建筑结构1.docx
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建筑结构1
第一章建筑结构概论
§1-1建筑结构及其组成
建筑:
在现实生活中,用物质材料和技术手段构成的空间,为人们提供生活、工作和娱乐条件的场所和物体。
建筑分类:
建筑物---人工创造的人为社会生活和生产环境的建筑。
构筑物---没有内部人为使用空间的建筑。
建筑结构:
由屋盖、梁、板、柱和基础等构件组成,能承受各种‘作用’的空间骨架系统。
主要功能:
提供人们生活或生产服务的结构空间。
抵御自然界的各种作用。
主要组成:
竖向承重结构体系;水平承重结构体系;下部结构体系。
P2图1.1.1~1.1.3所示
§1-2建筑结构的分类
一、按建筑材料分类
混凝土结构、砌体结构、钢结构、木结构、组合结构等五类。
1、混凝土结构
以混凝土材料为主制成的结构。
素混凝土结构、钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构。
特点及应用:
……。
2、砌体结构
以砖、石或其它材料的砌块用砂浆砌筑制成的结构。
特点及应用:
……。
3、钢结构
以钢材为主制成的结构。
特点及应用:
……。
4、木结构
以木材为主制成的结构。
特点及应用:
……。
5、组合结构
使用多种建筑材料建造的结构。
特点及应用:
……。
二、按主体结构体系分类
墙体结构体系、框架结构体系、排架结构体系、框剪结构体系、筒体结构体系等五类。
主体结构:
水平和竖向承重结构所构成的骨架体系。
1、墙体结构体系
砌体墙结构体系:
屋盖、楼盖采用钢筋混凝土构件,墙体、基础采用砖石和砂浆等砌体结构建造的结构体系。
特点及应用:
……。
钢筋混凝土剪力墙结构体系:
沿建筑物纵、横方向布置成片的钢筋混凝土剪力墙建造的结构体系。
P8图1.2.9~1.2.10所示
特点及应用:
……。
2、框架结构体系
由横梁、立柱和结点按一定规律组成的承重结构体系。
P10图1.2.14所示
特点及应用:
……。
3、排架结构体系
由屋架和立柱顶铰连接,柱底与基础固定约束组成的承重结
构体系。
P11图1.2.16所示
特点及应用:
……。
4、框剪结构体系
由部分框架和部分剪力墙组成的承重结构体系。
P12图1.2.17所示
特点及应用:
……。
5、筒体结构体系
由钢筋混凝土墙体和密集布置梁柱组成的侧向大刚度筒状结构体系。
P(12~14)图1.2.18~1.2.22所示
特点及应用:
……。
三、按其它形式的结构分类
按结构层数分类
P(13~16)–单层、多层(<10层或28米)
-高层、超高层(≥10层或28米)
按竖向荷载的传递途径分类
P16–横向承重结构
-纵向承重结构
-纵、横向承重结构
按结构的空间作用分类
P(16~20)–空间结构形式
-平面结构形式
§1-3本课程特点及学习要求
课程内容:
本课程主要讨论建筑结构中常用材料的力学性能,结构及其构件的设计原理和方法,对于结构选型和结构布置等内容也作适当介绍。
学习要求:
基本概念----定性问题……。
设计计算----定量问题……。
课程特点:
1、材料的特殊性
…………。
2、公式的实验性
…………。
3、设计的规范性
…………。
4、解答的多样性
…………。
思考题:
P20–2题。
第二章建筑结构荷载及受力状态
§2-1建筑结构的荷载
荷载:
在结构设计中,施加于结构上的外力和构件自重。
它们属于直接作用范畴。
国家《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)
一、荷载类型及其代表值
1、荷载分类
永久荷载:
在结构使用期间其值不随时间变化,或其变化与平均值相比可以忽略不计的荷载。
可变荷载:
在结构使用期间其值随时间变化,且其变化与平均值相比不可忽略的荷载。
偶然荷载:
在结构使用期间不一定出现,一旦出现,其值很大且持续时间很短的荷载。
2、荷载代表值
在结构设计中,用以验算极限状态所采用的荷载量值称作荷载代表值。
A、永久荷载标准值
在结构设计基准期内(或使用期间正常情况下)可能出现的最大荷载值,称作荷载标准值。
它包括永久荷载标准值和可变荷载标准值。
永久荷载代表值即为其标准值(查表值)。
B、可变荷载标准值及其伴随量值
可变荷载代表值即为其标准值(查表值)。
这里,除了主导荷载(产生最大效应的荷载)采用代表值作为标准值之外,其它可能产生一般效应的荷载代表值称为伴随值。
它们按相应时段的不同,可分为组合值、频遇值和准永久值。
可变荷载组合值:
当荷载值的效应在设计基准期内的超越概率,与该荷载单独出现时的相应概率趋于一致时的荷载值。
可变荷载频遇值:
当荷载值的效应在设计基准期内被超越的总时间,仅为设计基准期一小部分时的荷载值。
可变荷载准永久值:
当荷载值的效应在设计基准期内被超越的总时间,为设计基准期一半时的荷载值。
二、荷载标准值的计算
1、恒荷载
恒荷载属于作用在结构上的永久荷载,其标准值按结构构件的设计尺寸、构造做法和材料容重计算确定。
例如几种常见材料容重为:
素混凝土:
22~24KN/m3;钢筋混凝土:
24~25KN/m3;
浆砌普遍砖:
19KN/m3;水磨石地面:
0.65KN/m3;
水泥砂浆:
20KN/m3;石灰砂浆:
17KN/m3;
钢材:
78.5KN/m3。
【例2-1】某矩形截面梁,选用钢筋混凝土材料,截面尺寸为200×500mm,计算跨度6m,梁的自重沿跨度方向均匀分布。
试计算该梁上的均布荷载并绘出简图。
【解】:
…………。
2、楼面活荷载
常见的人群、家具等属于作用在结构上的可变荷载,一般按静力等效原理转化为作用在楼面上的均布荷载处理。
两点注意:
…………。
3、雪荷载与屋面活荷载
A、雪荷载属于作用在屋面上的可变荷载,其标准值按屋面水平投影面上的面荷载计算。
即:
(2.1.1)
式中:
Sk--雪荷载标准值(KN/m2)。
S0--基本雪压(KN/m2),查表值。
μr--屋面积雪分布系数,查表值。
说明:
在设计建筑结构及屋面的承重构件时,可按以下规定采用积雪分布情况:
a、屋面板和檩条按积雪不均匀分布的最不利情况采用;
b、屋架和拱壳分别按积雪全跨均匀分布情况、不均匀分布情况和半跨均匀分布情况采用;
c、框架和柱子可按积雪全跨均匀分布情况采用。
B、屋面活荷载也属于作用在屋面上的可变荷载,其标准值按屋面水平投影面上的面荷载计算。
提请注意:
雪荷载与屋面活荷载一般不会同时出现,结构设计时仅取二者中的较大值采用。
【例2-2】宜昌地区一单跨单坡房屋,建筑设计要求为屋面可以上人。
试确定该屋面活荷载标准值、组合值、频遇值和准永久值。
【解】:
…………。
4、其它形式的荷载标准值
关于其它形式的荷载标准值,如风荷载、吊车荷载、屋面积灰荷载等,可查阅‘荷载规范’确定。
§2-2建筑结构构件及其受力状态
一、建筑结构的基本构件
基本构件主要有板、梁、柱、墙、拱和杆件等六种类型。
1、板
定义:
厚度远小于截面宽度和长度的水平承重构件。
应用:
一般水平布置,用于承受和传递板面荷载。
板面形状:
可做成矩形、圆形、三角形和多边形板等。
截面形状:
可为矩形、T形、槽形、折线形和曲线形截面等。
2、梁
定义:
长度较长,截面宽度和高度较小的水平或斜向承重构件。
应用:
一般水平布置,用于承受和传递竖向荷载。
截面形状:
可为矩形、T形、L形、工字形、十字形和箱形截面等。
3、柱
定义:
高度较高,截面宽度和长度较小的竖向承重构件。
应用:
一般竖向布置,用于承受和传递梁板荷载至基础。
截面形状:
可为矩形、圆形、工字形和多边形截面等。
4、墙
定义:
厚度较薄,截面宽度和高度较大的竖向承重构件。
应用:
一般竖向布置,用于承受和传递梁板荷载并起围护作用。
截面形状:
可为矩形、弧形和多边形截面等。
5、拱
定义:
长度较长且轴线为曲线,截面宽度和高度较小的水平承重构件。
应用:
一般水平布置,用于承受和传递竖直向下的荷载。
截面形状:
可为矩形、弧形和多边形截面等。
6、杆件
定义:
长度较长,截面宽度和高度较小的水平、竖直或斜向承重构件。
应用:
一般水平、竖直或斜向布置,用于承受和传递杆件轴力。
杆件是组成桁架结构的基本构件。
截面形状:
可为圆形、L形、T形、槽形和工字形截面等。
二、结构构件的受力状态
力学分析和构造设计
确定构件的截面尺寸和材料。
构件截面的受力状态
受拉或受压构件(轴心或偏心拉压);
受弯构件;
受剪构件;
受扭构件;
组合受力构件;
构件截面的内力
轴向拉力(+N)或压力(-N);
弯矩(M);
剪力(V);
扭矩(T);
复合受力(N、M、V、T)。
补充习题:
武汉地区一单跨单坡房屋,α=30°,建筑设计要求为屋面可以上人。
试确定该屋面活荷载标准值、组合值、频遇值和准永久值。
思考题:
P35–7题。
第三章建筑结构材料的力学性能
§3-1建筑材料的弹性、塑性和延性
一般材料在单向均匀拉力或压力作用下,其应力应变曲线的大致形状如P36图3.1.1所示。
一、材料的弹性
在构件的拉伸试验中,当应力下降至零时应变可以完全的性能,称作材料的弹性。
弹性阶段如图中的0b段,其结束点处的应力值称作弹性极限,以符号σe表示。
在弹性阶段,应力应变成正比的材料性能称作弹性模量,以符号E表示。
即:
(N/mm2)(A)
式中:
σ–应力(N/mm2,试验值)。
ε–应变(mm,试验值)。
二、材料的弹塑性、塑性和脆性
在构件的拉伸试验中,当应力下降至零时应变不能完全恢复而存在残余变形的性能,称作材料的弹塑性。
弹塑性阶段如图中的bd段,其结束点处的应力值称作强度极限,以符号σu表示。
在构件的拉伸试验中,当应力下降至零时应变完全不能恢复而形成残余变形的性能,称作材料的塑性。
弹塑性阶段如图中的de段,如果这一阶段的应变值大、曲线长,说明材料在破坏之前有明显的预兆,表示它具有较好的塑性性能。
反之,如果材料的相应阶段的曲线很短,破坏是突然发生的没有明显预兆,表示它具有明显的脆性性能。
材料的弹塑性计算模型P37如图3.1.2所示。
三、材料的延性
在构件的拉伸试验中,当应力超过弹性极限σe后直至破坏过程中,材料耐受变形的性能,称作材料的延性。
在建筑结构中,延性框架设计是材料延性的实际应用。
§3-2建筑材料的基本力学性能指标
一、强度指标
建筑材料的基本强度指标为轴心抗拉强度和轴心抗压强度。
1、抗拉强度
抗拉强度是指轴心抗拉强度,其值由试验确定。
弹性材料的抗拉强度高,脆性材料的抗拉强度低。
P38如图3.2.1~2所示。
在结构设计中:
钢材的抗拉强度高,抗拉强度设计值以符号fy表示。
混凝土的抗拉强度低,抗拉强度标准值以符号ftk表示,抗拉强度设计值以符号ft表示。
砌体的抗拉强度低,抗拉强度标准值以符号ft,k表示,抗拉强度设计值以符号ft表示。
抗拉强度指标分别应用于抗拉、抗弯、抗剪、抗扭、抗裂及变形的计算或验算。
2、抗压强度
抗压强度是指轴心抗压强度,其值由试验确定。
弹性材料的抗拉强度高,脆性材料的抗拉强度亦高。
在结构设计中:
钢材的抗压强度高,抗压强度设计值以符号fy'表示。
混凝土的抗压强度亦高,抗压强度标准值以符号fck表示,抗压强度设计值以符号fc表示。
砌体的抗压强度亦高,抗压强度标准值以符号fk表示,抗压强度设计值以符号f表示。
抗压强度指标分别应用于抗压(轴心抗压、偏心抗压和偏心抗拉)、抗弯的计算或验算。
3、其它强度指标
抗剪强度指标分别应用于钢结构的连接强度计算、砌体结构的抗剪强度计算。
局部承压强度指标应用于钢结构的局部抗压强度计算。
弯曲抗拉强度指标应用于砌体结构的抗弯强度计算。
二、变形性能
反映变形性能的基本力学指标有弹性模量、剪变模量、塑性性能等。
它们的量值由材料的力学试验确定。
1、弹性模量
弹性模量表示产生单位正应变时所需作用的正应力,以符号E表示。
钢材的弹性模量以符号ES表示。
混凝土的弹性模量以符号EC表示。
砌体的弹性模量以符号E表示。
P38如图3.2.3所示。
2、剪变模量
剪变模量表示产生单位剪应变时所需作用的剪应力,以符号G表示。
常用计算公式为:
(N/mm2)(B)
式中:
E–材料的弹性模量(N/mm2,试验值)。
μ–材料的横向变形系数或泊松比(试验值)。
3、钢材的塑性性能
在构件的拉伸试验中,当应力下降至零时应变完全不能恢复而形成残余变形的性能,称作材料的塑性。
钢材的塑性性能指标有延伸率、冷弯性能、冲击韧性和可焊性等。
A、延伸率
钢材试件拉伸试验破坏时的变形比值为它的延伸率,以符号δ表示。
常用计算公式为:
(C)
式中:
l1、l2–钢材拉伸试件初始和断裂时几何长度(mm,试验值)。
B、冷弯性能
钢材在冷加工过程中产生塑性变形时不致发生裂纹的能力。
冷弯试验P39如图3.2.4所示。
C、冲击韧性
冲击韧性是指钢材在抗冲击试验过程中,试件断裂时吸收的冲击功与断口处横截面面积的比值,以冲击值αK表示。
P39如图3.2.5所示。
D、可焊性
可焊性是指钢材在加工过程中,焊接安全、可靠,不发生焊接裂缝,焊接接头的强度和塑性都不低于母材的性能。
思考题:
P39–2题。
第四章建筑结构设计原则和方法
§4-1建筑结构概念设计简介
建筑结构设计可分为抗震设计和非抗震设计(静力设计)两类,概念设计源于建筑结构抗震的理念及原则。
概念设计是指根据地震灾害及工程经验等形成的基本设计原则和思想,进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。
早期强调‘简单、对称’,近年增加了‘规则’的概念。
1、沿水平方向三条要求
A、平面上局部突出的尺寸不宜太大;
B、抗侧力构件的质量在本层平面内基本对称布置;
C、抗侧力构件呈正交或基本正交分布,以便在两个主轴方向分别进行分析计算。
2、沿竖直方向五条要求
A、突出屋面上的小建筑物尺寸不宜太大,局部缩进尺寸也不宜太大;
B、抗侧力构件上、下连续,不发生错位,且横截面面积的改变不宜太大;
C、相邻层质量变化不宜太大;
D、刚度变化要求平缓,相邻层刚度变化不宜太大,连续三层的总刚度降低不超过50%;
E、相邻层抗剪屈服强度变化平缓。
§4-2建筑结构设计原则及方法
一、建筑结构设计的几个概念
基本原则:
安全、经济、适用、美观。
设计目的:
使所设计的结构在现有的技术基础上,用尽可能的经济消耗,建成后能满足全部功能要求,且有足够的可靠性。
设计方法:
概率极限状态设计法。
二、结构的功能要求
建筑结构有三项预定的功能要求。
1、安全性
结构在预定的使用期限内,能承受正常施工和正常使用过程中可能出现的各种作用,在偶然事件发生时及发生后,仍能保持必要的整体稳定性。
2、适用性
结构在正常使用时具有良好的工作性能。
3、耐久性
结构在正常使用和正常维护下能完好地使用到规定年限。
4、结构的可靠性
结构在规定的时间内(我国规定设计基准期为50年),规定的条件下(正常设计、正常施工、正常使用及维护),完成预定功能的能力。
结构的可靠性包括安全性、适用性和耐久性等三项内容。
三、结构功能的极限状态
极限状态:
整个结构或结构的某一部分,超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求,此特定状态称作该功能的极限状态。
结构的极限状态包括承载能力极限状态和正常使用极限状态两类。
1、承载能力极限状态
结构或结构构件达到最大承载力、或达到不适于继续承载的变形状态。
常见的极限状态有四种形式,……。
实例如P44图4.2.1所示。
2、正常使用极限状态
结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值的状态。
常见的极限状态亦有四种形式,……。
在实际工程中,一般区分为持久状态、短暂状态和偶然状态的不同情况处理。
四、结构构件的设计方法
概率极限状态设计法:
以概率理论为基础,以荷载和材料强度的标准值以及相应的‘分项系数’及‘组合系数’表示的设计表达式,进行结构构件设计的方法。
1、荷载效应与结构抗力
荷载效应(S):
施加于结构的各种荷载使结构构件上产生反力、内力和变形,这些物理量统称作荷载效应。
荷载与其效应之关系为:
(4.2.1)
式中:
S–荷载效应,可为反力、内力和变形等。
Q–荷载,可为分布力、集中力和集中力偶等。
C–荷载效应系数,可用静力学方法确定。
结构抗力(R):
结构或结构构件抵抗荷载效应的能力。
荷载效应S和结构抗力R都是随机变量,二者之间的关系可用结构的功能函数来表示。
即:
(4.2.2)
式中的功能函数Z一般可有三种情况发生,即:
当Z>0时,结构能够完成预定的功能,处于可靠状态;
当Z<0时,结构不能完成预定的功能,处于失效状态;
当Z=0时,结构抗力等于荷载效应,处于临界极限状态。
这里,Z=g(R,S)=0称作极限状态方程。
显然,结构处于安全可靠状态的基本条件应是:
(A)
结构功能函数的一般表达式为:
(B)
这里,Xi为影响荷载效应或结构抗力的基本变量,如荷载、内力、材料性能、几何参数等。
结构功能函数Z的分布P47如图4.2.3所示。
1、概率极限状态设计方法
结构可靠度:
结构在规定的时间内、规定的条件下,完成预定功能的概率。
它是定量描述结构可靠性的量值。
A、失效概率与可靠指标
结构能够完成预定功能的概率称作可靠概率,以符号ps表示,即:
(z>0)(C)
结构不能完成预定功能的概率称作失效概率,以符号pf表示,即:
(z<0)(D)
二者的关系为:
或
(E)
当结构功能函数Z服从正态分布时,如P47图4.2.3所示。
它所具有的三个特征值为:
平均值
(4.2.3)
标准差
(4.2.4)
变异系数
(4.2.5)
为简化计算,国家规范使用结构的可靠指标代替失效概率来具体度量结构的可靠性。
结构的可靠指标是结构功能函数Z的平均值与其标准差的比值,用符号β表示。
即:
(4.2.6)
或者
B、目标可靠指标
结构的可靠指标β与失效概率pf约相差一个数量级,如P47图4.2.4所示。
在进行结构设计时,需要使结构能以适当的可靠度满足各项预定功能。
即满足公式:
(4.2.7)
这里,[β]称作目标可靠指标,查表值。
详见P48表4.2.2所示。
常用为[β]=1~2的值。
§4-3建筑结构设计实用公式
一、基本变量的标准值
荷载标准值:
荷载标准值的问题前面已讨论,包括永久荷载标准值Gk和可变荷载标准值Qk。
材料强度标准值:
按标准试件用标准试验方法,测得具有95%以上保证率的值强度值。
查表值,详见《混凝土结构设计规范》P(16~18)表4.1.3和表4.2.2所示。
二、分项系数与荷载设计值
分项系数:
结构设计时将荷载标准值乘以一个大于1的系数,材料强度标准值除以一个大于1的系数,由此来考虑实践中的各种差异性,该系数称为分项系数。
永久荷载分项系数以γG表示,可变荷载分项系数以γQ表示,结构抗力分项系数以γR表示。
各标准值乘以或者除以相应分项系数则为各设计值。
即:
荷载设计值=荷载标准值×荷载分项系数;
材料强度设计值=材料强度标准值/材料分项系数。
三、承载能力极限状态表达式
在基本效应组合下,承载能力极限状态表达式为:
(4.3.1)
这里,γ0–结构的重要性系数。
S–荷载效应基本组合设计值。
R–结构构件抗力设计值。
1、结构的重要性系数γ0
对于安全等级分别为一级、二级、三级的结构或结构构件,γ0应分别取1.1、1.0、0.9的值。
2、荷载效应组合设计值S
结构设计时,荷载效应基本组合设计值S应取以下两种组合值的最不利值。
(4.3.2)
(4.3.3)
这里:
–永久荷载分项系数。
可分别取1.2、1.0、0.9或1.35的值。
、
–第一个或第i个可变荷载分项系数。
可分别取1.4或1.3的值。
–按永久荷载标准值Gk计算的荷载效应值。
可按P45公式(4.2.1)计算。
、
–按第一个或第i个可变荷载标准值Gik计算的荷载效应值。
可按P45公式(4.2.1)计算。
–第i个可变荷载组合值系数。
可分别取P42表2.1.2或0.7、0.6的值。
–荷载效应组合中的可变荷载总数。
几点说明:
A、公式(4.3.2)用于荷载效应组合值由可变荷载效应控制情况。
其中的‘永久荷载对结构有利’是指,永久荷载效应与可变荷载效应异号,以及永久荷载实际上起着抵抗倾覆、滑移和漂浮的作用。
B、公式(4.3.3)用于荷载效应组合值由永久荷载效应控制情况时。
如果以竖向永久荷载控制组合,参与组合的竖向荷载仅限于竖向荷载可变。
C、对于一般的框排架结构,可采用(4.3.4)公式代替(4.3.2)公式,同时仍要考虑(4.3.3)公式,各分项系数的取法同前。
(4.3.4)
3、结构抗力设计值R
根据不同建筑材料,按相关规范的规定取值并计算。
(4.3.5)
这里:
R–结构构件的抗力函数。
γR–结构构件的抗力分项系数。
根据不同建筑材料,按相关规范的规定取值。
fk–各种结构的材料性能标准值,按相关规范规定取值。
fk–各种结构的几何参数标准值,按相关构件截面取值。
按承载能力极限状态的设计表达式,进行结构构件截面设计的过程如P50图4.3.1所示。
四、正常使用极限状态表达式
根据不同设计要求,分别采用荷载的标准组合、频遇组合、准永久组合,按以下表达式进行设计验算。
(4.3.6)
这里,C–结构或结构构件达到正常使用要求的规定限值。
根据不同的设计要求,按相关规范规定取值。
S–荷载效应组合设计值。
标准组合的荷载效应组合设计值,用符号Sk表示。
即:
(4.3.7)
或者
(4.3.8)
这里,公式(4.3.7)用于常见情况,公式(4.3.7)用于一般的框排架设计。
频遇组合的荷载效应组合设计值,用符号Sf表示。
即:
(4.3.9)
准永久组合的荷载效应组合设计值,用符号Sq表示。
即:
(4.3.10)
以上各式中:
–可变荷载Qi的组合值系数,查表值。
–可变荷载Q1的频遇值系数,查表值。
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