建筑结构的设计标准和设计方法最新课件

2.2结构的功能要求和极限状
2.2.2结构的极限状态 承载能力极限状态 结构或构件达到最大承载力，疲劳破坏或不适于继续承载的变 形状态称为承载能力极限状态。超过该极限状态，结构就不能 满足预定的安全性功能要求，主要包括： ① 结构或构件达到最大承载力(包括疲劳)。 ② 结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡(如倾覆、滑移)。 ③ 结构塑性变形过大而不适于继续使用。 ④ 结构形成几何可变体系(超静定结构中出现足够多的塑性铰)。 ⑤ 结构或构件丧失稳定(如细长受压构件的压曲失稳)。
2.4.1荷载代表值 结构上的荷载可分为3类，它们分别是：永久荷载，如结构自重、 土压力、预应力等；可变荷载，如楼面活荷载、屋面活荷载、积 灰荷载、吊车荷载、风荷载和雪荷载等；偶然荷载，如爆炸力、 撞击力等。 荷载代表值是指设计中用以验算极限状态所采用的荷载量值，如 标准值、组合值、频遇值和准永久值。 建筑结构设计时，对不同荷载应采用不同的代表值。永久荷载采 用标准值作为代表值；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；偶然荷载应按建筑结构使 用的特点确定其代表值。
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2.3结构上的作用、作用效应及结构抗力和 功能函数
2.3.2结构的抗力及功能函数
结构的功能函数：
Z=R-S
式中，R——结构构件抗力，它与材料的力学指标及材料用量有关； S——作用(荷载)效应及其组合，它与作用的性质有关。
R和S均可视为随机变量，Z为复合随机变量，它们之间的运算规则应按概 率理论进行。
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2.4荷载代表值和材料性能标准值
2.4.1荷载代表值 荷载标准值是指其在使用期间可能出现的最大荷载值； 荷载组合值是指当有两种或两种以上的可变荷载作用在结构上要 求同时考虑时； 荷载准永久值是指可变荷载在设计基准期内，其超越的总时间约 为设计基准一半的荷载值，主要用于考虑荷载长期效应的影响； 荷载频遇值是针对可变荷载而言的，是指设计基准周期内达到和 超过该值的总持续时间与设计基准期的比值小于0.1的荷载代表值。
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2.4荷载代表值和材料性能标准值
2.4.２分项系数 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，规范提出了便于实际使用的设 计表达式，称为实用设计表达式。采用了以荷载和材料强度的 标准值分别与荷载分项系数和材料强度分项系数相联系的荷载 设计值、材料强度设计值来表达的方式。分项系数按照目标可 靠指标，并考虑工程经验优选原则进行确定，通过分项系数将 可靠指标隐含在设计表达式中。所以，分项系数已起着考虑目 标指标的等价作用。
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2.3结构上的作用、作用效应及结构抗力和 功能函数
2.3.1结构上的作用与作用效应 按空间位置的变异分类 固定作用：是指在结构上具有固定分布的作用，如工业与民 用建筑楼面上的固定设备荷载、结构构件自重等。 自由作用：是指在结构上一定范围内可以任意分布的作用， 如工业与民用建筑楼面上的人员荷载、吊车荷载等。
取用；
n ——参与组合的可变荷载数。
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2.4荷载代表值和材料性能标准值
2.4.３承载能力极限状态表达式 对于工程中常用的一般排架、框架结构，可采用简化规则，并应按 下列组合值中取最不利值确定。 由可变荷载效应控制的组合
SgSgk S q q1k
n
SgSgk 0.9 S qi qik
不严重
次要的建筑物
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2.2结构的功能要求和极限状态
2.2.1结构的功能要求
安全性:结构在预定的使用期间内(一般为50年)，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(如超静定结构的支座不 均匀沉降时)、约束变形(如温度和收缩变形受到约束时)等的作用。 在偶然事件(如地震、爆炸)发生时和发生后，结构应能保持整体稳定性， 不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。 适用性:结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。如不发生影响正常 使用的过大的变形(挠度、侧移)、振动(频率、振幅)，或产生让使用者 感到不安的过大的裂缝宽度等。 耐久性:结构在正常使用和正常维护的条件下，应具有足够的耐久性，即 在各种因素的影响下(混凝土碳化、钢筋锈蚀)，结构的承载力和刚度不 应随时间有过大的降低，而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和 适用性，降低使用寿命。
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2.2结构的功能要求和极限状态
2.2.2结构的极限状态
结构极限状态的概念 结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构为“可靠”或“有效”。反之， 则结构为“不可靠”或“失效”。区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状 态称为“极限状态”，即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，此特定状态即为该功能的极限状态。举例如表所 示。
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2.3结构上的作用、作用效应及结构抗力和 功能函数
2.3.1结构上的作用与作用效应 结构上的作用是指施加在结构或构件上的力，以及引起结构 外加变形或约束变形的原因。结构上的作用分为直接作用和 间接作用两种。直接作用是指施加在结构上的荷载，如恒荷 载、活荷载、风荷载和雪荷载等。间接作用是指引起结构外 加变形和约束变形的其他作用，如地基不均匀沉降、温度变 化、混凝土收缩、焊接变形等。
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2.3结构上的作用、作用效应及结构抗力和 功能函数
2.3.1结构上的作用与作用效应 按结构的反应特点分类 静态作用：是指使结构产生的加速度可以忽略不计的作用， 如结构自重、住宅和办公楼的楼面活荷载等。 动态作用：是指使结构产生的加速度不可忽略不计的作用， 如地震、吊车荷载、设备振动等。
表 钢筋混凝土简支梁的可靠、失效和极限状态概念
结构的功能
安全性
受弯承载力
适用性
挠度变形
可靠 M < Mu f < [f]
极限状态 M =Mu f=[f]
失效 M > Mu f > [f]
耐久性
裂缝宽度
wmax< [wmax]
wmax= [wmax]
wmax> [wmax]
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当Ｚ>０时，结构能够完成预定的功能，处于可靠状态。 当Ｚ<０时，结构不能完成预定的功能，处于失效状态。 当Ｚ=０时，即R=S结构处于临界的极限状态，称为极限状态方程。 保证结构可靠的条件Z=R-S＞0，是一非确定性的问题。只有用概率来加以
解决。
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2.4荷载代表值和材料性能标准值
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2.2结构的功能要求和极限状
2.2.2结构的极限状态 正常使用极限状态 结构或构件达到正常使用或耐久性的某项限值规定，称为正常 使用极限状态。超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用 性和耐久性的功能要求。主要包括： ① 过大的变形、侧移，这往往会导致非结构构件受力破坏、 会给人不安全感或导致结构不能正常使用(如吊车梁)等。 ② 过大的裂缝，这往往会导致钢筋锈蚀、给人不安全感或导 致房屋漏水等。 ③ 过大的振动，这往往会给人不舒适感。 ④ 其他正常使用要求。
对人员比较集中使用频繁的 影剧院、体育馆等，安全等 级宜按一级设计，对特殊的 建筑物，其设计安全等级可 视具体情况确定。 在近似概率理论的极限状态 设计法中，结构的安全等级
是用结构重要性系数 0 来
体现的。
安全等级
一级 二级 三级
破坏后果的影响 建筑物的类型 程度
很严重
重要的建筑物
严重
一般的建筑物
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频遇组合是新引进的组合模式，可变荷载的频遇值等于可变荷载 标准值乘以频遇值系数（该系数小于组合值系数），其值是这样 选取的：考虑了可变荷载在结构设计 基准期内超越其值的次数或 大小的时间与总的次数或时间相比在10％左右。频遇组合目前的 应用范围较为窄小，如吊车梁的设计等。由于其中的频遇值系数 许多还 没有合理地统计出来，所以在其它方面的应用还有一段的 时间。 准永久组合在某种意义上与过去的长期效应组合相同，其值等于 荷载的标准值乘以准永久值系数。它考虑了可变荷载对结构作用 的长期性。在设计基准期内，可变荷 载超越荷载准永久值的概率 在50％左右。准永久组合常用于考虑荷载长期效应对结构构件正 常使用状态影响的分析中。最为典型的是：对于裂缝控制等级为2 级的 构件，要求按照标准组合时，构件受拉边缘混凝土的应力不 超过混凝土的抗拉强度标准值，在按照准永久组合时，要求不出 现拉应力。
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2.4荷载代表值和材料性能标准值
2.4.３承载能力极限状态表达式
承载能力极限状态设计表达式为：
0S R
0 ——结构重要性系数，对安全等级为一级或设计使用年限为 100年及以上的结构构件，不应小于1.1；对安全等级为二级或 设计使用年限为50年的结构构件，不应小于1.0；对安全等级 为三级或设计使用年限为5年及以下的结构构件，不应小于0.9； 在抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数。
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，对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，取值0.9；
q 1 , q i ——第1个和第ｉ个可变荷载分项系数，当可变荷载效应对结构构
件承载力不利时，一般情况下限值1.4，对标准值大于4kN/m２的工业房屋楼面结构的活荷载取值
1.3；
中起控制作用者；
S g k ——按永久荷载标准值计算的荷载效应值； S q i k ——按可变荷载标准值计算的荷载效应值，其中为诸可变荷载效应
c i ——可变荷载的组合值系数，其值不应大于1.0，按规范有关规定
S——荷载效应组合的设计值。 R——结构构件抗力的设计。
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2.4荷载代表值和材料性能标准值
2.4.３承载能力极限状态表达式
由可变荷载效应控制的组合： 由永久荷载效应控制的组合：
n
SgSgkq1Sq1k S qi ci qik n i2
SgSgk S qi ci qik i1
作用效应是指由结构上的作用引起的结构或构件的内力(如轴 力、剪力、弯矩、扭矩等)和变形(如挠度、侧移、裂缝等)。 当作用为集中力或分布力时，其效应可称为荷载效应。
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2.3结构上的作用、作用效应及结构抗力和 功能函数
2.3.1结构上的作用与作用效应
作用的分类
按随时间的变异分类 永久作用：是指在设计基准期内其量值不随时间变化，或其 变化与平均值相比可以忽略不计的作用，如结构自重、土压 力、预加应力等。 可变作用：是指在设计基准期内其量值随时间变化，且其变 化与平均值相比不可忽略的作用，如安装荷载、楼面活荷载、 风荷载、雪荷载、吊车荷载和温度变化等。 偶然作用：是指在设计基准期内不一定出现，而一旦出现其 量很大且持续时间很短，如地震、爆炸、撞击等。
由永久荷载效应控制的组合仍按上i1页公式采用。 对于偶然组合，荷载效应组合的设计值宜按下列规定确定：偶然荷 载的代表值不乘分项系数；与偶然荷载同时出现的其他荷载可根据 观察资料和工程经验采用适当的代表值。各种情况下荷载效应的设 计公式，可由有关规范另行规定。
设计使用年限
设计使用年限是设计规定的一个时期。
类别
1
2
3
4
设计使用年限 示例
5 临时性建筑
25
易于替换的结 构构件
50
普通房屋和构 筑物
100
纪念性建筑和 特别重要建筑
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2.2结构的功能要求和极限状态
结构的安全等级 规范根据建筑结构的重要性，规模大小，破坏后果严重程度 而将建筑物划分3个设计等级，如表所示。
目录
13 设计基准周期和设计使用年限
23 结构的功能要求和极限状态
3
结构上的作用、作用效应及结构抗力和 功能函数
43 极限状态设计表达式
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2.1设计基准周期和设计使用年限
设计基准周期
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，它就是设计基准周期。我国 采用的设计基准周期为50年。