结构设计方法与设计指标.pptx

1 结构设计方法与设计指标,21 建筑结构荷载,2-2 建筑结构的设计方法,2-3 建筑结构材料的设计指标,2-4 建筑结构抗震设防简介,21 建筑结构荷载,一、结构上的作用 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（内力和变形）。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。,1.直接作用 直接作用是指直接以力的不同集结形式（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。2.间接作用 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。,结构上的“作用”,使结构或构件产生效应(内力、变形、裂缝等)的各种原因的总称,直接作用,间接作用,是指直接以力的不同集结形式（集中力或均布力）施加在结构上的作用。,是指能够引起结构外加变形和约束变形，从而产生内力效应的各种原因。,21 建筑结构荷载,21 建筑结构荷载,二、荷载的分类 在实际工程中，结构常见的作用多为直接作用，即通常说的荷载。所以本书介绍的内容以直接作用为主。按照不同的分类方法可将荷载进行不同的分类。按其随时间的变异性可分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载。按荷载的作用范围可分为集中荷载和分布荷载。,21 建筑结构荷载,可变荷载(活荷载),永久荷载(恒荷载),在结构设计基准期内，其作用量值随时间而变化，其变化幅度与平均值相比不可忽略不计的荷载。,在结构设计基准期内，其作用量值不随时间变化，或其变化幅度与平均值相比可以忽略不计,或变化单调并趋于限值的荷载。,(随时间的变异性分类)一 荷载的分类,偶然荷载,在结构设计基准期内不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短的荷载。,21 建筑结构荷载,例如：,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.分布荷载 分布荷载是指荷载连续地分布在整个结构或结构某一部分上。其中分布荷载又包括体荷载、面荷载、线荷载。,21 建筑结构荷载,体荷载是指分布在物体的体积内的荷载，单位是N/mm3或kN/m3，常用表示。面荷载是指分布在物体表面的荷载，单位是N/mm2或kN/m2，常用p表示。线荷载是指将面荷载、体荷载简化成连续分布在一段长度上的荷载，单位是N/mm或kN/m，常用q表示。,三、荷载的代表值,21 建筑结构荷载,结构或构件设计时，根据不同极限状态的设计要求所采用的荷载量值成为荷载代表值。1.永久荷载采用标准值为代表值。2.可变荷载采用标准值、组合值、频遇值和准永久值为代表值。3.偶然荷载按使用的特点确定代表值。,荷载标准值,荷载标准值是指在结构使用期间，在正常情况下可能出现的最大荷载值。,永久荷载标准值G k可按结构构件的设计尺寸和材料重力密度计算确定，荷载规范中给出了常用材料和构件的自重。表2-1可变荷载标准值Q k可直接查荷载规范得出。表2-2,21 建筑结构荷载,可变荷载组合值,当结构承受两种或两种以上可变荷载时，考虑它们同时达到各自最大值的可能性很小，故除主导可变荷载取其标准值外，其他可变荷载均乘以小于1.0的组合系数作为可变荷载组合值。,其值Q k 荷载组合值系数 C 荷载组合值系数由荷载规范得,表2-2,21 建筑结构荷载,可变荷载频遇值,可变荷载在设计基准期内被超越的总时间仅为设计基准期的一小部分或超越频率为规定频率的荷载值，称为可变荷载频遇值。,其值Q k 荷载频遇值系数f 荷载频遇值系数由荷载规范得,表2-2,21 建筑结构荷载,可变荷载准永久值,在设计基准期内被超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值，称可变荷载准永久值。其具有总持续时间较长的的特点，对结构的影响类似于永久荷载。,其值 Q k 荷载准永久值系数 荷载准永久值系数由荷载规范得,表2-2,21 建筑结构荷载,四、荷载的计算,21 建筑结构荷载,例如，某矩形钢筋混凝土梁，bh=250mm500mm，计算跨度l0=7m。查表3-1取钢筋混凝土自重25kN/m3，则该梁的自重荷载W为：沿跨度方向均匀分布的自重标准值q为：或 可变荷载标准值（Qk）是根据观测资料和实验数据，并考虑工程实践经验而确定，可由荷载规范各章中的规定确定。表3-2列出部分民用建筑楼面均布活荷载标准值。,如一钢筋混凝土梁，已知梁长、截面积、材料重度，就可以计算出自重荷载等于重度乘以体积；若此梁单元为等截面，则梁单位长度上的自重线荷载q等于自重荷载除以梁长或重度乘以梁横截面积。,2-2 建筑结构的设计方法,适用性,安全性,结构在正常使用期间应具有良好的工作性能。例如，不发生过大的变形、振幅、过宽的裂缝等，以免影响正常使用。,结构应能承受在正常施工和正常使用的情况下能承受出现的各种作用，以及在偶然事件发生时及发生后，结构仍能保持必需的整体稳定性，不致发生倒塌。,耐久性,结构在正常维护条件下，具有足够的耐久性能，以保证能够正常使用到预定的设计使用期限。例如，抑制砼的风化、腐蚀以及钢筋的锈蚀。,一、结构的功能要求,结构的可靠性,在规定的时间内（设计使用年限），在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维修），结构完成预定功能（安全性、适用性、耐久性）的能力,是指结构在设计使用年限内，在正常设计、施工、使用和维护的条件下完成预定功能的概率。,安全性、适用性、耐久性的统称,结构的可靠度,结构完成预定功能的能力不能事先确定，只能用概率来描述。,2-2 建筑结构的设计方法,设计基准期和设计使用年限,为确定可变荷载代表值及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数。（我国取用的设计基准期为50年）必须说明：当结构的使用年限达到或超过设计基准期后，并不意味结构立即报废，而只意味结构的可靠度将逐步降低。,是设计规定的一个期限，是指按规定指标设计的建筑结构或构件，在正常施工、正常使用和维护下，不需进行大修即可达到其预定功能要求的使用年限。,2-2 建筑结构的设计方法,能够满足功能要求,不能满足功能要求,特定状态,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时的状态,结构或结构构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值时的状态,二、结构的极限状态,2-2 建筑结构的设计方法,（1）整个结构或一部分作为刚体失去平衡；（2）结构构件或连接因材料强度不足而破坏（包括疲劳破坏），或因过度的塑性变形而不适于继续承载；（3）结构变为机动体系；（4）结构或构件丧失稳定性；（5）地基丧失承载能力而破坏；,1.承载能力极限状态,安全性,2-2 建筑结构的设计方法,对应于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，超过这一极限状态，结构或结构构件便不能满足安全性的功能要求。,2-2 建筑结构的设计方法,（1）影响正常使用及外观的变形；（2）影响正常使用或耐久性的局部损坏；（3）影响正常使用的振动；（4）影响结构正常使用的其它特定状态。,2.正常使用极限状态,适用性,耐久性,2-2 建筑结构的设计方法,对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定的限值。超过这一极限状态，结构或结构构件便不能满足适用性或耐久性的功能要求。,2-2 建筑结构的设计方法,2-2 建筑结构的设计方法,（一）极限状态方程 结构和结构构件的工作状态可以用作用效应S和结构抗力R的关系式来描述：(3-2)式中 Z结构极限状态功能函数；R结构抗力;S作用效应.,三、极限状态设计表达式,2-2 建筑结构的设计方法,（二）承载力极限状态实用设计表达式1.设计表达式 承载能力极限状态设计时应采用下列表达式:(3-3)式中 结构件的重要性系数，如表3-4所示；S 承载能力极限状态的荷载效应组合设计值；R结构构件的抗力设计值。,2-2 建筑结构的设计方法,2.结构构件的重要性系数 我国建筑结构可靠度设计统一标准将建筑结构划分为三个安全等级，设计时应根据具体情况，按表3-4的规定选用适当的安全等级。,3.荷载效应组合设计值 对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从下列组合中取最不利值确定：（1）由可变荷载效应控制的组合：(3-4)（2）由永久荷载效应控制的组合：(3-5a),式中 永久荷载的分项系数，如表3-5所示；、第一个和第i个可变荷载分项系数，见表3-5；按永久荷载标准值计算的荷载效应值、起控制作用的第一个可变荷载荷载标准值 和第i个可变荷载标准值 计算的荷载效应；第i个可变荷载的组合值系数，按表3-2取用。,2-2 建筑结构的设计方法,（三）正常使用极限状态实用设计表达式1.设计表达式 正常使用极限状态按下列设计表达式进行设计：(3-6)式中 正常使用极限状态的荷载效应组合值；结构或结构构件达到正常使用要求的规定限制（如变形、裂缝、应力等限值），按有关规定采用。,2-2 建筑结构的设计方法,2.荷载效应组合设计值 对正常使用状态的荷载效应组合时，应根据不同设计目的，分别按荷载效应的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计。（1）荷载的标准组合：(3-7)（2）荷载的频遇组合：(3-8)（3）荷载的准永久组合：(3-9),2-2 建筑结构的设计方法,【例3-1】某钢筋混凝土办公楼矩形截面简支梁，计算跨度l0=6m，梁上的永久荷载（包含自重）标准值gK=12kN/m，可变荷载标准值qK=5kN/m，安全等级为二级，分别按承载力极限状态和正常使用极限状态设计时的各项组合计算梁跨中弯矩设计值。【解】（1）均布荷载标准值gK和qK作用下的跨中弯矩标准值：永久荷载作用下 可变荷载作用下,（2）承载力极限状态设计时的跨中弯矩设计值：安全等级为二级，查表3-4，取。按可变荷载效应控制的组合计算：查表3-5，取，故该梁按承载力极限状态设计时，跨中弯矩设计值应取上述较大值，即。,（3）正常使用极限状体设计时的跨中弯矩设计值：查表3-2，取，按标准组合时：按频遇组合时：按准永久组合时：,第三节 建筑结构材料的设计指标,钢筋的设计指标混凝土的设计指标砌体材料的设计指标钢材的设计指标,2-3 建筑结构材料的设计指标,一 钢筋的设计指标,2-3 建筑结构材料的设计指标,建筑工程用的钢筋，需要有较高的强度，良好的塑性，便于加工和焊接，并应与混凝土之间具有足够的粘结力。钢筋混凝土结构主要采用的热轧（zha）钢筋，分为HPB300级、HRB335级、HRBF335级、HRB400级、HRBF400级、RRB400级和 HRB500级、HRBF500级。,2-3 建筑结构材料的设计指标,HPB（Hot-rolled Plain Bar）热轧光圆钢筋HRB（Hot-rolled Ribbed Bar）热轧带肋钢筋，指钢筋表面通过热轧工艺轧制出变形以增加与混凝土之间的咬合力，包括表面带肋钢筋、螺旋纹钢筋、人字纹钢筋、月牙纹钢筋等。HRBF（Hot-rolled Ribbed Bar Fine）细晶粒带肋钢筋，在热轧过程中，通过控轧和控冷工艺形成的细晶粒钢筋。RRB（Remained heat treatment Ribbed steel Bars）余热处理钢筋，是在热轧后立即穿水，进行表面控制冷却，然后利用芯部余热自身完成回火处理所得的成品钢筋。,2-3 建筑结构材料的设计指标,混凝土结构设计规范规定，纵向受力普通钢筋宜采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋，也可采用HPB300、HRB335、HRBF335、RRB400钢筋。梁、柱纵向受力普通钢筋应采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋箍筋宜采用HRB400、HRBF400、HPB300、HPB500、HRBF500级，也可采用HRB335、HRBF335级钢筋。,钢筋强度具有变异性。例如按同一标准而不同时生产的各批钢筋之间的强度不会完全相同；即使同一炉钢轧成的钢筋，其强度也有差异。因此，结构设计时需要确定材料强度的基本代表值，即材料强度的标准值fyk(钢筋的强度标准值应具有不小于95%的保证率)。钢筋强度标准值除以材料分项系数（其值取1.1，对高强度500MP级钢筋取1.15）即为钢筋强度设计值fy,普通钢筋强度标准值、设计值和弹性模量(N/mm2),R,注：1.材料强度标准值是指正常情况下可能出现的最小材料强度值，是材料强度的基本代表值。2.混凝土规范规定，钢筋的强度标准值具有不小于95%的保证率。3.钢筋强度标准值除以材料分项系数（取1.1）即为钢筋强度设计值。,1.直径大于40mm，应有可靠工程经验；2.在钢筋混凝土结构中轴心受拉和小偏心受拉构件的钢筋抗拉强度设计值大于300Nmm2时仍应按300N/mm2取用；,2-3 建筑结构材料的设计指标,钢筋混凝土构件对钢筋的性能要求强度：较高的屈服强度和极限强度塑性：有足够安全储备，伸长率、冷弯性能适宜可焊性：保证焊接后接头性能良好，不产生裂纹或过大变形与混凝土的粘结：钢筋的外形、锚固措施和锚固长度耐火及耐低温：高温下强度丧失，低温下易发生脆性破坏,2-3 建筑结构材料的设计指标,二 混凝土的设计指标,（一）混凝土的强度立方体抗压强度标准值 fcu，k测定:边长为150mm的混凝土立方体试件，在标准条件下（温度为203，湿度90%）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.150.3N/mm2/s，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的抗压强度。作用:混凝土强度的基本指标，划分混凝土强度等级。,2-3 建筑结构材料的设计指标,混凝土规范根据混凝土立方体抗压强度标准值大小分为十四级：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80例：C20C表示混凝土，20为立方体抗压强度标准值20N/mm2C50C80属高强度混凝土范畴。,1.钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15；2.当采用HRB335级钢筋时混凝土强度等级不宜低于C20；3.当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件混凝土强度等级不得低于C20；4预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30，当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时混凝土强度等级不宜低于C40。,2-3 建筑结构材料的设计指标,混凝土强度标准值、设计值(N/mm2),混凝土规范规定，混凝土强度标准值除以材料分项系数（其值取1.4）即为混凝土强度设计值。,2-3 建筑结构材料的设计指标,三 砌体的设计指标,砌体结构由由块材和砂浆砌筑而成的，包括砖砌体、砌块砌体和石砌体三种。1、块材根据砌体规范规定，块材强度等级由标准实验方法所得的块体抗压强度确定，单位为Mpa（N/mm2）,强度等级符号为“MU-”。,2-3 建筑结构材料的设计指标,2-3 建筑结构材料的设计指标,2-3 建筑结构材料的设计指标,砂浆作用1.将块材连成整体并使应力均匀分布，保证砌体结构的整体性。2.由于砂浆填满块材间的缝隙，减少了砌体的透气性，提高了砌体的隔热性及抗冻性。砂浆按其组成材料不同，分为水泥砂浆、混合砂浆和石灰砂浆。,2、砂浆,砂浆强度根据砌体规范规定，砂浆强度用龄期28天的边长70.7mm的立方体试块测得标准实验方法所得的抗压强度值确定，单位为Mpa（N/mm2）,强度等级符号为“M-”。见P43砂浆的强度等级:M15、M10、M7.5、M5和M2.5另外，混凝土砌块砌筑砂浆强度等级：Mb15、Mb10、Mb7.5、Mb5混凝土砌块灌孔混凝土强度等级：Cb同混凝土强度等级,2-3 建筑结构材料的设计指标,3、砌体的设计值例如：,烧结普通砖和烧结多孔砖砌体的 抗压强度设计值(MPa)砖强度等级 砂浆强度等级 砂浆强度 M15 M10 M7.5 M5 M2.5 0 MU30 3.94 3.27 2.93 2.59 2.26 1.15 MU25 3.60 2.98 2.08 2.37 2.06 1.05 MU20 3.22 2.67 2.39 2.12 1.84 0.94 MUl5 2.79 2.31 2.07 1.83 1.60 0.82 MUl0 1.89 1.69 1.50 1.30 0.67,2-3 建筑结构材料的设计指标,4、砌体材料的选择对砌体结构所用块材和砂浆的选择，主要依据承载力、耐久性、隔热保温、防水防潮等方面要求，并考虑到材料的就地供应、经济技术指标和施工条件等因素。,砌体规范 五层及五层以上房屋的墙，以及受振动或层高大于6m的墙柱所用材料的最低强度等级应符合下列要求:1.砖采用MU10 2.砌块采用MU7.5 3.石材采用MU30 4.砂浆采用M5 注:对安全等级为一级或设计使用年限大于50年的房屋、墙、柱所用材料的最低强度等级应至少提高一级。,2-3 建筑结构材料的设计指标,四 钢材的设计指标,钢结构选用钢材主要有碳素结构钢和低合金高强度结构钢两种。下面说明两种钢材的等级牌号：,2-3 建筑结构材料的设计指标,1.碳素结构钢,屈服点的字母,屈服点数值（N/mm2）,质量等级,脱氧方法,Q,195、215、235、255、275（强度、含碳量、硬度越高；塑性越低）,-A可是Z、b、F-B可是Z、b、F-C可是Z-D可是TZ（由低到高）,F沸腾Z镇静b半镇静TZ特殊镇静（Z、TZ可不写）,例如：Q235-Ab、Q235-B、Q235-D、Q235-C、Q235-A,2-3 建筑结构材料的设计指标,2.低合金高强度结构钢,屈服点的字母,屈服点数值（N/mm2）,质量等级,Q,295、345、390、420、460（强度、含碳量、硬度越高；塑性越低）,ABCDE（由低到高）,例如：Q345B、Q390E,2-3 建筑结构材料的设计指标,3.钢材的强度设计值 钢结构规范规定，承重结构的钢材宜选用Q235钢、Q345钢、Q390钢、Q420钢，其质量应分别符合现行国家标准碳素结构钢GB/700和低合金钢强度结构钢GB/T1591的规定。钢材的强度设计值见表2-8 小于屈服强度（标准）值,4.钢结构对连接连接要求：强度、刚度、延性连接方法：焊接、铆接、螺栓,2-3 建筑结构材料的设计指标,第四节 建筑结构抗震设防简介,地震基本概念建筑抗震设防标准与设防目标抗震等级,建筑抗震设计规范GB50011-2001,2-4 建筑结构抗震设防简介,一 地震的基本概念,1、常用术语,震源,震源深度,震中距,震中,地面某处,浅源地震(震源深度60 km),中源地震(震源深度60 300km),深源地震(震源深度300 km),2-4 建筑结构抗震设防简介,2、地震波,地震时振动以波的形式从震源向各个方向传播并释放能量，这就是地震波。,地震波,体波,面波,纵波（P波）,横波（S波）,2-4 建筑结构抗震设防简介,Review,16/11/2023,56,Earthquake Activities,Circum-Pacific Seismic Zone(80%)Alpine-Himalayan Seismic Zone(15%)Mid-ocean Ridge Seismic Zone(5%),P waves,Consider a slinky as an example.A slinky at rest assumes a natural position.The coils of the slinky assume the particles spaced equally.When one end of the slinky is pushed,each coil will move forwards or backwards;but once moved,it returns to its original position.,16/11/2023,57,S waves,Consider a rope as an example.When shaking one end of the rope,each part of the rope will move upwards or downwards;but once moved,it returns to its original position.,16/11/2023,58,3、地震震级M,地震震级是衡量一次地震本身强弱程度的指标。震级每增加一级，地震所释放出的能量约增加30倍。一般地说，2级以下的地震，人们是感觉不到的，因此称为微震；24级的地震，在震中附近地区的人就有感觉，称为有感地震；5级以上的地震，会对地面上的建筑物造成不同程度的破坏，称为破坏性地震；7级以上的地震，则称为强烈地震；8级以上的地震，称为特大地震。,2-4 建筑结构抗震设防简介,4、地震烈度,地震烈度是指某一地区的地表和建筑物在一次地震时受到影响的强弱程度。一次地震只有一个震级，然而同一次地震对不同地区的影响却不同，随着距离震中的远近不同会出现多种不同的烈度。一般来说，距震中距离越近，地震烈度越高。我国采用12度地震烈度区划，69度需设防。抗震设防烈度是按国家批准权限审批或颁布的作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。,2-4 建筑结构抗震设防简介,1、房屋结构的抗震设防分类,房屋结构的抗震设防，是指通过对地震区的房屋进行抗震设计和采取构造措施，达到在地震发生时减轻地震灾害的目的。抗震设防的依据是抗震设防烈度。抗震规范将房屋结构按其用途的重要性分为四类：甲类建筑：指重大工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑。乙类建筑：指地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑。丙类建筑：除甲、乙、丁类建筑以外的一般工业与民用建筑。丁类建筑：指次要建筑。,二 抗震设防标准与设防目标,2-4 建筑结构抗震设防简介,2、抗震设防标准,甲类建筑在68度设防区应本地区按设防烈度提高一度计算地震作用和采取抗震构造措施，当为9度区时，应作专门研究。乙类建筑按本地区设防烈度进行抗震计算，抗震构造措施提高一度考虑。丙类建筑的抗震计算与构造措施均按本地区设防烈度考虑。丁类建筑按本地区设防烈度进行抗震计算，抗震构造措施可适当降低要求（设防烈度为6度时不再降低）。抗震设防烈度为6度时，除另有规定外，对乙、丙、丁类建筑可不进行地震作用计算。,2-4 建筑结构抗震设防简介,3、抗震设防目标,我国抗震规范明确提出了三水准的抗震设防要求：第一水准：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可继续使用。第二水准：当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，建筑物可能损坏，但经一般修理或不修理仍可继续使用。第三水准：当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏。上述抗震设防目标可概括为“小震不坏、中震可修、大震不倒”,2-4 建筑结构抗震设防简介,2-4 建筑结构抗震设防简介,在具体做法上，我国抗震规范采用了简化的两阶段设计方法第一阶段设计是承载力验算。取第一水准的地震动参数计算结构的弹性地震作用标准值和相应的地震作用效应，继续采用建筑结构可靠度设计统一标准规定的分项系数设计表达式进行结构构件的截面承载力抗震验算，既满足了在第一水准下具有必要的承载力可靠度，有满足第二水准的损坏可修的目标。第二阶段设计是弹塑性变形验算。对地震时易倒塌的结构、有明显薄弱层的不规则结构以及有专门要求的建筑，除进行第一阶段设计外，还要进行结构薄弱部位的弹塑性层间变形验算并采取相应的抗震构造措施，实现第三水准的设防要求。,Thank you for your attentions!Questions?,