《混凝土结构设计》-讲义.doc

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《混凝土结构设计》串讲

第一节混凝土结构的极限状态

一、结构的功能要求与可靠性（考点1）——P2

1．结构的“三性”及对应的四项功能要求

（1）安全性：

功能要求：

（2）适用性

功能要求：

正常使用时具有良好的工作性能

（3）耐久性

功能要求：

正常维护下具有足够的耐久性能

2、结构的可靠性

定义：

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。

（1）规定时间：

指设计使用年限，普通房屋为50年；

（2）规定条件：

指设计时所确定的正常设计、正常施工及正常使用条件；

（3）预定功能：

是否达极限状态

二、结构的设计使用年限（考点2）——P2

我国《建筑结构可靠度设计统一标准》规定，普通房屋和构筑物的设计使用年限为50年，纪念性建筑和特别重要的建筑结构的设计使用年限为100年。

三、混凝土结构的极限状态（考点3）——P3

1、承载能力极限状态

（1）定义：

结构或结构构件达到最大承载能力或者达到不适于继续承载的变形状态；

（2）结构或构件超过承载能力极限状态后的常见破坏形态：

倾覆、滑移、疲劳、丧失稳定性、变为机动体系等。

2、正常使用极限状态

（1）定义：

结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限度的状态；

（2）理解：

结构或构件使用功能的破坏或受损害，或结构质量的恶化；

（3）结构或构件超过正常使用极限状态后的常见破坏形态：

大变形、裂缝等

第二节结构的可靠度与可靠指标

一、结构的可靠度（考点4）——P10-12

1、荷载效应

定义：

荷载对结构或构件产生的内力和变形，用S表示。

2、结构抗力

定义：

结构或构件承受荷载效应的能力（承载能力、刚度），用R表示。

3、结构的失效概率

定义：

结构不能完成预定功能要求的概率，即R-S<0的概率，记为。

4、结构的可靠度（填空）——P12

定义：

结构在规定时间内，在规定条件下完成预定功能的概率。

理解：

结构的可靠度是结构可靠性的概率度量。

二、结构的可靠指标（考点5）——P12

结构的可靠指标是在假定R、S均服从正态分布，且R-S=0的前提下得到的。

以概率论为基础的极限状态设计方法是以结构的可靠指标来度量结构的可靠度的.

与的关系：

越大就越小；越小就越大。

第三节混凝土结构按近似概率的极限状态实用设计表达式

一、目标可靠指标（考点6）——P14

定义：

与失效概率限值相对应的可靠指标，记为。

二、分项系数（考点7）——P16-19

1、结构重要性系数

计算结构构件截面承载力时引入的与建筑物安全等级有关的分项系数，用表示。

取用方法：

注意：

抗震设计中不考虑结构构件的重要性系数。

2、材料分项系数

定义：

材料强度的标准值与设计值的比值，一般。

理解：

材料强度的设计值小于材料强度的标准值

3、荷载分项系数

（1）荷载的基本分类：

永久荷载、可变荷载、偶然荷载

（2）荷载的代表值：

分类：

①永久荷载代表值（1种）：

标准值

②可变荷载代表值（4种）：

标准值、组合值、准永久值、频遇值

理解：

①荷载标准值是荷载的基本代表值；

②荷载组合值：

可变荷载的标准值乘上荷载组合系数（）得到，只针对可变荷载而言的；

③荷载频遇值：

荷载的标准值乘上荷载频遇值系数得到；

④荷载准永久值：

荷载的标准值乘上荷载准永久值系数得到；

⑤

（3）极限状态设计中荷载代表值的选用：

①正常使用极限状态验算结构构件短期的变形以及抗裂或裂缝宽度时，采用荷载的标准值；

②荷载准永久值用于正常使用极限状态的长期效应组合。

4、设计基准期：

一般为50年

5、荷载分项系数

（1）定义：

荷载设计值与荷载标准值的比值，一般。

（2）理解：

荷载的设计值大于它的标准值

（3）取值：

三、设计表达式（考点8）——P20

1、荷载效应组合方式：

（1）基本组合：

永久荷载效应+可变荷载效应

（2）偶然组合：

永久荷载效应+可变荷载效应+偶然荷载效应（偶然荷载代表值不乘分项系数）

2、承载能力极限状态设计表达式

荷载效应包括：

基本组合、偶然组合

荷载效应组合的设计值应从由可变荷载效应控制的组合和由永久荷载效应控制的组合中取最不利值。

3、正常使用极限状态设计表达式

荷载效应组合值S应分别采用荷载效应的标准组合、准永久组合或标准组合并考虑长期作用的影响；

C为结构构件正常使用要求所规定的变形、裂缝宽度和应力等的限值。

第二章单层厂房

第一节单层厂房的结构形式、结构组成和结构布置

（一）结构形式（考点9）——P27

1、结构形式（2种）：

排架结构和刚架结构

2、排架结构的组成和连接

①组成：

屋架（或屋面梁）+柱+基础

②连接方式：

柱与基础刚接，柱与屋架铰接

（二）、结构组成与传力路线（考点10）——P29-30

1、结构组成

（1）屋盖结构

①组成：

由屋面板（包括天沟板）、屋架或屋面梁（包括屋盖支撑）组成；

②分类：

无檩和有檩屋盖

无檩屋盖体系：

将大型屋面板直接支承在屋架或屋面梁上的屋盖体系；刚度大。

有檩屋盖体系：

将小型屋面板或瓦林支承在檩条上，再将檩条支承在屋架上的屋盖体系，刚度小。

（三）结构布置（考点11）——P30-38

1、支撑

（1）屋盖支撑：

包括上、下弦水平支撑、垂直支撑及纵向水平系杆。

（2）柱间支撑包括上部柱间支撑、中部柱间支撑及下部柱间支撑；

①作用：

保证厂房结构的纵向刚度和稳定，并将水平荷载传至基础；

②位置：

布置在伸缩缝区段的中央或邻近中央。

3、抗风柱

（1）抗风柱上端与屋架的连接必须满足两个条件：

①水平方向必须与屋架有可靠的连接以保证有效地传递风荷载；

②竖向脱开，两者之间能允许一定的竖向位移，以防厂房与抗风柱沉降不均匀时产生不利影响。

（2）荷载：

主要承受山墙风荷载；

（3）计算简化：

按受弯构件设计

4、基础梁

作用：

承托维护墙，并将荷载传给柱基础顶面。

用来承托围护墙的重量，并将其传至柱基础顶面的梁称为基础梁。

第二节排架计算

（一）排架计算内容及内力分析步骤（考点12）——P38-64

1、排架计算的内容：

确定计算简图、荷载计算、柱控制截面的内力分析和内力组合、水平位移验算。

2、内力分析步骤

（1）确定计算单元及计算简图：

根据厂房平、剖面图选取一榀中间横向排架，初选柱的形式和尺寸，画计算简图；

（2）荷载计算：

确定计算单元范围内的屋面恒荷载、活荷载、风荷载；根据吊车规格及台数计算吊车荷载；

（3）在各种荷载作用下，进行排架内力分析；等高排架用剪力分配法，不等高排架用力法；

（4）柱控制截面的最不利内力组合：

根据偏压构件（大小偏压）特点和荷载效应组合列表进行。

（二）计算采用的假定

①柱与基础固结；②屋面梁或屋架与柱铰接；③屋面梁或屋架无轴向变形。

（三）、荷载计算（考点13）——P39-50

1、作用在排架上的荷载

①恒载（自重F1-F5）：

屋盖（F1）（作用于柱顶）、上柱（F2）（作用于上柱底部截面中心线处，在牛腿顶面处）、下柱（F3）（作用于下柱底部，且与下柱截面中心线重合）、吊车梁及轨道零件自重（F4）（沿吊车梁的中线作用于牛腿顶面）、支承在牛腿上的维护结构（F5）；

②活载：

屋面活载（F6）、吊车荷载（、、）、均布风载（、）、集中风载（）。

2、屋面活荷载

①组成：

包括屋面均布活荷载、雪荷载、屋面积灰荷载；

②计算方法：

按屋面水平投影面积计算；

③组合方式：

取屋面均布活荷载与雪荷载的最大值与屋面积灰荷载组合；

注意：

屋面均布活荷载与雪荷载不同时出现。

3、吊车荷载

吊车竖向荷载和横向水平荷载

①吊车竖向荷载（、）

最大轮压标准值（）：

根据吊车型号、规格确定；

最小轮压标准值（）：

式中：

、分别为大车、小车、吊车额定起重量的标准值；为多台吊车的荷载折减系数；为各大轮子下影响线纵标值的总和。

②吊车水平荷载（）

吊车纵向水平荷载：

由大车的运行机构在刹车或启动时引起的纵向水平惯性力，作用于刹车轮与轨道的接触点，方向与轨道一致；

吊车横向水平荷载：

当小车吊有重物刹车或启动时所引起的横向水平惯性力，作用在吊车梁顶面水平处。

③组合方式：

竖向荷载：

单跨不多于2台/排架，多跨不多于4台/排架；

水平荷载：

单跨、多跨2台/排架。

4、风荷载

①定义：

作用在建筑物或构筑物表面上计算用的风压。

垂直于建筑物表面上的风荷载标准值：

式中：

为z高度处的风振系数；为风载体型系数，主要与建筑物的体形和尺寸有关。

为风压高度变化系数。

②排架上的风荷载计算方法

按均布荷载考虑，其中：

柱顶以下按柱顶标高取值；

柱顶至屋脊的屋盖部分按天窗檐口或厂房檐口（无天窗时）标高取值，但对排架的作用则按作用在柱顶的水平集中风荷载。

历年试题27：

2010.1某单层厂房排架结构及风荷载体型系数如图所示。

基本风压w0=0.35kN/m2，柱顶标高+12.00m，室外天然地坪标高-0.30m，排架间距B=6.0m。

求作用在排架柱A及柱B上的均布风荷载设计值qA及qB。

（提示：

距离地面10m处，=1.0；距离地面15m处，=1.14；其他高度按内插法取值。

） 

【答案】

（1）求风压高度变化系数

风压高度变化系数按柱顶离室外天然地坪的高度：

12+0.3=12.3m

用内插法确定风压高度变化系数

（2）计算排架柱A及柱B上的均布风荷载标准值、

（3）计算排架柱A及柱B上的均布风荷载设计值、

【解析】该题考查对单层厂房排架风荷载的计算方法和步骤的理解和识记。

参考教材第49-50页。

（四）等高排架（考点14）——P50-64

1、定义：

柱顶水平位移相等的排架。

2、内力计算方法：

剪力分配法

3、柱顶水平集中力作用下等高排架的内力分析

柱顶水平集中力作用下等高排架的内力计算方法：

剪力分配法

利用三个条件求解柱顶剪力：

平衡、变形和物理条件

①平衡条件：

柱顶作用的水平力与各柱顶的水平剪力平衡

②变形条件：

横梁轴向刚度无穷大，各柱顶的位移相等

③物理条件：

各柱的柱顶剪力和柱顶位置的关系

柱顶剪力：

剪力分配系数：

第i根柱的抗剪刚度与所有柱的总的抗剪刚度的比值，。

式中：

4、任意荷载作用下等高排架的内力分析

求解步骤：

（1）在排架柱顶附加一个不动铰支座，限制其水平侧移；

（2）此时排架变为多根一次超静定柱，利用柱顶反力系数可求得各柱顶反力Ri及相应的柱端剪力，则柱顶假想的不动铰支座反力为；

（3）撤除不动铰支座，将R反向加于排架柱顶，用剪力分配法将其分配给各柱，求得柱顶剪力为；

（4）叠加上述计算结果，可得到排架在任意荷载作用下的柱顶剪力，至此，排架各柱的内力即可求解。

历年试题30：

2010.1单层厂房排架结构如图a所示。

已知W=15.0kN，q1=0.8kN／m，q2=0.4kN／m。

试用剪力分配法计算各柱的柱顶剪力。

（提示：

支反力系数C11=0.3，见图b

（1）；图b

（2）、b（3）中的△u1=2△u2）

【答案】

（1）计算剪力分配系数

（2）计算各柱顶剪力

把荷载分成W、q1、q2三种情况，分别求出各柱顶所产生的剪力而后叠加

q1作用下的不动铰支座反力：

q2作用下的不动铰支座反力：

在排架柱顶施加集中力和，并把它们与W相加后进行剪力分配，再把分配到的柱顶剪力与柱顶不动铰支座反力相加，得到柱顶的剪力值

【解析】该题考查对用剪力分配法进行排架柱内力分析的步骤的理解和识记。

参考教材第54-57页。

（五）内力组合（考点15）——P57-60

1、控制截面：

指对柱配筋和基础设计起控制作用的截面

2、柱的控制截面：

（1）Ⅰ-Ⅰ上柱柱底截面：

上