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建筑结构与选型(何培玲)第2、3章 结构基本设计原则


宽度。
◆ 耐久性
◎ 结构在正常使用和正常维护条件下, 抵抗各种物理、化学作用的能力。
如不发生由于保护层炭化或裂缝宽度
开展过大导致钢筋锈蚀,混凝土不发生 严重风化、老化、腐蚀而影响结构的使
用寿命等。
结构安全性、适用性和耐久性统称为 结构的可靠性,是结构在规定的时间
内和规定的条件下完成预定功能的能
于结构的哪些情况?
4.什么是荷载代表值?规范规定:对永久荷
载应采用
设计要求采用
作为代表值;对可变荷载应根据
作为代表值?
三、荷载效应及荷载效应组合 1.荷载效应
作用于结构或结构构件上的各种荷载使结
构或结构构件产生的内力(N、M、V、T) 和变形、裂缝等,称为荷载效应。荷载效
应可由力学方法求得。
荷载效应取决于作用的方式及结构或构件的
由永久荷载效应控制的组合仍按前式采用。
(2)正常使用极限状态的荷载效应组合 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 或准永久组合。 对于标准组合,载效应组合的设计 值S按下式采用:
对于频遇组合,荷载效应组合的设计值S按 下式采用:
对于准永久组合,荷载效应组合的设计值 S按下式采用:
变形的原因。前者称直接作用,习惯上称
荷载,后者称间接作用,如地基变形、混
凝土收缩、温度变化或地震等引起的作用。
◎作用的分类 按作用时间的长短和性质,荷载分为三类: 1. 永久作用 在结构使用期间,其值不随时 间而变化,或其变化与平均值相比可以忽略 不计的作用。 2. 可变作用 在使用期间,其值随时间而变 化,且其变化与平均值不可忽略的作用。 3. 偶然作用 在结构设计使用年限内不一定 出现,但一旦出现其量值很大且作用时间很 短的作用。
(2)可变荷载的标准值Qk
根据数理统计的方法确定,找出其 变化规律,通常要求具有95%的保证率。
《建筑结构荷载规范》已给出了各种可 变荷载的标准值,设计时可直接查用。
2.可变荷载的准永久值Qq 对可变荷载,在设计基准期内,其达到 和超越的总时间约为设计基准期一半的荷载
值。
3.可变荷载的频遇值Qf 对可变荷载,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
荷ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ效应的基本组合。
(1)承载能力极限状态的荷载效应组合 荷载效应组合的设计值S从下列两种组合值
中取最不利值确定:
由可变荷载效应控制的组合:
由永久荷载效应控制的组合:
由可变荷载效应控制的组合:
由永久荷载效应控制的组合:
式中 G –––永久荷载的分项系数,当永久荷载效 应对结构构件承载力不利时,由可变荷 载控制的组合,取值1.2,由永久荷载 控制的组合,取值1.35;当永久荷载效 应对结构构件承载力有利时,一般情况 下取值1.0。
对于正常使用极限状态,应根据不同的设计要求,
并应按下列设计表达式进行设计:
S
≤ C
习题:某办公楼简支梁的计算跨度l0=4m
。承受永久均布荷载标准值gk=8kN/m, 集中荷载标准值Gk=10kN;可变均布荷
载标准值qk=6kN/m,求按承载能力极限
状态设计时梁跨中截面的弯矩设计值M
力。结构能满足上述三项功能要求, 称为结构“可靠”或“有效”;反之,
称为结构“不可靠”或“失效”。
区分结构“可靠”与“失效”的 标志是“极限状态”。
二、结构的极限状态 极限状态是结构或其构件能满足某一功
能要求的临界状态。超过这一界限,结
构或其构件就不能满足设计规定的该项 功能要求,而进入失效状态。
建筑结构与选型
第2、3章 结构基本设计原则
§3.1 结构的功能与极限状态
一、结构的功能
结构设计的目的,是使所设计的结构
能满足各种预定的功能要求。设计的 结构和结构构件应该在规定的设计使
用年限内,在正常维护条件下,应能
保持其使用功能,而不需大修加固。
一. 结构的功能 ◆ 安全性
◎建筑结构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(如 支座不均匀沉降)、约束变形(如温度和收 缩变形受到约束时)等的作用。
准提出了便于实际使用的设计表达式,称
为实用设计表达式。
(1)承载能力极限状态设计表达式
对于承载能力极限状态,应按荷载效应的基本组 合或偶然组合进行荷载效应组合,并应采用下列
设计表达式:
0S ≤ R
R R( f c , fs , ak )
(2)正常使用极限状态设计表达式
采用荷载的标准组合、频遇组合或准永久组合,
【例3-1】 受均布荷载和集中荷载作用的
住宅楼面简支梁,跨长l=5.4m。荷载的
标准值:永久荷载均布值(包括梁自重
)gk=8kN/m,集中荷载Gk=12kN;楼面活
荷载qk=16kN/m,求按承载能力极限状 态设计时梁跨中截面的弯矩设计值M。
【例3-2】对例3-1中的简支梁,求正常
使用极限状态下荷载效应的标准组合弯 矩设计值Mk、频遇组合弯矩设计值Mf及
极限状态的分类: 承载能力极限状态 正常使用极限状态
1.承载能力极限状态
这种极限状态对应于结构或其构件 的最大承载能力、出现疲劳或达到不适
于继续承载的过大的变形。超过该极限
状态,结构就不能满足预定的安全性功 能要求。
1.承载能力极限状态
◆结构构件或连结因材料强度破坏(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;
2.荷载效应组合 结构上作用有多种荷载(特别是多种可变
荷载)时,按极限状态设计时,为保证结
构的可靠性而对同时出现的各种荷载设计
值进行组合。也即建筑结构设计应根据使
用过程中在结构上可能出现的荷载,按两
种极限状态进行组合,并应取各自最不利
的组合进行设计。
(1)承载能力极限状态的荷载效应组合
对于承载能力极限状态的设计,一般考虑
• Pf 计算复杂,但(由图看出)均值Z向右移Pf 减小, 可靠度加大。

Z Z
越大, Pf 越小 ,结构越可靠。
故称 为可靠度指标。
二、结构目标可靠度
在确定结构的可靠指标 时,应该使结构的 失效概率降低到人们可以接受的程度,做到既安 全可靠又经济合理。 《建筑结构可靠度设计统一标准 》规定 :
Z > 0, 即R>S 结构可靠
可靠概率有多大?
Z = 0, 即R=S 结构处于极限状态。
Z < 0, 即R<S
结构失效
失效概率有多大?
• 结构的效应 S 及结构的抗力 R 均符合正态分布,因 此结构的功能函数也符合正态分布。如图:
fz(Z)
z
z
pf
z
Z
图中Z<0部分(阴影)面积即为失效概率Pf
准永久组合弯矩设计值Mq 。
四、结构的抗力R • 结构抗力是指结构或构件承受作用效应的 能力。
材料性能 • 结构抗力的影响因素: 构件截面几何特性 计算模式 • 结构的抗力具有随机性。
§3.3 极限状态设计方法 在进行结构设计时,就应针对不 同的极限状态,根据结构的特点和使 用要求,给出具体的标志极限值,以 作为结构设计的依据。 这种以相应于结构各种功能要求 的极限状态作为结构设计依据的设计 方法,就称为“极限状态设计法”。
定频率的荷载值。
4.可变荷载的组合值Qc
当两种或两种以上可变荷载在结构上同 时作用时,由于所有的荷载同时达到其单独 出现时的最大值的概率极小,因此,除主导 荷载以其标准值为代表值外,其他伴随荷载
均应取小于其标准值的组合值为荷载代表值。
思考题
1.建筑结构按材料分为哪几类?建筑结构按 承重体系分为哪几类? 2.建筑结构的功能要求有哪些? 3.建筑结构的极限状态有哪两种?分布对应
[]
[ ]的取值与构件的破坏类型及结构的重要性有关。
结构构件承载能力极限状态的目标可靠指标
建筑结构的安全等级
安全等级 破坏后的影响程度 建筑物的类型
一级
二级 三级
很严重
严重 不严重
重要的建筑物
一般的建筑物 次要的建筑物
三、极限状态设计表达式 采用概率极限状态方法用可靠指标进行设 计,需要大量的统计数据,计算可靠指标 比较复杂,《建筑结构可靠度设计统一标
或产生的加速度可以忽略。(如自重、人群
荷载、雪载等。)
2.动态作用 使结构或构件产生不可忽略的
加速度。(如吊车荷载、地震、大型动力设
备等)
直接作用:荷载 作用 间接作用:温度应力、基础沉降,地震作用 永久作用:自重,土压力 按时间分 可变作用:楼面活荷载、风荷载、雪荷载 固定作用 按位置分 自由作用 按反应分
◆影响正常使用或耐久性能的局部破坏(包
括裂缝);
◆影响正常使用的振动;
◆影响正常使用的其他特定状态。
建筑结构设计时,为保证结构的安 全可靠,对一切结构和构件均应进
行承载能力极限状态的计算,而正 常使用极限状态的验算应根据具体
使用要求进行。
§3.2 结构上的作用与抗力
一、作用的定义及分类 作用——是指施加在结构上的集中荷载或 分布荷载,以及引起结构外加变形或约束
特点确定其代表值。
1.荷载标准值
指结构在设计基准期内,正常情况下
可能出现的最大荷载统计分布的特征值 (如均值、众值、中值或某个分位值 ),
是结构设计时所采用的荷载基本代表值,
荷载的其他代表值都是以其为基础上乘以 相应的系数后得到的。
(1)永久荷载的标准值Gk
对于结构或非承重构件的自重,由于变 异性不大,一般以其平均值作为荷载标准值, 即可按结构构件的设计尺寸和材料或结构构 件单位体积(或面积)的自重平均值确定。 对于自重变异性较大的材料,在设计中应根 据其对结构有利或不利的情况,分别取其自 重的下限或上限值。《荷载规范》附录A给出 了材料的自重,对某些变异性较大的材料, 则分别给出其自重的上限值和下限值。
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