建筑结构与选型1.2-1.4

1.2 建筑结构的荷载、作用和效应1.2.1 荷载和作用1. 按荷载随时间的变异分永久荷载 permanent load （恒载）：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，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。

可变荷载 variable load （活载）：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以忽略不计的荷载。

偶然荷载 accidental load ：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.按结构的动力效应分：静载（static load ）动载（dynamic load ）3.按实际分布情况分：集中荷载分布荷载：均布荷载4. 按荷载作用方向分：竖向荷载：自重、活荷载水平荷载：风荷载、地震作用 、水或土侧压。

构件自重 总恒载（含构造做法）混凝土结构： w=4-6kN/m2 W=10-14kN/m2钢结构： w=2.5-4kN/m2 W=6-9kN/m2木结构： w=2-2.5kN/m2 W=4-7kN/m2等效均布荷载结构设计时，楼面上不连续分布的实际荷载，一般采用均布荷载代替；等效均布荷载系指其在结构上所得的荷载效应能与实际的荷载效应保持一致的均布荷载。

（弯矩等效、剪力等效） 从属面积从属面积是在计算梁柱构件时采用，它是指所计算构件负荷的楼面面积，它应由楼板的剪力零线划分，在实际应用中可作适当简化。

动力系数基本雪压雪荷载的基准压力，一般按当地空旷平坦地面上积雪自重的观测数据，经概率统计得出50年一遇最大值确定。

基本风压风荷载的基准压力，一般按当地空旷平坦地面上10m 高度处10min 平均的风速观测数据，经概率统计得出50年一遇最大值确定的风速，再考虑相应的空气密度，按公式(D.2.2-4)确定的风压。

0ωμμβz s z k w = 1600/200v w =地面粗糙度 terrain roughness风在到达结构物以前吹越过2km 范围内的地面时，描述该地面上不规则障碍物分布状况的等级。

温度作用1 混凝土施工期：考虑外界气温、混凝土浇筑温度、胶凝材料水化热、调节结构温度状态的人工温控措施、建筑物基底及相邻部分的热量传导等；2 结构使用期：考虑季节温差、外界气温、结构表面日照等周期性影响等，其温度作用计算参数及周期变化过程应取自工程附近气象水文部门的实测资料。

沉降作用1.2.2 荷载效应效应（effect ）内力效应：N （拉tension 、压compression ）、M （弯moment ）、V （剪shear ）、T （扭torsion ） 变形效应：挠度、侧移、变形2max 81ql M = ql V 21max =EI ql 38454max =∆ 建筑结构设计的一个重要内容就是按照荷载效应根据材料的性质选择形状和尺寸。

1.2.3 荷载传递路线牛顿第三定律：任何一种作用都有一种大小相等、方向相反的反作用。

人站在楼板上：人对楼板施加荷载，楼板对人有反（作用）力。

每当结构有荷载时就一定有反力（垂直、水平和力矩），这些反力必须是平衡的： 垂直荷载之和=垂直反力之和水平荷载之和=水平反力之和荷载力矩之和=反作用力矩（之和）框架结构： 竖向：板-梁-柱-基础水平向：纵墙-板（梁）-柱-基础剪力墙结构：竖向：板-梁（墙）-墙-基础水平向：纵墙-横墙-板（梁）-柱-基础（阅读教材第12-13页。

）1.3 建筑结构中的材料及基本性能三次飞跃：砖瓦：公元前11世纪-公元前5世纪钢铁：17世纪20年代-19世纪初水泥：19世纪20年代建筑材料是指用于建筑和土木工程领域的各种材料的总称，简称“建材”。

狭义上：土建工程的材料，如钢、木材、玻璃、水泥、涂料等。

广义上：建筑设备的材料，如电线、水管等建筑学科的“建筑材料”是指对不同建筑材料的物理和化学特性进行研究的学科。

分类：化学组成：有机材料、无机材料以及复合材料。

材料来源：天然材料和人工材料。

使用功能：结构材料、防水材料、装饰材料及绝热材料。

物理特性：刚性材料和塑性材料，防水材料和不防水材料，透明材料和不透明材料，抗压材料和抗拉材料等等。

1.3.1 常用结构材料基本性能（1）弹性和线弹性结构材料承受荷载其形状会改变，移去荷载，恢复原状。

称为弹性荷载与变形成正比的弹性状态为线弹性。

11∆→p 22∆→p 1212∆∆=p p11∆→p 22∆→p 21P P →1212∆∆=p p 材料处于弹性状态 32P P → ？（2）塑性、脆性塑性:当结构材料荷载承受更大荷载时，移去荷载，有残余变形，变形不能恢复原状。

脆性：应力应变关系为直线（接近），破坏突然发生。

不同的结构材料弹、塑性是不同的。

有塑性的材料称为塑性材料，如钢材等，这类材料 一旦出现塑性有发生破坏的预兆；反之称为脆性材料如石材、玻璃等。

（3）延性材料超越弹性极限后至破坏前耐受变形的能力。

（4）弹性模量和变形模量弹性模量：指材料在线弹性极限范围内的应力应变关系（成正比例）变形模量：割线模量、切线模量阅读并理解P15（5）1.3.2 材料的基本力学性能和与结构反应的关系简支梁的挠曲线微分方程：EI M dx y d =22 y EI M ''-=挠度方程：21c x c dxdy EI M y ⎰⎰++=E--弹性模量，I--惯性矩梁的挠度与材料的力学性能相关。

荷载作用下结构反应与材料-应变关系的一致性。

1.3.3 常用材料的耐久性能耐久性（Durability ）是材料抵抗自身和自然环境双重因素（物理的、化学的、生物的） 长期破坏作用的能力。

即保证其经久耐用的能力。

耐久性越好，材料的使用寿命越长。

混凝土—干湿（温度、日照）、冻融、酸盐侵蚀、不密实；钢材—氧气、二氧化硫；酸性介质、潮湿环境木材—虫菌侵蚀。

常用的四种建筑材料：钢材、混凝土、木材、砌体1.3.4 钢材、混凝土、木材、砌体的基本概念 1、钢材：型钢、线材 屈服应力（设计强度）：下屈服点 极限应力（抗拉强度）：伸长率：拉断前的最大变形/原长度冲击韧性：断裂时吸收机械能量的能力冷弯性能：承受规定弯曲变形的能力可焊性:在指定构造形式和焊接工艺条件下，获得符合质量要求的焊缝连接性能。

钢筋的种类其中HPB235（Q235）为热轧光圆一级钢筋、HRB335为热轧带肋二级钢筋、HRB400为热轧带肋三级钢筋、RRB400为余热处理三级钢筋。

H-热轧、P-光圆、R-带肋、B-钢筋后面的数字代表屈服强度比如235表示一级钢的屈服强度为235MPa 。

另外根据炼钢时脱氧程度的不同，钢可分为沸腾钢（符号f 表示）、镇静钢（符号z 表示）和半镇静钢（符号bz 表示）三类。

se a ’ a bc d e f u f y f钢筋的种类及选用我国常见钢筋外形2、混凝土水、水泥、砂、石、添加剂拌合物，在模板中成型。

骨料：70%；水灰比：0.35-0.4C30 ：150Χ150Χ150mm试块，温度20±2℃,相对湿度为95%以上的标准养护室中养护28天，标准试验加载，抗压强度为30兆帕。

现场养护不少于7天。

强度等级：C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50~C80共14级C —混凝土；30—立方体抗压强度的标准值为30N/mm2混凝土的主要力学和工艺性能极限应力（抗压/拉强度）：标准试块、条件、试验极限应变：一般取0.0033弹性模量：应力-应变曲线原点处切线的斜率收缩和徐变：收缩不受荷载时体积缩小徐变应力不变时变形增加和易性：施工过程中混凝土易于浇筑和密实成型不发生离析现象的性能；以塌落度高度表示。

3、木材锯材、胶合板针叶树：松木、杉木（阔叶树）原木、方木、条木含水率、缩胀性、腐蚀性、可燃性1）横顺纹力学性能不同，顺纹/横纹：5-7倍2）力学性能受含水率的影响大3）力学性能受天然材料局部缺陷的影响《木结构设计规范》规定：针叶松树种有TC17-TC11共四个级别4、砌体砌块：砖、石、砌块砂浆：水泥砂浆、混合砂浆、石灰砂浆由两种材料粘结叠合而成，力学性能受块材和砂浆两者的影响。

手工完成，质量受瓦工技术水平、现场气候、环境条件影响。

强度值（压、拉）：1.89/0.19（砖）、2.07/0.1（粉煤灰砖）、5.68/0.09（混凝土砌块）钢材、混凝土、木材、砌体有关指标的比较四种常用材料综合评价钢材应用是发展方向；混凝土广泛应用；木材应用要限制；砌体普遍建造中小型房屋；组合结构，将得到很快发展。

1.4 建筑结构的失效和结构的两类极限状态预定功能要求：1 在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用；2 在正常使用时具有良好的工作性能；3 在正常维护下具有足够的耐久性能；4 在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。

安全性、适用性、耐久性结构失效：破坏：应力（应变）超过材料极限值，压缩、拉伸、剪切、弯曲、扭曲破坏。

压屈或失稳：长细比过大而压屈或连接处失效形成可变体系。

变形过大（含裂缝过宽）耐久性丧失倾覆或滑移：作为刚体失去平衡极限状态可分为下列两类：1承载能力极限状态。

对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。

2正常使用极限状态。

对应于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。

当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态：1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；2）结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），或因过度变形而不适于继续承载；3）结构转变为机动体系；4）结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）；5）地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）。

当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了正常使用极限状态：1）影响正常使用或外观的变形；2）影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；3）影响正常使用的振动；4）影响正常使用的其他特定状态。

建筑结构设计时，应根据结构在施工和使用中的环境条件和影响，区分下列三种设计状况：1 持久状况。

在结构使用过程中一定出现，其持续期很长的状况。

持续期一般与设计使用年限为同一数量级；2 短暂状况。

在结构施工和使用过程中出现概率较大，而与设计使用年限相比，持续期很短的状况，如施工和维修等；3 偶然状况。

在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的状况，如火灾、爆炸、撞击等。

对于不同的设计状况，可采用相应的结构体系、可靠度水准和基本变量等。

建筑结构的三种设计状况应分别进行下列极限状态设计：1 对三种设计状况，均应进行承载能力极限状态设计；2 对持久状况，尚应进行正常使用极限状态设计；3 对短暂状况，可根据需要进行正常使用极限状态设计。

结构极限状态方程：S-R=0S-R≤0或S≤R；f-[f]≤0或f≤[f]结构的抗力要大于结构的内力结构的变形要小于规定的限值结构的失效和结构的两类极限状态四个要素：（1）荷载（2）结构的类型及截面几何特征（3）效应（内力、变形、裂缝）（4）材料性能（fu、fy、E、εu、弹性、塑性、延性）荷载和材料性能都是随机变量（过程），与概率相关联，采用基于概率概念的可靠度理论进行结构设计。