建筑结构设计基本原理和结构 2 1建筑结构设计基本规定2 2建筑结构上的荷载及其分类2 3永久荷载代表值2 4可变荷载代表值 第二章结构上的荷载及其取值 2 1建筑结构设计基本规定 2 1 1结构的设计使用年限 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时期 正常设计正常施工正常使用正常维护 必要的检测 防护和维修 表2 1设计使用年限分类 2 1 2建筑结构的安全等级 根据结构破坏可能产生后果的严重性来划分 即危及人的生命 造成的经济损失 产生社会影响等的严重程度确定 一级 破坏后果很严重 重要的房屋 二级 破坏后果严重 一般的房屋 三级 破坏后果不严重 次要房屋 表2 2建筑结构的安全等级 建筑物中各类结构构件的安全等级宜与整个结构的安全等级相同 但允许对部分结构构件根据其重要程度和综合效益进行适当的调整 但不得低于三级 安全等级在设计中体现结构重要性系数 0重要性系数取值安全等级一级 0 1 1 安全等级二级 0 1 0 安全等级三级 0 0 9 钢结构设计规范 GB50017 2003 规定 一般工业与民用建筑钢结构的安全等级应取为二级 其它特殊建筑钢结构的安全等级应根据具体情况另行确定 对设计使用年限为25年的结构构件 0不应小于0 95 木结构设计规范 GB50005 2003 规定 对安全等级为一级且设计使用年限又超过100的 0不应小于1 2 2 1 3结构设计基准期 在计算结构可靠度时考虑各项基本变量与时间关系所取用的基准时间 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 我国建筑结构设计基准期为50年 如 50年一遇的风雪荷载我国桥梁结构设计基准期为100年 如 100年一遇的风 雪 洪水 结构的设计基准期与结构设计使用年限有什么异同 设计基准期 考虑持久设计状况下各项基本变量与时间关系所采用的基准时间参数 设计使用年限 为结构或构件在正常维护条件下 不需要大修即可按其设计规定的目的正常使用的时间 结构的使用年限超过设计使用年限时 表明它的失效概率可能会增大 不能保证其目标可靠指标 但不等于结构丧失所有要求功能甚至报废 通常结构实际使用寿命大于设计使用年限 2 2建筑结构上的荷载及其分类 2 2 1作用与荷载 所有能使结构产生内力 变形 开裂等效应的原因统称为 作用 梁在荷载作用下 会产生绕度 截面上会有弯矩和剪力 我们将这些由荷载产生的效应 内力 变形 裂缝等 称为荷载效应 作用 间接作用 直接作用 直接作用在结构上的集中力或分布力称为 荷载 因此 荷载 是作用的一种 并且是 直接作用 间接作用 是指引起结构外加变形或约束变形的其他作用 如砼的收缩 温度的变化 地基的沉降 还有地震等 地震作用 是地面运动在结构上产生的惯性力 因此 地震作用是一种 间接作用 不能叫 地震荷载 构造地震 由于地壳运动 推挤地壳岩层使其薄弱部位发生断裂 错动而引起的地震 地震作用 地震反应 地震时由地面运动引起的结构振动 也即地震作用效应 位移 速度 加速度 内力等 结构上受哪些作用 自然界 重力 风 雪 裹冰 温差 地震 撞击 火灾 水灾 化学 微生物 射线 土压力 温度 地基沉降 人类 活荷载 吊车荷载 积灰 爆炸 撞击 预应力 本课程主要针对荷载对结构的影响 作用 荷载 荷载的分类 按作用时间 永久荷载 可变荷载 偶然荷载 恒载 活载 按空间位置 固定荷载 自由荷载 按结构的反应特点 静态荷载 动态荷载 荷载 永久荷载 在结构使用期间 荷载值不随时间变化 或其变化值与平均值相比可以忽略不计的荷载称为永久荷载 永久荷载又称为恒载 2 2 2按随时间的变异分类 荷载的基本分类方法 国家标准采用的分类方法 统计规律与时间参数无关 采用随机变量概率模型描述 结构的自重 土重 水重等都属于永久荷载 可变荷载在结构使用期间 荷载值随时间变化 或其变化值与平均值相比不能忽略的荷载称为可变荷载 统计规律与时间参数有关 采用随机过程概率模型描述 如楼面活荷载 吊车荷载 风荷载 雪荷载等都属于可变荷载 偶然荷载在结构使用期间 不一定出现 但一旦出现 其值很大 并且持续时间极短的荷载称为偶然荷载 如爆炸力 撞击力等都属于偶然荷载 采用随机过程概率模型描述 2011年4月12号乌鲁木齐八钢四管区一居民住宅楼 发生煤气爆炸 因爆炸损毁的六栋楼200多户人家的门窗 设施 玻璃 室内家具物品 2 2 3按空间位置的变异分类 固定荷载在结构上具有固定分布的荷载 其特点是在结构上出现的空间位置固定不变 但其量值可能具有随机性 如房屋建筑楼面上位置固定的设备荷载 屋盖上的水箱等都属于固定荷载 自由荷载在结构上一定范围内可以任意分布的荷载 其特点是可以在结构一定的空间上任意分布 出现的位置和量值都可能是随机的 如楼面的人员荷载 厂房的吊车荷载等都属于自由荷载 2 2 4按结构的反应特点分类 关键 此种分类方法的依据不在于荷载本身是否具有动力特性 主要在于它是否能使结构引起不可忽略的加速度 静态荷载使结构产生的加速度可以忽略不计的荷载称为静态荷载 如结构自重 住宅或办公楼的楼面活荷载等都属于静态荷载 动态荷载 如吊车荷载 大型动力设备的作用 高耸结构上的风荷载等都属于动态荷载 使结构产生的加速度不可忽略不计的荷载称为动态荷载 在结构分析时一般均应考虑其动力效应 动态荷载需用结构动力学进行分析可按静态荷载处理的动态荷载 乘系数 吊车制动荷载预制构件的吊装搬运风荷载 2 3永久荷载代表值 荷载代表值 指在结构设计中根据不同的工作状态 取用的荷载量值 确定荷载代表值是将其作为随即变量 按照概率统计的方法来处理 荷载代表值是具有一定保证率的统计特征值 对结构不利取上限 取标准值为代表值 一般取平均值为标准值 变异较大时 对结构有利取下限 永久荷载代表值 自重线荷载标准值 gk 单位体积自重 截面面积 gk 单位面积自重 荷载宽度 构件自重面积荷载标准值 单位面积自重 单位体积自重 厚度 自重合力标准值 Gk 单位体积自重 体积 Gk 单位面积自重 荷载面积 由表2 3可知 钢筋砼自重介于24 25kN m3之间 该荷载对梁的承载力是不利荷载 所以取上限值25kN m3 混合砂浆自重17kN m3 因此 例题2 1 钢筋砼矩形梁截面尺寸300mm500mm 梁的底面和侧面用20mm厚的混合砂浆抹灰 试求梁的自重标准值 例题2 2 楼面做法为 硬木地板 20mm厚水泥砂浆找平层 80mm厚钢筋混凝土现浇楼板 钢丝网抹灰吊顶 试求板的恒载标准值 面积荷载 解 自重面积荷载标准值 0 2 20 0 02 25 0 08 0 45 3 05kN m2 2 4可变荷载代表值 2 4 1可变荷载代表值 可变荷载的代表值按结构所处的工作状态分为四种 可变荷载标准值 可变荷载组合值 可变荷载准永久值 可变荷载频遇值 具有足够的概率保证率 指结构或构件在正常使用期间可能出现的最大荷载值 可变荷载标准值 可变荷载标准值 可变荷载的基本代表值 表示方法 一般情况下取95 即在使用期间内 95 的情况下 荷载出现的值都小于标准值 分布线荷载用表示集中荷载用表示 我国 荷载规范 提供了常用的楼面使用荷载 风荷载 雪荷载等可变荷载的数值 设计时可以直接查用 对于有足够资料的可变荷载 取最大荷载统计分布特征值 风 雪荷载 习惯上以平均重现期来定义标准值 50年一遇 100年一遇 对于资料不充分的可变荷载 根据工程经验确定 可变荷载标准值取值 可变荷载组合值 对可变作用 使组合后的作用效应在设计基准期内的超越概率与该作用单独出现时的相应概率趋于一致的作用值 或组合后使结构具有统一规定的可靠指标的作用值 可变荷载组合值 组合值系数 1 可变荷载标准值 可变荷载准永久值 指可变荷载在结构设计基准期内 其超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值 它对结构的影响类似于永久荷载 作用在建筑物上的可变荷载 如住宅楼面上的均布活荷载为2 0kN m2 其中有部分是长期作用在结构上面的 在设计基准期50年内 不少于25年 可变荷载准永久值 准永久值系数 1 可变荷载标准值 可变荷载频遇值 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定频率的荷载值 一般在10 以内 目前我国现行规范中 建筑结构荷载规范 根据分析判断列出了各类可变荷载的频遇值系数 但是在其他的结构规范中均未在正常使用极限状态验算中采用频遇组合荷载效应组合设计表达式 可变荷载准永久值 频遇值系数 1 可变荷载标准值 2 4 2可变荷载取值 民用建筑楼面均布活荷载 楼面活荷载标准值 kN m2 按表2 4采用 住宅 医院 办公楼 教室2 0礼堂 剧院 公共洗衣房3 0健身房 舞台 舞厅4 0 活荷载可按楼层折减 组合值系数 频遇值系数 准永久值系数见表2 4 屋面活荷载 屋面类型 不上人屋面 上人屋面 屋顶花园 活荷载包括 施工荷载 检修荷载 屋面活载标准值不上人屋面 0 5上人屋面 2 0屋顶花园 3 0组合值系数 频遇值系数 准永久值系数见表2 6 吊车竖向荷载标准值 采用最大轮压和最小轮压以出厂规格为准吊车水平荷载制动惯性力取重量乘系数横向有左右之分纵向有前后之别 组合值 频遇值和准永久值系数见表2 7 吊车荷载 雪荷载 属于屋面荷载 按照屋面水平投影面积计算 雪荷载标准值 面积荷载 雪荷载标准值 kN m2 基本雪压 kN m2 屋面积雪分布系数 与屋面形式有关 如单跨单坡屋面 坡度不超过25 时 1 0 坡度为30 时 0 8 雪荷载的基本雪压是根据全国672个地点的气象台站建站以来记录到的最大雪压或积雪深度资料 经统计得出的50年一遇的最大雪压 即重现期为50年的最大雪压 以此规定当地的基本雪压 雪荷载组合值系数为0 7 频遇值系数为0 6 准永久值系数按雪荷载分区I II和III的不同 分别取0 5 0 2和0 北京0 40 南京0 65 成都0 10 沈阳0 50 风荷载 动态荷载 设计时可采取乘以系数的方式按静态荷载处理 空气的流动对建筑物表明产生的压力或者吸力 近地风的性质 风速 风向建筑物所在场地的地貌和周围环境建筑物本身的高度 形状和表面状况 风的形成与危害风是由于大气层的温度差 气压差等大气现象导致的空气流动现象 建筑物会对风形成阻挡 因此风会对于建筑物形成反作用 风是极其复杂的气流现象 是随机性的动荷载 巨大的风力作用会致使建筑物水平侧移 振动甚至垮塌 在风的作用下 建筑物会发生以下破坏 1 主体结构变形导致内墙裂缝 2 长时间的风振效应使结构受到往复应力作用而发生局部疲劳破坏 3 外装饰 受风力作用而脱落 4 轻屋面 受风的作用会像上浮起甚至破坏 风荷载的基本理论气体的流动速度与压力成反比 迎风面受到压力作用 其他面由于风的流动而受到吸力 基本风压基本风压是指某一地区 风力在迎风面产生作用的标准值 平坦空旷的地面 距地面10米高处 年最大风速发生时10分钟内的风速平均值所形成的 并考虑该风速的历史重现期 50年为标准期限 而确定的迎风面风力作用 特别重要的建筑 考虑重现期为100年 标准空气密度 可取 1 25kg m3 基本风压 雪压取值 建筑形体与风的作用迎风面风力为压力 侧风面随着与风的夹角的变化 风力逐渐有压力转变为吸力 矩形 圆形 三角形等不同的平面形状的建筑物 各个侧面所受的风力作用差异很大 建筑物表面粗糙会加大风力的作用 建筑形体风作用系数举例 高度与风的作用随着风力测试点的高度增加 所受风力作用也随之加大 风的振动效应阵风会产生强烈的风阵效应 并且具有极大的不稳定性 阵风会产生顺风的振动效应与侧风的振动效应 风振系数 风对建筑物的作用是动力荷载风的基本周期一般远大于多层钢筋砼结构的自振周期短周期成分对高层建筑结构有影响 城市中心区高层建筑的综合效应常规理解 地面粗糙度大 风速减缓 这个概念仅在城市多为多层建筑或高层建筑不多 分布不密集时是正确的 随着城市中心区高层建筑大量增加 高度加大 多数在百米以上 密度也随之加大 在局部会由于过风面积