结构设计原理,第 一 讲,第一讲：绪论（1/12）,一、结构的基本知识 二、混凝土结构 三、钢结构 四、砌体结构 五、本课程特点,第一讲：绪论（2/12） 一、结构的基本知识（1/4）,1、结构的组成 ：由若干个单元所组成的结构骨架。 2、基本(单元)构件 板：提供活动面，直接承受并传递荷载； 梁：板的支撑构件，承受板传来的荷载并传递； 柱：承受楼面体系（梁、板）传来的荷载并传递； 墙：承受楼面体系（梁、板）传来的荷载并传递； 基础：将柱及墙等传来的上部结构荷载传给地基； 索：悬挂构件或结构体系的主要传力单元； 杆：组成空间构件，如屋架等。,第一讲：绪论（3/12） 一、结构的基本知识（2/4）,3、结构的分类 按材料分类 混凝土结构、钢结构、砌体结构、木结构和混合结构 混凝土结构:素混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土 纤维筋混凝土和其它形式的加筋混凝土。 砌体结构：包括砖石砌体结构、砌块砌体结构 混合结构：砖混结构、钢与混凝土组合结构,第一讲：绪论（4/12） 一、结构的基本知识（3/4）,按受力体系分类 框架结构：主要(竖向)受力体系由梁和柱组成； 剪力墙结构：主要(竖向)受力体系由墙组成； 筒体结构：四周封闭的墙形成筒； 塔式结构：下端固定、上端自由的高耸构筑物； 桅式结构：竖立的细长桅杆和纤绳所组成的构筑物； 悬索、悬吊结构：由拉索及边缘构件组成的承重结构； 壳体结构:由曲面形板与边缘构件组成的空间结构； 网架结构：由多根杆件通过节点连结形成的空间结构；,第一讲：绪论（5/12） 一、结构的基本知识（4/4）, 板柱结构：由楼板和柱组成承重体系的结构； 墙板结构：由楼板和墙组成承重体系的结构； 折板结构：由多块条形平板组合而成的空间结构； 充气结构：用薄膜制成的，冲入气体后而形成的结构； 膜结构：用柔性受拉索和薄膜及边缘构件组成的结构； 按使用功能分类： 建筑结构、特种结构、桥梁结构、地下结构等 按照建筑物外形分类： 单层、多层、高层、大跨和高耸结构等 按照施工方法分类： 现浇结构、装配结构和装配整体式结构,第一讲：绪论（1） 下一讲的重要内容,1、混凝土结构组成及工作原理； 2、钢结构组成及工作原理； 3、砌体结构组成及工作原理； 4、本课程的特点。,结构设计原理,第 二 讲,第二讲：绪论（2） 上一讲的主要内容,1、结构的组成:基本单元（杆件） 2、结构基本单元 板、柱、梁、墙、基础等 3、结构的分类 按材料分类：混凝土、钢、砌体、木和混合结构 按受力体系：框架、剪力墙等多种 按使用功能：建筑结构、特种结构、桥梁结构、地下结构 按外形分类：单层、多层、高层、大跨和高耸结构等 按施工方法：现浇结构、装配结构和装配整体式结构,第二讲：绪论（6/12） 二、 混凝土结构（1/4）,1、结构形成的原理 组 成: 由钢筋和混凝土结合成一体，共同发挥作用。 混凝土：抗压强度很高，但抗拉强度很低。 钢 筋：抗拉和抗压强度均很高。 共同工作的目的 充分发挥两种材料的强度优势，取长补短。 素混凝土梁的工作特点 开裂前：按照整截面分析，上部受拉下部受压， 受拉区的拉力由混凝土承担。 开裂后：梁断裂。,第二讲：绪论（7/12） 二、 混凝土结构（2/4）,钢筋混凝土梁如何共同工作 开裂前：受拉区的拉力由钢筋和混凝土共同承担。 开裂后：受拉钢筋承担大了部分拉力，继续承担荷载， 直至屈服强度，受压混凝土压碎，梁破坏。,第二讲：绪论（8/12） 二、 混凝土结构（3/4）,素混凝土梁与钢筋混凝土梁的对比 极限状态：素砼梁：无明显变形，开裂即破坏 钢筋砼梁：有明显变形，钢筋屈服，砼压碎 承载能力：素砼梁：取决于混凝土的抗拉，低 钢筋砼梁：取决于钢筋抗拉和砼抗压强度，高 抗裂能力：配筋后略有增加，但不显著 共同工作的基础 两者之间存在较好的传递应力的能力，粘结力； 两种材料的温度线膨胀系数相近； 混凝土对钢筋的保护，抗火和耐久性提高。,第二讲：绪论（9/12） 二、 混凝土结构（4/4）,2、优缺点 优 点： 耐久性好；耐火性好； 可模性好、整体性好。 可就地取材。 缺 点： 自重大； 抗裂差； 施工环节多周期长； 拆除、改造难度大。 3、现状与发展,第二讲：绪论（10/12） 三、 钢结构（1/1）,1、钢结构的构成 是用钢板、角钢、工字钢、槽钢、钢管和圆钢等钢材 通过焊接等有效的连接方式，所形成的结构。 2、优缺点 优 点： 强度和强度质量比高； 材质均匀、性能好，结构可靠性高。 施工简便、工期短。 延性好、抗震能力强。 易于改造和加固。 缺 点：耐腐蚀性差；耐火性差；钢材价格相对较高。 3、现状与发展,第二讲：绪论（11/12） 四、砌体结构 （1/1）,1、砌体结构的组成 砌体结构是用砖、石或砌块， 用砂浆等胶结材料砌筑的结构。 2、优缺点 优 点：耐久性好； 耐火性好； 就地取材； 施工技术要求低； 造价低廉。 缺 点： 强度低，砂浆与砖石之间的粘接力较弱； 自重大；砌筑工作量大，劳动强度高。 粘土用量大，不利于持续发展。 3、现状与发展,第二讲：绪论（12/12） 五、本课程特点（1/1）,1、是原理课，应突出原理和概念 2、基本构件由不同材料组成，在了解共性特点的同时， 应注意由于组成材料不同而导致的计算方法的不同 3、强调不同材料构件的计算原理和方法 4、涉及内容多，系统性差 5、公式多、公式的条件多 6、简化、近似和经验处理多,第二讲：绪论（2） 下一讲的主要内容,1、作用及作用效应 2、作用的分类 3、荷载的随机性与概率模式 4、荷载的代表值,结构设计原理,第 三 讲,第三讲：计算原则（1） 上一讲的主要内容,1、混凝土结构组成及工作原理： 由钢筋和混凝土结合成一体，共同发挥作用。 发挥材料优势（混凝土的压、钢筋的拉），取长补短。 是一种复合材料构件，工作过程相对复杂。 2、钢结构组成及工作原理： 单一材料构件，材料理想，工作原理简单。 3、砌体结构组成及工作原理： 用砂浆等胶结材料把砖、石或砌块等砌筑成一体的结构。 是一种复合材料构件，工作过程相对复杂。,第三讲：结构基本计算原则 （1/28）,一、结构上的作用 二、结构的抗力 三、结构的功能和极限状态 四、设计的基本原则 五、基于近似概率法的设计表达式 六、本章要点,第三讲：计算原则（2/28） 一、结构上的作用 （1/5）,1、作用及作用效应 (1)作 用 引起结构内力和变形的一切原因。 直接作用：直接以力的不同集结形式作用于结构， 也称为荷载； 间接作用：不是直接以力出现，但是对结构产生内力。 (2)作用效应 作用在结构上产生的内力和变形等。 由直接作用(荷载)引起的效应称为荷载效应。,第三讲：计算原则（3/28） 一、结构上的作用（2/5）,2、作用的分类 (1)按照随时间的变异性分类 永久作用：不随时间变化，或变化幅度可以忽略； 可变作用：随时间变化，且变化幅度不可以忽略； 偶然作用：可能，但不一定出现，一旦出现效应很大。 (2)按照随位置的变异性分类 固定作用：在结构空间位置上具有固定的分布； 可动作用：在结构空间位置一定范围内可以任意分布。 (3)按照结构的反应分类： 静态作用：对结构不产生动力效应，或小的可以忽略； 动态作用：对结构产生动力效应，且不可以忽略。,第三讲：计算原则（4/28） 一、结构上的作用（3/5）,3、荷载的随机性与概率模式 (1)永久荷载 性质：其量值是不确定的，其量值不随时间变化 数学描述：随机变量概率模式，基本服从正态分布 (2)可变荷载 性质：其量值是不确定的，其量值也随时间变化 数学描述：把随机过程模式简化成随机变量模式 简化方法：分析荷载最大值分布规律，是一随机变量 分布规律：极值I型概率分布模式,第三讲：计算原则（5/28） 一、结构上的作用（4/5）,4 荷载的代表值 (1)实质：以确定值（代表值）表达不确定的随机变量， 便于设计时，定量描述和运算。 (2) 取值原则：根据荷载概率分布特征, 控制保证率。,第三讲：计算原则（6/28） 一、结构上的作用（5/5）,(2) 代表值取值 永久荷载的代表值 标准值：取分布的平均值，保证率50%； 可变荷载的代表值 标准值：基本代表值，保证率尚未统一； 准永久值：对可变荷载稳定性的描述， 等于标准值乘准永久值系数； 组合值：两种或（以上）可变荷载作用时，都以标准值出现的概率小，因此对标准值乘以组合系数进行折减。,第三讲：计算原则（1） 下一讲的主要内容,1、抗力的不定因素及取值 2、结构的功能 3、极限状态,结构设计原理,第 四 讲,第四讲：计算原则（2） 上一讲的主要内容,1、作用及作用效应 作 用：引起结构内力和变形的一切原因。 作用效应：作用在结构上产生的内力和变形等。 2、作用的分类 按时间分：永久作用；可变作用；偶然作用。 按位置分：固定作用、可动作用。 按反应分：静态作用、动态作用： 3、荷载的随机性及代表值 目的：以确定值（代表值）表达不确定的随机变量； 种类： 标准值、准永久值、 组合值。,第四讲：计算原则（7/28） 二、结构的抗力 （1/2）,1、抗力及其不定因素 抗力：抵抗作用效应的能力 性质：与时间有关的随机过程 材料的性能，结构尺寸等都是随机变量； 有些材料的力学性能是随时间变化的。 简化：忽略随时间的变化，用随机变量模型描述。 抗力不定性主要因素： 材料性能的不定性 几参数的不定性 计算模式的不定性,第四讲：计算原则（8/28） 二、结构的抗力 （2/2）,2、 材料强度的标准值 (1)实质：以确定值（标准值）表达不确定值，便于应用。 (2) 标准值取值：根据材料强度概率分布的0.05分位值， 即95%保证率的要求确定。 3、抗力的概率分布模式 (假设)对数正态分布,第四讲：计算原则（9/28） 三、结构功能和极限状态（1/2）,1、结构的功能 （1）安全性：要求结构承担正常施工和正常使用条件下，可能出现的各种作用，而不产生破坏。并且在偶然事件发生时以及发生后，能保持必需的整体稳定性，不至于因局部损坏而产生连续破坏。 （2）适用性：要求结构在正常使用时满足正常的要求，具 有良好的工作性能。 （3）耐久性 要求结构在正常使用和维护下，在规定的使 用期内，能够满足安全和使用功能要求。如 材料的老化、腐蚀等不能超过规定的限制等。,第四讲：计算原则（10/28） 三、结构功能和极限状态（2/2）,2、极限状态 (1)定义：极限状态是判别结构是否能够满足其功能要求的 标准，指结构或结构一部分处于失效边缘的状态。 (2)分类： 承载能力极限状态 是判别结构是否满足安全性要求的标准，指结构或结构 构件达到最大承载能力或不适于继续加载的变形。 正常使用极限状态： 是判别结构是否满足正常使用和耐久性要求的标准， 指结构或构件达到正常使用或耐久性的某些规定限值。,第四讲：计算原则（2） 下一讲的主要内容,1、功能函数与极限状态方程 2、结构可靠度的概念,结构设计原理,第 五 讲,第五讲：计算原则（3） 上一讲的主要内容,1、抗力及其不定因素及材料强度的标准值 标准值的实质：以确定值表达不确定值，便于应