大学课件_结构设计通论.pptx

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1、建筑结构设计黄 镇13952031371结构设计通论梁板结构单层厂房结构多层框架结构高层建筑结构砌体结构主要内容一、课程性质、地位与作用 土木工程专业的主要业务范围包括房屋、桥梁、隧道、地下建筑、矿井等工程项目的设计、施工与管理。建筑结构设计是结构设计类核心课程、工程基础的综合应用平台、从“理论设计”到“工程设计”的桥梁、工程实践的交会点。结构设计类课程不仅是设计工作的核心知识，也是施工管理类工作的基础知识；处于培养方案中“基础”“工程基础”“工程”三大模块中的顶层。对学生的工程素质和工程能力培养具有不可替代的作用房屋建筑学结构力学土力学工程结构设计原理先修课程后续课程及环节工程结构抗震与防灾

2、毕业设计大跨空间结构特种结构二、教学理念开放、交叉、融合交叉是手段，融合是目的，开放是前提。介绍土的工 介绍梁、板、审美角度介绍 桥梁工程 出发，研究各种 程性质；各 基础工程柱、墙、杆、种 索等基本构件的计算方法 在各种受力状态下抗力地下结构 工程施工1.结构设计通论3.单层厂房结构4.多层框架结构三、内容组织 章节安排2.梁板结构荷载与设计方法柱下独立基础框架结构梁板结构桁架结构条形、筏形基础单层多层水平结构体系浅基础筒体结构墙体结构复合结构剪力墙5.高层建筑结构承重墙6.砌体结构竖向结构体系三、内容组织 教学方法讲课、自学、讨论、设计，多种教学形式交替精讲重点分析模型的合理选取；自学现有

3、分析、设计方法；专题研讨3人一组、自行组合、自由选题；课程设计自主选择题型、1人1题。讲一、做二、考三作业包括不讲课的自学部分，逐章综合；试卷有作业没有出现过的题型角色互换，教师、学生轮流主导讲课-教师主导；专题研讨-学生主持、评定成绩；课程设计-学生自主完成、教师不讲课、只提供答疑。1.1 绪论1.2 建筑结构的作用1.3 结构的耐火设计第1章 结构设计通论1.4 结构设计的一般要求暖通设计电气设计工程设计基本要求功能要求美观要求经济要求环保要求建筑设备工艺设计建筑设计结构设计给排水设计1.1 绪论建筑工程设计内容单层按结构材料1.1.1 建筑结构的类型建筑物建筑按用途构筑物按层数木结构砌体

4、结构砼结构钢结构混合结构高规规定10 层及以上或房屋高度超过28m的住宅或高度超过24m 的其它民用建筑物多层高层超高层工业建筑民用建筑公共建筑居住建筑木结构木结构(0.00以下)(0.00以上)建筑结构上部结构下部结构竖向结构体系水平结构体系由房屋中的水平构件组成，包括各层楼盖和屋盖。有三个作用：直接承受作用在楼屋面的竖向荷载，并将它们传递给竖向结构体系；为竖向构件之间提供水平联系，提高竖向结构体系抵抗水平荷载的能力；把整体结构上的水平荷载传递和分配给各竖向构件由房屋中的竖向构件组成，所有的荷载（包括水平荷载和竖向荷载）最终都是由它传递给基础；整体结构体系的名称也常常取决于竖向结构体系。按结

5、构形式(0.00以上)(0.00以下)建筑结构上部结构下部结构水平结构体系竖向结构体系大跨结构梁板结构网架结构桁架结构壳体结构拱结构框架结构墙体结构筒体结构复合结构索结构膜结构排架结构刚架结构承重墙结构(砌体房屋)剪力墙结构按结构形式平面复合竖向复合大跨结构桁架结构拱结构四角锥体网架三角锥体网架网架结构大跨结构平面桁架系网架两向正交三向壳体圆顶筒壳折板双曲扁壳双曲抛物面壳大跨结构大跨结构索、膜结构(0.00以上)(0.00以下)建筑结构上部结构下部结构水平结构体系竖向结构体系按结构形式地下室基础独立基础条形基础十字型基础浅基础深基础筏形基础箱型基础桩基础地下连续墙沉井柱下独立基础建筑工程常用基

6、础形式柱下条形基础墙下条形基础十字形基础片筏基础箱形基础桩基础承台桩柱1.1.2 结构设计的程序方案设计结构分析构件设计绘施工图上部结构类型基础选型一、方案设计定位轴线构件布置结构选型结构布置尺寸估算水平位置（构件与轴线的关系）竖向位置（结构标高）竖向构件（根据侧向位移限制条件）设置变形缝 （包括：伸缩缝、沉降缝和防震缝）水平构件（根据变形条件和稳定条件）定位轴线 DCBADCBA250120D封闭结合非封闭结合二、结构分析计算结构在各种作用下的效应计算模型计算单元(从整体结构中选取的有代表性的部分）计算简图(实际结构简化、抽象后得到的计算图式)荷载计算安全动力分析线弹性计算理论 塑性 能反映

7、实分析影响因素偏于 几何非线性（适用条件）解析法数学方法数值法 简单满足工程精度静力分析（内力和变形）分析内容三、构件设计控制截面选取荷载与内力组合截面设计节点设计构造四、绘制施工图结构布置图构件施工图大样图施工说明在结构设计中，一部分内容根据计算确定，另一部分内容则根据构造规定确定。构造是计算的重要补充，二者同等重要。构造处理的原因：作为计算假定的保证作为计算中忽略某个因素或某项内容的弥补和补充要求：正确、规范、简洁、美观1.2 建筑结构的作用1.2.1 作用的种类风荷载吊车荷载永久荷载（重力荷载、土压力等）楼（屋）面可变荷载可变荷载偶然荷载（如爆炸、撞击）直接作用作用使结构产生效应的各种原

8、因的总称。间接作用（如地震作用、地基变形、材料收缩、焊接应力、温度变化等。）荷载需了解其形式、大小、作用位置和作用方向1.2.2 荷载代表值任何荷载都具有不同性能的变异性，但在设计中不可能直接引用反映荷载变异性的各种统计参数，通过复杂的概率运算进行具体设计。故在设计时，除了采用能便于设计者使用的设计表达式外，对荷载仍应赋予一个规定的量值，称为荷载代表值。载荷可根据不同的设计要求，规定不同的代表值，使之能更确切反映其在设计中的特点。1、永久荷载：标准值 组合值2、可变荷载使组合后的荷载效应在设计基准期内的超越概率与该荷载单独出现时相应的概率一致的荷载值。可变荷载的组合值取标准值乘以组合值系数c标

9、准值（特征值）结构使用期间可能出现的最大荷载值主导荷载仍以其标准值为代表值 频遇值 准永久值可变荷载的频遇值取标准值乘以频遇值系数 f可变荷载的准永久值取标准值乘以准永久值系数 q可见，可变荷载的四个代表值，除标准值外，其余三项均是在标准值的基础上乘以某个系数，可变荷载的标准值称为基本代表值。在结构上时而出现的较大荷载值具有较长的总持续时间，对结构的影响有如永久荷载3、偶然荷载按结构使用特点确定其代表值1.2.3 楼面和屋面可变荷载1.楼面均布可变荷载楼面均布活荷载可分为持久性可变荷载和临时性可变荷载。2.屋面可变荷载 屋面均布可变荷载 屋面积灰荷载 雪荷载屋面可变荷载均按水平投影面积计算；屋

10、面均布可变荷载与雪荷载不同时考虑。Sk=rS0Sk 雪荷载标准值；r 屋面积雪分布系数，与屋面形状有关；S0 基本雪压，根据当地空旷平坦地面统计所得50年一遇最大积雪的自重确定。雪荷载的组合值系数取0.7，频遇值系数取0.6，确定准永久值系数时全国分为三个地区。雪荷载计算1.2.4 风荷载对于主要承重结构，风载标准值的表达可有两种形式：（1）平均风压加上由脉动风引起导致结构风振的等效风压；（2）平均风压乘以风振系数。因结构风振计算中，一般第1振型起主要作用，故我国与大多数国家一样，采用第（2）种表达形式，即采用风振系数（综合考虑结构在风载作用下的动力响应，包括风速随时间、空间的变异性和结构的阻

11、尼特性等因素）。风荷载标准值计算公式wk =z s z rw0z 风振系数；s 风载体形系数；式中z 风压高度系数；r 重现期调整系数；w0 基本风压。风荷载的组合值系数取0.6，频遇值系数取0.4，准永久值系数为0。2 0 v 0 w =2.风压高度系数 z基本风压是建立在空旷平坦地面离地高10米处的风速基础上，对于不同的高度和地貌情况，需要对风压进行修正，故用风压高度系数来反映。1.基本风压 w0根据当地空旷平坦地面离地高10米10分钟平均风速，经统计确定重现期为50年的最大风速，作为当地基本风速v0，再按贝努利公式确定基本风压。21=0.00125 e0.0001z 空气密度高度z(m)

12、=vvz H vz =v0 =0.708z v0 (1.2.13)0200150100505505004504003503002500.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1相对风速A类B类C类D类在梯度风高度范围内，任意高度z的风速与H高度风速的关系为 z H 为地面粗糙指数，对于A、B、C、D类，(1.2.12)分别为0.12、0.15、0.22、0.3。基本风速是B类地面上空10m高度处的风速，因而B类地面任意高度处的风速为0.15B z 0.1510由于大气本身具有一定的粘性，能承受一定的剪应力，因此导致风速随地貌情况和离地面的高度而变化。但当到达一定高度后、风速达到梯

13、度风速后，不再受地貌的影响。达到梯度风速的高度称为梯度风高度。A类B类C类D类高度z(m)3002502001501005003505505004504000.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1相对风速A类：近海海面、海岛、湖岸，沙漠地区B类：田野、乡村、丛林、丘陵，房屋比较稀疏的乡村和城市郊区C类：有密集建筑群的城市市区D类：有密集建筑群且房屋较高的城市市区梯度风速高度分别取：A类300m;B类350m;C类450m;D类550m。A类B类C类D类=vvz H v 300 =v 350 =v 450 =v 550同一地区不同粗糙程度地面上空的梯度风速相同。A B C D3

14、50300250200150100450400 z H(1.2.13a)500A A 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1z 300 A BAzBAzA 0.30zCCD 0.30 平方成正比z D各类地面的风压高度系数取值参见附表A.7。s3.风载体型系数风载体型系数指风作用在建筑表面上所引起的实际压力（或吸力）与来流风的速度压的比值。其描述的是建筑表面在稳定风压作用下的静态压力的分布规律，主要与建筑物体型和尺度有关，也与周边环境及地面粗糙度有关。由风速换算得到的风压是所谓风速压，不能直接作为建筑设计的结构荷载，建筑本身并不是理想地使原自由气流停滞，而是让气流以不同方式

15、在其表面绕过，对气流形成某种干挠。建筑物表面的实际压力与其形状有关，与来流风压的比值用 s表示。风向s 0 s=0.5对于 s，新荷载规范7.3.2条提出：对建筑群体要考虑建筑物相互干扰的影响；可将单独建筑 s乘以相互干扰增大系数或通过风洞试验得出。s为正时代表风压，即靠近表面；s为负时代表风吸，即离开表面。风压垂直于建筑物表面复杂建筑物形状的体型系数通过风洞试验测定风压4.风振系数 z风压的变化可以分成两部分：一个是长周期分量；另一个是脉动分量。为便于分析，可以把实际风压分解为平均风压与脉动风压。长周期时间风压时程曲线风的长周期比一般结构的自振周期大得多，因而对结构的作用相当于静力作用；而风

16、脉动周期只有几秒，与高层和高耸结构的的自振周期相当。规范规定：对于高度大于30m且高宽比H/B大于1.5的房屋结构，以及自振周期T1大于0.25s高耸结构和大跨屋盖结构必须考虑脉动效应。对一般竖向悬臂结构，可考虑第一振型的影响，通过风振系数反映；对高度不超过150m或高宽比小于5且风振扭转效应不明显的（平均风压比值）高层建筑，可只考虑顺风向风振。结构顺风向风振系数z 为考虑脉动效应的等效总风压与静风压10m高名义湍流强度，地面A、B、C、D分别取0.12、0.14 、0.23 、0.39z=1+2gI10Bz 1+R2脉动风的共振分量因子峰值因子，取2.5脉动风的背景分量因子x =21900

17、f12kww01,且x1522R2=x16 1(1+x1)4 3结构阻尼比：钢结构取0.01，有填充钢结构取0.02，钢筋混凝土与砌体结构取0.05地面粗糙度修正系数，地面A、B、C、D分别取1.28、1.0、0.54、0.26脉动风共振分量因子R2：第一阶自振频率：钢结构T1=(0.10.15)n，混凝土框架T1=(0.080.1)n，混凝土框架-剪力墙和框架-筒体T1=(0.060.08)n，剪力墙和筒中筒T1=(0.050.06)nBz=kH xz10 B+50eB 50 50Bx=11(z)z脉动风水平和竖直方向的空间相关系数结构第一阶振型系数脉动风背景分量因子 Bz：10 H+60e

18、H 60 60Hz=对于多高层房屋，通常将分布风荷载转换成作用在每层楼面处的集中风荷载。5.横风向风振当建筑物受到风力作用时，不但顺风向可能发生风振，且在一定条件下，也能发生横风向的风振。横风向风振由不稳定空气动力形成，性质复杂，包括旋涡脱落、驰振、颤振、扰振等空气动力现象。如对圆截面柱体结构，当发生旋涡脱落时，若脱落频率与结构自振频率相近，将出现共振。对重要的柔性结构，应在风洞试验基础上进行设计。1.2.5 吊车荷载大车行驶方向小车行驶方向工业厂房中常用的吊车有悬挂吊车、手动吊车、电动葫芦和桥式吊车。桥式吊车由大车（称为桥架）和小车组成。吊车按在使用期间内总的工作循环次数分成10个利用等级；

19、又根据起吊物品达到额定值的频繁程度分为4个载荷状态，分别称为轻级、中级、重级和超重级。根据利用等级和载荷状态，将吊车划分为8个工作级别，分别用A1A8表示，作为吊车的设计依据。吊车荷载包括竖向荷载、横向水平荷载和纵向水平荷载。一、吊车竖向荷载标准值吊车竖向荷载是由大车轮子、以轮压的形式作用在吊车梁上。当小车吊有额定起重质量Q开到一侧的极限位置时，该一侧大车的轮压达到最大，称为吊车的最大轮压标准值，用Pmax,k表示，而另一侧的大车轮压用Pmin,k表示。Pmax,k可直接从吊车的产品目录中查得。对于四轮吊车，Pmin,k可按下式确定：Pmax,kG1,k+G2,k+G3,k2Pmin,k =(

20、1.2.16)形式：移动集中载；位置：吊车梁顶面；方向：铅直向下。KG1,k：大车自重标准值G2,k：小车自重标准值G3,k：吊车额定起吊重量标准值0.12 横向制动系数。二、吊车横向水平荷载标准值每个大车轮子传递的吊车横向水平荷载标准值为Q 10t16 Q 50tQ 75t形式：移动集中载；位置：吊车梁顶面；方向：水平、垂直轨道小车吊着重物在桥架上运行，在启动或制动时都将产生横向水平惯性力，即吊车横向水平荷载。这种横向惯性力通过小车制动轮与桥架上轨道间的摩擦力传给桥架，桥架又通过它的车轮在吊车轨顶传给两侧的吊车梁，再经过吊车梁顶面与柱上的连接钢板传给两侧的排架柱。Tmax传力过程：小车惯性力

21、大车吊车梁排架柱Tk=(G2,k+G3,k)/4软钩0.10硬钩：0.2 0.08T0=0.1P max作用位置：轨道顶面作用方向：沿轨道方向，由纵向排架承受按一侧所有制动轮最大轮压之和的10%确定：当沿厂房纵向运行的桥架在启动或突然刹车时，引起的纵向水平惯性力，它由桥架每侧的制动轮传至两侧轨道，再通过吊车梁传给厂房纵向排架。三、吊车纵向水平荷载标准值四、吊车荷载的其它代表值吊车荷载的组合值、频遇值和准永久值见表1-5；与吊车的工作级别有关。五、吊车荷载的动力系数对悬挂吊车（包括电动葫芦）及工作级别A1A5的软钩吊车，取1.05；对工作级别为A6A8的软钩吊车、硬钩吊车和其它特种吊车，取1.1

22、。1.3 结构的耐火设计（自学）目的：为了保证火灾发生时以及发生后结构的整体稳定性，不至于整体倒塌。1.4 结构设计的一般要求1.4.1 安全等级、设计使用年限与结构重要性系数一、建筑结构的安全等级建筑结构设计时，应根据结构破坏可能产生后果的严重程度，采用不同的安全等级。安全等级的划分应满足表1-6要求。安全等级为一级的建筑物，其设计要求应相应提高；安全等级为三级的建筑物，其设计要求可适当降低。二、地基基础设计等级根据地基复杂程度、建筑物规模和功能特征以及因地基问题可能造成建筑物破坏或影响正常使用，地基基础的设计分为以下三个设计等级。对于甲级和乙级地基基础，应进行地基的承载力和变形计算；对于部

23、分丙级地基基础可仅进行地基的承载力计算、而不作变形计算。三、设计使用年限设计使用年限是指设计规定的结构或构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。结构在规定的设计使用年限内应具有足够的可靠度，满足安全性、适用性和耐久性的要求。建筑结构的设计使用年限按表1-8分为4类。四、结构重要性系数计使用年限不同而对目标可靠指标有不同要求，在极限状态设计表达式中的具体体现。结构重要性系数 0是建筑结构的安全等级、结构的设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，0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，0不应小于1.0；对于安全等级为三级或使用年限为5年的结构构件

24、，0不应小于0.9；基础的0不应小于1.0。1.4.2 极限状态设计要求及内容当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态，而不能满足设计规定的某一功能要求时，称此特定状态为结构对该功能的极限状态。根据设计中要求考虑的结构功能，其极限状态在总体上可分为两大类:承载能力极限状态；正常使用极限状态。设计中的极限状态往往以结构的某种荷载效应，如内力、应力、变形、裂缝等超过相应规定的标志为依据。设计状况的定义持久状况：在结构使用过程中一定出现，持续期很长，一般与设计使用年限为同一数量级的状况；短暂状况：结构施工和使用过程中出现的概率较大，而与设计使用年限相比，持续时间很短的状况，如施工和维修；偶然状况：在

25、结构使用过程中出现的概率很小，且持续时间很短的状况，如火灾、爆炸、撞击等。不同设计状况的设计要求持久状况：承载能力极限状态设计+正常使用极限状态设计短暂状况：承载能力极限状态设计，正常使用极限状态视需要偶然状况：承载能力极限状态设计不同极限状态的荷载组合要求地基计算时上部结构的荷载效应承载力计算：标准组合变形计算：准永久组合长期效应是决定性因素：准永久组合承载能力极限状态设计偶然状况：偶然组合其余状况：基本组合正常使用极限状态设计不可逆的极限状态：可逆的极限状态：标准组合频遇组合承载能力极限状态计算正常使用极限状态计算承载力(强度、稳定）倾覆滑移漂浮变形疲劳抗裂和裂缝宽度耐久性计算内容设计使用

26、年限550100调整系数0.91.01.1由可变荷载效应控制R1.4.3 荷载效应组合对于荷载效应与荷载为线性关系的情况，荷载组合常以荷载效应组合的形式表达。一、基本组合0Sd Sd取下列两类组合值中的不利值d荷载组合值产生的荷载m n 效应S Sj=1 i=2Li第i个可变荷载考虑设计使由永久荷载效应控制 用年限的调整系数m nS Sj=1 i=1Sd=SGjk+f1SQ1k+qi QikSd=SGjk+qi Qik二、标准组合、频遇组合和准永久组合准永久组合标准组合频遇组合SSdC m nSd=SGjk+SQ1k+ciSQikj=1 i=2m nj=1 i=2Sm nj=1 i=1对于正常

27、使用极限状态，采用下列设计表达式：荷载组合值产生的荷载效应准永久值产生的荷载效应荷载频遇值产生的荷载效应 =+qi Qik Ad f Q Gjk d S S S S k 1 1 =+qi Qik f Q Gjk d S S S k 1 1 三、偶然组合m nj=1 i=2+SSAd由偶然荷载标准值产生的荷载效应偶然荷载作用下的结构承载力计算偶然事件发生后受损结构的整体稳固性计算m nSj=1 i=2能量(百万TNT)lgE=11.8+1.5M2206303002007006005004000.151.261078088.58.9震级M地震震级根据一次地震释放的能量确定1000地震烈度某一次地震

28、对不同地方的影响是不同的，通常用地震烈度来衡量某地可能遭受的地震影响；烈度与震级、震源深度和离震中的距离有关。1.4.4 抗震设计一、地震大小的衡量指标地震烈度表烈度人的感觉房屋损害程度烈度人的感觉房屋损害程度无感大多数人仓皇逃出局部开裂、破坏不影响使用室内个别静止中的人有感觉摇晃颠簸，行走困难中等破坏、受损，需要修理室内少数静止中的人有感觉门、窗轻微作响坐立不稳，行动的人可能摔跤严重破坏，局部倒塌，修复困难室内多数人感觉，室外少数人感觉，少数人梦中惊醒门、窗作响骑车会摔倒，不稳状态会摔出几尺远，有抛起感大部倒塌，不堪修复室内普遍感觉，室外多数人感觉，多数人梦中惊醒灰土掉落，抹灰出现细微裂缝毁

29、灭惊慌失措、仓皇逃出个别砖瓦掉落，墙体细微裂缝山河改观抗震设防烈度遭受低于本地区抗震设防烈度的地震影响时，一般不受损坏或不需修理可继续使用；“小震不坏、中震可修、大震不倒”当遭受相当于本地区设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用；当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。二、抗震设防目标69度，称为基本烈度三个水准目标三、抗震设防标准抗震设防类别甲类（特殊设防类）涉及国家公共安全的重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害等特别重大灾害后果的建筑;乙类（重点设防类）地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的生命线建筑，以及地震时可能导致大量人员伤亡等重大灾害后果的建筑;丙类（标准设防类）除甲、乙、丁类以外的建筑；丁类（适度设防类）使用上人员稀少且震损不致产生次生灾害的建筑不同类别设防标准特殊设防类:按高于本地区设防烈度一度的要求加强抗震措施和确定地震作用;重点设防类:按高于本地区设防烈度一度的要求加强抗震措施；标准设防类:按本地区设防烈度要求确定抗震措施和地震作用;适度设防类:允许按本地区设防烈度要求适当降低确定抗震措施，地震作用按本地区设防烈度四、抗震设计基本内容抗震概念设计在方案设计阶段尽量选择对抗震有利的场地、结构类型和结构布置方案。结构抗震计算包括抗震承载力计算和地震作用下的变形验算。抗震构造措施增加结构延性