第15章 土木工程师设计方法

15.1 设计的基本理念
一、好的设计的基本特征: 好的设计的基本特征:
• • (1)首先要能够完全满足客户的使用需求； (1)首先要能够完全满足客户的使用需求； 首先要能够完全满足客户的使用需求 (2)其次要有很好的经济效益， (2)其次要有很好的经济效益，不论是在建设资金 其次要有很好的经济效益 和今后的保养费用都比较省钱； 和今后的保养费用都比较省钱； (3)最后当然要符合审美要求。 (3)最后当然要符合审美要求。 最后当然要符合审美要求
安全和经济是一对矛盾， 安全和经济是一对矛盾，如何在设计中寻得 最佳平衡点， 既能满足安全性要求， 最佳平衡点，即：既能满足安全性要求，又是最 经济的，是设计者一直在寻求解决的问题。 经济的，是设计者一直在寻求解决的问题。
15.4.2 极限设计方法
我国工程结构设计经历了容许应力法、 我国工程结构设计经历了容许应力法、破损阶 段法、 段法、极限状态设计法和概率极限状态设计法四个 阶段。 阶段。
15.4.4 土木工程结构的失效形式
1，功能失效 ， 2，服务失效 ， 3，非连接失效 ， 4，传递失效 ， 5，弹性不稳定失效 ， 6，材料过应力失效 ，
15.4.5 结构设计中的整体设计
建筑师和结构工程师必须从全局的观点将形式与 功能统一，一起讨论总体设计， 功能统一，一起讨论总体设计，分析系统和结构构 件设计。 件设计。
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•(1)土木工程的设计、施工和管理三者的和谐关系应是 (1)土木工程的设计、 (1)土木工程的设计 怎样的？ 怎样的？ •(2)谈对结构安全与合理造价的认识。 (2)谈对结构安全与合理造价的认识。 (2)谈对结构安全与合理造价的认识
•
荷载、应力、 15.2 荷载、应力、应变和弹性
15.2.1 荷载
• 能使土木工程结构产生效应（ 能使土木工程结构产生效应（结构或构件的内 应力、位移、应变和裂缝等） 力、应力、位移、应变和裂缝等）的各种原因的总 称为结构上的荷载 荷载。 称，称为结构上的荷载。 • 荷载在结构上产生的内力（弯矩、扭矩、剪力、 荷载在结构上产生的内力（弯矩、扭矩、剪力、 压力和拉力等）和变形（挠度、扭转、弯曲、拉伸、 压力和拉力等）和变形（挠度、扭转、弯曲、拉伸、 压缩和裂缝等）称为荷载效应 荷载效应。 压缩和裂缝等）称为荷载效应。
15.4.3 设计过程
典型的设计项目所经历的各个环节有： 典型的设计项目所经历的各个环节有： 1，规划阶段； ，规划阶段； 2，初步设计阶段； ，初步设计阶段； 3，方案设计阶段； ，方案设计阶段； 4，详细设计阶段； ，详细设计阶段； 5，建设信息阶段； ，建设信息阶段； 6，建设阶段； ，建设阶段； 7，后合同阶段。 ，后合同阶段。
结构模型建立动画一
结构模型建立动画二
一、结构模型的建立
(1)整体结构的简化： (1)整体结构的简化：为简 整体结构的简化 化计算， 化计算，可取出其中的一 榀框架，将其简化为平面 榀框架， 框架进行计算。 框架进行计算。 (2)构件的简化 构件的简化： (2)构件的简化：梁和柱的 截面尺寸相对于整个框架 来说较小， 来说较小，将其简化为杆 件，梁和柱的连接节点可 简化为刚性连接。 简化为刚性连接。
第十五章 土木工程师设计方法
本章内容
本章内容： 本章内容：
15.1 设计的基本理念 荷载、应力、 15.2 荷载、应力、应变和弹性 15.3 结构设计的一般理论与方法 结构安全、 15.4 结构安全、极限设计和设计过程
土木工程结构基本功能： 土木工程结构基本功能：
提供良好地为人类生活和生产服务以满足人类 使用要求、审美要求。 使用要求、审美要求。 • 是承受和抵御结构服役过程中可能出现 的 各种环境作用( 环境是广义的， 包括结构所承受的 各种环境作用 ( 环境是广义的 ， 各种作用) 各种作用)。 •
3.荷载按结构的反应特点可分为： 荷载按结构的反应特点可分为： 荷载按结构的反应特点可分为 静态荷载和动态荷载。 静态荷载和动态荷载。
应力、 15.2.2 应力、应变和弹性
一、应力 作用于单位面积上的内力强度称之为应力
应力示例
应力、 15.2.2 应力、应变和弹性
二、应变Fra Baidu bibliotek
应变示例
ε=
∆L L
ε
是应变， 是应变，单位长度的伸长量
15.3.2 结构设计的方法
建筑工程的结构设计步骤： 建筑工程的结构设计步骤：
(1)建筑结构模型的建立； (1)建筑结构模型的建立； 建筑结构模型的建立 (2)结构荷载的计算 结构荷载的计算； (2)结构荷载的计算； (3)构件内力计算和构件选择 构件内力计算和构件选择； (3)构件内力计算和构件选择； (4)施工图纸绘制 施工图纸绘制。 (4)施工图纸绘制。
框架结构简化后的平面结构模型
二、结构荷载计算
(1)结构荷载计算 (1)结构荷载计算 即计算该模型上 的受力。 的受力。 (2)计算受力必须 (2)计算受力必须 清楚该结构所受 的荷载的种类和 传力路线。 传力路线。
计算模型上的荷载
三、构件内力计算和构件选择
(1)先依据经验估计梁柱的截面尺寸， (1)先依据经验估计梁柱的截面尺寸，然后即可进 先依据经验估计梁柱的截面尺寸 行该模型的受力计算。 行该模型的受力计算。 (2)计算出构件的内力后 再依据内力， 计算出构件的内力后， (2)计算出构件的内力后，再依据内力，进行梁柱 配筋的计算和梁柱的强度、稳定、变形的计算。 配筋的计算和梁柱的强度、稳定、变形的计算。 (3)这个阶段有一个反复的过程 这个阶段有一个反复的过程， (3)这个阶段有一个反复的过程，即当选定的梁柱 截面尺寸无法满足要求时，需重新选择截面， 截面尺寸无法满足要求时，需重新选择截面， 重新计算，直至满足要求。 重新计算，直至满足要求。
我国目前的《规范》对结构设计制订了明确规定， 我国目前的《规范》对结构设计制订了明确规定， 即建筑结构必须满足下列各项功能要求： 即建筑结构必须满足下列各项功能要求： (1)能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种 (1)能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种 作用； 作用； (2)在正常使用时具有良好的工作性能 在正常使用时具有良好的工作性能； (2)在正常使用时具有良好的工作性能； (3)在正常维护下具有足够的耐久性能 在正常维护下具有足够的耐久性能； (3)在正常维护下具有足够的耐久性能； (4)在偶然事件发生时及发生后 在偶然事件发生时及发生后， (4)在偶然事件发生时及发生后，仍能保持必须的整 体稳定性。 体稳定性。
四、施工图纸的绘制
构件的截面尺寸和配筋确定后， 构件的截面尺寸和配筋确定后，下一步即是 将其反映至施工图纸这个阶段。 将其反映至施工图纸这个阶段。
施工图纸
15.4 结构安全、极限设计和设计过程 结构安全、
15.4.1 结构安全
设计的结构必须是安全的。 设计的结构必须是安全的。那么怎样算达到安 全了呢？ 全了呢？
集中荷载P
均匀分布荷载
15.2.1 荷载
大 坝
均匀分布变化荷载
1.荷载按随时间的变异可分为： 荷载按随时间的变异可分为： 荷载按随时间的变异可分为 永久荷载、可变荷载、偶然荷载； 永久荷载、可变荷载、偶然荷载； 2.荷载按随空间位置的变异可分为： 荷载按随空间位置的变异可分为： 荷载按随空间位置的变异可分为 固定荷载和自由荷载； 固定荷载和自由荷载；
应力、 15.2.2 应力、应变和弹性
三、弹性
当有力作用一物体时，物体有变形。当 当有力作用一物体时，物体有变形。 这个力移去后，物体又恢复原来的形状。 这个力移去后，物体又恢复原来的形状。物 体所具有的这种特性，称之为弹性。 体所具有的这种特性，称之为弹性。
15.3 结构设计的一般理论与方法
15.3.1结构设计的基本理论 15.3.1结构设计的基本理论