第3讲（18）单层排架.ppt

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1、1,混凝土结构设计 张耀庭 华中科技大学土木工程与力学学院 结构教研室 2009.1-2013.3,2,第12章 单层厂房排架结构,12.1 单层厂房的结构型式、组成与布置,12.2 排架结构分析,12.3 排架柱设计,12.4 柱下独立基础设计,12.5 屋面构件,12.6 吊车梁设计要点,3,12.1.1 单层工业厂房的结构种类,按结构材料,砌体混合结构（,钢结构,钢筋混凝土结构,）,）,（,12.1 单层厂房的结构型式、组成与布置,钢混凝土混合结构,4,单层厂房应用范围：在工业厂房中有单层、多层等不同结构型式，对于中型工业厂房：如冶金、机械、金属加工、飞机制作等，其生产过程和范围都较为庞

2、大，大型设备均需直接安装在地面上使用，因此，一般采用单层结构型式。 单厂结构的主要特点：横向跨度大；一般有大型天车（吊车）运行，局部动荷载影响大；层高较大；因生产工艺要求，室内较空旷。 钢筋混凝土结构型式：装配式排架结构是当前应用最广的一种结构型式，一般由屋面梁或屋架、柱及基础等构件组成；装配式门式结构，通常梁柱连为一体，柱与基础采用铰结或刚结，亦可做成三铰门架型式。,5,单厂设计,12.1 组成与布置,12.1 .1结构种类,等高排架,不等高排架,锯齿型排架,6,a.三铰刚架；b.两铰刚架；c.弧形刚架； d.弧形或工字型空腹刚架,7,8,9,柱网的布置应符合厂房建筑模数协调标准GBJ6-6

3、8 跨度在18M和18M以下时，采用30M的模数； 跨度在18M以上时，采用60M的模数；,10,11,12.1.2 单层排架结构组成,1）屋面板,2）天沟板,3）天窗架,4）屋架,5）托架,6）吊车梁,7）排架柱,8）抗风柱,9）基础,10）连系梁,11）基础梁,12）天窗架垂直支撑,13）屋架下弦横向支撑,14）屋架垂直支撑,15）柱间支撑,12,单层厂房排架结构通常由下列结构构件组成并相互连接成整体： 1.屋盖结构：由屋面板（包括天沟板）、屋架或屋面梁（包括屋盖支撑）组成，有时还有天窗架和托架等。可分为无檩和有檩两种屋盖体系，将大型屋面板直接支承在屋架或屋面梁上的，称为无檩屋盖体系；将小

4、型屋面板或瓦材支承在檩条上，再将檩条支承在屋架或屋面梁上的，称为有檩屋盖体系。屋面板起维护作用并承受作用在板上的荷载，再将这些荷载传至屋架或屋面梁；屋架或屋面梁是屋面承重构件，承受屋盖自重、屋面板传来的活荷载，并将这些荷载传至排架柱。天窗架支承在屋架或屋面梁上，也是一种屋面承重构件。,13,2.横向平面排架：由横梁（屋架或屋面梁）、横向柱列和基础组成，是厂房的基本承重结构。厂房上承受的竖向、横向荷载，均由横向平面排架传至基础。 3.纵向平面排架：由纵向柱列、联系梁、柱间支撑、基础组成，其作用是保证厂房的纵向稳定性和刚性，并承受作用在山墙、天窗端壁、屋盖结构传来的纵向风荷载、吊车纵向水平荷载等，

5、再将其传递至地基。另外，它还承受纵向水平地震作用、温度应力等。 4.吊车梁：一般为装配式，简支在柱的牛腿上，主要承受吊车竖向荷载、横向或纵向水平荷载，并将其传递至横向或纵向平面排架。吊车梁是直接承受吊车动力荷载的构件。,14,5.支撑：包括屋盖支撑、柱间支撑。支撑的作用是加强厂房结构的空间刚度，保证结构构件在安装和使用阶段的稳定和安全，同时起着将风荷载、吊车水平荷载或水平地震作用等传递到相应承重构件的作用。 6.基础：承受柱和基础梁传来的荷载并将它们传至地基。 7.围护结构：包括纵墙、横墙（山墙）及由联系梁、抗风柱（有时还有抗风梁或抗风行架）和基础梁等组成的墙架。这些构件所承受的荷载，主要是墙

6、体和构件的自重以及作用在墙面上的风荷载等。,15,一、柱网布置,柱网的布置应符合厂房建筑模数协调标准GBJ6-68 柱网是竖向承重构件纵横向定位轴线所形成的网格。,柱距应采用6米或6米的倍数，常用6m、12m；,跨度在18米以下采用3米的倍数（扩大模数30M数列）；在18米以上采用6米的倍数,工艺布置有明显优越性时也可用3米倍数。常用的有：12、15、18、21、27、30、33、36米。,12.1.3 单层排架结构布置,单厂设计,12.1 组成与布置,12.1 .1结构种类,12.1 .2结构组成,12.1 .3结构布置,16,二、定位轴线,墙、边柱与纵向定位轴线的关系：,柱距6米、无吊车或

7、,边柱外缘和墙内缘与纵向定位轴线重合，称封闭结合。,单厂设计,12.1 组成与布置,12.1 .1结构种类,12.1 .2结构组成,12.1 .3结构布置,17,中柱与纵向定位轴线的关系：,等高跨,上柱中心线与纵向轴线重合,18,墙、柱与横向定位轴线的关系：,柱,伸缩缝和端部处,一般部位处柱中心线与轴线重合,500,500,500,墙,非承重墙：墙内缘与轴线重合,承重墙：,墙内缘与轴线的距离为半砖或半砖的倍数。,19,在厂房端部横向定位轴线与山墙边缘重合，将山墙内侧第一排柱中心内移500mm；伸缩缝两边的中心线向两边移动500mm.,20,三、变形缝设置,伸缩缝,横向伸缩缝一般采用双柱；纵向伸

8、缩缝一般采用单柱。,沉降缝,一般不设。下列情况之一设：,相邻部位高差很大； 相邻跨吊车起重量悬殊； 下卧土层有很大变化； 各部分施工时间相差很长。,抗震缝,当厂房平、立面布置复杂或结构高度、刚度相差很大时设置。,21,22,四、厂房的剖面布置,高度,自室内地面至柱顶的高度应为300的倍数；,自室内地面至牛腿的高度应为300的倍数；,自室内地面至吊车轨道的标志高度应为600的倍数。,净空,23,五、支撑布置,柱间支撑,作用：保证厂房纵向排架的刚度和稳定；将水平荷载传至基础。,位置：伸缩缝区段中央或临近中央。 当有下列条件之一时需设置柱间支撑：厂房内设有悬挂吊车或3t及以上悬挂吊车；有重级工作制吊

9、车，或有10t以上的中级、轻级工作制吊车；跨度18m以上或柱高8m以上；纵向柱列总数7根以下；露天吊车栈桥的柱列。,24,位置：伸缩缝区段两端。,屋架下弦横向水平支撑,作用：将屋架下弦受到的水平力传至柱顶。,六、抗风柱、圈梁、连系梁、过梁和基础梁布置,25,26,27,抗风柱： 单厂山墙受风面积大，设置抗风柱可将山墙分成区格，使墙面受到的风荷载，在近纵向柱列区格直接传至纵向柱列，另一部分传递给抗风柱，再由抗风柱下端直接传至基础，而上端则通过屋盖系统传至纵向柱列。 抗风柱上柱宜采用矩形截面，截面尺寸不宜小于350300mm，下柱宜采用矩形或工字形截面，当柱较高时也采用双肢柱。 用砌体作为厂房的维

10、护结构时，一般要设置圈梁、联系梁、过梁及基础梁。 圈梁： 将墙体与厂房柱箍在一起，其作用可增加房屋的整体刚度，防止由于地基不均匀沉降或较大振动荷载对厂房的不利影响。 布置原则：对无吊车厂房，当墙厚小于等于240mm、檐口标高为58m时，应在檐口附近布置一道，当檐口标高大于8m时，宜增设一道；对有吊车或较大振动设备的厂房，除在檐口或窗顶布置圈梁外，尚宜在吊车梁标高处或其它适当位置增设一道，当外墙高度大于15m时还应适当增设。圈梁截面宽度宜与墙厚相同，当墙厚大于240mm时，其宽度不宜小于120mm，圈梁的纵向钢筋不宜小于 ，钢筋的搭接长度为1.2 ,箍筋间距不大于250mm。,28,联系梁：联系

11、纵向柱列，增强厂房纵向刚度并将风荷载传递到纵向柱列，并承受其上部墙体重力。联系梁一般预制，两端搁置在柱牛腿上，其连接可采用螺栓或焊接。 过梁：作用是承托门窗洞口上墙体重力。 基础梁：基础梁一般直接搁置在柱基础杯口上，当基础埋置深度较深时，放置在基础上面的混凝土垫块上，基础梁底部离地基土表面应预留100mm的孔隙。 联系梁、过梁、基础梁、屋架、屋面梁、吊车梁、支撑、天窗架等，一般均有全国通用图集或定型图集，设计时可直接查用。,29,思考题 1.单层厂房的结构型式主要有几种？ 2.单层厂房排架结构主要由哪些结构构件组成？ 3.单层厂房排架结构的柱网布置、关键剖面标高尺寸的确定 4.单厂变形缝种类及

12、设置 5.单层厂房支撑的分类、作用及布置方法 6.装配式单层厂房排架结构的抗风柱、圈梁、联系梁、过梁基础梁的布置 装配式排架结构分析计算，包括以下主要内容： 确定排架计算简图；荷载计算；内力分析及内力组合；验算排架水平位移等。,30,思考题 1.装配式钢筋混凝土单层厂房排架结构的计算单元、计算简图如何确定？ 2.作用在单层排架上的荷载，在不考虑抗震的情况下，主要荷载有哪些？其值如何确定？ 1）各种荷载的大小、方向、作用点如何确定？ 2）风荷载如何计算？ 3）吊车荷载如何确定？,31,单层工业厂房是由纵横向排架组成的空间结构，为方便设计，一般将其简化为纵、横向平面排架分别进行分析；但除进行抗震和

13、温度应力分析外，纵向平面排架一般不需要进行计算。,12.2 排架结构分析,32,几点说明： 1.装配式单层钢筋混凝土厂房结构实际上是空间结构，由于各横向平面排架及各纵向平面排架之间相互影响较小，所以，近似认为它们各自相互独立工作，简化为平面结构进行计算。 2.纵向平面排架由柱列、基础、联系梁、吊车梁和柱间支撑等组成，由于纵向柱较多，抗侧移刚度大，因此，一般不需要计算。 3.装配式排架结构，预制柱插入杯口基础一定深度，并用细石混凝土将柱与基础浇捣成一体，且地基变形是有限制的，基础的转动很小，因此，将柱下端简化为固结是符合实际的；但在地基土质较差、变形较大或有大面积堆料等比较大的地面荷载时，应考虑

14、基础位移和转动对排架内力和变形的影响。,33,4.屋面梁或屋架两端没有轴向位移，对屋面梁、下弦刚度较大的屋架是适用的，对于组合式屋架或两铰、三铰拱屋架，则应考虑其轴向变形对排架内力和变形的影响，这种情况称为“跨变”，所以，假定（2）没有考虑跨变的情况。 5.计算简图中，柱的计算轴线取上部和下部柱的截面重心的连线，屋面梁或屋架用一根没有轴向变形的刚杆表示。 6.柱总高柱顶标高基础底面标高绝对值基础高度 上柱高柱顶标高轨顶标高轨道高吊 车梁高 7.排架的跨度以厂房的跨度为准。,34,35,三、荷载计算,恒载,屋盖自重,上柱自重,下柱自重,吊车梁及轨道自重,活载,屋面活载,吊车荷载,形式、大小、作用

15、位置、方向。,风荷载,36,37,混凝土结构设计,可靠度的基本概念,结构的功能要求 承载能力要求:结构能承受在正常施工和正常使用 过程中出现的各种作用而不出现承载力不足的状况. 正常使用要求:结构在承受正常使用过程中出现的 各种作用时能良好工作而不出现影响正常使用或适 用性不充分的状况。 整体性要求:结构在偶然事件（火灾、爆炸、撞击 等）发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性 而不发生连续倒塌。,(2)结构的功能函数 设 表影响结构某一功能的基本变量。则与此功能对应的结构功能函数可表为 考虑结构功能仅与荷载效应 （荷载引起的结构的内力，位移等）和结构抗力 （结构承受荷载效应的能力，如承载能力

16、、刚度、抗裂度等）两个基本变量有关的最简单情况。此时，结构的功能函数可表为,(3)结构的极限状态 （GB50068-2001) 结构的期望状态：结构处于 满足其功能要求的状态.其功能 函数 结构的不期望状态：结构处 于未能满足其功能要求的状态. 其功能函数 结构的极限状态：结构整体或部分超越某一状态 结构就不能满足设计规定的某一功能的要求，此状 态即称为结构该功能的极限状态。其功能函数满足:,(4)极限状态的分类 由结构的功能要求分类： 1.承载能力极限状态(GB50068-2001) 结构或结构构件达到最大承载能力或达到不适于 继续承载的变形.其主要表现有 整个结构或结构的一部分作为刚体失去

17、平衡 （如倾覆等）； 结构构件或连接因材料强度被超过而破坏（包 括疲劳破坏）,或因过度变形而不适于继续承载； 结构转变为机动体系（机构）； 结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）； 地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）。,整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡 如：倾覆、滑移 结构构件或连接因材料强度被超过而破坏,或因过度变形而不适于继续承载 如：钢筋混凝土构件：混凝土的抗拉抗压强度、钢筋的屈服强度；大体积混凝土结构，还需要混凝土的多轴强度；钢结构节点的抗剪强度；砌体结构，需要使用砌体的抗压强度、轴心抗拉强度、弯曲抗拉强度和抗剪强度；钢筋混凝土或钢结构的塑性设计中，要控制构件截面的变形不能太大； 结

18、构转变为机动体系（机构） 如：门式钢架形成塑性铰 结构或结构构件丧失稳定 如：欧拉屈曲；压弯构件失稳；薄壁钢构件受压翼缘和腹板失稳；圆柱壳失稳；球面扁壳失稳等； 地基丧失承载能力而破坏 整体剪切、局部剪切、冲切破坏等 结构构件的疲劳破坏 如结构大震作用下的破坏，是低周疲劳破坏；铁路桥梁、厂房吊车梁、海洋平台等，是高周疲劳破坏；,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.其主要表现有 影响正常使用或外观的变形； 影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂 缝）； 影响正常使用的振动； 影响正常使用的其他特定状态。 3整体性极限状态（抗连续破坏极限状态） 结构由于火灾

19、、爆炸、撞击等事故产生的损坏达 到与初始起因不相称的程度限值。即结构由于局部 损坏而达到其余部分将发生连续破坏（或连续倒 塌）状态限值。(研究中，尚未进入工程实践）,影响正常使用或外观的变形 框架梁变形过大；起重机梁的变形过大，卡轨 影响正常使用或耐久性能的局部损坏 裂缝：荷载引起结构性裂缝和非结构裂缝，如：温度、干缩、钢筋锈胀裂缝等 影响正常使用的振动 楼板、桥梁振动过大，约0.5%g的加速度的振动是一般人不能接受的。我国规范尚没有关于振动方面的规定，国外如加拿大、英国都相关的验算规定。 影响正常使用的其他特定状态 取决于结构使用功能与用户要求。,根据结构极限状态被超越后的结构状况分类： 1

20、、不可逆极限状态 当引起超越极限状态的作用被移掉后，仍将永久地保持超越效应的极限状态。即因超越极限状态而产生的结构的损坏或功能失常将一直保持，除非结构被重新修复。 承载力极限状态一般是不可逆的，正常使用极限状态有时可逆有时不可逆。 2、可逆极限状态 产生超越极限状态的作用被移掉后，将不再保持超越效应的极限状态。即因超越结构极限状态而产生的结构损坏或功能失常仅在超越的原因存在时保持。 总之，极限状态的分类没有固定的规则，主要以设计需要为依据。如日本，地震经常发生，所以其建筑及公共设施结构设计基础给出了可恢复极限状态；对于钢桥，车辆反复作用引起的疲劳破坏严重，所以，美国的荷载与抗力系数桥梁设计规范

21、单独列出了疲劳极限状态，在大地震、洪水、车辆、冰流撞击等条件下，该规范还列出了极端事件极限状态。,(5)结构的可靠度 结构失效:结构不能满足对其的功能要求,如结构 或构件中承载力不足或适用性不充分等 结构的可靠性:结构在规定的时间内，在规定的 条件下，完成预定功能的能力. 结构的可靠度:结构在规定时间内，在规定条件 下，完成预定功能的概率. 结构可靠度可表为 结构失效概率可表为 与 间存在互补关系：,(6)结构的可靠指标 假定结构功能函数仅由荷载效应 与构件抗力 组成的简单情况。若 ,则有 。结构失效概率可表为 增大， 也增大，故 反映了结构的可靠程度, 称 之为结构可靠指标, 常用来描述结构

22、的可靠程度。,（7） 的几何意义：结构极限状态方程仅由两个基本随机变量构成的简单情况，假定R、S相互独立并分别服从正态分布,对R，S作标准化变换,显然, 均服从 分布.,用 除上式得,由解析几何知，在标准正态化坐标系 中，上式为极限状态直线的标准法线式方程。 为原点 到极限状态直线的法线距离 (见图2-4)。 为法线对各坐标向量的方向余弦。 的几何意义为标准正态坐标系中原点 到极限状态直线的最短距离。对结构极限状态方程为若干相互独立、正态变量构成非线性方程情况，同样可证明 的合理近似取值为标准正态坐标系中原点 到极限状态曲面的最短距离。,作用分类,作用按照随时间的变化可分为三类（5.2.3条）

23、: 永久作用：在设计基准期内量值不随时间变化或其 变化与平均值之比可以忽略不计。如结构自重、土壤 最重量形成的土压力、预加应力等。 可变作用：在设计基准期内量值随时间而变且其变 化与平均值之比不能忽略。如使用或居住荷载（人 员、设备、家具等）以及风、雪等。 偶然作用：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。如撞击、爆炸、某地 区罕遇的龙卷风等。 按随空间的变异可分为固定作用和自由作用,按结 构的反应特点可分为静态作用和动态作用,按有无界限 值可分为有界作用和无界作用.,永久作用 自重，预应力，土压力，固定水位的静水压力及浮托力，地应力、围岩压力等 可变作用 屋面楼面活荷

24、载，风荷载，雪荷载，积灰荷载，起重机荷载，堆荷荷载，运输机械荷载，汽车荷载，铁路荷载，缆车荷载，船泊荷载，波浪力，冰荷载，施工荷载，汽车冲击力、离心力等 偶然作用 撞击、火灾、煤气爆炸，天然气爆炸，船只撞击力，车辆脱轨，滑坡，泥石流等 地震作用 以前将地震作用列为偶然作用，我国工程结构可靠性设计统一标准、欧洲规范结构设计基础（EN1990：2002）中将其单独列出。地震作用与偶然作用有相似特征，如出现的可能性小，一旦出现量值很大，且地震的发生是一种自然现象，可以根据多年的记录资料进行统计分析等。但是，地震对结构的作用与持久、短暂和偶然状况不同，这三种状况下，结构所受外部作用均与结构本身无关，而

25、地震作用则不同，地震使结构所产生的作用效应的大小，除与地震本身的强度、频谱特性和持续时间有关外，还取决于结构本身的形式、质量、固有周期、阻尼及结构构件连接的延性和耗能能力。 因此，我国标准工程结构可靠性设计统一标准(4.2.1条）将设计状况分为：持久状况、短暂状况、偶然状况和地震状况。,作用的代表值,对结构进行极限状态验算时采用的荷载称为荷载 代表值。其类型有：标准值、频遇值、组合值与准 永久值。标准值针对永久荷载及可变荷载而言。频 遇值、组合值及准永久值则仅针对可变荷载 标准值 荷载标准值是设计基准期内在结构上可能出现的 最大荷载值。它是进行结构设计时采用的荷载基本 代表值。荷载的其他代表值

26、均可以标准值为基础换 算得到。对结构进行承载能力极限状态以及正常使 用极限状态验算时均要使用荷载标准值。,准永久值 准永久值是设计基准期内在结构上经常出现的可变荷载值。它是对结构进行正常使用极限状态按准永久组合和频遇组合设计时所采用的可变荷载代表值。 准永久值= 频遇值 频遇值是设计基准期内在结构上时而出现的较大 可变荷载值。它是对结构进行正常使用极限状态按 频遇组合设计时所采用的可变荷载代表值。 频遇值与标准值间存在下述关系： 频遇值=,组合值 结构承受两种或两种以上可变荷载时，对结构进 行承载能力极限状态按基本组合设计与正常使用极 限状态按标准组合设计时使用的可变荷载代表值。 当结构上作用

27、有两种或两种以上的可变荷载时，它 们均同时以标准值作用于结构的概率极小。故当采 用各荷载标准值进行荷载组合时，应对某些可变荷 载的标准值进行折减。这即产生了可变荷载组合值 的概念。可变荷载组合值与其标准值的关系 组合值= 式中 -可变荷载组合值系数,作用效应组合,基本概念 (1)荷载效应 荷载引起的结构或构件的反应如内力、变形等谓 之荷载效应。对线弹性结构，荷载与荷载效应间存 在下述性线关系: 式中 -荷载效应系数。 一般而言， 为随机变量。若 变异显著小于Q的 变异时，也可近似取 为常量。如一均布荷载q作用 下的简支梁，其跨中弯矩为 。此处 为 。一般而 言，l应为随机变量。但其变异较q的变

28、异小很多。 故实用上常取l为常量。,(2)作用效应组合 建筑结构承受多种荷载作用时，其荷载效应也为 时间的函数，可用随机过程来描述。其极限状态方 程可表示为 式中R-结构抗力,可取作随机变量； -第i种荷载的荷载效应,随机过程； -n种荷载的综合荷载效应。 将随机过程转换为随机变量 最终极限状态方程为 作用效应组合问题实质即为综合作用效应最大值 概率分布的确定问题。若能确定 的概率分布， 则可容易确定结构可靠度指标。,JCSS组合模型 (1)基本假定 荷载 是等时段的平稳随机过程。 荷载 与荷载效应 间满足式3-17所示线性关 系。 设计基准期为50年。 不考虑互斥随机荷载的组合。仅考虑在 内

29、可 能相遇的各种可变荷载的组合并结合经验判断以确 定相遇的荷载种类。 当一种荷载取设计基准期最大荷载或时段最大 荷载时，其他参与组合的荷载仅在该最大荷载的持 续时段内取相对最大荷载，或取任意时点荷载。,(2)组合形式 设n种荷载参与组合。第i种荷载 在设计基准期 内的总时段数为 。将各种荷载的总时段 数从小到大排列，即 。取任一种荷载 在 设计基准期内的最大荷载效应 与其他种荷载效 应进行组合。根据假定可得种荷载效应组合值 。即 (3-20) 式中 -第i种荷载效应 的任意时点随机变量； -第i种荷载效 应的持续时段长度,即 。,(2)综合荷载效应 的分布函数 根据式（3-20）， 为n项随机

30、变量之和。对式 （3-20）中的随机变量 及 ，采用式 3-3可求得其分布函数分别为 及 。若假 定构成 的n个随机变量相互独立，则可得 的分 布函数 为 (3-21) 式中*-卷积运算。 由式（3-21）可确定 。根据式（3-19），可求得 结构在 作用下的可靠指标 。其中最小者即 为结构的控制可靠指标。,J.C.Turkstra组合模型 根据Turkstra模型，荷载效应组合原则为：若某 一种荷载取设计基准期最大值时，其余种荷载取相 应任意点值。设结构上作用有n种荷载，其荷载为 ,则组合形式为 (3-22) 若将荷载模型化为平稳二项随机过程，利用式（3-21），可得 的概率分布函数为 (3

31、-23),结构设计目标,极限状态设计原则 (1)结构设计工作寿命(结构设计使用年限) 结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目标使 用的时期为结构设计工作寿命。即结构在正常设计， 正常施工，正常使用和正常维护下所应达到的正常工 作年限。结构设计工作寿命分类见表5-1：,(2)设计基准期 确定可变作用及与时间有关的材料性能取值而选用的时间参数称为设计基准期。 为便于结构可靠度分析与比较，应统一可变作用 与材料性能的取值时域,这即产生设计基准期概念。 设计基准期的取值与设计工作寿命有关。我国建 筑结构可靠度设计统一标准规定结构设计基准期 取值为安全等级为二级的建筑结构的设计工作寿 命。安全等级为二

32、级的建筑为一般普通房屋与构筑 物。由表5-1知其工作寿命为50年。故我国的结构设 计基准期取值为50年。,(3)设计状况(4.2.1条) 设计应做到结构在一定时段内不超越有关的极限 状态。结构在施工及使用过程中，其性能及环境条件 随时间而变,这即产生结构设计状况概念。根据其出 现概率及持续期长短,设计状况可分以下四种： 持久设计状况：在结构使用过程中一定出现且其持 续期很长的状况。持续期一般与设计工作寿命为同一数量级； 短暂设计状况：在结构施工与使用过程中出概率较 大，与设计工作寿命相比，持续期很短的状况，如施工和维修等。 偶然设计状况：在结构使用过程中出现概率很小， 且持续期很小，且持续期很

33、短的状况，如火灾、爆炸、撞击等。 地震设计状况：新规范GB50153-2008中，已将地震设计状况列为一种单独的设计状况。 地震作用的特点是：既与地震本身有关也与结构本身有关。,(4)基本设计原则 结构设计时,一般仅进行结构承载能力极限状况 设计与结构正常使用极限状况设计,而整体性极限状 态设计尚处于研究中. 考虑到结构存在四种设计状况，此四种设计状况 出现概率不同、持续期不同，对结构功能影响也不 同。基于此我国工程结构可靠度设计统一标准 规定（4.2.2、4.3.1）： 针对不同设计状况，可采用相应的结构体系、 基本变量及可靠度水准等进行结构设计。,对持久设计状况，应进行承载能力极限状态设计

34、与正常使用极限状态设计；对短暂及地震设计状况，应进行承载能力极限状态设计并视需要确定是否进行正常使用极限状态设计；对偶然设计状况，可仅进行承载能力极限状态设计。 对偶然状况，可按下列原则之一进行承载能力 极限状态设计： a.按作用效应的偶然组合进行设计或采取防护措 施，使主要承重结构不致因出现设计规定的偶然事 件而丧失承载能力。 b.允许主要承重结构因出现设计规定的偶然事件 而局部破坏，但其剩余部分仍具有在一段时间内不 发生连续倒塌的适当的可靠度。,对持久状况及短暂状况，应分别对两类极限状 态采用最不利作用效应组合进行结构设计。(4.3.3) 对承载能力极限状态，应考虑作用效应的基本组合 （永

35、久作用与可变作用的组合）。必要时应考虑作用 效应的偶然组合（永久作用、可变作用和一个偶然作 用的组合）。 对正常使用极限状态，应根据不同的设计目的分别 选用作用效应组合. 标准组合（采用标准值及组合值为 荷载代表值的组合）,用于极限状态被超越时将产生严重 永久性损害的场合，不可逆 ;频遇组合（对可变荷载采 用频遇值及准永久值为荷载代表值的组合）,用于极限状 态被超越时将产生局部损害的场合，宜用于可逆正常使用 极限状态设计;准永久组合（对可变荷载采用准永久值为 荷载代表值的组合）,用于当长期效应是决定性因素的场合。,(4)设计要求(4.3.6) 设结构功能函数为 ，则按极限状态设计 时，结构应满

36、足： （5-1） 当仅有作用效应S与结构抗力R的两个基本变量 时，式（5-1)又可表为 （5-2） 在式（5-1）、式（5-2）中 ， 均为 随机变量,故式（5-1）、式（5-2）仅能在一定概率 意义下被满足。根据结构概率可靠度极限状态设计 ，式（5-1）可转换为 或 而 (5-3) 式中 为设计基准期内针对结构某一功能要求的结构失效概率的 限值; 为设计基准期内针对结构某一功能要求的结构可靠指标限 值,称作目标可靠指标.,目标可靠度的确定 (1)确定原则 目标可靠度应针对设计基准期来定义。 应考虑结构极限状态类别以及结构极限状态准 则，不考虑各种过失误差的事实。 应综合考虑结构失效后果（以所

37、引起的生命危 险、经济损失及社会不便来衡量）、失效方式（有 无预兆）以及为降低失效概率所需花费的工作量与 费用等因素。 应考虑进行结构可靠性分析时所采用的概率模型与分析方法。,下表所列为人类在一此日常生活中的年死亡概率 据统计，当前综合的个人致命事故率为10-4/年。考虑到人类生活与工作绝大部分时间均在房屋内进行，故房屋失效导致的个人致命事故率应更小才合理。据此，国际标准ISO2394：1998结构可靠度性总原则建议取结构失效导致的个人致命事故率10-6/年。,目标可靠指标是结构设计时的最低可靠指标，反应着一个国家或地区某种或某类结构安全度的水平。 从宏观上讲，结构的目标可靠指标涉及到两个方面

38、的问题：资源的合理分配及结构发生倒塌事故的概率。对于任何国家，资源都是有限的，即由于工程的投资是有限的，因此，不能任意提高可靠指标；结构倒塌直接威胁到生命安全，造成巨大的经济损失。所以，确定结构目标可靠指标是建造费用、维护费用与结构倒塌损失的平衡问题。,3)经验校准法 经验校准法系指采用可靠度分析方法对原结构设 计规范进行反演分析，以确定原结构设计规范隐含的可靠度水准。我国、美国、加拿大及欧洲一些国家的结构设计规范的目标可靠度水准均是利用经验校准法确定的。,(3)目标可靠指标 我国现行结构设计规范的见表5-4，表5-5。 现行结构设计规范的目标可靠指标的确定主 要基于下述考虑： 我国七四结构设

39、计规范的值；建筑破坏后果；对同一 安全等级的建筑，若其结构构件破坏无预兆（脆性破坏）则安全 等级提高一级；不同结构功能的失效后果不同。,对于建筑结构的安全等级，在同一结构中的构件应按上表取与结构相同的安全等级，但是允许对部分结构构件根据其重要程度及综合经济效果进行适当的调整。对不影响整个结构安全性的次要构件可将其安全等级降低一级，但不得低于三级。对能使整个结构在破坏时大大减少伤亡和经济损失的构件，可将其安全等级提高一级。 延性破坏是指结构构件在破坏前有明显的变形或其它征兆，脆性破坏是指结构构件在破坏前无明显的变形或其它征兆。划分这两种破坏类型是出于对安全性的考虑，往往根据经验来定。,对于结构构

40、件正常使用极限状态的可靠指标，需根据其可逆程度取01.5。,对于正常使用极限状态，其可靠指标一般应根据结构构件作用效应的可逆程度选取：可逆程度较高的结构构件取较低值，可逆程度较低的结构构件取较高值。,不可逆极限状态指产生超越状态的作用被移掉后，仍将永久保持超越状态的一种极限状态。可逆极限状态指产生超越状态的作用被移掉后，将不再保持超越状态的一种极限状态。,这种方法实质上充分考虑了工程建设常年积累的实践经验，继承了现行规范中暗含的结构设计可靠度水准，所以从总体上来讲它是合理的，并且也是为绝大部分人所接受的，是一种切实可行的确定设计可靠指标的方法。,我国现行工程结构设计规范设计表达式 (1)具体设

41、计表达式 1)承载能力极限状态设计表达式 若荷载与荷载效应间存在线性关系，则承载能力 极限状态荷载效应基本组合设计表达式可表为 (5-17) (5-18) 式（5-18）主要用于永久荷载为主的结构。具体 设计时应取式（5-17）与式（5-18）中最不利者。 对于一般排架、框架结构，式（5-17）可简化为 (取消),)正常使用极限状态设计表达式 根据“工程结构可靠度设计统一标准”，正常使用极限状态应分别采用荷载的标准组合、频遇组合、准永久组合进行设计。对荷载与荷载效应间存在线性关系情况，各荷载组合设计表达式如下述。 标准组合设计表达式： （5-20） 频遇组合设计表达式： （5-21） 准永久组

42、合设计表达式： (5-22),5)结构重要性 系数的确定 从经济及失效后果考虑，重要建筑、一般建筑、 次要建筑的可靠度水准应有所区分。 “建筑结构可 靠设计统一标准”在设计表达式中引入了结构重要重性系数 0 。其取值规定为： 对安全等级为一级或设计工作寿命为100年及以 上的结构构件，不应小于1.1； 对安全等级为二级或设计工作寿命为50年的结 构构件，不应小于1.0； 对安全等级为三级或设计工作寿命为50年以下 的结构构件，不应小于0.9。 采用概率可靠度设计方法分析表明， 其取值差0.1，大体相当于可靠指标相差0.5。,82,思考题 1.可靠性、可靠度；可靠指标、目标可靠指标； 结构的功能

43、要求；极限状态及分类； 2.荷载、荷载效应；作用、作用效应；作用效应的组合规则；荷载的代表值及分类 3.我国现规范各种极限状态下的适用设计表达式,83,恒载,85,说明： 1.恒载一般包括：屋盖自重、上柱自重、下柱自重、吊车梁和轨道零件自重，有时，有支承在外牛腿上的围护结构，尚需考虑其自重。其值可按材料重力密度和结构的有关尺寸由计算得到，对标准构件，可以从标准图集上直接查出。 2.屋盖自重 F1 ：其作用点要根据实际情况确定，当采用屋架时，可以认为是通过屋架端节点处上弦与下弦中心线的交点作用在柱上；当采用屋面梁时，可以认为通过梁端支承垫板的中心线作用在柱顶。工程上，其作用点一般位于厂房纵向定位

44、轴线内侧150mm之处。,86,3.恒载的内力计算方法有两种：按悬臂柱计算(认为排架未形成）；按排架结构计算。两种方法计算的结果相差不大。 4.吊车梁自重F4：吊车梁自重除吊车梁外还含有轨道及连接件的重量，作用点距柱定位轴线距离不小于750mm,这个距离主要用来保证吊车正常运行的最小距离，两端相加为1500mm，有时为满足该最小距离，柱的定位轴线需向外移动，形成非封闭的厂房，即不满足大型屋面板的模数要求，则在天沟处需另加屋面板进行处理。 5.悬墙自重F5：围护墙较高时须分段施工，上段墙体搁置在柱小牛腿上。,87,厂房的可变荷载包括:屋面活荷载、吊车荷载和风荷载三部分。 （1）屋面活荷载：包括屋

45、面均布活荷载、雪荷载和积灰荷载三部分。 屋面均布活荷载(Q1)：按屋面是否上人及相应施工荷载查荷载规范。 雪荷载(Q2)： 式中，Sk为雪荷载标准值(kN/m2)； 为屋面积雪分布系数； S0为基本雪压(kN/m2):它是以一般空旷平坦地面上统计所得50年一遇最大积雪自重确定的。 积灰荷载(Q3)：查阅荷载规范。 屋面活荷载组合原则：Q=max(Q1+Q2)+Q3,88,风荷载对单层厂房结构的作用可分成两个部分，一部分作用在围护墙上，一部分作用在屋面上。由于排架计算模型已将屋架等屋面结构简化成刚性杆，因此，作用在屋面的风荷载，应简化成一集中荷载；围护墙承担的风荷载则简化成均布荷载计算。风荷载为

46、面荷载，在计算横向排架结构时，应按排架受荷面积计算，形成线荷载，宽度对于纵向的等跨排架，取跨度即可。 排架计算时，作用在柱顶以下墙面上的风荷载按均布考虑，其风压高度变化系数按柱顶标高取值，这是偏于安全的。当基础顶面至室外地坪的距离不大时，为简化计算，风荷载可按柱全高计算，不再减去基础顶面至室外地坪那一小段多算的风荷载；若基础埋置较深时，按实际情况计算，否则误差较大。 柱顶至屋脊间屋盖部分的风荷载，仍取为均布的，其对排架的作用则按作用在柱顶的水平集中风荷载标准值 考虑。这时的风压高度变化系数可按下述情况确定：有矩形天窗时，按天窗檐口取值；无矩形天窗时，按厂房檐口标高取值。,89,基本风压(kN/

47、m2),不小于0.30kN/m2 基本风压：以当地比较空旷平坦地面上离地10米高度处，由统计所得的50年一遇10分钟内平均最大风速 为标准，按公式： z高度处的风振系数，对于单层厂房 风荷载体型系数； 风荷载高度变化系数；风荷载高度变化系数，根据地面粗糙程度查表选取。具体数值见荷载规范。 A类：近海、海面、海岛、海岸及沙漠地区； B类：田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中小城镇和大城市郊区； C类：有密集建筑群的大城市郊区。 D类：有密集建筑群且房屋较高的城市市区。,90,混凝土结构设计,风荷载,91,混凝土结构设计,92,混凝土结构设计,93,排架计算时，作用在柱顶以下墙面上的风荷载按

48、均布考虑，其风压高度变化系数按柱顶标高取值，这是偏于安全的。当基础顶面至室外地坪的距离不大时，为简化计算，风荷载可按柱全高计算，不再减去基础顶面至室外地坪那一小段多算的风荷载；若基础埋置较深时，按实际情况计算，否则误差较大。 柱顶至屋脊间屋盖部分的风荷载，仍取为均布的，其对排架的作用则按作用在柱顶的水平集中风荷载标准值 考虑。这时的风压高度变化系数可按下述情况确定：有矩形天窗时，按天窗檐口取值；无矩形天窗时，按厂房檐口标高取值。 的值应分成两部分计算： 式中， 为作用在竖直面上的风荷载标准值，按柱顶至檐口顶部的距离h1计算； 为作用在坡屋面上风荷载水平分力标准值的合力，按檐口顶部至屋脊的距离h2计算。 应该注意屋