值：在设计基准期内，其超越的总时间为规定的 较小比率或超越频率为规定频率的荷载值。它相当于在结构上 时而或多次出现的较大荷载，但总是小于荷载的标准值。,10.2 建筑结构荷载,其值等于可变荷载标准值乘以可变荷载频遇值系数： 可变荷载准永久值在设计基准期内，其超越的总时间约为设计 基准值一半（可以理解为总持续时间不低于25年）的荷载值， 也就是经常作用于结构上的可变荷载。 其值等于可变荷载标准值乘以可变荷载准永久值系数：,10.2 建筑结构荷载,四、竖向荷载： 1.楼、屋面荷载（恒荷载和活荷载） 1）、民用建筑楼面均布活荷载 楼面活荷载是指作用在楼面上的人员、家具

6、、设备等荷载。 按楼面等效均布活荷载的确定方法，将实际荷载换算成为等效均布活荷载，再经统计分析后，确定活荷载的标准值。具体数值查阅建筑结构荷载规范，由于活荷载不可能满布（同时），故在设计梁、墙、柱和基础时会做一些折减，具体见下表：,10.2 建筑结构荷载,10.2 建筑结构荷载,表1.2 楼面活荷载折减系数,10.2 建筑结构荷载,表1.3 活荷载按楼层数的折减系数,四、竖向荷载： 2）、工业建筑楼面均布活荷载 具体数值查阅建筑结构荷载规范，局部荷载可按实际情况考虑，一般采用等效均布活荷载的形式进行处理。 3）、屋面活荷载 屋面上的活荷载因“上人”和“不上人”而不同。上人的屋面承受人群和施工检

7、修等荷载；不上人的屋面只承受施工检修时施工、检修人员以及堆料等重力。具体见表10-2，注意表注、屋面均布活荷载不与雪荷载同时组合。,10.2 建筑结构荷载,四、竖向荷载： 2.雪荷载 雪荷载是指房屋上由积雪而产生的荷载。 雪荷载是作用在屋面上的。荷载规范规定，屋面水平 投影面上的雪荷载标准值，应按下式计算： 基本雪压是雪荷载的基准压力，一般按当地空旷平坦地面 上积雪自重的观测数据，经概率统计得出50年一遇最大值确定。 屋面上的雪荷载标准值不等于基本雪压，而应将基本雪压 乘以屋面积雪分布系数r。屋面积雪分布系数r的意义是基本 雪压换算为屋面水平投影面上的雪荷载的换算系数。,10.2 建筑结构荷载

8、,屋面积雪分布系数,10.2 建筑结构荷载,雪荷载的组合值系数可取0.7；频遇值系数可取0.6；准永久值系数应按雪荷载分区、和的不同，分别取0.5、0.2、0；雪荷载分区应按规范中的规定采用。 设计建筑结构及屋面的承重构件时，可按下列规定考虑积雪的分布情况： 屋面板和檩条按积雪不均匀分布的最不利情况考虑； 屋架和拱壳可分别按积雪全跨均匀分布、不均匀分布和半跨均匀分布的情况考虑； 框架和柱可按积雪全跨均匀分布情况考虑。,10.2 建筑结构荷载,五、风荷载 风荷载包括由顺风向得平均风引起的静力风荷载、与平均风方向一致的顺风向脉动风荷载和与平均风方向垂直的横风向脉动风荷载。 风荷载的大小与基本风压、

9、风压高度变化系数、风荷载体型系数和风振系数有关。荷载规范规定，垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，应按下述公式计算： （1） 当计算主要承重结构时 （2） 当计算围护结构时,10.2 建筑结构荷载,基本风压是风荷载的基准压力，一般按当地空旷平坦 地面上10m高度处10min平均的风速观测数据，经概率统 计得出50年一遇最大值确定的风速，再考虑相应的空气 密度，按公式w0=pv02/2确定的风压值。 基本风压可从荷载规范附录中查得，注意基本 风压不得小于0.3kN/m2。 风荷载的组合值、频遇值和准永久值系数可分别取 0.6、0.4、0。,10.2 建筑结构荷载,风压高度变化系数 风速是随距地面的

10、高度增加而增加的，故风压也是随离地 面高度增加而增加的。风速随高度的变化规律主要取决于地面 的粗糙程度。但当离地面450m以上时，风速即不受地面粗糙程 度的影响，风压高度变化系数为常数。 地面粗糙度是指风在到达结构物以前吹越过2km范围内的地 面时，描述该地面上不规则障碍物分布状况的等级。规范将地 面粗糙度分为A、B、C、D四类。 A类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；,10.2 建筑结构荷载,B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的 乡镇和城市郊区 C类指有密集建筑群的城市市区； D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。 风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面上所引起的实际 压力（

11、或吸力）与基本风压的比值，它描述的是建筑物表面 在稳定风压作用下的静态压力的分布规律，主要与建筑物的 体型和尺度有关，也与周围环境和地面粗糙度有关。 几种常见体型建筑物的风荷载体型系数见下表：,10.2 建筑结构荷载,荷载规范规定，以风振系数z来描述动力反应的 影响。 规定对于高度大于30m且高宽比大于1.5的房屋结构， 以及基本自振周期T1大于0.25s的塔架、桅杆、烟囱等高耸结 构，应采用风振系数来描述风压脉动的影响，具体计算方法 见规范。 对于高度低于30m或高宽比小于1.5的房屋以及自振周 期T10.25s的塔架、桅杆、烟囱等高耸结构，取z=1.0。,10.2 建筑结构荷载,一、结构的

12、功能要求 1、结构的安全等级 根据结构破坏可能产生后果的严重性来划分。,10.3 结构的功能要求和极限状态,一、结构的功能要求 2、结构的设计使用年限 设计使用年限是指设计规定的结构或结构构件不需进行大 修即可按其预定目的使用的时期。,10.3 结构的功能要求和极限状态,3、建筑结构的功能：可靠性问题 建筑结构在规定的期限内（设计基准期50年），在规 定的条件下预期完成的功能。分为三项： （1）安全性：结构能够承受正常施工，正常使用过程中可 能出现的各种荷载和变形，并在偶然事件发生时，仍能保持整体 稳定性。 （2）适用性：正常使用期间具有良好的工作性能，不产生 过大变形、振幅，不发生足以让使用

13、者不安的过宽的裂缝等。 （3）耐久性：结构在正常使用和正常维护条件下具有足够 的耐久性。如：混凝土严重风化、腐蚀、钢筋锈蚀等。,10.3 结构的功能要求和极限状态,1、极限状态定义 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，此特定状态为该功能的极限 状态。 结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可 靠”的或“有效”的。反之，则结构为“不可靠”或“失 效”。 区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极 限状态”。,10.3 结构功能的极限状态,1. 承载能力极限状态(the Ultimate Limit State) 结构或构件达到最大承载力，疲劳破

14、坏或不适于继续承载 的变形称为承载能力极限状态。 整个结构或一部分失去平衡；（如阳台、雨蓬倾覆，挡土墙滑移） 结构构件及连接用超过材料强度而破坏或同过度的塑性变 形而不适于继续承载（如材料被压碎，锚固筋被拔出）； 结构变为机动体系。（梁出现塑性铰）； 结构或构件丧失稳定性。（细长柱被压屈）； 地基丧失承载能力而破坏。,10.3 结构功能的极限状态,2. 正常使用极限状态(the Serviceability Limit State) 结构或构件达到正常使用或耐久性的某项限值规定，称为正 常使用极限状态。 结构的变形达到使用和外观要求的限值； 结构产生影响正常使用载耐久性的局部损坏； 结构发生影

15、响正常使用的振动； 影响结构正常使用的其它特定状态。,10.3 结构功能的极限状态,极限状态方程 结构功能函数：用作用效应S和结构抗力R关系式描述结构构件工作状态的函数。 Z=R-S（随机变量） Z=R-S0 结构可靠 Z=R-S0 结构的极限状态方程（极限状态） Z=R-S0 结构失效 在结构设计中，不仅仅只考虑结构的承载能力，有时还要考虑结构的适用性和耐久性，则极限状态方程可推广为： Z=g（x1,x2,x3,），g（）功能函数 以后各章进一步具体化。 由于结构抗力和荷载效应的随机性，安全可靠应该属于概率的范畴，而不是一个定值来衡量。,10.3 结构功能的极限状态,一、结构的可靠度 单一安

16、全系数法不能反映结构的实际失效情况。 结构可靠度是结构可靠性的定量指标，指结构在规定时间（设计使用年限=50年）内，在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护），完成预定功能的概率。 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(经济的概念不仅包括第一次建设费用，还应考虑维修，损失及修复的费用)。 显然这种可靠与经济的均衡受到多方面的影响，如国家经济实力、设计工作寿命、维护和修复等。,10.4 按近似概率的极限状态设计法,二、可靠指标与失效概率 1.失效概率 由于实际结构中的不确定性，因此无论如何设计结构，都会有失效的可能性存在，只是可

17、能性大小不同而已。 为了科学定量的表示结构可靠性的大小，采用概率方法是比较合理的。,失效概率越小，表示结构可靠性越大。因此，可以用失效概率来定量表示结构可靠性的大小。结构可靠性的概率度量称为结构可靠度。,失效概率,Pf = P (S R),当失效概率Pf小于某个值时，人们因结构失效的可能性很小而不再担心， 即可认为结构设计是可靠的。该失效概率限值称为容许失效概率Pf。,Ps = P (S R) =P(Z 0),与Pf关系： 1) R与S相差愈大，也愈大，结构愈可靠； 2) R与S愈小，即离散性愈小，也愈大，结构愈可靠。,10.4 按近似概率的极限状态设计法,直接采用可靠指标进行设计计算繁杂、统

18、计数据不全，采用该设计方法没有必要，建筑结构设计统一标准提出了一种便于实际使用的设计表达式，把荷载、材料、截面尺寸、计算方法等运用概率方法分析，以荷载和材料强度标准值和其分项系数相联系来表达方式，其中的分项系数根据目标可靠指标，并考虑工程实际经验而确定的。 一、分项系数 设抗力的标准值RK，（尽可能小的抗力），设荷载效应的标准值SK，（尽可能大的荷载）。 定义R，S分别为承载力分项系数和荷载分项系数（主要是通过对可靠指标的分析及工程经验校准确定），则有：,10.5 实用设计表达式,二、荷载效应组合 荷载规范：分为基本组合、偶然组合、标准组合、频遇组合和准永久组合。 承载能力极限状态：基本组合和偶然组合 正常使用极限状态：标准组合、频遇组合和准永久组合,10.5 实用设计表达式,三、承载能力极限状态设计表达式 可变荷载效应控制 永久荷载效应控制 一般排架框架结构表达式（可变荷载控制）可简化表示为： 永久荷载控制不可简化。,10.5 实用设计表达式,四、正常使用极限状态设计表达式 验算内容：结构构件的变