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1、混凝土结构第二章第二章 建筑结构的设计标准和设计方法建筑结构的设计标准和设计方法目目 录录结构上的作用、作用效应及结构抗力和结构上的作用、作用效应及结构抗力和功能函数功能函数3 3结构的功能要求和极限状态结构的功能要求和极限状态3 2设计基准周期和设计使用年限设计基准周期和设计使用年限3 1极限状态设计表达式极限状态设计表达式3 4建筑结构设计的基本内容建筑结构设计的基本内容3 5设计基准周期和设计使用年限设计基准周期和设计使用年限 设计基准周期设计基准周期 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
2、是设计基准周期。值，都需要选定一个时间参数，它就是设计基准周期。1.1.结构保证其设计可靠度指标的时间期限称为结构保证其设计可靠度指标的时间期限称为设计基准期设计基准期，即在基准期内，结构的可靠度指标完全满足设计要求；即在基准期内，结构的可靠度指标完全满足设计要求；2.2.设计基准期是测算最大荷载重现期的基本期限；设计基准期是测算最大荷载重现期的基本期限；3.3.在超过设计基准期后，在超过设计基准期后，并非意味着结构的失效，而是其可并非意味着结构的失效，而是其可靠度有所降低靠度有所降低，因此基准期不能等同于建筑物的使用寿命；，因此基准期不能等同于建筑物的使用寿命；4.4.我国对于多数建筑物的我
3、国对于多数建筑物的设计基准期均为设计基准期均为5050年年，特殊建筑物，特殊建筑物可以除外；可以除外；设计基准周期和设计使用年限设计基准周期和设计使用年限设计使用年限设计使用年限 设计使用年限是设计规定的一个时期。设计使用年限是设计规定的一个时期。类别类别1234设计使用年限设计使用年限52550100示例示例临时性建筑临时性建筑易于替换的结易于替换的结构构件构构件普通房屋和构普通房屋和构筑物筑物纪念性建筑和纪念性建筑和特别重要建筑特别重要建筑结构的功能要求和极限状态结构的功能要求和极限状态结构的安全等级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规范根据建筑结构的重要
4、性，规模大小，破坏后果严重程度而将建筑物划分将建筑物划分3 3个设计等级，如表所示。个设计等级，如表所示。安全等级安全等级破坏后果的影响破坏后果的影响程度程度建筑物的类型建筑物的类型一级一级很严重很严重重要的建筑物重要的建筑物二级二级严重严重一般的建筑物一般的建筑物三级三级不严重不严重次要的建筑物次要的建筑物对人员比较集中使用频繁的对人员比较集中使用频繁的影剧院、体育馆等，安全等影剧院、体育馆等，安全等级宜按一级设计，对特殊的级宜按一级设计，对特殊的建筑物，其设计安全等级可建筑物，其设计安全等级可视具体情况确定。视具体情况确定。在近似概率理论的极限状态在近似概率理论的极限状态设计法中，结构的安
5、全等级设计法中，结构的安全等级是用结构重要性系数来是用结构重要性系数来体现的。体现的。Back我国将建筑物的重要程度分为三级，不同级别在计算中取不同的重要我国将建筑物的重要程度分为三级，不同级别在计算中取不同的重要度系数度系数0 0 ：一级，破坏后果极其严重，属于重要的建筑物；一级，破坏后果极其严重，属于重要的建筑物；0 0二级，破坏后果比较严重，属于一般的建筑物；二级，破坏后果比较严重，属于一般的建筑物；0 0三级，破坏后果相对不严重，属于比较次要的建筑物。三级，破坏后果相对不严重，属于比较次要的建筑物。0 0 如（如（MMu）结结构构在在预预定定的的使使用用期期间间内内（一一般般为为50年
6、年），应应能能承承受受在在正正常常施施工工、正正常常使使用用情情况况下下可可能能出出现现的的各各种种荷荷载载、外外加加变变形形（如如超超静静定定结结构构的的支支座座不不均均匀匀沉沉降降）、约约束束变变形形（如如温温度度和和收缩变形受到约束时）等的作用。收缩变形受到约束时）等的作用。在在偶偶然然事事件件（如如地地震震、爆爆炸炸）发发生生时时和和发发生生后后，结结构构应应能能保保持持整整体体稳稳定定性性，不不应应发发生生倒倒塌塌或或连连续续破破坏坏而而造造成成生生命命财财产产的严重损失。的严重损失。安全性安全性结构的功能要求和极限状态结构的功能要求和极限状态结构的功能要求结构的功能要求 安全性安全
7、性 适用性适用性 耐久性耐久性 适用性适用性 如（如（f f）结结构构在在正正常常使使用用期期间间，具具有有良良好好的的工工作作性性能能。如如不不发发生生影影响响正正常常使使用用的的过过大大的的变变形形（挠挠度度、侧侧移移）、振振动动（频频率率、振振幅幅），或或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。耐久性耐久性 如（如（wmax wmax）结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。即结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。即在各种因素的影响下（在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀混凝土碳化、钢筋锈蚀），），结构的承载力结构的承载力
8、和刚度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。内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。结构极限状态的概念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，则称结构为结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构为“可靠可靠”或或“有效有效”。反之，。反之，则结构为则结构为“不可靠不可靠”或或“失效失效”。区分结构。区分结构“可靠可靠”与与“失效失效”的临界工作状的临界工作状态称为态称为“极限状态极限状态”，即整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满，即整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不
9、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。示。结构的功能结构的功能可可 靠靠极限状态极限状态失失 效效安全性安全性受弯承载力受弯承载力M Mu适用性适用性挠度变形挠度变形f f耐久性耐久性裂缝宽度裂缝宽度wmax wmax表表 钢筋混凝土简支梁的可靠、失效和极限状态概念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要求和极限状态结构的功能要求和极限状态结构的极限状态结构的极限状态 可靠性可靠性安全性、适用性和耐久性的总称。安全性、适用性和耐久性的总称。就就是是指指结结构构在在规规定定的的
10、使使用用期期限限内内（设设计计工工作作寿寿命命=50年年），在在规规定定的的条条件件下下（正正常常设设计计、正正常常施施工工、正常使用和维护正常使用和维护），完成预定结构功能的能力。），完成预定结构功能的能力。结构可靠性越高，建设造价投资越大。结构可靠性越高，建设造价投资越大。如如何何在在结结构构可可靠靠与与经经济济之之间间取取得得均均衡衡，就就是是设设计计方法要解决的问题。方法要解决的问题。结构的可靠性结构的可靠性 显显然然这这种种可可靠靠与与经经济济的的均均衡衡受受到到多多方方面面的的影影响响，如如国国家家经经济实力、设计工作寿命、维护和修复等。济实力、设计工作寿命、维护和修复等。规规范范
11、规规定定的的设设计计方方法法，是是这这种种均均衡衡的的最最低低限限度度，也也是是国国家家法律。法律。设设计计人人员员可可以以根根据据具具体体工工程程的的重重要要程程度度、使使用用环环境境和和情情况况，以及业主的要求，提高设计水准，增加结构的可靠度。以及业主的要求，提高设计水准，增加结构的可靠度。经经济济的的概概念念不不仅仅包包括括第第一一次次建建设设费费用用，还还应应考考虑虑维维修修，损损失及修复的费用失及修复的费用结构可靠度理论结构可靠度理论在规定的时间内在规定的时间内（一般为（一般为5050年）年），在规定，在规定的条件下的条件下（正常设计、正常施工和正常使（正常设计、正常施工和正常使用）
12、用），完成预定功能的概率，称为结构的，完成预定功能的概率，称为结构的可靠度，即可靠概率。可靠度，即可靠概率。以以P Ps s表示表示安全性、适用性、耐久性安全性、适用性、耐久性a.a.结构的可靠度结构的可靠度b.b.失效概率失效概率强度强度/荷载值荷载值出出现现概概率率0 0SSS SS SS SRRR RR RR R失效失效可靠可靠结构不能完成预定功能的概率，以结构不能完成预定功能的概率，以P Pf f表示。表示。极限状态极限状态结构或构件达到正常使用或耐久性能的某结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。如过大变形、开裂、振动等。项规定限值。如过大变形、开裂、振动等。结构或构件达到最
13、大承载力或产生不适于结构或构件达到最大承载力或产生不适于继续承载的变形。如倾覆、疲劳破坏、压继续承载的变形。如倾覆、疲劳破坏、压屈等。屈等。b.b.正常使用极限状态正常使用极限状态a.a.承载能力极限状态承载能力极限状态我国结构设计是以概率理论为基础的极限状态设计法。我国结构设计是以概率理论为基础的极限状态设计法。整个结构或结构的一部分超过某一特定状态，或整个结构或结构的一部分超过某一特定状态，或不能满足设计规定的某一功能要求的特定状态。不能满足设计规定的某一功能要求的特定状态。结构的功能要求和极限状结构的功能要求和极限状 结构的极限状态设计方法结构的极限状态设计方法承载能力极限状态承载能力极
14、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，不能满足预定的安全性功能要求，主要包括主要包括：结构或构件达到最大承载力结构或构件达到最大承载力(包括疲劳包括疲劳)。结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡(如倾覆、滑移如倾覆、滑移)。结构塑性变形过大而不适于继续使用。结构塑性变形过大而不适于继续使用。结构形成几何可变体系结构形成几何可变体系(超静定结构中出现足够多的
15、塑性铰超静定结构中出现足够多的塑性铰)。结构或构件丧失稳定结构或构件丧失稳定(如细长受压构件的压曲失稳如细长受压构件的压曲失稳)。正常使用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。性和耐久性的功能要求。主要包括主要包括：过大的变形、侧移，这往往会导致非结构构件受力破坏、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会给人不安全感或导致结构
16、不能正常使用(如吊车梁如吊车梁)等。等。过大的裂缝，这往往会导致钢筋锈蚀、给人不安全感或导过大的裂缝，这往往会导致钢筋锈蚀、给人不安全感或导致房屋漏水等。致房屋漏水等。过大的振动，这往往会给人不舒适感。过大的振动，这往往会给人不舒适感。其他正常使用要求。其他正常使用要求。结构抗力和功能函数结构抗力和功能函数结构的抗力及功能函数结构的抗力及功能函数结构的功能函数：结构的功能函数：Z=R-S式中，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；结构构件抗力，它与材料的力学指标及材料用量有关；S作用作用(荷载荷载)效应及其组合，它与作用的性质有关。效应及其组合，它与作用的性质有关。R和和S均
17、可视为随机变量，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为复合随机变量，它们之间的运算规则应按概率理论进行。理论进行。当当时，结构能够完成预定的功能，处于可靠状态。时，结构能够完成预定的功能，处于可靠状态。当当时，结构不能完成预定的功能，处于失效状态。时，结构不能完成预定的功能，处于失效状态。当当=时，即时，即R=S结构处于临界的极限状态，称为极限状态方程。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保证结构可靠的条件Z=R-S0，是一非确定性的问题。只有用概率来加以，是一非确定性的问题。只有用概率来加以解决。解决。荷载代表值和材料性能标准值荷载代表值和材
18、料性能标准值2.4.2.4.承载能力极限状态表达式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：承载能力极限状态设计表达式为：结构重要性系数结构重要性系数，对安全等级为一级或设计使用年限为，对安全等级为一级或设计使用年限为100100年及以上的结构构件，不应小于；对安全等级为二级或设年及以上的结构构件，不应小于；对安全等级为二级或设计使用年限为计使用年限为5050年的结构构件，不应小于；对安全等级为三级年的结构构件，不应小于；对安全等级为三级或设计使用年限为或设计使用年限为5 5年及以下的结构构件，不应小于；在抗震年及以下的结构构件，不应小于；在抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数。设
19、计中，不考虑结构构件的重要性系数。S S荷载效应组合的设计值。荷载效应组合的设计值。R R结构构件抗力的设计值。结构构件抗力的设计值。我国将建筑物的重要程度分为三级，不同级别在计算中取不同的重要我国将建筑物的重要程度分为三级，不同级别在计算中取不同的重要度系数度系数0 0 ：一级，破坏后果极其严重，属于重要的建筑物；一级，破坏后果极其严重，属于重要的建筑物；0 0二级，破坏后果比较严重，属于一般的建筑物；二级，破坏后果比较严重，属于一般的建筑物；0 0三级，破坏后果相对不严重，属于比较次要的建筑物。三级，破坏后果相对不严重，属于比较次要的建筑物。0 01.1.承载能力极限状态表达式承载能力极限
20、状态表达式极限状态设计表达式极限状态设计表达式b.b.由永久荷载控制的效应组合由永久荷载控制的效应组合a.a.由可变荷载控制的效应组合由可变荷载控制的效应组合永久荷载和可变荷载分项系数。见永久荷载和可变荷载分项系数。见规范规范。式中：式中：S S：荷载效应，：荷载效应，G G：恒荷载的荷载效应系数，：恒荷载的荷载效应系数，Q Q：荷载分项：荷载分项系数，系数，G Gk k：恒荷载标准值，：恒荷载标准值，Q Q1k1k ：最大的活荷载的标准值，：最大的活荷载的标准值，：其他活荷载的组合系数：其他活荷载的组合系数Q Qikik：其他活荷载的标准值：其他活荷载的标准值由可变荷载效应控制的组合：由可变
21、荷载效应控制的组合：由永久荷载效应控制的组合：由永久荷载效应控制的组合：式中，式中，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，由永久荷载控制的组合，取值；当永久荷载效应对结构构件时，由可变荷载控制的组合，取值，由永久荷载控制的组合，取值；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，对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，取值；承载力有利时，一般情况下取值，对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，取值；,第第1 1个和第个和第个可变荷载分项系数，当可变荷载效应对结构构件个可变荷载分项系数，当可变荷载效应对结构
22、构件承载力不利时，一般情况下限值，对标准值大于承载力不利时，一般情况下限值，对标准值大于4kN/m4kN/m的工业房屋楼面结构的活荷载取值；的工业房屋楼面结构的活荷载取值；按永久荷载标准值计算的荷载效应值；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，其中为诸可变荷载效应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中起控制作用者；中起控制作用者；可变荷载的组合值系数，其值不应大于，按规范有关规定取用；可变荷载的组合值系数，其值不应大于，按规范有关规定取用；一般取一般取 参与组合的可变荷载数。参与组合的可变荷载数。荷载代表值和材料性能标准值荷载代表值和材料性能标准
23、值2.4.2.4.承载能力极限状态表达式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。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由可变荷载效应控制的组合 由永久荷载效应控制的组合仍按上页公式采用。由永久荷载效应控制的组合仍按上页公式采用。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
24、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。计公式，可由有关规范另行规定。荷载代表值和材料性能标准值荷载代表值和材料性能标准值正常使用极限状态表达式正常使用极限状态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，并应按下列设计表达式进行设计：遇组合或准永久组合，并应按下列设计表达式进行设计：式中，式中，C结构或结构构件达到正常使用要求的规定限值，例如变形、裂缝、结构或结构构件达到正常使
25、用要求的规定限值，例如变形、裂缝、振幅、加速度、应力等的限值，应按各有关建筑结构设计规范另行规定。振幅、加速度、应力等的限值，应按各有关建筑结构设计规范另行规定。式中，式中，可变荷载可变荷载Q1的频遇值系数；的频遇值系数；可变荷载可变荷载Qi的准永久值系数。的准永久值系数。2.2.正常使用极限状态正常使用极限状态a.a.标准组合标准组合b.b.频遇组合频遇组合c.c.准永久组合准永久组合u正常使用极限状态设计包括两个方面：正常使用极限状态设计包括两个方面：裂缝控制验算裂缝控制验算受弯构件挠度验算受弯构件挠度验算2.5 建筑结构设计的基本内容建筑结构设计的基本内容建筑工程设建筑工程设计内容计内容
26、建筑设计建筑设计结构设计结构设计给排水设计给排水设计暖通设计暖通设计电气设计电气设计工程设计基工程设计基本要求本要求功能要求功能要求美观要求美观要求经济要求经济要求环保要求环保要求结构设计过程：方案设计方案设计结构分析结构分析构件设计构件设计绘施工图绘施工图建建筑筑设设备备工艺设计工艺设计结构选型结构选型上部结构类型上部结构类型下部结构选型下部结构选型结构布置结构布置定位轴线定位轴线构件布置构件布置设置变形缝设置变形缝一、方案设计一、方案设计尺寸估算尺寸估算水平位置水平位置竖向位置竖向位置伸缩缝伸缩缝沉降缝沉降缝防震缝防震缝计算简图计算简图二、结构分析二、结构分析简化三原则简化三原则尽可能反映
27、实际受力特性尽可能反映实际受力特性偏于安全偏于安全简单简单数学方法数学方法解析解解析解数值解数值解计算理论计算理论线弹性线弹性塑性塑性非线性非线性材料非线性材料非线性几何非线性几何非线性截面设计截面设计节点设计节点设计三、构件设计三、构件设计四、绘制施工图四、绘制施工图正确正确规范规范简洁简洁美观美观考虑一项活荷载，以标准值作为代表值；所有活荷载均考虑一项活荷载，以标准值作为代表值；所有活荷载均以组合值作为代表值，简化组合系数取以组合值作为代表值，简化组合系数取建筑结构设计流程方案设计方案设计结构分析结构分析构件设计构件设计截面尺寸估算截面尺寸估算结构选型结构选型结构布置结构布置变形缝设置变形缝设置计算单元计算单元计算简图计算简图内力及变形计算内力及变形计算荷载计算荷载计算荷载、内力组合荷载、内力组合承载能力承载能力抗震设计抗震设计正常使用正常使用The EndThe End下一章下一章下一章下一章