1、建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算的基本原則，本章主要介紹建筑結(jié)構(gòu)荷載及其代表值、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、建筑結(jié)構(gòu)材料及其設(shè)計(jì)指標(biāo)。要求掌握三類荷載的定義及其代表值的確定方法、建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足的功能要求和功能極限狀態(tài)的概念；了解極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式、建筑結(jié)構(gòu)材料的種類和規(guī)格、影響砌體抗壓強(qiáng)度的因素、混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性規(guī)定、混凝土與鋼筋連接的原因及保證粘結(jié)力的措施；可以正確找到材料設(shè)計(jì)指標(biāo)。本章概述，本章內(nèi)容，2.1荷載分類和荷載代表值，2.2建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，2.3建筑結(jié)構(gòu)材料及其設(shè)計(jì)指標(biāo)，2.1荷載分類和荷載代表值，(1)如果在設(shè)計(jì)參考期內(nèi)其值不隨時(shí)間變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計(jì)，則稱永久荷載為永久荷載。永久載荷

2、也稱為恒定載荷。(2)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，可變荷載隨時(shí)間變化，其變化值與平均值相比不可忽略的荷載稱為可變荷載。可變荷載也稱為活荷載。2.1.1荷載分類，(3)偶然荷載是指在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)不一定出現(xiàn)，但一旦出現(xiàn)，其大小很大，持續(xù)時(shí)間很短的荷載，如爆炸力和沖擊力。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，荷載應(yīng)給定一個(gè)規(guī)定值，這稱為荷載代表值。永久荷載用標(biāo)準(zhǔn)值表示，可變荷載用標(biāo)準(zhǔn)值、組合值、頻繁出現(xiàn)值或準(zhǔn)永久值表示。2.1.2荷載的代表值，作用在結(jié)構(gòu)上的荷載大小具有可變性。荷載標(biāo)準(zhǔn)值是結(jié)構(gòu)正常使用過程中可能出現(xiàn)的最大荷載值，是荷載的基本代表值。(1)永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值永久荷載主要是結(jié)構(gòu)的重量以及油漆、裝飾和固定設(shè)備的重量。由于結(jié)構(gòu)或非

3、承重構(gòu)件自重的可變性很小，一般取平均值作為荷載標(biāo)準(zhǔn)值，可根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)尺寸和材料或結(jié)構(gòu)構(gòu)件單位體積(或面積)自重的標(biāo)準(zhǔn)值來確定。2.1.2.1荷載標(biāo)準(zhǔn)值，(2)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值見表2.1(詳見P32)。當(dāng)設(shè)計(jì)樓板梁、墻、柱和基礎(chǔ)時(shí)，表中活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)根據(jù)需要降低。詳情參見負(fù)載規(guī)格。工業(yè)與民用建筑屋面上均勻分布的活荷載按水平投影面計(jì)算，其標(biāo)準(zhǔn)值按表2.2(詳見P33)采用?？勺兒奢d的準(zhǔn)永久值是指設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)經(jīng)常達(dá)到或超過的荷載值，其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響與永久荷載相似?？勺兒奢d的準(zhǔn)永久值可表示為qk，其中k為可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值，q為可變荷載的準(zhǔn)永久值系數(shù)。q值如表2.1和表2.2所示。例如，如果住宅樓層

4、活載標(biāo)準(zhǔn)值為2kN/m2，準(zhǔn)永久值系數(shù)為q=0.4，活載準(zhǔn)永久值為20.4=0.8kN/m2?？勺冐?fù)載的2.1.2.2永久值。當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)可變載荷同時(shí)作用在結(jié)構(gòu)上時(shí)，所有可變載荷達(dá)到它們單獨(dú)出現(xiàn)時(shí)所能達(dá)到的最大值的概率非常小。因此，除主導(dǎo)荷載(產(chǎn)生最大影響的荷載)外，其標(biāo)準(zhǔn)值仍可作為代表值，其他伴隨荷載應(yīng)以小于標(biāo)準(zhǔn)值的荷載值作為代表值，稱為可變荷載組合值?？勺冐?fù)載組合值可以表示為ck。c為可變荷載組合值的系數(shù)，其值見表2.1和表2.2。2.1.2.3變負(fù)荷組合值，變負(fù)荷頻率值是指在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)總時(shí)間超過的負(fù)荷值只是設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的一小部分?？勺冐?fù)載的頻率值可以表示為fk。其中，f是可變負(fù)載頻率2.

5、2.1結(jié)構(gòu)的功能和極限狀態(tài)、2.2.1.1結(jié)構(gòu)的功能要求以及建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)在規(guī)定的設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)滿足安全性、適用性和耐久性三大功能要求。安全是指結(jié)構(gòu)在正常施工和正常使用條件下，能夠承受各種可能的影響；意外事件發(fā)生時(shí)和發(fā)生后(如強(qiáng)烈地震、爆炸、車輛撞擊等)在設(shè)計(jì)中規(guī)定的情況發(fā)生時(shí)，必要的整體穩(wěn)定性仍然可以保持，也就是說，結(jié)構(gòu)只會(huì)造成局部破壞而不會(huì)連續(xù)倒塌。適用性是指該結(jié)構(gòu)在正常使用中具有良好的工作性能。例如，不會(huì)有影響正常使用的過度變形或振動(dòng)，也不會(huì)有干擾用戶的裂縫寬度。耐久性是指在正常維護(hù)條件下，結(jié)構(gòu)可以正常使用到規(guī)定的設(shè)計(jì)使用壽命。例如，結(jié)構(gòu)材料不會(huì)因損壞而影響功能，鋼筋混凝土構(gòu)件的鋼筋也不會(huì)因

6、保護(hù)層過薄或裂縫過寬而被腐蝕。結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性可以概括為結(jié)構(gòu)的可靠性，即結(jié)構(gòu)在特定時(shí)間和特定條件下完成預(yù)期功能的能力。然而，在各種隨機(jī)因素的影響下，結(jié)構(gòu)完成預(yù)定功能的能力不能預(yù)先確定，只能用概率來描述。因此，我們引入了結(jié)構(gòu)可靠性的概念，即一個(gè)結(jié)構(gòu)在特定時(shí)間和特定條件下完成其預(yù)期功能的概率。結(jié)構(gòu)可靠性是結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量，是結(jié)構(gòu)可靠性的定量描述。結(jié)構(gòu)可靠性與結(jié)構(gòu)的使用壽命有關(guān)。建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(GB500682001)(以下簡(jiǎn)稱統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn))將結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用壽命作為計(jì)算結(jié)構(gòu)可靠性的時(shí)間基準(zhǔn)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的使用壽命超過設(shè)計(jì)使用壽命時(shí)，并不意味著結(jié)構(gòu)會(huì)報(bào)廢，而是其可靠性會(huì)逐漸降低。還應(yīng)

7、說明的是，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用壽命不等于設(shè)計(jì)參考期。表2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用壽命的分類。如果結(jié)構(gòu)能夠滿足功能要求，則稱為“可靠”或“有效”；否則，它被稱為“不可靠”或“無效”。區(qū)分結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的“可靠性”和“失效”的界限是“極限狀態(tài)”。結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件滿足結(jié)構(gòu)安全性、適用性和耐久性三大功能之一的臨界狀態(tài)。超過此限值，結(jié)構(gòu)或其部件不能滿足設(shè)計(jì)中規(guī)定的功能要求，并進(jìn)入失效狀態(tài)。結(jié)構(gòu)功能的2.2.1.2極限狀態(tài)，(1)承載能力的極限狀態(tài)該極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或不適合繼續(xù)承載的變形。當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件處于下列情況之一時(shí)，即認(rèn)為超過了承載力極限狀態(tài)：構(gòu)件或連接因材料強(qiáng)度不足而損壞；整

8、個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡(如傾覆等)。)；該結(jié)構(gòu)被轉(zhuǎn)換成移動(dòng)系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件穩(wěn)定性的喪失(柱的屈曲等)。(2)正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件正常使用或耐久性的某一規(guī)定極限，超出該狀態(tài)，適用性或耐久性功能不能滿足。當(dāng)一個(gè)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件有下列情況之一時(shí)，就認(rèn)為它已經(jīng)超過了正常使用的極限狀態(tài)：影響正常使用或外觀的變形；影響正常使用或耐久性的局部損壞(包括裂縫)；影響正常使用的振動(dòng)；其他影響正常使用的特殊情況等。作用效應(yīng)是指結(jié)構(gòu)上的各種作用，內(nèi)力的總稱(軸力、彎矩、剪力、扭矩等)。)和變形(如撓度、轉(zhuǎn)角、裂紋等。直接作用產(chǎn)生的效應(yīng)通常稱為載荷效應(yīng)。結(jié)構(gòu)阻力是指一個(gè)結(jié)構(gòu)

9、或構(gòu)件能夠?yàn)榱撕?jiǎn)化起見，只有兩個(gè)基本變量，荷載效應(yīng)S和結(jié)構(gòu)抗力R，用來表示結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)，所以有Z=g(S，R)=R-S(2.1)。在實(shí)際工程中，可能出現(xiàn)以下三種情況：當(dāng)為0時(shí)，結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；當(dāng)為0時(shí)，結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)；當(dāng)為0時(shí)，結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)。關(guān)系式(s，R)RS0稱為極限狀態(tài)方程。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)應(yīng)采用以下極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式：SR(2.2) (1)可變荷載效應(yīng)控制的組合建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)見表2.4。2.2.2概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法的實(shí)用表達(dá)式，2.2.2.1按承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的實(shí)用表達(dá)式，(2)永久荷載效應(yīng)控制的組合應(yīng)注意，在考慮垂直永久荷載效應(yīng)控制的組合時(shí)，參與組合的可變荷載僅限

10、于垂直荷載。在上述類型中，GSk和QSk分別稱為恒載效應(yīng)設(shè)計(jì)值和活載效應(yīng)設(shè)計(jì)值。因此，Gk和Qk分別稱為恒載設(shè)計(jì)值和活載設(shè)計(jì)值，它們是荷載代表值和荷載分項(xiàng)系數(shù)的乘積。示例2.1辦公樓中矩形鋼筋混凝土截面簡(jiǎn)支梁的安全等級(jí)為二級(jí)，截面尺寸bh=200mm400mm，計(jì)算跨度l0=5m。平均布線負(fù)荷：活載標(biāo)準(zhǔn)值7kN/m，恒載標(biāo)準(zhǔn)值10kN/m(不含自重)。找出跨度中最大彎矩的設(shè)計(jì)值。【解答】活載組合值系數(shù)c=0.7，結(jié)構(gòu)重要系數(shù)0=1.0。鋼筋混凝土的重量標(biāo)準(zhǔn)值為25kN/m3，因此梁的重量標(biāo)準(zhǔn)值為250.20.4=2kn/m?？偤爿d標(biāo)準(zhǔn)值GK=102=12kN/mmgk=1/8gkl 02=37

11、.5 knm qk=1/8qkl 02=21.875nm，恒載彎矩控制的跨中彎矩設(shè)計(jì)值為0(gkCqmqk)=72.063nm，設(shè)計(jì)值為根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)采用荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合、頻繁組合或準(zhǔn)永久組合，并按以下設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)：SdC (2.5)混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)主要是檢查構(gòu)件的變形、抗裂性或裂縫寬度，以免超過相應(yīng)的規(guī)定限值。 砌體結(jié)構(gòu)正常使用的極限狀態(tài)要求一般可通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施來保證。2.3建筑結(jié)構(gòu)材料及其設(shè)計(jì)指標(biāo)，建筑鋼材包括混凝土結(jié)構(gòu)用鋼筋、鋼結(jié)構(gòu)用型鋼和鋼板。(1)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用兩種類型：強(qiáng)鋼筋和柔性鋼筋。通常稱為鋼筋，即柔性鋼筋。剛性鋼筋由型鋼(如角

12、鋼、槽鋼和工字鋼)組成。2.3.1建筑用鋼，2.3.1.1建筑用鋼的品種和規(guī)格，根據(jù)不同的加工方法，我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)用鋼筋主要包括熱軋鋼筋、冷拉鋼筋、熱處理鋼筋、冷軋鋼筋(冷軋帶肋鋼筋、冷軋扭鋼筋)、冷拉低碳鋼絲、應(yīng)力消除鋼絲、鋼絞線等。熱軋鋼筋主要用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。熱軋鋼筋由低碳鋼或低合金鋼通過熱軋制成。根據(jù)屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用熱軋鋼筋分為4個(gè)等級(jí)：HPB235、HRB335、HRB400和RRB400。根據(jù)形狀的不同，鋼筋可分為圓棒和異形棒(人字形、螺旋形和月牙形)，如圖2.1所示。HPB235的鋼筋為圓形，HRB335、HRB400和RRB400的形狀為月牙形?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

13、規(guī)范(GB500102002)(以下簡(jiǎn)稱混凝土規(guī)范)規(guī)定，普通鋼筋(即鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中使用的鋼筋和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中使用的非預(yù)應(yīng)力鋼筋)應(yīng)采用HRB400和HRB335鋼筋，以及HPB235和RRB400鋼筋。(2)鋼結(jié)構(gòu)用鋼1)鋼的品種鋼結(jié)構(gòu)用鋼主要是碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度鋼現(xiàn)在舉一個(gè)例子來說明鋼級(jí)的代表及其代表意義：Q235A屈服強(qiáng)度為235牛頓/平方毫米，A級(jí)，鎮(zhèn)靜鋼；Q235BF的屈服強(qiáng)度為235N/mm2，b級(jí)，沸騰鋼。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼在鋼的冶煉過程中加入少量合金元素(合金元素總量小于5%)，以提高鋼的強(qiáng)度、耐蝕性和低溫沖擊韌性。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼都是鎮(zhèn)靜鋼或特

14、種鎮(zhèn)靜鋼，所以它的牌號(hào)只有三個(gè)部分：Q、屈服點(diǎn)值和質(zhì)量等級(jí)，其中質(zhì)量等級(jí)從A到E.低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的a、b級(jí)屬于鎮(zhèn)靜鋼，c、d、e級(jí)屬于特種鎮(zhèn)靜鋼。2)鋼材規(guī)格鋼結(jié)構(gòu)中使用的型材包括熱軋鋼板、型鋼和冷軋(或冷壓)薄壁型材。熱軋鋼板熱軋鋼板分為厚板和薄板。厚板厚4.560毫米，寬0.73米，高412米；很久了。薄板的厚度為0.354毫米，寬度為0.51.5米，長(zhǎng)度為0.54米。鋼板由符號(hào)“”后跟“厚度、寬度和長(zhǎng)度”(單位：毫米)表示，如128002100。熱軋型鋼熱軋型鋼包括角鋼、槽鋼、工字鋼、工字鋼、丁字鋼和鋼管，如圖2.2所示。角鋼有兩種：等邊和不等邊。有熱軋普通槽鋼和熱軋輕槽鋼。工字梁分

15、為普通工字梁和輕型工字梁。熱軋工字鋼除熱軋工字鋼外，還包括普通焊接工字鋼和輕型焊接工字鋼。分段的T形鋼系統(tǒng)是通過沿腹板中部對(duì)相應(yīng)的H形鋼進(jìn)行等效分段而形成的。鋼管分為無縫鋼管和焊接鋼管。它由符號(hào) 后跟“外徑厚度”(單位為毫米)表示，如4006。常用型鋼的規(guī)格見附錄2。冷彎薄壁型鋼冷彎薄壁型鋼是由26毫米薄鋼板冷彎或模壓而成。每一部分的厚度都是相同的，并且拐角都是弧形的(圖2.3(a)(i)。壓型鋼板(圖2.3(j)是近年來使用的薄壁型材，所用鋼板的厚度為0.42毫米。其優(yōu)缺點(diǎn)與冷彎薄壁型鋼相同，冷彎薄壁型鋼主要用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)、屋頂和地板。圖2.1鋼筋形狀，圖2.2熱軋型鋼，圖2.3冷彎薄壁型鋼截

16、面形狀，(a)(i)冷彎薄壁型鋼；(j)壓型鋼板，其強(qiáng)度具有可變性。根據(jù)同一標(biāo)準(zhǔn)，不同時(shí)期生產(chǎn)的每批鋼材的強(qiáng)度不會(huì)完全相同；即使在同一個(gè)爐子里軋制的鋼也有不同的強(qiáng)度。因此，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值被用作結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本代表值。所謂強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值是指正常情況下可能出現(xiàn)的最小材料強(qiáng)度值。統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的保證率應(yīng)不低于95%。2.3.1.2對(duì)于建筑用鋼的設(shè)計(jì)指標(biāo)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的屈服強(qiáng)度廢棄限值作為鋼筋強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用的鋼筋強(qiáng)度與國(guó)家規(guī)定的鋼筋出廠檢驗(yàn)強(qiáng)度一致。強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值除以材料分項(xiàng)系數(shù)s即為材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。各種熱軋鋼筋材料的分項(xiàng)系數(shù)s約為1.15。普通鋼筋的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和強(qiáng)度設(shè)計(jì)值見表2.5(詳見P42)。鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值根據(jù)鋼材厚度或直徑采用，見表2.6(詳見P42)。根據(jù)立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu、k，混凝土強(qiáng)度等級(jí)分為C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C