混凝土结构设计的一般原则和方法(3).ppt
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1、第10章 混凝土结构设计的一般原则和方法,本章提要,我国现行的建筑结构设计方法是:以概率理论为基础的极限状态设计方法,以可靠指标度量结构构件的可靠度,采用以分项系数的设计表达式进行设计。因此,本章内容围绕结构设计的总目标,对结构的功能要求、结构的极限状态、结构上的作用、荷载的代表值、各种作用的效应及结构的抗力和满足结构设计可靠度要求的材料强度分项系数及荷载分项系数等均提出了明确的要求,明确以概率理论为基础的各种极限状态表达方法,并以此作为结构设计的依据。,第十章 混凝土结构设计的一般原则和方法,教学要求,1、了解建筑结构的组成和类型;了解建筑结构设计的步骤、内容、和一般原则;2、理解建筑结构上
2、的作用与荷载的定义、荷载分类及其四种代表值;掌握竖向荷载、雪荷载与风荷载的计算方法;3、理解建筑结构的功能要求和极限状态;4、理解建筑结构按近似概率极限状态设计法的思路及其实用设计表达式。,本章重点,结构设计方法,荷载如何确定,材料的强度如何确定,10.1 建筑结构设计的一般原则,10.1.1 建筑结构的组成和类型,概率极限状态设计法,结构设计的一般概念,结构设计的量化问题,地上部分,上部结构,地下部分,下部结构,地基、基础(包括地下室),下部结构(地下室和基础)-把上部传来的力传给地基,上部结构,水平结构系统,竖向结构系统,楼屋盖系统,抗侧力体系,多层建筑设计问题,高层建筑设计问题,主要以竖
3、向荷载为主,困难:大跨度。,除了竖向荷载外,还有水平荷载,而且水平荷载成为控制荷载。困难:抗侧力体系的构成。,结构类型,按材料分,按竖向结构体系分,-承受、传递、分配荷载,-承受、向下传递荷载,砌体结构,混凝土结构,钢结构,组合结构,混合结构,钢-混凝土,砌体-混凝土,钢管混凝土,劲性混凝土,排架结构,框架结构,剪力墙结构,框-剪结构,筒体结构,按竖向结构体系,10.1.2 建筑结构设计的阶段和内容,工程建设的主要环节,工程勘察,工程设计,工程施工,工程建设应当遵循:先勘察后设计,先设计后施工的程序。,项目立项申报、立项,项目实施,加拿大谷仓地基失效导致建筑物倾倒,属于未勘查就设计,概况:该谷
4、仓平面呈矩形,南北向长59.44m,东西向宽23.47m,高31.00m,容积36368立方米,容仓为圆筒仓,每排13个圆仓,共5排65个圆筒仓。谷仓基础为钢筋混凝土筏板基础,厚度61cm,埋深3.66m。谷仓于1911年动工,1913年完工,空仓自重20000T,相当于装满谷物后满载总重量的42.5%。,平面示意图,侧立面示意图,1913年9月装谷物,10月17日当谷仓装到87.5%的谷物时,发现1小时内竖向沉降达30.5cm,结构物向西倾斜,并在24小时内谷仓倾斜,倾斜度离垂线达2653,谷仓西端下沉7.32m,东端上抬1.52m,上部钢筋混凝土筒仓坚如磐石。,事故原因:谷仓地基土事先未进
5、行调查研究,据邻近结构物基槽开挖试验结果计算地基承载力为352kPa,应用到此谷仓。1952年经勘察试验与计算,谷仓地基实际承载力为(193.8276.6)kPa,远小于谷仓破坏时发生的压力329.4kPa,因此,谷仓地基因超载发生强度破坏而滑动。事后处理:事后在下面做了七十多个支撑于基岩上的混凝土墩,使用388个50t千斤顶以及支撑系统,才把仓体逐渐纠正过来,但其位置比原来降低了米。,倾倒后的状况,建筑结构设计阶段,初步设计,施工图设计,技术设计,初步设计,未设计就施工,(1)没有设计图纸就施工,(2)边设计边施工,10.1.3 建筑结构设计的一般原则,建筑结构设计的一般原则:安全、适用、耐
6、久和经济合理。,在保证结构可靠的前提下,考虑功能要求与经济性之间的均衡,设计出经济的、技术先进的、施工方便的结构。具体的结构设计原则:,中册,P.2,结构布置,荷载分析,构造措施,方案设计,10.2 建筑结构荷载,10.2.1 结构上的作用与荷载,作用:,使结构产生内力与变形的原因;,(1)直接原因:荷载(力);,(2)间接原因:温度变形、收缩变形、基础的不均匀沉降、地震。,10.2.2 荷载的分类,荷载分类,按作用时间的长短和性质分,按空间位置的变异,按作用的方向分,按结构对荷载的反应性质,水平、竖向荷载,固定、移动荷载,静荷载、动荷载,作用效应S(内力、变形、裂缝),作用,结构抗力R,10
7、.2.2荷载的分类,1按时间,永久荷载(自重、土压力、预应力),偶然荷载(爆炸力、撞击力),可变荷载(风、雪、楼面活荷载等),2按空间,固定作用(固定设备),移动(自由)作用(人群、吊车等),3按结构的反应特点,静态作用(结构自重、楼面活荷载、雪荷载等),动态作用(设备振动、吊车荷载、风荷载、车辆刹车、撞击力和爆炸力等),(1)永久荷载(又称恒载),按荷载作用时间的长短和性质分,是指在设计使用期内,其值不随时间变化、或其变化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。,(2)可变荷载(又称活载),是指在设计基准期内其值随时间变化,其变化与平
8、均值相比不可忽略的荷载。,例如:楼面活荷载、吊车荷载、预应力等。,(3)偶然荷载,是指在设计基准期内不一定出现,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。,10.2.3 荷载代表值,关于荷载的取值,(1)荷载的不确定性,恒载,由施工偏差引起,活荷载,偶然荷载,(2)多荷载相遇荷载组合,确定随机变量大小的方法,(3)计算、分析情况的复杂例如强度计算和变形验算,荷载代表值的提出,荷载代表值,荷载标准值,荷载组合值,荷载准永久值,荷载频遇值,荷载标准值,荷载组合值,荷载频遇值,荷载准永久值,是荷载的基本代表值;是指在结构的使用期间(一般结构的设计基准期为50年,保证率95%)可
9、能出现的最大值。,是指对于有两种和两种以上可变荷载同时作用时,使组合后的荷载效应在设计基准期内的超越概率能与荷载单独作用时相应超越概率趋于一致的荷载值。,是指在设计基准期内,其超越的总时间为规定的较小比率,或超越概率为规定概率的荷载值。,是指在设计基准期内,其超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值。,永久荷载标准值,可变荷载标准值,t/T0.1,t/T=0.5,(t为设计基准期内荷载达到和超过该值的总持续时间,T为设计基准期。),结构局部损坏、较大变形或短暂振动变形时用,结构长期变形和裂缝宽度时用,具有一定概率(一般为95%)的最大荷载值称为荷载标准值。荷载标准值是荷载的基本代表值。对于结构自
10、重可以根据结构的设计尺寸和材料的重力密度确定;可变荷载标准值由设计使用年限内最大荷载概率分布的某个分位值确定。,结构的设计基准期与设计使用年限的区别,结构的设计基准期 1.为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数,称为设计基准期;2.设计基准期是测算最大荷载重现期的基本期限;3.在超过设计基准期后,并非意味着结构的失效,而是其可靠度有所降低,因此基准期不能等同于建筑物的使用寿命;4.我国对于多数建筑物的设计基准期均为50年,特殊建筑物可以除外。设计使用年限: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期限,即结构在规定的条件下所应达到的使用年限。,10.2.4
11、 竖向荷载,1.楼面、屋面荷载,楼面屋面荷载,恒荷载,活荷载,结构竖向恒荷载包括结构自重和附加在结构上的荷载。可以按构件的设计尺寸与材料表观密度计算确定。,民用建筑楼面均布活荷载:,工业建筑楼面均布活荷载:,屋面活荷载:,建筑结构荷载规范根据大量调查和统计分析,考虑可能出现的短期荷载,按等效均布荷载方法给出一般各类民用建筑的楼面均布活荷载标准值及其有关代表值系数,见附录5.,房屋建筑屋面水平投影面上的均布活荷载,应按表10-2采用。屋面均布活荷载不应与雪荷载同时组合。,参见建筑结构荷载规范附录B、C,2.雪荷载,屋面水平投影面上的雪荷载标准值:,基本雪压(kN/m2),一般是根据年最大雪压进行
12、统计分析确定。在我国,是以一般空旷平坦地面上统计的50年一遇重现期的最大积雪自重给出的。,屋面积雪分布系数。它是屋面水平投影面积上的雪荷载与基本雪压的比值,它与屋面形式、朝向及风力等均有关。通常情况下,屋面积雪分布系数应根据不同类别的屋面形式确定。P.7 表10-3,雪荷载组合值系数可取0.7;频遇值系数可取0.6。准永久值系数按、和分区不同,分别取0.5、0.2、0。芜湖属于分区。,设计建筑结构及屋面的承重构件时,可按下列规定采用积雪的分布情况。P.7。,对雪荷载敏感的结构,基本雪压应适当提高,并应由有关的结构设计规范具体规定。,屋面积雪分布系数r表,10.2.5 风荷载,1.风荷载的特点,
13、风荷载是风吹到建筑物表面所形成的压力或吸力。它具有如下特点:,风荷载,风,建筑物,同一地面,离开地面的高度不同,风速不同,同一位置,地面的粗糙度不同,风速不同,体型,高度,刚度,(近地风),建筑物表面风压分布示意图,P8,图10-1,风荷载包括由顺风向的平均风引起的静力风荷载和与平均风方向一致的的顺风向脉动风荷载与平均风方向垂直的横风向脉动风荷载。,图例:风压特征,2.风荷载的标准值,结构在风荷载作用下的瞬时响应最大值与风荷载时程有关。对一般工程设计,风荷载可近似按静力风荷载并用动力放大系数考虑脉动风的动力效应。对主要承重结构,垂直于建筑物表面上的风荷载标准值wk应按下式计算:,风荷载标准值(
14、kN/m2),基本风压(kN/m2),风荷载体型系数,风压高度变化系数,高度z处的风振系数,风荷载组合值、频遇值和准永久系数可分别取0.6、0.4和0。,3.风压高度变化系数,4.风荷载体型系数,5.风振系数,表 10-4,查表注意区分地面粗糙度类别。,建筑结构荷载规范列出了一般建筑物的s,见表10-5,风振系数是考虑脉动风对结构产生动力效应的放大系数。,结构风振动力效应与房屋的自振周期、结构阻尼特性以及风脉动性能等因素有关。刚度较大的钢筋混凝土多层建筑,由风荷载引起的振动很小,通常忽略不计。对较柔的高层建筑和大跨度桥梁结构,当基本周期较长时,在风荷载作用下发生的动力效应不能忽略。,对于高耸结
15、构以及高度大于30m且高宽比大于1.5的高柔房屋,在高度z处的风振系数可按以下简化公式计算:,10.3 结构的功能要求和极限状态,概率极限状态设计法的概念:,结构:建筑物的骨架,在建筑物中起着承受荷载、支撑建筑物的作用。,对结构的认识,怎样满足功能要求?,取极限状态函数判别:Z=R-S,Z0,能完成预定功能的状态,结构可靠Z0,临界状态,极限状态Z0,不能完成预定功能的状态,结构失效,R:抗力;S:荷载效应,对应3种功能提出了两类极限状态:第一类:承载能力极限状态;第二类:正常使用极限状态。,概率论实现的方法:密度函数计算概率,怎样保证公式的可靠性?,半经验半概率,近似概率法,全概率法。,1.
16、非概率论的方法,经验系数法:单一系数,多系数法,2.概率论的方法,定义:详教材中册P.12,建筑结构的功能,设计的结构和结构构件在规定的设计使用年限内,在正常维护条件下,应能保持其使用功能,而不需要进行大修加固。,10.3.1 结构的功能要求,建筑结构的三个基本功能,安全性,适用性,耐久性,。,。,。,结构可能还会有其它附加功能要求,例如考虑突发事件对结构提出的抗倒塌性功能要求。,结构安全等级,虽然结构都必须具备三个基本功能,但是不同用途的建筑物,其要求的程度可能不同,例如:电信大楼、普通民宅。,我国,按照建筑结构破坏时可能产生的后果严重与否,将建筑结构分为三个等级:,在近似概率极限状态设计法
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