第一章--结构设计方法1.ppt

1、结构设计方法： 研究工程结构设计中的各种不确定性问题，取得安全可靠与经济合理之间的均衡。 多种不确定性因素; (荷载作用、结构尺寸、材料强度；计算简图、计算理论与实际情况；人为错误）,第一章 结构设计方法,1.1 结构荷载,一.结构上的作用 使结构产生内力或变形的因素. 分类 按原因分： 直接作用荷载 间接作用收缩、温差、沉降、地震 其他作用,青海化工厂桥柱,青海化工厂桥面护栏,沈阳山海关高速公路路椽石,沈阳山海关高速公路冬季撤盐,沈阳山海关掺入硅灰、减水剂、超细粉煤灰的路缘石,二.荷载分类,按作用时间变异性可分为：,永久荷载 在设计基准期内，其作用值不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不

2、计，如自重、预压应力。 可变荷载 在设计基准期内，其作用值随时间变化，或其变化与平均值相比不可忽略不计，如楼面活载、车辆、风载。 偶然荷载 在设计基准期内不一定出现，但一旦出现其作用值很大，且持续时间较短，如、爆炸、撞击。,设计基准期进行结构可靠度分析时，考虑各项基本变量与时 间关系所取用的基准时间。 设计使用年限设计规定的结构或构件不需要进行大修即可按 其预定目的使用的时间。,按作用方向分类,竖向荷载，水平荷载,水平荷载,风荷载标准值计算公式,风压高度系数；,风载体形系数；,风振系数；,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 ，50年一遇最大值 v0（基本风速）换算

3、而来；,基本风压.,2. 风压高度系数,在梯度风高度范围内，任意高度z的风速与H高度风速的关系为,为地面粗糙指数，对于A、B、C、D类，分别为0.12、0.16、0.22、0.3。,查表,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。,3. 风载体型系数,由风速换算得到的风压是所谓来流风压。,房屋将对气流形成某种干挠。,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,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。,风的长周期较长； 风脉动周期只有几秒。,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

4、.25s高耸结构必须考虑脉动效应。,脉动增大系数；,脉动影响系数；,结构振型系数,对于规则结构可取z/H。,z,H,niu,地震作用,（一）基本概念,1.,是表征地震强弱的指标，是地震释放能量多少的尺度。 震级计算 用标准地震仪(周期0.8s，阻尼系数0.8，放大倍率2800倍)，在震中距100km处，记录以微米(lm)为单位的最大振幅的地动位移A的常用对数值。 M=logA(里氏震级),1）地震震级,2.地震震级与地震烈度,2）,基本烈度（设防烈度）： 重现周期为475年。,众值烈度（小震）： 重现周期为50年；众值烈度比基本烈度低1.55度；,罕遇烈度（大震）： 重现周期为1641年247

5、5年；罕遇烈度比基本烈度高1度。,又称为三水准的设防要求 “小震不坏，中震可修，大震不倒” 。,4 中国抗震设计规范（2001)设防目标：,5、抗震设计的要求,（1）足够的强度 （2）合理的刚度 （3）强的变形能力（延性） （4）良好的整体性 （5）精良的施工质量 （6）合理的造价。,(二),三.荷载代表值,1.2 结构设计的基本要求,结构设计的要求： 使设计的结构,在规定的设计使用年限内能够完成由其用途所决定的全部功能，投资和维修费用合理，经济效益高。,一.建筑结构的功能要求,工程设计最高境界,公元前256年公元前251年，李冰父子完成了都江堰的排、灌水利工程,如（MMu） 结构在预定的使用

6、期间内，应能承受在正常施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载、外加变形、约束变形等的作用。 在偶然事件发生，结构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。,1、安全性,结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。 不发生影响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振动（频率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。,2、 适用性,如f f lim,即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀），结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低，而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。,3、耐久性,可靠性：(三性总称) 结构在规定的使用期限内，在规定的条件下

7、，完成预定结构功能的能力。 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。,二.作用效应S,是指结构上的作用在结构上产生的内力、支座反力、变形、裂缝等效应的总称。 如弯矩M、轴力N、剪力V、扭矩T、挠度 f、裂缝宽度 w 等 荷载效应的计算由结构力学方法解决； 荷载效应一般同荷载值呈线性关系，即荷载效应可用荷载值乘以荷载效应系数方式表示。,三.结构抗力R,结构或构件承受作用效应的能力。 如抗弯、抗剪、抗压、抗裂度等。 结构抗力R：与结构材料截面尺寸、配筋情况等有关，可用下式表示： 确定结构抗力是本课程的主要内容。,R = R(fc, fs, a

8、k, A，h),概率统计理论。,四.结构设计原则,结构功能的表达,设计要求（原则）： S R,判别结构是否能够满足其功能要求的 标准。,（一）极限状态的定义： 规范 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，此特定状态称为该功能的极限状态。,1.3 规范极限状态及设计表达式,（二）极限状态的分类,超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求。 结构或构件达到最大承载力（包括疲劳）； 结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移）； 结构塑性变形过大而不适于继续使用； 结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰）； 结构或构件丧失稳定（受压构件的

9、压曲失稳）。,1、承载力能力极限状态,结构或构件达到最大承载力、出现疲劳破坏或不适于继续承载的变形。,2、正常使用极限状态,超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久性的功能要求。 过大的变形、侧移 影响非结构构件、不安全感、不能正常使用(吊车）等； 过大的裂缝 （钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）； 过大的振动（不舒适）； 其他正常使用要求。,下列破坏分别属于超出了什么极限状态？,A、雨棚出现倾覆 B、出现了很大的裂缝 C、结构变成了机动体系 D、发生了失稳破坏 E、出现了很大的振动 F、超过了构件强度而破坏,（三） 规范极限状态设计表达式,1.承载力能力极限状态设计表达式,(1) g0 结

10、构重要性系数,psi psai,结构的安全等级或设计使用年限,安全等级I级或使用年限100y，1.1 安全等级II级或使用年限50y，1.0 安全等级III级或使用年限5y，0.9,建筑结构的安全的等级 建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068-2001）将建筑结构分为三级。 一级建筑 破坏后果很严重的重要建筑物 二级建筑 破坏后果严重的一般建筑物 三级建筑 破坏后果不严重的次要建筑物,(2)S荷载效应组合设计值；,基本组合,由可变荷载效应控制的组合,由永久荷载效应控制的组合,G_永久荷载分项系数，当其效应对结构不利时：对由可变荷载效应控制的组合，应取1.2；对由永久荷载效应控制的组合，应取

11、1.35。 当其效应对结构有利时：一般情况下取1.0，对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9；,Q_可变荷载分项系数，一般情况下应取1.4；对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载应取1.3 ；,SGK 按永久荷载标准值计算的荷载效应值；,SQiK 按可变荷载标准值QiK计算的荷载效应值，其中SQ1K为诸可变荷载效应中起控制作用者 。,Ci_可变荷载的组合值系数，应分别按规定采用；,对于一般排架、框架结构，基本组合可采用简化规则:,由永久荷载效应控制的组合,按组合值中取最不利值确定,例 （一）计算标准荷载效应 1.均布恒载gk产生的跨中弯矩MGK MGK=1/8852=25(KN.

12、M) 2.均布活载qk产生的跨中弯矩MqK MqK= 1/8652=18.75(KN.M) 3.集中可变荷载QK产生的跨中弯矩MQK=1/4105=12.5(KN.M) （二）荷载效应组合（基本荷载组合） 1.可变荷载控制,G=1.2 q= Q=1.4 M=S= G MGK+ q MqK+ Q c2 MqK,M=1.225+1.418.75+1.40.712.5 =68.5(KN.M) 2.用简化公式计算 M=1.225+0.9（1.418.75+1.412.5） =69.38(KN.M) 3.由永久荷载控制,G=1.35 q= Q=1.4 c1= c2=0.7 M=S= G MGK+ q c1 MqK+ Q c2 MqK M=1.3525+1.40.71