混凝土结构基本原理_第9章_混凝土结构设计一般原则和方法

第10章 混凝土结构设计 的一般原则和方法,第10章 混凝土结构设计的一般原则和方法,10.1.1 建筑结构的概念及其基本形式,建筑结构：房屋建筑的空间受力骨架体系，由竖向承重结构、水 平承重结构和下部结构组成。,建筑结构的功能：满足使用和美观的需求，并且抵御自然界 的各种作用,建筑结构的分类： （1）按用途：工业厂房结构和民用建筑结构； （2）按体型和高度：单层结构、多层结构、高层结构和大跨结构； （3）按材料：钢筋混凝土结构、钢结构、砌体结构、木结构、薄膜 充气结构； （4）按主要结构型式：墙体结构、框架结构、筒体结构、拱结构、 网架结构、空间薄壁结构。,10.1.2 混凝土建筑结构的形式,混凝土结构：素混凝土结构 钢筋混凝土结构 预应力混凝土结构 钢-混凝土组合结构 钢骨混凝土结构 钢管混凝土结构 FRP混凝土结构,常用的混凝土建筑结构形式：单层混凝土建筑结构 多高层混凝土建筑结构 大跨结构,10.1.3 建筑结构设计的程序和内容,1 基本建设工作程序,介入质监和监理工作,基本建设工作程序和内容,10.1.3 建筑结构设计的程序和内容,2 房屋建筑工程的设计阶段,（1）方案设计阶（scheme design） （2）初步设计阶段（preliminary design） （3）技术设计阶段（technical design） （4）施工图设计阶段（working drawing design）,结构方案的确定：确定结构形式 确定结构体系 是结构设计中最重要的一项工作，关系着结构设计成败的关键。,第10章 混凝土结构设计的一般原则和方法,10.1.4 混凝土建筑结构的分析方法,结构分析：确定计算简图和分析方法 进行荷载（作用）计算 结构内力分析 配筋计算，构造措施,1 基本原则,对混凝土结构，合理地确定力学模型和选择分析方法是提高设计质量、确保结构安全可靠的重要环节。,基本原则： （1）按建筑结构荷载规范(GB 50009-2010)及建筑抗震设 计规范(GB 50011-2010)等国家标准规定的作用（荷载） 及其组合，进行作用效应分析；,第10章 混凝土结构设计的一般原则和方法,10.1.4 混凝土建筑结构的分析方法,1 基本原则,（2）结构在施工和使用期的不同阶段有多种受力状况时，应分 别进行结构分析； （3）结构分析所采用的计算图形、边界条件、荷载的取值与组 合、材料性能的计算指标、初始应力和变形状况等，应符 合实际情况并有相应的构造措施； （4）结构分析方法基于三类基本方程：平衡方程、变形协调方 程和材料本构方程； （5）宜根据结构类型、构件布置、材料性能和受力特点选择合 理的分析方法； （6）电算结果应经判断和校核。,第10章 混凝土结构设计的一般原则和方法,10.1.4 混凝土建筑结构的分析方法,线弹性分析方法 考虑塑性内力重分布的分析方法 塑性极限分析方法 非线性分析方法 试验分析方法,2 各种分析方法,小结：,建筑结构是房屋建筑的空间受力骨架体系，由竖向承重结构、水平承重结构和下部结构三部分组成。 混凝土结构是指以普通混凝土为主制作的结构，是土木建筑中应用最多的一种结构形式。 建筑结构设计是在可靠与经济之间选择一种平衡，房屋建筑工程可分为方案设计、初步设计、技术设计和施工图设计四个阶段。 混凝土结构设计中常用的计算方法有线弹性分析方法、考虑塑性内力重分布的分析方法、塑性极限分析方法、非线性分析方法和试验分析方法，应根据结构的重要性和使用要求、结构体系的特点、荷载（作用）状况、要求的计算精度等合理选择。,第10章 混凝土结构设计的一般原则和方法,10.2.1 结构上的作用与荷载,1 结构上的作用与荷载,作用（action）的定义及分类 定义 作用使结构产生内力或变形的原因 分类 直接作用 如：各种荷载（load）（重力、风力）作用 仅与外部因素有关，与结构本身的力学特性无关 间接作用 如：地震、收缩、温度变化、沉降、徐变、侵蚀、冻融等 不仅与外部因素有关，还与结构本身的力学特性有关,第10章 混凝土结构设计的一般原则和方法,10.2.2 荷载的分类,作用效应（荷载效应，effect of an action）,作用效应（或荷载效应）是泛指结构上的作用（或荷载）使结构产生的内力（例如弯矩、剪力、轴力或扭矩）、变形、裂缝等。 荷载的分类 永久荷载（permanent load，恒荷载） 在设计使用期内，若： 其值不随时间而变化， 其变化与平均值相比可以忽略不计， 其变化是单调的并能趋于限值， 则为永久荷载。如：结构自重、土压力、预应力等。,第10章 混凝土结构设计的一般原则和方法,10.2.2 荷载的分类,可变荷载（variable load，活荷载）,在设计使用期内，若：荷载 数值、作用位置随时间而变化， 且其变化程度与平均值不可忽略， 则为可变荷载。如：面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等。 偶然荷载（accidental load） 在设计使用期内，若荷载： 不一定出现， 一旦出现，其值很大且持续时间很短， 则为偶然荷载。如爆炸力、冲击力等。,第10章 混凝土结构设计的一般原则和方法,10.2.3 荷载的代表值,永久荷载的代表值,实际作用在结构上的荷载大小具有不确定性，应视为随机变量，采用数理统计的方法处理。 荷载的标准值（characteristic value/nominal value）是具有一定概率的最大荷载值，它是荷载的基本代表值。,可变荷载的代表值：标准值、准永久值、频遇值和组合值 永久荷载的代表值：标准值。,第10章 混凝土结构设计的一般原则和方法,10.2.3 荷载的代表值,永久荷载的代表值,在结构设计基准期T中具有不被超越的概率为pk的荷载。,第10章 混凝土结构设计的一般原则和方法,10.2.3 荷载的代表值,可变荷载的代表值,可变荷载的标准值Qk,荷载标准值实际上是结构在使用期间，在正常情况下，可能出现的具有一定保证率的偏大荷载值 建筑结构荷载规范规定的荷载标准值，大部分仍沿用或参照了传统习惯的数值,可变荷载的组合值Qc,可变荷载的准永久值Qq,可变荷载的频遇值Qf,第10章 混凝土结构设计的一般原则和方法,10.2.4 竖向荷载,楼面及屋面荷载,永久荷载,对结构自重，可根据结构的设计尺寸和材料的重力密度确定,民用建筑楼面均布活载,指的是房屋中生活或工作的人群及使用的家具、设备等分楼面产生的（等效）均布重力荷载。,第10章 混凝土结构设计的一般原则和方法,10.2.4 竖向荷载,第10章 混凝土结构设计的一般原则和方法,10.2.4 竖向荷载,第10章 混凝土结构设计的一般原则和方法,10.2.4 竖向荷载,第10章 混凝土结构设计的一般原则和方法,10.2.4 竖向荷载,第10章 混凝土结构设计的一般原则和方法,10.2.4 竖向荷载,第10章 混凝土结构设计的一般原则和方法,10.2.4 竖向荷载,积雪荷载,第10章 混凝土结构设计的一般原则和方法,10.2.4 竖向荷载,积雪荷载,屋面水平投影面上的雪荷载标准值（kN/m2）按下式计算： Sk雪荷载标准值（kN/m2）； ur屋面积雪分布系数； S0基本雪压，当地空旷平坦地面上根据气象记录资料经统计得到的在结构使用期间（一般为50年）可能出现的最大雪压值。,第10章 混凝土结构设计的一般原则和方法,10.2.4 竖向荷载,积雪荷载,第10章 混凝土结构设计的一般原则和方法,10.2.4 竖向荷载,单跨双坡屋面积雪分布系数,单跨双坡屋面雪载分布 注意： a.对于双坡屋面，雪滑移一方面会使屋面形成不平衡的积雪荷载分布，另一方面滑落的雪堆积在与坡面邻接的较低屋面上，将引起很大的局部堆积雪荷载。 b.对于双坡屋面，风作用一方面使总的屋面积雪减少，但爬坡风效应又会引起不平衡的屋面积雪荷载。,第10章 混凝土结构设计的一般原则和方法,10.2.5 风荷载,式中 基本风压值（kN/m2），是以当地比较空旷平坦地面上离地10m高处统计所得的50年一遇10分钟平均最大风速为标准确定的风压值； 高度z处的风振系数； 风压高度变化系数； 风荷载体型系数。,垂直于建筑物表面上的风荷载标准值 （kN/m2）按下式计算：,风荷载,第10章 混凝土结构设计的一般原则和方法,10.2.5 风荷载,风荷载,第10章 混凝土结构设计的一般原则和方法,风荷载,10.3.1 结构的功能要求,结构的安全等级 根据破坏时可能产生后果的严重程度，我国将建筑结构分为三个安全等级： 建筑结构的安全等级 GB50068-2001表1.0.8 划分结构安全等级的依据主要是其用途 对部分特殊构件可根据其重要程度作适当调整,结构的设计使用年限（design working life）,设计使用年限是指设计中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期。 不等同于结构的寿命 是计算结构可靠度所依据的年限 通常按建筑结构可靠度设计统一标准GB50068-2010确定 经主管部门批准后，也可按业主的要求确定 各类工程结构的设计年限不应统一，如大坝、桥梁 对于一般的建筑结构，设计使用年限为50年,设计使用年限分类 GB50068-2010表1.0.5,结构的功能要求,结构设计需要满足的基本要求是：使结构在设计使用年限内，在正常使用、维护条件下，应保持其各项功能，而不需进行大修加固。建筑结构应满足的功能要求可概括为：安全性、适用性、耐久性 安全性 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（如温度和收缩变形受到约束时）等所有可能的作用。 在偶然事件（如地震、爆炸）发生时和发生后，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。,适用性,结构在正常使用期间，应具有良好的工作性能。如： 不发生影响正常使用的过大的变形、振动， 不产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。 耐久性 结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。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， 不会导致结构在其预定的设计使用年限内丧失安全性和适用性，降低使用寿命,3.1.3 结构的极限状态,极限状态（limit state）的定义 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指定的某一功能要求，此特定状态就称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“失效” 或“不可靠” 。 区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限状态”，它是结构开始失效的标志。,极限状态的分类,承载能力极限状态 结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形状态，称为承载能力极限状态。具体包括： 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）； 结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），或因过度变形而不适于继续承载； 结构转变为机动体系； 结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）； 地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）。 一旦超过承载能力极限状态，结构或构件就不能满足安全性要求，后果严重。,正常使用极限状态,结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项规定限度的状态，称为正常使用极限状态。具体包括： 影响正常使用或外观的变形 （影响非结构构件、不安全感、不能正常使用等）； 影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）； 影响正常使用的振动（不舒适）； 影响正常使用的其他特定状态。 一旦超过正常使用极限状态，结构或构件就不能保证适用性、耐久性的功能要求。 正常使用极限状态不涉及安全性，破坏的后果不如承载能力极限状态严重。,3.1.4 极限状态方程,作用效应S 结构上的作用使结构产生的内力（如：弯矩M、轴力N、剪力V