1、第二章 结构设计的总体问题,2.1 概述,2.4 设计方法,2.2 建筑结构上的作用（荷载）,2.3 建筑结构上的作用力估值,2.1 概述 1. 我国工程结构设计规范的层次示意,第一层次规范,第二层次规范,第三层次规范,最高层次的规范宪法,行业设计的基本规范,各行业的具体标准,能源,建筑结构荷载规范,混凝土结构设计规范,钢结构设计规范,2.建筑结构专业新课程体系的6大模块,结构内力分析 结构的抗力 荷载 结构的设计方法 施工技术 结构试验,3. 概率的作用,载人用的长征2号火箭安全概率为97%； 神州六号 航天员系统的安全概率首次达到0.9以上； 对不确定事件、特别是危险事件的认识更为科学。,
2、降水概率41%北京2008年8月8日晚,（1） 世界各国建筑业年死亡人数,美国建筑业1992-2002年 英国建筑业1992-2004年 日本建筑业1992-2002年 中国建筑业1991-2004,美国建筑业1992-2002年事故死亡人数,英国建筑业1992-2004年事故死亡人数,日本建筑业1992-2002年事故死亡人数,中国建筑业1991-2004年事故死亡人数,各国建筑业1991-2004年事故死亡人数,（2） 世界各国10万人死亡率,美国建筑业1992-2003年十万人死亡率 1998年各国建筑业十万人死亡率,美国建筑业1992-2003年十万人死亡率,1998年各国建筑业十万人
3、死亡率,1. 作用与荷载,直接荷载: 直接作用于结构上的力(集中力或分布力), 如自重、风压力、车辆制动力等,间接荷载：引起结构外加变形或约束变形的其它因素，如地震、基础沉降、温度变化、混凝土收缩、焊接变形等,直接荷载、间接荷载统称作用,2.2 建筑结构上的作用（荷载）,2. 荷载来源,自 重,结构(Structure)是建筑物的基本受力骨架,外部荷载作用,变形作用,环境作用,结构自身的重量，如梁、板、柱及构造层重等,活荷载、风荷载、雪荷载、地震作用等,温度变化引起的变形、地基沉降、结构材料的收缩和徐变变形等,阳光、雷雨、海水、大气污染作用等,结构失效将带来生命和财产的巨大损失, 因此在设计中
4、对结构有最基本的功能要求。,3. 分类,2018/12/14,23,楼面活荷载,沉降作用,温差作用,永久作用,定义：在设计基准期内，量值不随时间变化，或变化的幅值与平均值相比可以忽略的 作用.,6.水位不变的水压力 7.由于支座沉降和地基沉降形成的间接作用 8.预加应力 9. 其它,1.结构的自重； 2.非承重结构的全部自重 3.由于自重产生的最终土压力； 4.由结构施工方式引起的最终变形 5.由混凝土收缩、钢材焊接产生的间接作用,包括：,可变作用,定义：在设计基准期内，量值随时间变化，且变化的幅值与平均值相比不可忽略的作用.,6.小于本地区基本烈度的多遇地震； 7.水位变化的水压力； 8.冰
5、压力或冻胀力； 9 波浪力； 10 其它,1. 机车车辆荷载及其它移动荷载； 2.某些施工阶段结构的某些部分的自重； 3. 安装荷载；4.风、雪荷载； 5.温度变化及温差产生的约束作用；,包括：,偶然作用,定义：在设计基准期内不一定出现，而一旦出现其量值很大，且持续时间很短的作用,1.船舶撞击； 2.机车车辆脱轨 3. 等于或大于本地区基本烈度的罕见地震； 4.火灾； 5.爆炸； 6.罕遇洪水、滑坡、泥石流 7.龙卷风,防范措施,包括：,4. 荷载标准值,恒载样本,楼面活荷载样本,风荷载样本,标准值取值方法,恒载 GK：根据设计尺寸和材料的标准容重确定。,活荷载QK：,a:设计基准期最大值随机
6、变量的均值若干倍的标准差,如：办公楼面活荷载,新规范：LK=200Kg/m2,又如：住宅楼面活荷载,新规范：LK=200Kg/m2,常见荷载的标准值可以从我国现行建筑结构荷载规范(GB5009 2012)中查到。,在房屋设计的方案阶段，总体估算时通常需要考虑,竖向作用的荷载,水平作用的荷载,2.3 建筑结构上作用力估算,楼面与屋面,2018/12/14,39,框架体系,2018/12/14,40,荷载传递路线,2.3 建筑结构上作用力估算 1.竖向作用荷载估算,砌体结构,2018/12/14,41,荷载传递路线,2.3 建筑结构上作用力估算 1.竖向作用荷载估算,剪力墙,2018/12/14,
7、42,荷载传递路线,2.3 建筑结构上作用力估算 1.竖向作用荷载估算,2018/12/14,43,竖向荷载(楼(屋)面自重及活载)梁或屋架 柱或墙 基础 地基,2.3 建筑结构上作用力估算 1.竖向作用荷载估算,在一般工业与民用建筑中，竖向作用力主要是重力荷载，而且主要是房屋的自重。在方案阶段的近似估算中通常可根据房屋类型、结构形式统计出某类房屋单位面积的折算荷载qi(包括楼面自重、墙柱及设备重以及楼面活荷等)，进行近似估算。W = qi Ai mi 式中：Ai 相同荷载qi的楼层面积;mi 相同荷载qi的楼层层数;qi 由统计资料提供的某类房屋的楼面折算荷载值,2.3 建筑结构上作用力估算
8、 1.竖向作用荷载估算,（1） 房屋总重W,国内高层建筑 qi 值约为1216 kN/m2 (其中活荷约占1.52.5 kN/m2),剪力墙和筒体结构房屋约为 1416 kN/m2,框架及框架结构墙体系房屋约为 1214 kN/m2,混合结构房屋约为16 kN/m2 ，东北地区外墙很厚，有时可能更大一些,(2) 总重W 与地基承载力,当房屋总重不大而地基承载力较高时,独立基础或条形基础,若地基承载力较低或荷载较大时扩大基础底面积,筏片基础,若地基上层土质较差,桩基础,2.3 建筑结构上的作用力估算 1.竖向作用荷载估算,墙、柱及基础荷载估算时，通常可近似地不考虑上部结构的连续性，即把上部结构都
9、认为是简支梁板，墙、柱只承受每侧跨度一半传来的荷载。估算时可按跨度的一半划分墙柱的承荷面积，再根据上述楼面荷载估算墙、柱及基础的荷载N 。,(3)墙、柱及基础荷载估算,设计中需要根据墙、柱荷载和轴压比来确定墙柱的截面尺寸。,N = qimA 式中：N 墙、柱荷载设计值;qi 相应房屋的楼层折算荷载;m 墙、柱的承荷楼层数;A 不考虑结构连续性的墙、柱的承荷面积。,2.3 建筑结构上的作用力估算 1.竖向作用荷载估算,例如一幢平面尺寸为16mX24m的10层建筑物，楼层平面的板，梁、柱布置如图所示假设施加在每一楼层上的平均恒、活载标准值分别为10.0kNm2和2.0kNm2，则整个建筑物总重力荷
10、载G为: (10.0+ 2.0)162410=46080kN，每个单位面积上的竖向力：4608032=1440kN。一个底层中柱(4个单位面积)承受的竖向力=1440X 4=5760kN一个底层边柱(2个单位面积)承受的竖向力=1440X 2=2880kN一个底层角柱(1个单位面积)承受的竖向力=1440kN,轴压比N 是指荷载标准组合下柱的轴力设计值N与柱截面面积和混凝土强度设计值乘积之比。,规范要求： N = N / (Ac fc )N 式中：N 框架柱的轴压比 ； Ac 柱截面面积；fc 混凝土的轴心抗压强度设计值。,2.3 建筑结构上的作用力估算 1.竖向作用荷载估算,轴压比直接影响墙
11、、柱破坏时的延性性质。以现浇钢筋混凝土框架结构为例，按有关规范，柱轴压比限值N 与地震烈度、结构形式、房屋高度有关。,2.3 建筑结构上的作用力估算 1.竖向作用荷载估算,砌体结构,2018/12/14,50,荷载传递路线,2.3 建筑结构上作用力估算 2.水平作用荷载估算,剪力墙,2018/12/14,51,荷载传递路线,2.3 建筑结构上作用力估算 2.水平作用荷载估算,2018/12/14,52,荷载传递路线,2.3 建筑结构上的作用力估算 2、水平作用荷载估算,水平荷载传力路线,2.3 建筑结构上的作用力估算 2、水平作用荷载估算,在非地震区，风荷载是房屋主要的水平力，在方案阶段的总体
12、分析中，一般只需考虑作用在房屋上风荷载的合力H，它是作用在房屋迎风面及背风面A上风荷载标准值k的合力： H=k A 根据建筑结构荷载规范(GB50009-2012),风荷载(Wind Load ),k=Z (S1 -S2) Z W0,2.3 建筑结构上的作用力估算 2、水平作用荷载估算,风荷载体型系数S,常见坡屋面一般坡度 30,可见屋面在风荷载作用下通常承受吸力 。 在平屋顶上后加的轻型坡屋面自重很轻，若没有和墙体拉结好，在风荷吸力作用下会被掀起。,风荷载除了引起房屋的倾覆以外，局部吸力也是引起房屋破坏的重要原因，尤其是对坡屋顶的破坏。,-0.5,+0.8,被掀翻的轻屋盖,2.3 建筑结构上
13、的作用力估算 2、水平作用荷载估算,地震力是地震时地面运动加速度引起的，它是房屋质量的惯性力。设计中可近似认为建筑物的质量都集中在各层楼面标高处，地震力的大小与地震烈度、建筑物的质量、结构的自振周期以及场地土的情况等许多因素有关。地震时既有水平震动又有竖向震动，但房屋结构对竖向地震力有较大的承受能力，通常水平地震力是引起结构破坏的主要原因。,3.地震力Heq ( Earthquake Load ),2.3 建筑结构上的作用力估算 3. 地震荷载估算,（1） 地震的危害,地球与地震并存 抗震防灾是有效的,back,地震是人类所面临的最严重的自然灾害之一,地震的成因,地球内部结构,back,六大板
14、块,地下薄弱岩层破裂或地球板块相互挤压和冲撞引起振动，并以波的形式传递地表，引起地面运动,地震可以发生在板块边缘，也可发生在板块内部,其它原因,火山爆发 人类的活动：修建水库、地下资源的开挖,世界上最早发生水库地震的是在美国，1935年美国在科罗拉多河上建成胡佛坝，米德湖开始蓄水，次年9月即发生5级地震。,迄今为止，全世界发生的水库诱发地震约有120例，分布于29个国家，其中中国22例，美国18例，印度12例。大于6.0级的水库诱发地震有4起：分别是中国新丰江、赞比亚-津巴布韦边界kariba、希腊Kremasta和印度Koyna。,水库地震,我国举世瞩目的水利枢纽工程长江三峡水库蓄水后,在水
15、位上升过程中,2003年6月7日突然发生2000多次的小地震。丹江口水库作为南水北调工程中线的源头，初期工程于1973年建成，水库蓄水后地震活动加强，并于1973年11月29日在宋湾触发了4.7级地震。其续建工程计划提高水位至170米，水位提高后，新的地震活动又可能出现。这些地震活动均对水利工程造成了不同程度的损失。,我国水库诱发地震实例,地震的危害,back,汉旺镇倒塌房屋,山体滑坡,地震裂缝,土耳其地震,中国地震带,（） 地震的度量,back,震源,震中,震源深度,震源距,震中距,InputSystemOutput,地震波 体波 纵波压缩波P波 较快 横波剪切波S波 较慢 面波 瑞雷波R波
16、 乐夫波L波,瑞利波：质点作滚动运动。 乐普波：质点作蛇行运动。,强震记录,地震震级,含义一次地震释放能量大小的度量 里氏震级： 6级地震的能量2万吨TNT炸药，震级每提高级，释放的能量增大32倍 2.5级以上为有感地震 级以上为破坏性地震 级为大地震 大于级的为特大地震,地震烈度,定义 评价指标 地震烈度表,地震对地表及工程结构影响的强弱程度,人的感觉 物体反应 结构破坏 自然现象,多指标 分等级,度；无感，仅仪器能记录到；,度；微有感，个别敏感的人在完全静止中有感；,度；少有感，室内少数人在静止中有感，悬挂物轻微摆动；,度；多有感，室内大多数人，室外少数人有感，悬挂物摆动；,度；惊醒，室外
17、大多数人有感，门窗作响，屋顶灰土掉落,度；惊慌，人站立不稳，个别房屋砖瓦掉落，墙体有细微裂缝；,度；仓皇出逃房屋损坏，房屋轻度损坏，但不妨碍使用；,度；行走困难，建筑物中度破坏，结构受损，需要修理；,地震烈度,度；坐立不稳，建筑物严重破坏，房屋局部倒塌，修复困难；,度；房屋大部倒塌，无法修复；,度；毁灭，山崩地裂；,度；山川易景一切建筑物普遍毁坏。,震级和烈度的区别？,大震、中震和小震,back,设计基本地震加速度值,2018/12/14,85,两阶段设计,back,说明： 第一阶段为弹性分析，包括截面设计和变形计算； 大部分建筑的第二阶段设计主要由概念设计和构造措施来保证。,（3）建筑类别与
18、设防标准,back,甲类建筑重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑；,乙类建筑国家重点抗震城市的生命线工程的建筑（如消防、急救、供水、供电等）或其他重要建筑；,丙类建筑甲、乙、丁类以外的建筑。如一般工业与民用建筑（公共建筑、住宅 、旅馆、厂房等）。,丁类建筑次要建筑，如与地震破坏不易造成人员伤亡和较大的经济损失的建筑如一般仓库、人员较少的辅助性建筑）。,设防标准,(4) 地震作用的计算范围和方法,计算范围 水平地震作用,back,6度区（除甲类建筑和IV类场地上的较高房屋外）可不算7-9度区,8、9度大跨度结构和长悬臂结构 9度的高层建筑,竖向地震作用,一般正交布置抗侧力构件的结构，可
19、沿纵横主轴方向分别计算,back,结构抗震简化计算示例,计算模型集中质量模型,back,单质点体系 等高单层厂房、水塔等； 该结构中参与振动的所有质量全部折算至顶部； 墙、柱视作一无重的弹性杆； 该体系只作单向振动，为一个单自由度体系。,Fi,FEk,Fn,多质点体系,一般把各层质量集中在楼层处，n个楼层即形成n个质点。,基本计算数据,重力荷载代表值 结构自振周期,back,一般把各层质量集中在楼层处，n个楼层即形成n个质点。每一楼面标高位置的重量（称重力荷载代表值）由以下几部分组成： 恒荷载（本层楼面结构及上、下各半层墙、柱）的全部； 雪荷载的50； 一般楼面活荷载的50，藏书库、档案库活荷
20、载的80；,简化后的计算简图,重力荷载代表值的计算,重力荷载代表值 永久荷载（建筑结构构配件自重）标准值+可变荷载（雪、楼面活荷载等）组合值,back,永久荷载标准值,组合值系数,可变荷载标准值,结构自振周期,理论计算方法：有限元计算 近似计算方法 经验方法,back,水平地震作用的计算,水平地震作用的计算水平地震作用在各楼层的分配方法,back,地震影响系数； max地震影响系数最大值；T 结构自振周期； Tg特征周期；曲线下降段衰减指数； 1直线下降段下降斜率调整系数； 2阻尼调整系数,水平地震影响系数,back,特征周期,水平地震影响系数最大值,注：括号中数值分别对应基本地震加速度为0.
21、15g和0.30g的地区,曲线下降段衰减指数,为阻尼的函数，取值约为1.0 ；1直线下降段下降斜率调整系数；2阻尼调整系数,计算方法,：对应于基本自振周期的水平地震影响系数,：结构等效总重力作用，单质点体系取总重力荷载代表值，多质点体系取总重力荷载代表值的85%,:顶部附加地震作用系数，多层钢混和钢结构按表1取值，多层内框架砖房取0.2,其它房屋取0.0,-底部剪力法,Fi,FEk,Fn,顶部附加地震作用系数,结构基本自振周期,各楼层地震荷载的水平地震作用标准值,倒三角形分布,底部剪力法适用于重量和刚度沿高度分布比较均匀的结构。当建筑物有突出屋面的小建筑如屋顶间、女儿墙、烟囱等时，由于该部分的
22、重量和刚度突然便小，将产生鞭端效应，使其地震反映特别强烈。为简化计算，抗震规范提出，当计算这类小建筑的地震作用效应时，宜乘以增大系数3，此增大部分不再向下传递。,竖向地震作用的计算,高层房屋（9度） 地震作用标准值,back,Fvi,Hi,Fvi,FEvk,楼屋盖的竖向地震作用效应分配按各构件承受的重力荷载代表值的比例分配,平板型网架屋盖和跨度大于24m的屋架（8、9度）,注：括号中数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g,竖向地震作用系数,长悬臂和其它大跨结构（8、9度）,2018/12/14,109,2.4 建筑结构设计方法,2018/12/14,110,极限状态,2018/12/14,111,2018/12/14,112,2018/12/14,113,2018/12/14,114,我国建筑结构的目标可靠指标的下限,一、承载能力极限状态的设计表达式,其中,：结构重要性系数,：恒载 分项系数,：第i个可变作用的分项系数,：第i个可变作用的组合系数,：抗力分项系数,设计表达式,2018/12/14,116,2.4 建筑结构设计方法,
