建筑结构荷载和设计方法课件.ppt

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1、2建筑结构荷载和设计方法,2.1 设计基准期和设计使用年限2.2 荷载、作用、效应与抗力及结构的功能要求2.3 作用的分类2.4 荷载的代表值与材料强度的代表值2.5 建筑结构的设计方法,2建筑结构荷载和设计方法2.1 设计基准期和设计使用年限,2.1 设计基准期和设计使用年限,设计基准期：指为确定可变荷载代表值而选用的时间参数。也就是结构设计所采用的荷载统计参数、与时间有关的材料性能取值，都需要选定一个时间参数，即为设计基准期。 我国所采用的设计基准期为50年。 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。,2.1 设计基准期和设计使用年限 设计基准期：

2、指为确定,结构的设计使用年限分类设计示 例5 临,2.2 荷载、作用、效应与抗力及结构的功能要求,2.2.1 荷载与作用,能使结构产生内力、位移、应变、裂缝等效应的各种原因总称为结构上的作用。,直接作用：直接以力的不同集结形式作用于结构，包括结构的自重、行人及车辆的重量、各种物品及设备自重、风压力、土压力、雪压力、水压力、冻胀力、积灰重量等，常称为荷载。,间接作用：不是直接以力的某种形式出现，使结构产生内力或变形等效应。如温度变化、材料收缩与膨胀、地基不均匀沉降、地震、焊接等。,2.2 荷载、作用、效应与抗力及结构的功能要求2.2.1 荷,2.2.2 作用效应与结构内力, 作用效应 S： 直接

3、作用和间接作用使结构产生的内力（弯矩、扭矩、剪力、压力、拉力等）和变形（挠度、扭转、弯曲、拉伸、压缩、裂缝等）称为作用效应。,荷载效应,荷载效应系数,荷载, 结构抗力 R： 结构或构件承受各种作用的能力，其主要因素有： 材料性能（f） 结构几何参数（） 计算模式（p）,结构抗力,结构构件的承载力函数,材料强度设计值,几何参数标准值,2.2.2 作用效应与结构内力 作用效应 S：荷载效应,2.2.3 结构的功能要求与可靠度,安全性：能承受正常施工和使用时的各种作用，以及偶然事件发生时，仍能保持整体稳定性。,即结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。,适用性：在正常使用时，能保证具有良好的工作性能

4、，不出现过大的变形和裂缝。,不会出现影响正常使用的过大变形或振动；不会产生使使用者感到不安的裂缝宽度等。,耐久性：在正常使用及维护下，具有足够的耐久性能，不发生锈蚀和风化现象。,结构材料不致出现影响功能的损坏，钢筋混凝土构件的钢筋不致因保护层过薄或裂缝过宽而锈蚀等。,2.2.3 结构的功能要求与可靠度 安全性,结构的安全性、适用性和耐久性是结构可靠的标志，总称为结构的可靠性。,结构的可靠度是结构可靠性的概率度量，即对结构可靠性的定量描述。,结构可靠性的定义是，结构在规定时间内，规定条件下，完成预定功能的能力。,当结构的使用年限超过设计使用年限后，并不意味着结构就要报废，但其可靠度将逐渐降低。,

5、结构的安全性、适用性和耐久性是结构可靠的标志，总称为,2.3 作用的分类,2.3.1 按时间变异分类, 永久作用：在结构使用期间，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计。例如结构自重、土压力、预应力等。 永久作用不随时间变化，长期作用在结构上，在结构上的作用位置也不变。 可变作用：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忽略不计。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。 可变荷载的大小随时间而变，作用位置可变。 偶然作用：在结构设计基准期内不一定出现，而一旦出现其值很大且持续时间较短。例如爆炸力、撞击力等。,2.3 作用的分类 2.3.1 按

6、时间变异分类,2.3 作用的分类,2.3.2 按空间位置变异分类, 固定作用：作用在结构空间位置上具有固定的分布。（固定荷载） 可动作用：作用在结构空间位置上的一定范围内可以任意分布。（活荷载、移动荷载）,2.3.3 按结构反应分类, 静态作用：对结构或结构构件的作用，使结构不产生加速度或加速度可以忽略不计。 动态作用：对结构或结构构件的作用，使结构产生不可忽略的加速度。例如：地震、风、冲击和爆炸等。,2.3 作用的分类 2.3.2 按空间位置变异分类,2.4 荷载的代表值与材料强度的代表值,2.4.1 荷载的代表值,建筑结构荷载规范将荷载分为三类：永久荷载、可变荷载和偶然荷载。在结构设计中，

7、通常考虑荷载的统计特征，赋予一个指定的量值，荷载的这种量值，称为荷载的代表值。 不同的荷载在不同的极限状态情况下，要求采用不同的荷载代表值进行计算。建筑结构可靠度设计统一标准和公路工程结构可靠度设计统一标准等给出了荷载的四种代表值分别为：标准值、组合值、频遇值、准永久值。 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。,2.4 荷载的代表值与材料强度的代表值 2.4.1 荷载的代, 荷载的标准值 荷载标准值是荷载的基本代表值，为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值（例如均值、众值

8、、中值或某个分位值）。 永久荷载主要包括构件的自重、构造层的自重等，其变异性不大，故其标准值可根据构件或构造层的设计尺寸和材料或构件的单位自重确定。 可变荷载（如楼面上的人员、家具、设备等荷载）标准值是由设计基准期内荷载最大值概率分布的某一分位值确定的。,2.4 荷载的代表值与材料强度的代表值,2.4.1 荷载的代表值, 荷载的标准值2.4 荷载的代表值与材料强度的代表值 2., 荷载的标准值 荷载标准值是荷载的基本代表值，为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值（例如均值、众值、中值或某个分位值）。 荷载的组合值 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，

9、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，称为可变荷载组合值。,2.4 荷载的代表值与材料强度的代表值,2.4.1 荷载的代表值, 荷载的标准值2.4 荷载的代表值与材料强度的代表值 2., 荷载的频遇值 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。其值等于可变荷载标准值乘以可变荷载频遇值系数。 荷载的准永久值 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）

10、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。,2.4 荷载的代表值与材料强度的代表值,2.4.1 荷载的代表值, 荷载的频遇值2.4 荷载的代表值与材料强度的代表值 2., 材料强度标准值 建筑结构可靠度设计统一标准规定，材料强度的标准值是结构设计时采用的材料性能的基本代表值。材料强度的标准值以材料强度概率分布的某一分位值来确定。,2.4 荷载的代表值与材料强度的代表值,2.4.2 结构构件的材料强度,混凝土强度的标准值按其概率分布的0.05分位值确定, 也就是其实际强度低于强度标准值的可能性只有5%, 即混凝土强度标准值的保证率为95%。,材料

11、强度的统计平均值,材料强度的统计标准值, 材料强度标准值2.4 荷载的代表值与材料强度的代表值 2, 材料强度的设计值 材料强度的设计值是用于承载力计算时的材料强度代表值，它与材料的强度标准值关系为： 材料的强度设计值=材料强度标准值/材料强度分项系数,混凝土的材料强度分项系数：c=1.40 受拉钢筋的材料强度分项系数：s=1.10, 材料强度标准值2.4 荷载的代表值与材料强度的代表值 2, 容许应力法 容许应力法是建立在弹性理论基础上的设计方法。即在使用荷载作用下，它规定结构构件截面上的最大应力不能超过材料的容许应力。 破损阶段设计法 破损阶段设计法考虑在使用阶段塑性应力分布后结构构件截面

12、承载力不小于外荷载产生的内力并乘以安全系数。,2.5 建筑结构的设计方法,2.5.1 结构设计方法的演变过程,容许应力法破损阶段设计法极限状态设计法概率极限状态设计法。, 容许应力法2.5 建筑结构的设计方法 2.5.1 结构设, 极限状态设计法 极限状态设计法明确将结构的极限状态分为承载力极限状态和正常使用极限状态。 承载力极限状态要求结构构件可能的最小承载力不小于可能的最大外荷载作用所产生的截面内力。 正常使用极限状态是指对构件的变形及裂缝的形成或开展宽度的限制，在安全度的表达上有单一系数和多系数形式，考虑了荷载的变异、材料性能的变异及工作条件的不同。,2.5 建筑结构的设计方法,2.5.

13、1 结构设计方法的演变过程,容许应力法破损阶段设计法极限状态设计法概率极限状态设计法。, 极限状态设计法2.5 建筑结构的设计方法 2.5.1 结, 概率极限状态设计法 概率极限状态设计法是以概率理论为基础，视作用效应和影响结构抗力来度量结构可靠性的结构设计方法。其特点是有明确的、用概率尺度表达的结构可靠度的定义，通过预先规定的可靠性指标值，使结构各构件间以及不同材料组成的结构有较为一致的可靠度水准。,2.5 建筑结构的设计方法,2.5.1 结构设计方法的演变过程,容许应力法破损阶段设计法极限状态设计法概率极限状态设计法。, 概率极限状态设计法2.5 建筑结构的设计方法 2.5.1,2.5 建

14、筑结构的设计方法,2.5.2 结构的极限状态,结构可靠性定义中所说的“预定功能”，一般是以结构是否达到“极限状态”来标志的，并以此作为结构设计的准则。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。极限状态实质上是结构可靠（有效）或不可靠（失效）的界限，故也称为界限状态。 建筑结构设计的任务是选择适用、经济的结构方案，并通过计算和构造处理，使结构能可靠地承受各种作用。 具体设计内容有结构选型、结构布置、结构计算与设计（包括荷载计算、内力与变形计算、截面设计、抗震计算及构造处理等）、材料用量、绘制结构施工图。,2.5 建筑结构的设计方法 2.

15、5.2 结构的极限状态, 承载力极限状态 承载力极限状态是针对安全性。当结构或构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载力极限状态： 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡； 结构构件或连接因材料强度不够而破坏； 结构转变为机动体系； 结构或结构构件丧失稳定； 地基丧失承载力而破坏。,2.5 建筑结构的设计方法 2.5.2 结构的极限状态 , 正常使用极限状态 正常使用极限状态是针对适用性和耐久性。当结构或构件出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态： 出现影响正常使用或外观的变形； 影响正常使用或耐久性的局部损坏； 影响正常使用的振动； 影响正常使用的其他特定状态，如水池出现渗漏现象等

16、。,2.5 建筑结构的设计方法 2.5.2 结构的极限状态 ,2.5 建筑结构的设计方法,2.5.3 功能函数与极限状态方程,结构构件完成预定功能的工作状态，可用结构功能函数Z来表示：,基本变量, 如荷载、材料性能、几何参数、计算公式精确性等,当：,极限状态方程,若功能函数仅与荷载效应S和结构抗力R有关时, 则结构功能函数： Z=g(S,R)=R-S,当0 即 RS 时，结构处于可靠状态；当0 即 RS 时，结构处于失效状态；当= 0 即 R =S 时，结构处于极限状态。,2.5 建筑结构的设计方法 2.5.3 功能函数与极限状态方,有一农夫，能肩挑300斤当给他300斤的担子时，效应刚好等于

17、抗力；当给他100斤的担子时，效应小于抗力；当给他400斤的担子时，效应大于抗力。,挑担子与结构功能函数,2.5 建筑结构的设计方法 2.5.3 功能函数与极限状态方,2.5 建筑结构的设计方法,2.5.4 结构可靠度与失效概率,结构在规定时间内和在规定的条件下，完成规定功能的概率，称为结构的可靠度。 结构能够完成预定功能的概率称为“可靠概率”（Ps）;反之,结构不能完成预定功能的概率称为“失效概率”（Pf）,两者互补，即：,显然，可以采用可靠概率Ps或失效概率Pf来度量结构的可靠性，而一般采用失效概率Pf。,2.5 建筑结构的设计方法 2.5.4 结构可靠度与失效概率,设结构抗力R和所承受的

18、荷载效应S均为正态分布，则结构的功能函数 Z=R-S也为正态分布。,2.5 建筑结构的设计方法,设结构抗力R和所承受的荷载效应S均为正态分布,2.5 建筑结构的设计方法,2.5.5 结构构件的可靠指标,可靠指标是度量结构可靠性的一种量化的指标，它与失效概率Pf具有数值上一一对应的关系。,2.5 建筑结构的设计方法 2.5.5 结构构件的可靠指标,2.5 建筑结构的设计方法,2.5.6 目标可靠指标及安全等级,在正常使用条件下，失效概率Pf尽管很小，但总是存在。所谓“绝对可靠”(Pf=0)是不可能的。因此要确定一个适当的可靠度指标，使结构的失效概率降低到人们可以接受的程度，即做到既安全可靠又经济

19、合理，于是有：,结构的目标可靠指标,2.5 建筑结构的设计方法 2.5.6 目标可靠指标及安全等,2.5 建筑结构的设计方法,2.5.7 承载能力极限状态设计表达式,2.5.7.1 设计表达式,混凝土结构设计规范规定：结构构件承载能力设计值应采用下述极限状态设计表达式,结构构件的重要性系数,荷载效应组合的设计值,结构构件的承载力设计值,2.5.7.2 荷载效应组合, 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,2.5 建筑结构的设计方法 2.5.7 承载能力极限状态设计,按永久荷载标准值计算的荷载效应值,按可变荷载标准值计算的荷载效应值,可变荷载效应中的最大值,永久荷载分项

20、系数,第i个可变荷载的分项系数,第1个可变荷载的分项系数,可变荷载的组合值系数, 由可变荷载效应控制的组合,按永久荷载标准值按可变荷载标准值计算的荷载效应值 可变荷载, 由永久荷载效应控制的组合,恒荷载效应设计值,活荷载效应设计值,永久荷载分项系数,第i个可变荷载的分项系数,可变荷载的组合值系数,2.5.7.2 荷载效应组合 基本组合 由可变荷载效, 排架、框架简化规则, 由可变荷载效应控制的组合（取下式不利者）, 由永久荷载效应控制的组合不变, 排架、框架简化规则 由可变荷载效应控制的组合（取下式, 考虑地震效应作用的基本组合,重力荷载分项系数,水平地震作用分项系数,竖向地震作用分项系数,重

21、力荷载代表值的效应,水平地震作用标准值的效应,水平地震作用标准值的效应,风荷载分项系数,风荷载组合值系数,风荷载标准值效应, 考虑地震效应作用的基本组合 重力荷载分项系数 水平地震作,例2.1 某钢筋混凝土屋架下弦杆, 截面尺寸及纵向配筋如图, 混凝土强度等级为C30。由恒载产生的轴向拉力标准值为NGK=130kN, 由屋面活荷载产生的轴向拉力标准值为NQK=65kN。构件为一级安全等级。试验算该下弦杆承载力是否满足要求。,解: 构件为一级安全等级, 0=1.1, 荷载效应设计值, 抗力设计值,按承载力极限状态可不考虑混凝土受拉作用。,承载力满足要求！,例2.1 某钢筋混凝土屋架下弦杆, 截面

22、尺寸,例2.2 矩形截面简支梁, 截面尺寸: bh=200mm450mm, 计算跨度l0=5.2m。承受均布线性荷载, 活荷载标准值8kN/m, 恒荷载标准值9.5kN/m(不包括自重)。求跨中最大弯矩设计值,解: 总荷载设计值q, 跨中弯矩设计值M,例2.2 矩形截面简支梁, 截面尺寸: bh,2.5.8 正常使用极限状态设计表达式,对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，采用荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计，使变形、裂缝、振幅、基底应力等荷载效应的组合值符合下式的要求：SC,正常使用极限状态的 荷载效应的设计值,根据结构构件正常使用 要求规定的变形限值, 荷载的标准组合,

23、设计值S按下式计算：,按永久荷载标准值计算的荷载效应值,可变荷载效应 中的最大值,可变荷载的 组合值系数,按可变荷载标准值计算的荷载效应值,2.5.8 正常使用极限状态设计表达式 对于, 荷载的频遇组合, 设计值S按下式采用：,可变荷载Q1的频遇值系数,可变荷载Qi 的频遇值系数, 荷载的准永久组合, 设计值S按下式采用：, 荷载的频遇组合, 设计值S按下式采用： 可变荷载Q1的频,例2.3 某教学楼采用钢筋混凝土单向板, 安全等级为二级, 计算跨度4.6m, 楼面永久荷载标准值为3.0kN/m, 可变荷载标准值为2.0kN/m。试分别计算正常使用极限状态设计时的标准组合、频遇组合和准永久组合

24、的弯矩值。,解: 标准组合计算, 频遇组合计算,查荷载规范得f1=0.6,例2.3 某教学楼采用钢筋混凝土单向板,例2.3 某教学楼采用钢筋混凝土单向板, 安全等级为二级, 计算跨度4.6m, 楼面永久荷载标准值为3.0kN/m, 可变荷载标准值为2.0kN/m。试分别计算正常使用极限状态设计时的标准组合、频遇组合和准永久组合的弯矩值。, 准永久组合计算,查荷载规范得q=0.5,例2.3 某教学楼采用钢筋混凝土单向板,练习题（选择题）,设计基准期是确定（ ）等取值而选用的时间参数。 A. 可变作用及与时间有关的材料性能 B. 可变作用 C. 时变抗力 D. 作用及与时间有关的材料性能,A,2.

25、 设计使用年限是设计规定的结构或构件（ ）。 A. 使用寿命 B. 耐久寿命 C. 可按预定目的使用的时期 D. 不需进行大修即可按其预定目的使用的时期,D,P41,P41,练习题（选择题） 设计基准期是确定（ ）等取值而选用,3. 间接作用是按引起结构的外加变形或约束变形的原因，包括（ ）。 A. 自重、地震、风、湿度 B. 收缩、地震、沉降、湿度 C. 自重、地震、沉降、湿度 D. 地震、风、收缩、湿度,B,4. 下列对结构构件产生内力作用的各项中（ ）为直接荷载作用。 A. 温度变化 B. 地基沉降 C. 屋面积雪 D. 结构构件收缩,C,P42,P42,3. 间接作用是按引起结构的外加

26、变形或约束变,5. 工程结构设计的基本功能要求是（ ）。 A. 适用性、耐久性、整体性 B. 安全性、适用性、耐久性 C. 可靠性、完整性、可修复性 D. 安全性、坚固性、耐久性,B,6. 结构设计中的荷载代表值的选取是采用：永久荷载以（ ）作为代表值，可变荷载以（ ）作为代表值。 A. 标准值；标准值 B. 标准值；标准值，组合值，频遇值 C. 标准值；标准值，组合值，频遇值或准永久值 D. 标准值；准永久值,C,P43,P45,5. 工程结构设计的基本功能要求是（ ）。B,7. 建筑结构的设计极限状态是（ ）。 A. 承载力极限状态、正常使用极限状态 B. 强度极限状态、正常使用极限状态

27、C. 承载力极限状态、稳定极限状态 D. 抗力极限状态、作用极限状态,A,8. 主要承重结构按承载力极限状态设计时，考虑偶然事件作用的结构可靠指标可（ ）。 A. 适当提高 B. 保持不变 C. 适当降低 D. 显著提高,C,P47,P50,7. 建筑结构的设计极限状态是（ ）。A,9. 安全等级为一级，设计使用年限超过100年的建筑物，其结构重要性系数为（ ）。 A. 1.1 B. 1.0 C. 0.9 D. 0.95,A,10. 对于永久荷载效应对结构构件的承载力不利的情况，若永久荷载效应在极限状态设计表达式中起控制作用时，荷载的分项系数取为（ ）。 A. B. C. D.,B,P50,P51,9. 安全等级为一级，设计使用年限超过100,